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On characteristics and flow dynamics of large rapid mass movements in glacial environments


Schneider, Demian. On characteristics and flow dynamics of large rapid mass movements in glacial environments. 2011, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Current developments of the climate involve dramatic changes in the high-mountain cryosphere, such as glacial retreat, permafrost degradation, development of new glacial lakes, release of huge masses of friable and often steep debris, and altered precipitation patterns. Consequences are increased mass turnover rates, characterized by higher frequencies and magnitudes of rock falls, debris flows and slow slope movements, but also by large (V > 106 m3) and rapid mass movements such as landslides, rock-, debris- or ice-avalanches and debris flows. Large rapid mass movements in or from glacial and periglacial high mountain environments can be attributed by extraordinary mobility, flow transformations or chain reactions implying high hazard potentials if they are reaching populated areas such as demonstrated by a number of disastrous events during the last decades. The present study concentrates on the propagation and deposition of large rapid mass movements in glacial environments. This includes aspects from general landslide long-runout mechanisms, several case studies in volcanic and non-volcanic glacial environments, numerical runout modeling, seismic data analysis, physical flow experiments in the laboratory and an empirical analysis of specific flow characteristics of large rapid mass movements in glacial environments. Simple empirical runout modeling of mass movements was applied for preliminary regional hazard assessments. For specific retrospective local case studies, physically-based dynamic numerical simulations were performed. Besides required geometric similarities between the modeled and real event, the rheologic model input parameters could be better constrained by fitting dynamic model output parameters to seismic data. As a result, insights into flow dynamics of rock-ice avalanches can be improved, such as by more accurate velocity estimations that is of interest for hazard mitigation measures. Laboratory experiments in large vertically rotating drum flumes were used to quantify the influence of ice on the friction coefficient of granular gravel-ice mixtures to make conclusions on the effects of ice on the mobility of natural rock-ice avalanches. The friction coefficient was found to decrease linearly with increasing volumetric ice content by a maximum of ~20%. For longer process durations, melting ice caused partial or complete liquefaction of the mass with a consequent reduction of the friction coefficient by nearly 50%. An empirical analysis of 64 large rock-ice avalanches has shown that the effect of the ice content is not a dominant factor in natural events. The mobility of the events revealed a correlation with the relative flow path length leading over a glacier, confirming quantitatively that the low-friction glacier surfaces effectively contribute in extending the runout distance of rapid mass movements as hypothesized by previous authors. Furthermore, rock-ice avalanches with high water content are often among the most mobile events. However, the most disastrous rapid mass movements from glacial environments have often shown a combination of features, such as large volumes, flow paths over glaciers or smooth bedrock, confined flow, high ice and water contents, strong material entrainment and flow transformations or chain reactions. Despite the broad variety and complex process interactions in large rapid mass movements in glacial environments, insights to several aspects were deepened. The findings should be extended in future by similar and additional methods to serve once as a strong basis for scenario-based modeling.


