352009年5-6期 地质条件、冰川后退和冻土退化等要素对罗萨峰东侧高山岩壁边坡稳定性的影响地质条件、冰川后退和冻土退化等要素对罗萨峰东侧高山岩壁边坡稳定性的影响*L. Fischer等（Glaciology and Geomorphodynamics Group, Department of Geography, University of Zurich, Winterthurerstrasse 190, 8057 Z¨urich, Switzerland）翻译：闵思佳；校对：孙建平 【摘 要】 罗萨峰东侧是意大利阿尔卑斯山侧翼的最高峰（海拔高度2200～4500m）险峻的冰川和冻土覆盖了大部分岩壁自小冰期末以后（约1850年），悬冰川和永久积雪原出现了持续后退最近几十年，罗萨峰东侧的冰盖快速而剧烈地缩小，使一部分冰川已经完全消失观测到了新的边坡不稳定、重力作用导致块体移动的脱离带发育、岩崩和泥石流活动增多本研究是以多学科调查为基础，结果表明，大部分岩崩脱离带和泥石流位于近期表层冰消融的地区另外，大部分脱离带位于冻土带，特别是位于大部分靠近模拟和评估的局部冻土分布区的下边界。
随着大气变暖乃至这种变暖情况及其相关变化持续增加，罗萨峰东侧边坡的不稳定性将很可能成为严重的灾害源1 前言在常年处于冰冻、冰川覆盖的山区，对大气温度变化的反应是敏感的总体上，20世纪气候变化对高山区冰川及冰川边缘带产生了显著影响这个变化是十分惊人的例如，阿尔卑斯山脉冰川的退化，阿尔卑斯山冻土的变化虽迟缓却也非常显著在上个世纪，阿尔卑斯山上部数十米处，温度升高了0.5℃～0.8℃小冰期以来出现了明显变化，下部冻土边界平均每年垂直升高1m Geology, glacier retreat and permafrost degradation as controlling factors of slope instabilities in a high-mountain rock wall: the Monte Rosa east face Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 6, 761–772, 2006 www.nat-hazards-earth-syst- Author(s) 2006.上述变化对险峻的高山岩壁同样有强烈影响，陡峭高山岩壁的特点在于被悬冰川和永久积雪原大面积覆盖了岩壁侧面及存有大量冻土的区域。
这个岩壁侧面的边坡稳定性受许多要素影响然而，其中温度、岩壁和冰的应力场，以及水文状况起着十分重要的作用这些要素受到表层冰和地下冰变化的强烈影响，其中的不利地质因素即不连续性地层和岩性以及边坡不稳定性，会导致和加剧如岩崩、泥石流、冰崩等物质运动然而，相互作用过程是极其复杂的，边坡不稳定性的一些主要内容仍未研究清楚，尤其是陡翼上冰川与冻土之间的互相作用，以及冰川和冻土与其它要素之间的相互关系仍处于探索阶段陡峭岩壁上的冰川收缩（shrinkage）暴露了大部分区域基岩，导致深部岩石温度和应力场发生改变另外，以前冰覆盖下的岩壁遭受了机械侵蚀和热侵蚀由于裂缝和裂缝的成冰作用，从冰冻的向先前解冻的或未冻的物质渗透加剧了岩石破坏的潜力相反，这种成冰作用降低了近地表岩壁的透水性，并导致未冻结裂隙岩石内的水压力加大冻土退化和地下冰温度的升高对险峻岩壁稳定性有强烈影响，尤其是相对出现冻土升温的断面在地下几十米深度处，大部分现存的多年冰冻岩壁的温度将升高，因而，由于冰水同存于裂缝、裂隙中，当周围温度接近0℃时，众所周知达到了稳定性的临界状态2001年，Davies等人根据直剪盒试验得出，温度的升高会使非连续冰块的抗剪强度降低，并且岩壁的安全系数也降低。
