Rock slope instability in alpine geomorphic systems, Switzerland

Abstract

Faced with the hazard potential and geomorphic importance of rock slopes adjusting to glacier retreat and current climate warming, the motivation of this dissertation is to increase our systemic and process understanding of rock slope instability in alpine geomorphic systems. It is hypothesised that a deeper understanding of rock slope instability can be achieved by thinking and working across scales and accounting for the emergence of non-linear, complex rock slope systems. For this reason, a novel hierarchical methodological approach has been developed. The methodology integrates multivariate modelling and geomorphic field mapping at the valley-scale, rockwall-scale geotechnical, geomorphological and sedimentological field surveys in the Turtmann Valley and Swiss National Park as well as numerical frost cracking modelling and laboratory weathering simulations at the intact rock scale. By means of this multi-method and, most importantly, multiscale systems approach, some progress was made towards current research debates about (i) the key controls of rock slope instability in areas affected by glacier retreat, (ii) associated paraglacial and short-term rockfall activity and (iii) their geomorphic consequences for alpine sediment cascade systems.

<strong>Felsinstabilitäten in alpinen geomorphologischen Systemen, Schweiz</strong><br /> Die Instabilität von Felswänden ist ein komplexes Phänomen das in Zeit und Magnitude variiert. Vor allem in Hochgebirgsregionen sind Felsinstabilitäten von großer Relevanz für die langzeitliche Relieferosion und Landschaftsentwicklung, sowie für die Sedimentproduktion und Effizienz von alpinen Sedimentflüssen. Die damit verbundene Disposition von Sturzereignissen stellt zudem ein ernstzunehmendes Naturgefahrenpotenzial für Mensch und Infrastruktur dar. Untersuchungen zeigen weltweit, und speziell für die Schweizer Alpen, eine Zunahme von Felsinstabilitäten unterschiedlicher Magnituden in den letzten Jahrzehnten. Das komplexe Zusammenspiel von topoklimatischen, kryosphärischen und felsmechanischen Kontrollfaktoren, insbesondere in von Gletscherrückzug betroffenen alpinen Tälern, ist jedoch noch unzureichend verstanden. Folglich stehen nur begrenzt Informationen über die kurz- und langzeitlichen Konsequenzen von Felsinstabilitäten bezüglich Magnituden, Intensitäten und Frequenzen von Sturzprozessen in alpinen Kaskadensystem zur Verfügung. Angesichts dieser Wissenslücken hat diese Doktorarbeit zum Ziel unser System- und Prozessverständnis von alpinen Felsinstabilitäten auf unterschiedlichen Zeit- und Raumskalen zu vertiefen. Ein neuer multiskaliger methodologischer Ansatz wird entwickelt, welcher erlaubt die Skalenabhängigkeit und Emergenz von Felssystemen zu adressieren. Die Arbeit umfasst fünf empirische Studien auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen mit Untersuchungsgebieten im Turtmanntal (Schweizer Waliser Alpen) und Schweizer National Park.<br /> Auf der größten und längsten Skale untersucht diese Arbeit Hauptkontrollfaktoren für die raumzeitliche Aktivität von Felsinstabilitäten in alpinen Tälern seit dem letzten Glazialen Maximum. Zum ersten Mal in der Sturzprozessforschung wird ein Random Forest Klassifikationsalgorithmus angewandt und durch die Kombination mit einem Hauptkomponenten-basierten, logistischen Regressionsmodell weiter entwickelt. Die Modellkombination zeigt auf, dass Permafrostdegradation im Laufe des Gletscherrückzugs einer der wichtigsten Kontrollfaktoren für die Instabilität entgletscherter Felswände darstellt. Mit Hilfe eines ergodischen Ansatzes werden drei Szenarien paraglazialer Felsanpassung entwickelt, welches nichtlineare tektonische und strukturelle Konditionierungen von Permafrostwänden berücksichtigt. Die Arbeit liefert zudem quantitative und qualitative Beweise für die geomorphologische Signifikanz von Felsinstabilitäten für Sedimentkaskaden in alpinen Einzugsgebieten. Die Kombination aus einem GIS-basierten Konnektivitätsmodell und einer detaillierten geomorphologischen Feldkartierung ermöglicht es Sedimentflüsse von instabilen Felswänden zum fluvialen System zu identifiziert und im Hinblick auf ihre Effizienz zu bewerten. Die feld- und modellierungsbasierten Beobachtungen zeigen eine Dominanz von Sturzprozesse kleiner bis mittlerer Magnitude. Allerdings wird deutlich, dass aktuell ein Drittel des gespeicherten Sturzmaterials aufgrund der glazialen Talmorphometrie vom Hauptkaskadensystem entkoppelt ist.<br /> Auf der Skale individueller Felswände analysiert diese Arbeit die Ursache-Wirkung Beziehung zwischen Felsverwitterung, Felsinstabilität sowie Materialspeicherung auf Schutthalden in drei vergletscherten Hängetälern. Ein neuer holistischer Ansatz wird vorgestellt, welcher abduktive Schutthaldenuntersuchungen mit deduktiven geotechnischen Kartierungen an Felswänden, einem zweijährigen Felstemperaturmonitoring und numerischer Frostverwitterungsmodellierung integriert. Dieser integrative Ansatz zeigt auf, dass die Komplexität aus Kluftabstand, der vorgegebenen Kinematik aus Haupttrennflächen sowie der tiefenvariierenden Intensität saisonaler Eissegregation wesentlich das jährlich-dekadische Frequenz-Magnituden Spektrum von Sturzprozessen steuert sowie, in Kombination mit Permafrostdegradation, die langzeitliche Variabilität von Sedimentproduktion und Formeigenschaften von Schutthalden kontrolliert.<br /> Auf der Skale des intakten Fels widmet sich diese Arbeit der Frage nach der individuellen und synergetischen Verwitterungseffizienz hochfrequenter thermaler Zyklen und täglicher Eiskristallisation in Glimmerschiefer geringer Porosität. Ein neuartiges zweiphasiges Laborexperiment liefert Evidenzen für mikroskalige, strukturabhängige Felsermüdung in Folge wiederholter Frostzyklen, insbesondere in Felsproben, welche zuvor einer Phase thermalen Stresses ausgesetzt waren. Die Langzeitmessungen zeigen sowohl positive als auch negative Feedbackeffekte im Laufe verändernder mechanischer Felseigenschaften. Diese Beobachtungen haben Implikationen für aktuelle Forschungsdebatte über die Rolle subkrtitischer Verwitterungsmechanismen für oberflächennahe Felsinstabilitäten.<br /> Diese Arbeit hebt hervor, dass geomorphologische Forschung dringend mehr Aufmerksamkeit auf die Quellgebiete in alpinen Systemen, also Felswände und ihre inhärenten Systemeigenschaften, richten muss. Zudem zeigen die Befunde dieser Arbeit auf, dass die Instabilität von Felswänden eine Skalenfrage ist. Jede räumliche und zeitliche Skale ist mit unterschiedlichen Kausalzusammenhängen und Erklärungen verbunden hinsichtlich Hauptkontrollfaktoren, raumzeitlicher Sturzprozessaktivität und geomorphologischen Effekten für Sedimentkaskaden. Um diese Skalenabhängigkeit und Nichtlinearität von Felssystemen zu adressieren, liefert diese Arbeit verschiedene praktische und philosophische Lösungsansätze für zukünftige Forschung.