Die heutige Entwicklung des Klimas beinhaltet dramatische Veränderungen der Hochgebirgs-Kryosphäre, beispielsweise die Bildung neuer glazialer Seen, die Freigabe grosser Mengen an lockerem, häufig steilem Schutt, sowie veränderten Niederschlagsbedingungen. Die Folgen sind verstärkte Massenumsatzraten, welche durch erhöhte Frequenzen und Magnituden von Felsstürzen, Murgängen und langsamen Hangbewegungen, jedoch auch durch grosse (V > 106 m3) und schnelle Massenbewegungen wie zum Beispiel Bergstürze, Fels-, Schutt- oder Eislawinen und Murgänge in Erscheinung treten. Grosse schnelle Massenbewegungen in oder von glazialen und periglazialen Hochgebirgs- gebieten charakterisieren sich durch ausserordentliche Mobilitäten, Fliesstransformationen oder Kettenreaktionen, welche ein grosses Gefahrenpotenzial beinhalten sofern besiedelte Gebiete erreicht werden – wie es durch einige katastrophale Ereignisse in den letzten Jahrzehnten gezeigt wurde. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf das Fliessen und die Ablagerung von grossen schnellen Massenbewegungen in glazialen Gebieten. Dies beinhaltet Aspekte allgemeiner Mechanismen für grosse Auslaufdistanzen von Bergstürzen, einige Fallstudien in vulkanischen und nicht-vulkanischen glazialen Gebieten, numerische Auslaufmodellierungen, Analysen seismischer Daten, physikalische Fliessexperimente im Labor, sowie eine empirische Analyse spezifischer Fliesseigenschaften von grossen schnellen Massenbewegungen in glazialen Gebieten. Für vorläufige regionale Gefahrenbeurteilungen wurden einfache empirische Auslaufmodellierungen von Massenbewegungen verwendet während in spezifischen retrospektiven lokalen Fallstudien physikalisch-basierte dynamische Auslaufmodellierungen durchgeführt wurden. Neben den nötigen geometrischen Ähnlichkeiten zwischen den modellierten und den echten Ereignissen, konnten die rheologischen Eingangsparameter durch Einpassung dynamischer Modell-Ausgangsparameter an seismische Daten besser eingeschränkt werden. Das Ergebnis ist ein besserer Einblick in die Fliessdynamik von Fels-Eislawinen, wie beispielsweise genauere Geschwindigkeitsabschätzungen welche für Massnahmen der Gefahrenreduzierung von Interesse sind. Um den Effekt von Eis auf den Reibungskoeffizienten granularer Kies-Eisgemische und damit auf den Einfluss von Eis auf die Mobilität von natürlichen Fels-Eislawinen zu quantifizieren, wurden Laborexperimente in grossen vertikal rotierenden Trommelgerinnen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Reibungskoeffizient mit steigendem volumetrischem Eisgehalt linear bis maximal ~20% abnimmt. Bei längerer Prozessdauer verursachte schmelzendes Eis eine teilweise oder komplette Verflüssigung der Masse mit folgender Abnahme des Reibungskoeffizienten von beinahe 50%. Eine empirische Analyse von 64 grossen Fels-Eislawinen zeigte, dass der Einfluss von Eis in natürlichen Stürzen kein dominanter Faktor ist. Die Mobilität der Ereignisse zeigte einen Zusammenhang mit der über einen Gletscher führenden relativen Fliesspfadlänge, wodurch quantitativ bestätigt wurde, dass Gletscheroberflächen mit geringer Reibung zu verlängerten Auslaufdistanzen beitragen – wie bereits von früherer Autoren angenommen. Ausserdem gehören Fels-Eislawinen mit hohem Wassergehalt häufig zu denjenigen mit den grössten Auslaufdistanzen. Die verheerendsten schnellen Massenbewegungen aus glazialen Gebieten beinhalten jedoch oftmals Kombinationen von Eigenschaften wie ein grosses Volumen, Fliesspfade über Gletscher oder glatten Fels, eingeengtes Fliessen, hoher Eis- und Wassergehalt, starke Erosion von Lockermaterial sowie Fliesstransformationen oder Kettenreaktionen. Trotz der grossen Vielfalt und Komplexität der Prozessinteraktionen in grossen schnellen Massenbewegungen in glazialen Gebieten, konnten Einblicke in diverse Aspekte vertieft werden. Die Erkenntnisse sollten in Zukunft durch ähnliche und zusätzliche Methoden ausgeweitet werden um dereinst als fundierte Basis für Szenarien-basiertes Modellieren zu dienen.

Abstract

Current developments of the climate involve dramatic changes in the high-mountain cryosphere, such as glacial retreat, permafrost degradation, development of new glacial lakes, release of huge masses of friable and often steep debris, and altered precipitation patterns. Consequences are increased mass turnover rates, characterized by higher frequencies and magnitudes of rock falls, debris flows and slow slope movements, but also by large (V > 106 m3) and rapid mass movements such as landslides, rock-, debris- or ice-avalanches and debris flows. Large rapid mass movements in or from glacial and periglacial high mountain environments can be attributed by extraordinary mobility, flow transformations or chain reactions implying high hazard potentials if they are reaching populated areas such as demonstrated by a number of disastrous events during the last decades. The present study concentrates on the propagation and deposition of large rapid mass movements in glacial environments. This includes aspects from general landslide long-runout mechanisms, several case studies in volcanic and non-volcanic glacial environments, numerical runout modeling, seismic data analysis, physical flow experiments in the laboratory and an empirical analysis of specific flow characteristics of large rapid mass movements in glacial environments. Simple empirical runout modeling of mass movements was applied for preliminary regional hazard assessments. For specific retrospective local case studies, physically-based dynamic numerical simulations were performed. Besides required geometric similarities between the modeled and real event, the rheologic model input parameters could be better constrained by fitting dynamic model output parameters to seismic data. As a result, insights into flow dynamics of rock-ice avalanches can be improved, such as by more accurate velocity estimations that is of interest for hazard mitigation measures. Laboratory experiments in large vertically rotating drum flumes were used to quantify the influence of ice on the friction coefficient of granular gravel-ice mixtures to make conclusions on the effects of ice on the mobility of natural rock-ice avalanches. The friction coefficient was found to decrease linearly with increasing volumetric ice content by a maximum of ~20%. For longer process durations, melting ice caused partial or complete liquefaction of the mass with a consequent reduction of the friction coefficient by nearly 50%. An empirical analysis of 64 large rock-ice avalanches has shown that the effect of the ice content is not a dominant factor in natural events. The mobility of the events revealed a correlation with the relative flow path length leading over a glacier, confirming quantitatively that the low-friction glacier surfaces effectively contribute in extending the runout distance of rapid mass movements as hypothesized by previous authors. Furthermore, rock-ice avalanches with high water content are often among the most mobile events. However, the most disastrous rapid mass movements from glacial environments have often shown a combination of features, such as large volumes, flow paths over glaciers or smooth bedrock, confined flow, high ice and water contents, strong material entrainment and flow transformations or chain reactions. Despite the broad variety and complex process interactions in large rapid mass movements in glacial environments, insights to several aspects were deepened. The findings should be extended in future by similar and additional methods to serve once as a strong basis for scenario-based modeling.