因此，冻土升温很可能增加边坡失稳的规模和频率罗萨峰正是阿尔卑斯山侧翼变化发展的真实例证在过去20多年里，冰盖的变化与块体运动明显增加本项研究的第一步分析说明上世纪罗萨峰地质、冰川状况对于地质条件、冰川、冻土三个不同要素，我们采取了多学科技术调查分析，应用了航空摄影测量、空中倾斜摄影、地形测绘、目测、野外填图、模拟等方法，其目的有两点：一是分析三大要素间的联系，二是研究罗萨峰东侧边坡不稳定性为了评价不同调查要素的作用，我们对此进行了分析和比较虽然调查技术是有效的，但更重要的是对相关要素的综合分析事实上，在许多文献中也涉及到有关岩壁的稳定性不同于本文之处是它们没有把高海拔冰川岩壁作为重点研究对象图 1 罗萨峰东侧和贝尔维迪尔冰川箭头为岩壁的主要块体移动带方向；褐色为岩崩区，蓝色为泥石流和冰崩区2 研究场地和观测的块体移动2.1 罗萨峰东侧罗萨峰（见图1）是阿尔卑斯山脉最高险的山脉（海拔高度2200～4500m）位于意大利北部Macugnaga村Anzasca山谷上方周围有Dufourspitze、Nordend、Zumsteinspitze和Signalkuppe等山峰位于岩壁顶端的山峰海拔大多高于4500m。
罗萨峰表面多被险峻悬冰川和永久积雪原覆盖自上一个最大规模冰川以来（小冰期 1850年），悬冰川和永久积雪原略微地有些后退然而，近几十年罗萨峰东侧冰盖在范围和厚度上出现了快速而剧烈的消损尽管冻土分布不可直接观测，但相信正如欧洲阿尔卑斯山脉的大部分区域一样，冻土范围和地温发生了变化2.2 贝尔维迪尔冰川贝尔维迪尔冰川位于罗萨峰山脉的山脚下气候潮湿，大量的覆盖冰川冰碛物来自悬冰川、冰崩、雪崩，以及罗萨峰东部山脉的岩崩在2000年夏季和2001年夏季期间，贝尔维迪尔冰川移动速度增加了一个数量级，局部冰川表面剧烈上升了10～25m然而在罗萨峰东侧山脚下，贝尔维迪尔冰川却出现了一个大洼地，冰川表面下降了15～35m这可能是由于冰内水压增强或冰川运动相关作用的结果2001年9月形成了Effimero冰川湖，在接下来的2个夏季其体积达到3×10 6 m3中小型岩崩和雪崩使湖的地形连续降低，形成湖的储水盆然而，一旦罗萨峰东侧的中颗粒块体移动到达有水的冰湖时，将引发灾难性的连锁反应，如洪水或泥石流等灾害2.3 块体移动 高而陡的罗萨峰东侧常发生块体移动然而，近二十年内，罗萨峰东侧块体移动大幅度增多，出现了新的岩崩脱离带、泥石流、冰雪崩现象。
根据2003年夏至2004年夏期间的野外调查、当地人员报告、1885年以来照片及1956年的航空照片对块体移动进行分析分析表明， 1985年前罗萨峰东侧低海拔部位冰川上几乎没有扇状岩屑，1990年以来才有扇状岩屑图 2 调查区草图在野外调查中，我们可观察到的主要地表块体移动现象有岩崩、泥石流、冰雪崩等（见图1）岩崩脱离带分布在整个罗萨峰东侧海拔3500m以上的陡峭岩壁上大多岩崩运动是从Parete Innominata(见图1、1号)到Channel Imseng 上下的悬冰川（5号）在Jagerjoch(2号)、Jagerhorn(3号)和Signalkuppe东侧(4号)地带偶尔可观测到岩崩大量岩屑沉积物多分布在沟谷和冰川表面，在岩壁底部尚未观测到岩崩出现 春、夏、秋三季节中岩崩强度明显不同，层出迭起在2003年炎热夏季的野外调查中，每天都可见到来自不同脱离带的岩崩即使在冬天，重力物质运动也会少有发生，这表明一些区域基岩非常不稳定岩崩状况不只受夏季解冻、融化冰的影响，更取决于冰川变化、冻土、基岩的状况泥石流通常发生在Imseng和Marinelli沟谷（见图1、5号 6号），偶尔也在Zapparoli（7号）沟谷出现。
