论文标题：The Destabilizing Effect of Glacial Unloading on a Large Volcanic Slope Instability in Southeast Iceland

原文链接：https://www.mdpi.com/2624-795X/6/1/1

期刊名：GeoHazards

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/geohazards

研究背景

自20世纪初以来，全球气温上升导致世界各地的冰川普遍退缩，暴露出许多陡峭的山坡。这些斜坡为了适应新的无冰环境，常常通过滑坡等过程进行调整。在冰岛、挪威、苏格兰等地，研究均发现滑坡活动在冰川消退期间及之后呈现出时间上的聚集性，这与气候变暖密切相关。冰川的消失通过多种方式影响边坡稳定性，包括机械卸载（即冰川重量减轻对下伏基岩应力的改变）、水文条件变化（如地下水位的调整）以及岩石风化加剧等。特别是对于火山结构，其岩石组合通常相对较弱且结构复杂，更容易发生大规模边坡失稳。位于冰岛东南部Öræfajökull火山侧的Svinafellsjökull出口冰川区域，在21世纪初出现了一系列边坡不稳定现象，其中最大的一个位于名为Svarthamrar的斜坡上。本文旨在深入探讨冰川卸载对这一大型火山边坡不稳定性的具体影响机制。

图1.基于三维建模设置的冰川范围情景及其参考冰川范围

研究内容

本研究聚焦于冰岛东南部Svinafellsjökull冰川北侧的Svarthamrar大型边坡不稳定体。该不稳定体由一个长达2公里以上的裂缝系统所界定，形成了约0.9平方公里的潜在滑移区域，预估体积在5000万至1.5亿立方米之间。变形活动始于21世纪初，恰逢该冰川经历自小冰期结束以来最快速的减薄期（约3米/年），而在2013年一场碎屑崩积物覆盖冰川表面、2011年后冰川减薄趋于停滞之后，边坡变形也随之停止。这种时间上的相关性强烈暗示冰川的变化对该边坡的稳定性具有重要控制作用。为了量化冰川卸载的失稳效应，研究团队进行了详细的地质测绘、结构分析，并利用雷达回声探测技术更新了冰川床地形。地质调查揭示，该边坡由相对古老（>78万年，前布容尼斯期）的玄武岩基底和其上更年轻（<78万年，布容尼斯期）的火山碎屑岩（如火山碎屑角砾岩、玻质碎屑岩）和熔岩互层组成。边坡内部存在先存的构造不连续面，包括一条具有约15米垂直位移的正断层，以及大量指示过去冰川侵蚀活动的倾斜沉积间断面。这些固有的地质结构为潜在滑移面的发育提供了 predisposed 条件。基于这些地质模型，研究人员使用极限平衡法（LEM）模拟了不同冰川厚度情景下（从1890年小冰期末期到完全消融）边坡的稳定性，并计算了安全系数（FOS）。

图2.显示了冰川槽和Svarthamrar山坡剖面图。

模拟结果表明，冰川卸载确实对边坡稳定性产生显著的失稳效应。随着冰川变薄，所有预设滑移面的安全系数均呈现下降趋势。这种失稳效应的程度主要取决于潜在滑移面的几何形态和深度：滑移面越深，延伸到冰川下方的部分越多，冰川卸载导致的相对安全系数损失就越大（例如，最深的SL1滑移面从1890年至完全消融，安全系数下降了约35.6%）；而较浅的滑移面在冰川消退到其下方后，失稳效应则趋于稳定。研究还特别指出，2013年发生的碎屑崩积物覆盖在冰川表面，其附加荷载使边坡安全系数有小幅回升（约0.3-0.8%），这解释了为何边坡变形在近年趋于停滞。此外，研究探讨了水文条件的关键作用。当考虑冰川减薄会同步降低其下承压水压，从而导致边坡内地下水位下降时，这种水文效应会起到稳定作用。对于深部滑移面，冰川卸载的失稳效应占主导，安全系数总体仍下降；而对于浅部滑移面，地下水位的降低带来的稳定效应可能超过冰川卸载的失稳效应，导致安全系数在冰川消退后反而升高。模拟还揭示，在冰川快速减薄期间，如果边坡内地下水位调整滞后于冰川下伏水压的下降，会形成一个暂时的“水力梯度窗口期”，在此期间边坡稳定性会额外降低，这可能解释了2000年代初期边坡变形活跃的现象。外部触发因素如地震（模拟显示，相当于0.1g地面加速度的地震可使安全系数降低约15-19%）或强降雨，在冰川持续减薄的背景下，更容易引发失稳。

研究总结

本研究通过多学科方法证实，冰川卸载是驱动Svarthamrar边坡不稳定性发展的关键因素。冰川的消融不仅直接减轻了作用于潜在滑移面上的法向应力，还通过改变区域水文条件产生复杂影响。深层滑移面在整个冰川消退过程中将持续变得不稳定，并且对外部触发因素（如地震、极端降水）的敏感性增加；而浅层滑移面可能在冰川完全从其下方消退后趋于稳定。2013年崩积物带来的短暂稳定效应预示着，随着这些物质被冰川运移走以及未来冰川预计将继续变薄，该边坡的不稳定性很可能被重新激活。这项研究强调了在评估冰川消退区边坡灾害时，必须综合考虑地质结构、冰川变化速率和水文过程之间的相互作用。Svarthamrar的案例为理解全球许多正在经历快速冰川消退的山区边坡稳定性提供了重要见解，指出冰川卸载本身可能不足以直接引发灾难性破坏，但能显著降低边坡稳定性，使其更易受外部因素触发，从而对下游社区构成长期威胁。对类似区域进行持续监测和深入的水文地质研究至关重要。

GeoHazards期刊介绍

主编：Prof. Dr. Zhong Lu, Roy M. Huffington Department of Earth Sciences, Southern Methodist University, Dallas, TX 75275, USA

Prof. Dr. Tiago Miguel Ferreira, Instituto Superior Técnico (IST), University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisbon, Portugal

期刊发表范围涵地球物理/地质灾害、气候及气候变化相关灾害、气象灾害、水文灾害、块体运动灾害以及人为和技术灾害等研究领域。自2020年创刊以来，被ESCI、Scopus、GeoRef等多个权威数据库收录。