Evaluation on the effect of glacier retreat for the development of deep seated slope deformation: Aletschglacier, Switzerland

Abstract

This master thesis investigates the development of a deep seated gravitational slope deformation (DSGSD) as a response to active glacier retreat. The instability is located in the Swiss Alps close to the tongue of the Great Aletschglacier, where the glacier has diminished with a thickness of around 300 meter since the Little Ice Age (LIA) [Kelly, 2004]. The loss of ice volume in the terminus sections of glaciers can trigger landslides, the unloading of the melting ice causes loss of confinement for the slope, which leads to stress redistribution in the bedrock, and under certain geological conditions, higher stress levels can come to exceed the rock mass strength and the slope becomes kinematically unstable [Agliardi et al., 2000; Ballantyne, 2002].

DSGSD related features like tension cracks, graben structures, trenches, scarps and counterscarps has been sighted in the area, and slope movements have been monitored since 1992 with Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) and Differential Global Positioning System (DGPS) [Strozzi et al., 2007]. In the latest 3 to 4 years the slope movements has shown an exponentially increasing acceleration. In the summer of 2009 velocities of up to 3 - 4 cm/month were measured [Strozzi et al., 2010].

In order to characterise the kinematics, the existence of DSGSD related structures and the future evolution of the instability, there was need for an extensive field investigation. The field investigations include geomorphological mapping, lithological mapping, groundwater investigation, mapping of joint systems, rock mass classification and displacement measurement using tape extensometers.

Field investigations show that due to the structural settings of the slope, with only one well-defined joint set that dips into the slope (anaclinal settings), there is reason to believe that the slope is affected by flexural toppling.

Kinematic analysis is performed with commercial software from Rocscience, both in a stereo net analysis using Dips and with numerical modelling using Phase2. The two different analyses are used as complementary to each other and confirm flexural toppling as a likely mode of failure. In the stereo net analysis we can see if the slope has kinematical freedom to topple [Goodman & Bray, 1976] and in the numerical modelling we can analyse how the slope deforms under the influence of gravity and how DSGSD related structures may develop as a result of the deformation.

Evaluation on deformation measured with InSAR, DGPS and tape extensometers shows that there is no defined border of the instability and that there is a great deal of internal deformation going on, also the numerical modelling agrees with the derived displacement vectors.

We can assume an approximately area of 2 km2 of the instability, based on observation of DSGSD related morpho structures, and an average depth of 200 m, based on the numerical modelling. With this assumption the total volume of the affected rock mass can be estimated to 400 million m3.

Morphological investigations also conclude with that the slope movements are probably directly connected to the retreat of the Great Aletschglacier and have been going on since the Last Glacial Maximum (LGM), with more or less activity. Recent glacier retreat is believed to have reactivated these slope movements. However the activity of slope movements is believed to diminish in the future due to the self-stabilizing effect of flexural toppling. Therefore a catastrophic failure is not likely to occur.

Denne masteroppgaven undersøker utviklingen av en dypt sittende gravitativ skrånings deformasjon (Deep-Seated Gravitational Slope Deformation, DSGSD), tilfølge av aktiv bre-retrett. Den ustabile fjellsiden ligger i de sveitsiske alpene, nær brefronten av Grosse Aletschgletcher, der breen har minket med en tykkelse på rundt 300 meter siden den lille istid (Little Ice Age, LIA) [Kelly, 2004]. Tapet av is volum fra breen kan utløse fjell skred, avlasting fra isen fører til stress omfordeling i berggrunnen, og under visse geologiske forhold, kan høyere stressnivå komme til å overstige bergmassens styrke og skråningen blir kinematisk ustabil [Agliardi et al., 2000; Ballantyne, 2002].

DSGSD relaterte strukturer som tensjons sprekker, graben strukturer, forsenkninger, ras kanter og oppover rettede kanter (Counterscarps) har blitt observert i området, og bevegelser i fjellet har vært overvåket siden 1992 med Interferometri Synthetic Aperture Radar (InSAR), og Differensiell Globalt Posisjonerings System (DGPS) [Strozzi et al., 2007]. I de siste 3 til 4 årene har bevegelsene vist en eksponentielt økende akselerasjon og under sommeren 2009 var hastigheter på opp til 3 - 4 cm/måned oppmålt [Strozzi et al., 2010].

For å kunne karakterisere kinematikken, dannelsen av de DSGSD relaterte strukturene og den fremtidige utviklingen av skråningen, så har et omfattende feltarbeid gjennomførts. Dette feltarbeid inkluderer geomorfologisk kartlegging, berggrunns kartlegging, grunnvann undersøkelser, kartlegging av sprekke systemer, bergmasse klassifisering og deformasjons måling ved bruk av ekstensometers.

Felt undersøkelsene viser at på grunn av de strukturelle betingelsene, med bare ett godt definert sprekkesett som faller steilt in i skråningen (anaclinal settings), er det grunn til å tro at skråningen er berørt av flexural toppling (utvelting).

Kinematisk analyse har gjennomførts med kommersielle programvare, både i en stereonett analyse med Dips og med hjelp av numerisk modellering i Phase2. De to ulike analyser er brukt som komplement til hverandre og bekrefter flexural toppling som en sannsynlig bevegelse mekanisme. I stereo nettet analysen kan vi se om skråningen har kinematisk frihet til å velte ut [Goodman & Bray, 1976] og i den numeriske modelleringen kan vi analysere hvordan skråningen deformeres under gravitativ påvirkning og hvordan DSGSD relaterte strukturer utvikler seg som følge av deformasjonen.

Vurdering av deformasjoner målte med InSAR, DGPS og ekstensometers viser at det er ikke en definert grense av bevegelser, og at skråningen også påvirkes av intern deformasjon, også den numeriske modellering viser dette.

På basis av de observerte DSGSD relaterte morfologiske strukturene, kan vi anta en ca. areal av det ustabile fjellpartiet på 2 km2 og på basis av den numeriske modelleringen er en gjennomsnittlig dybde estimert til 200 meter. Med disse antagelsene så kan det totale volumet av den berørte bergmassen anslås til 400 millioner m3.

Undersøkelser av geomorfologien konkluderer også med at det ustabile fjellpartiet er troligvis direkte koblet til retretten av Grosse Aletschgletscher og har pågått siden siste istids maksimale utbredelse (LGM), med mer eller mindre aktivitet. Seneste tidens store isbres-avsmelting antas å ha reaktivert disse bevegelsene. I fremtiden ventes bevegelsene å avta, på grunn av de selv-stabiliserende effekter som flexural toppling kan ha. Derfor er et ras med katastrofale følger lite sannsynlig.