由岩崩和基岩物理风化形成的岩屑沉积物构成了运移物质所谓泥石流是指岩屑和水的混合物，有的还含有相当数量的冰它们尤其多发生在夏季，那时罗萨峰东侧出现大量冰水在2003年夏，气温较高，几乎每天都可观察到在陡峭的山脉区域，相对小而频繁地发生冰崩正如我们从罗萨峰东侧观测到的那样，常与它们的自然消融相对应（见图1 Ghiacciaio del Signal 8号；Ghiacciaio del Monte Rosa 9号）然而最近发生了规模比较大的冰崩，尤其是在Imseng沟谷区域（见图1、5号）从1999年到2001年期间，大约有350m长的冰川消失了，最终可能引发冰崩事件2005年8月，这个地方发生了一次重大的冰雪崩，估计体积有1.1×10 6 m3，冰崩的体积沿着岩屑和冰的侵蚀路径而增加贝尔维迪尔冰川上沉积了这些物质的主要部分，特别是前者Effimero湖是低洼湖，几乎是空的（见图3 红色标记）雪崩的粉末物质包括冰和岩屑碎片，而落在BELVEDERE冰川冰碛面，覆盖了Hut Zamboni周围的平地见图3 黄色标记）幸运的是这次冰崩发生在夜间，没有游人停留在Rifugio周围在白天可能有一些探险者来到这个平地和冰碛上，他们会有受伤甚至伤亡的可能。
3 方法从多学科角度分析，罗萨峰东侧边坡稳定性受着三个不同潜在要素的影响，它们分别是：（1）地质条件；（2）冻土分布；（3）冰蚀变化第一步，逐一分析这三个要素，评估最近变化和现状，这部分的结论在本文第四项中讨论第二步，综合上一步分析的结果，与当前持续块体运动的脱离带进行比较将三个分析的要素与实际脱离带位置进行比较，将脱离带标在三个调查要素的每幅图中，从而，可以直接进行比较，第二部分的结果在本文第五节中讨论图 3 2005年8月过渡带和冰、岩崩沉积区红色表示固态冰、岩崩体； 黄色表示粉末状雪崩；1号为Zamboni屋脊；2号为Effimero湖，1999年的航片上没有标出3.1 脱离带根据每天的野外观测、摄影测量、倾斜拍摄，对脱离带进行探测和分析在2003年夏季和2004年夏季进行野外调查，所以，脱离带的调查实际是这几年才进行的野外调查可以观测和记录脱离带运移路径、重力物质运动的频率等过程由于远距离填图和同区域多事件的不确定性，脱离带仅被标记为一个点和圆圈为了与地质条件对比，将脱离带分为2组一组为冰崩，另一组为岩崩或泥石流由于大部分泥石流与岩崩带是紧密相连的，所以脱离带上的岩崩和泥石流是相邻的。
3.2 地质条件地质条件是边坡稳定性分析的基本参数，通过野外的罗萨峰地质环境调查可绘制其地质图由于罗萨峰东侧大部分很难攀爬，所以，通常是站在对面的边坡来绘图我们以Zermatt地形图和Moro峰作为参考来绘制，甚至把瑞士的1：25000地形图和Bearth的研究资料都用来做岩性分类，为了进一步深入调查，我们还采取了地理信息系统（GIS）方法来对野外地形图数字化3.3 冻土分布为了评估罗萨峰东侧的冻土分布，以及它们与边坡稳定性的关系，我们采用了两种模型推算冻土的下限边界定义这个区域为暖冻土层，它的温度边界在0°C以下，并含有液态水因此，推断是冻土退化的最敏感地带首先使用PERMAKART模型它是基于所谓的“拇指准则”预测冻土的模型，是Haeberli早期开发的，用于瑞士东部阿尔卑斯山脉的预测基于DEM的输入，PERMAKART主要考虑了与方位有关的辐射效应、与海拔高度有关的气温坡变化及与脚区域有关的覆盖（崩体沉积物形成了持久的积雪）在瑞士东部阿尔卑斯山的Upper Engdina，对这些经验关系进行了推断与校对，结果基本符合罗萨高原/特斯塔格里加气象局对罗萨峰海拔3488m做的0℃等温线上的高程和气温梯度。
根据罗萨高原站的-5.8℃的测试情况和0.57℃/100m的梯度率，得出0℃等温线高程为海拔2470m该计算是基于一个25m的网格及4~6m范围的垂直精度然而，罗萨峰东侧的地势极端，且它的边缘位置在瑞。