Die heutige Entwicklung des Klimas beinhaltet dramatische Veränderungen der Hochgebirgs-Kryosphäre, beispielsweise die Bildung neuer glazialer Seen, die Freigabe grosser Mengen an lockerem, häufig steilem Schutt, sowie veränderten Niederschlagsbedingungen. Die Folgen sind verstärkte Massenumsatzraten, welche durch erhöhte Frequenzen und Magnituden von Felsstürzen, Murgängen und langsamen Hangbewegungen, jedoch auch durch grosse (V > 106 m3) und schnelle Massenbewegungen wie zum Beispiel Bergstürze, Fels-, Schutt- oder Eislawinen und Murgänge in Erscheinung treten. Grosse schnelle Massenbewegungen in oder von glazialen und periglazialen Hochgebirgs- gebieten charakterisieren sich durch ausserordentliche Mobilitäten, Fliesstransformationen oder Kettenreaktionen, welche ein grosses Gefahrenpotenzial beinhalten sofern besiedelte Gebiete erreicht werden – wie es durch einige katastrophale Ereignisse in den letzten Jahrzehnten gezeigt wurde. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf das Fliessen und die Ablagerung von grossen schnellen Massenbewegungen in glazialen Gebieten. Dies beinhaltet Aspekte allgemeiner Mechanismen für grosse Auslaufdistanzen von Bergstürzen, einige Fallstudien in vulkanischen und nicht-vulkanischen glazialen Gebieten, numerische Auslaufmodellierungen, Analysen seismischer Daten, physikalische Fliessexperimente im Labor, sowie eine empirische Analyse spezifischer Fliesseigenschaften von grossen schnellen Massenbewegungen in glazialen Gebieten. Für vorläufige regionale Gefahrenbeurteilungen wurden einfache empirische Auslaufmodellierungen von Massenbewegungen verwendet während in spezifischen retrospektiven lokalen Fallstudien physikalisch-basierte dynamische Auslaufmodellierungen durchgeführt wurden. Neben den nötigen geometrischen Ähnlichkeiten zwischen den modellierten und den echten Ereignissen, konnten die rheologischen Eingangsparameter durch Einpassung dynamischer Modell-Ausgangsparameter an seismische Daten besser eingeschränkt werden. Das Ergebnis ist ein besserer Einblick in die Fliessdynamik von Fels-Eislawinen, wie beispielsweise genauere Geschwindigkeitsabschätzungen welche für Massnahmen der Gefahrenreduzierung von Interesse sind. Um den Effekt von Eis auf den Reibungskoeffizienten granularer Kies-Eisgemische und damit auf den Einfluss von Eis auf die Mobilität von natürlichen Fels-Eislawinen zu quantifizieren, wurden Laborexperimente in grossen vertikal rotierenden Trommelgerinnen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Reibungskoeffizient mit steigendem volumetrischem Eisgehalt linear bis maximal ~20% abnimmt. Bei längerer Prozessdauer verursachte schmelzendes Eis eine teilweise oder komplette Verflüssigung der Masse mit folgender Abnahme des Reibungskoeffizienten von beinahe 50%. Eine empirische Analyse von 64 grossen Fels-Eislawinen zeigte, dass der Einfluss von Eis in natürlichen Stürzen kein dominanter Faktor ist. Die Mobilität der Ereignisse zeigte einen Zusammenhang mit der über einen Gletscher führenden relativen Fliesspfadlänge, wodurch quantitativ bestätigt wurde, dass Gletscheroberflächen mit geringer Reibung zu verlängerten Auslaufdistanzen beitragen – wie bereits von früherer Autoren angenommen. Ausserdem gehören Fels-Eislawinen mit hohem Wassergehalt häufig zu denjenigen mit den grössten Auslaufdistanzen. Die verheerendsten schnellen Massenbewegungen aus glazialen Gebieten beinhalten jedoch oftmals Kombinationen von Eigenschaften wie ein grosses Volumen, Fliesspfade über Gletscher oder glatten Fels, eingeengtes Fliessen, hoher Eis- und Wassergehalt, starke Erosion von Lockermaterial sowie Fliesstransformationen oder Kettenreaktionen. Trotz der grossen Vielfalt und Komplexität der Prozessinteraktionen in grossen schnellen Massenbewegungen in glazialen Gebieten, konnten Einblicke in diverse Aspekte vertieft werden. Die Erkenntnisse sollten in Zukunft durch ähnliche und zusätzliche Methoden ausgeweitet werden um dereinst als fundierte Basis für Szenarien-basiertes Modellieren zu dienen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Haeberli Wilfried, Huggel Christian, McArdell Brian W, Bartelt Perry
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Uncontrolled Keywords:Gletscher, Massenbewegung, Geomorphologie
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2011
Deposited On:19 Mar 2012 14:27
Last Modified:28 Apr 2020 15:59
Number of Pages:249
ISBN:3-85543-257-0
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/permalink/f/1h21i27/ebi01_prod006753310 (Library Catalogue)

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