Structural and lithological controls on Quaternary rock slope failures in the interior of the Devonian Hornelen basin, western Norway

Abstract

Flyfoto avslører en stor konsentrasjon av steinsprang og fjellskredavsetninger på Hennøy halvøya, tilhørende den indre delen av Hornelen devonbasseng i Vestland fylke. Øst for Svelgen bysentrum ligger Svelgsegga, hvor flere store skredarr etter fjellskred utspiller seg langs den sørøstvendte skråningen, med tilhørende avsetninger som munner ut i Svelgsvatnet. Åpne sprekker avslører ytterligere deformasjon og mulig ustabilitet. Denne studien har som mål å undersøke hvilke strukturelle og litologiske faktorer som tilrettelegger fordelingen og mengden av steinsprang og fjellskredavsetninger på halvøya.

Feltarbeid og ytterligere fjernmåling på punktskymodeller ligger til grunn for kartleggingen av geologiske strukturer og skredavsetninger. Datagrunnlaget ble brukt til å lage et detaljert regionalt strukturkart og skreddatabase. Videre strukturell analyse avslører en lav regional variasjon i den romlig fordelingen av diskontinuiteter. Den totale strukturelle sammensetningen på Hennøy halvøya kan beskrives av fem diskontinuitetssett (dipdir/dip): SS (122/33), J1 (033/83), J2 (292/78), J3 (354/86), J4 (303/35). Parallelt med den sedimentære lagningen opptrer forkastningssoner som danner tydelige sjikt i bergmassen.

Videre følger en detaljert karakterisering av kartlagte skredarr og avsetninger etter steinsprang og fjellskred i henhold til topografi, strukturell sammensetning og volum. Romlig og statistisk analyse viser at steinsprang- og fjellskredhendelser ikke er uniformt fordelt i studieområdet. Tar man skredenes volum i betrakting er det tydelig at skred med volum over 10.000 m3 er konsentrert til den østlige delen av studieområdet på skråninger som er parallelle med den sedimentære langingen. Lagparallelle diskontinuiteter er videre gjenkjent som den viktigste kontrollerende faktoren for skredmasser over 10.000 m3. Hele 93% av alle de dokumenterte skredhendelsene er gjenkjent som planutglidinger langs lagningen. Tolkninger av skredmorfologien og romlig fordeling av diskontinuiteter tilsier at fordelingen av skred med volum over 10.000 m3 også er betinget av et svært utholdende sprekkesett J1 (033/83). Settet fungerer som lateral avgrensning for skredmassen og danner sammen med lagningen avlange skredarr som karakteriserer alle de kartlagte skredhendelsene med volum over 100.000 m3.

Steinsprang viser til forskjell tydelig skjev romlig fordeling, med størst andel avsetninger på sørlig og nordvestlig orienterte skråninger. Fordelingen gjenspeiler den skjeve fordelingen av bratte skråninger innenfor studieområdet. Kinematisk analyse indikerer videre at steinsprang på sørlig orienterte skråninger kan relateres til sprekkeavgrenset utvelting. På nordøstlig orienterte skråninger er steinsprang i stor grad tilrettelagt av sprekkeavgrenset kileutglidning.

Den litologiske kontrollen for fjellskred ble videre analysert ved probabilistisk stabilitetsanalyse i henhold til Eurokode. Lab og in-situ testing av bergmassen ble gjennomført for å definere bruddkriterier for videre bruk i stabilitetsanalysen. Modelleringen presenterer sprekkeutviklingen langs den laterale J1 orienterte bruddflaten og lagningsparallelle forkastningssoner som de viktigste tilretteleggende faktorene for fjellskred. Seismisk last vektlegges videre som mulig utløsningsmekanisme for fjellskred.

Den morfologiske kartleggingen resulterte avslutningsvis til gjenkjenningen av tre sprekkeavgrensede ustabiliteter med volum over 100.000 m3 langs den sørøstlige skråningen på Svelgsegga. InSAR analyse viser at det ikke forekommer signifikant bevegelse ved noen av ustabilitetene. Det anbefales at det videre gjennomføres en fareklassifisering for å fastslå stabilitetsforholdene og konsekvensene ved utrasing.

Aerial photographs reveal a large abundance of rock slope failure deposits on the Hennøy peninsula, located within the interior of Hornelen Devonian basin, Vestland county. East of Svelgen village, multiple relict rock avalanches rest along the Svelgsegga ridgeline with respective deposits fanning into the Svelgsvatnet lake. Open fractures along the slope reveal further rock slope deformation. This study aims to investigate the structural and lithological controls that control the distribution and abundance of rock slope failures on the peninsula.

Detection and mapping of geological structures and rock slope failure deposits was performed by combining field measurements and remote sensing on point cloud models. Resulting data led to the creation of a detailed, regional-scale landslide inventory and structural map for the Hennøy peninsula. Further structural analysis reveals a study-area wide consistency in the spatial distribution of discontinuities. The total structural composition of the peninsula can be attributed to five discontinuity sets (dipdir/dip): SS (122/33), J1 (033/83), J2 (292/78), J3 (354/86), J4 (303/35). Parallel to the bedding occur minor fault zones that transect the rock mass.

Furthermore, a detailed characterization of slide scars and deposits of rock slope failures was conducted, accounting for: topography, structural morphology and failure magnitude. Spatial and statistical analysis indicate that rock slope failure is not uniformly distributed. Rock slope failure exceeding (>10.000 m3) are concentrated in the eastern portion of the field area, clustered on cataclinal dip-slopes. The orientation of the bedding is the strongest conditioning factor for rock slope failures exceeding 10.000 m3, indicated by 93% of documented events failing along the bedding. Interpretation of slide scar morphology and spatial variability in structures suggests that clustering of failures exceeding 10.000 m3 is also conditioned by the presence of the highly persistent discontinuity set J1 (033/83), acting as lateral flanks. This bedding-joint intersection form long wedge-shaped slide scars, involving most relict rock slope failures exceeding 10.000 m2.

Rockfalls (<10.000 m3) display an apparent clustering on southern and northwestern slope aspects. The distribution of rockfalls correlate to the distribution of steep slopes within the study area. On southern slopes kinematic feasibility tests indicate that rockfalls are mostly related to joint delimited direct toppling from steep cliff bands. Failure on northwestern aspects are largely facilitated by joint delimited wedge failure.

Lithological control on bedding conditioned failure exceeding 100.000 m3 was further analyzed by probabilistic stability analysis according to Eurocode recommendations. Lab and in-situ testing of the rock mass defined the failure criterion applied in the modelling of rock mass strength. Analysis emphasize the degree of fracturing along the sub-vertical lateral structure and emplacement of bedding parallel minor faults as the most important controls on high magnitude bedding conditioned failure. Seismic loading additionally represent a feasible triggering mechanisms for failures.

Furthermore, three fracture delimited instabilities exceeding 100.000 m3 were defined along the Svelgseggen ridgeline located west in the study area. InSAR data indicate no movement within either of the instabilities. It is recommended that a full hazard assessment is conducted to elaborate the conditions of stability and consequence for potential future failure.