Rock-slope failures in Innerdalen and Innfjorddalen, western Norway: rock-slope instabilities and rock avalanches in a changing landscape following the melt down of the Scandinavian ice sheet

Hangversagen von Festgesteinen in Innerdalen und Innfjorddalen, Westnorwegen: Hanginstabilitäten und Sturzströme in einem sich verändernden Landschaftsraum in Folge des Abschmelzens des Skandinavischen Eisschildes

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-69168
  • Large rock-slope failures that fail catastrophically as rock avalanches have within glacial cycles a first-order control on landscape evolution in steep mountain environments, and pose a high threat to communities. However, the identification and interpretation of complex deposits and geomorphological features caused by rock-slope failures are often difficult, and misinterpretations are not uncommon because of complex interactions between rock-slope failures and other geological processes, namely glaciation and isostasy. Such a complex geological environment can be found in the glacially overprinted mountains of western Norway. The primary aim of this study is to understand the largeLarge rock-slope failures that fail catastrophically as rock avalanches have within glacial cycles a first-order control on landscape evolution in steep mountain environments, and pose a high threat to communities. However, the identification and interpretation of complex deposits and geomorphological features caused by rock-slope failures are often difficult, and misinterpretations are not uncommon because of complex interactions between rock-slope failures and other geological processes, namely glaciation and isostasy. Such a complex geological environment can be found in the glacially overprinted mountains of western Norway. The primary aim of this study is to understand the large rock-slope failures and associated phenomena in the valleys of Innerdalen and Innfjorddalen, western Norway. The main objectives are (I) to understand the complex deposits and geomorphological features formed by multiple rock avalanches to derive their paleodynamics (i.e., runout behavior) with respect to the Scandinavian Quaternary geology following glacial melt down after the Last Glacial Maximum (LGM), and (II) to understand the geomorphological features, geological constraints and displacements of an actively moving rock-slope instability to derive its failure kinematics, deformation rate and mechanisms. The integrative approach applied in this study consists of (1) intensive field mapping including granulometric sampling, trenching, ground penetrating radar and geoelectric resistivity tomography, (2) GIS-based digital elevation model and orthophoto analyses, (3) geomechanical investigations including structural analyses by field measurements and terrestrial laser scanning (LiDAR) and kinematic feasibility tests, (4) differential global navigation satellite system displacement measurements, (5) terrestrial cosmogenic nuclide surface-exposure dating (10Be), and (6) numerical dynamic runout modeling (DAN3D). The results on spatial distribution and characteristics of surface deposits and geomorphological landforms imply hypotheses for the paleodynamics of the rock avalanches. The interpretations are confirmed by 10Be dating and DAN3D modeling. The results on geomorphological features, geomechanical analyses and displacement measurements suggest complex kinematics and active deformation for the rock-slope instability. For the Innerdalen Valley, the results reveal that two large rock avalanches occurred from the same source area since the Late Pleistocene. Both events show similar failure kinematics of strongly jointed gneissic source rock but different paleodynamics. One rock avalanche propagated onto the Late Pleistocene valley glacier and was deposited as a supraglacial debris cover. The remnants of this event and its interaction with the glacier are complex rock-boulder deposits distributed over a variety of landforms such as terminal and lateral moraines, kame mounds and large patches along the slope with no connection to any source area. Later in the Holocene, another rock avalanche propagated into the then ice-free valley and is preserved as a continuous, typical lobate rock-boulder deposit damming the valley and causing a lake. The results for the Innfjorddalen Valley reveal that at least three rock avalanches occurred from the same source area composed of strongly jointed gneissic rock since the Late Pleistocene. Although of similar failure kinematics, the events again show different paleodynamics. One rock avalanche propagated into the Innfjord and was deposited below the former water level in the Late Pleistocene. Today the deposits are exposed on the valley bottom due to post-glacial isostatic rebound. Another rock avalanche in the Holocene and one of historic times propagated over rock-boulder deposits of the previous events. All of these events are preserved in deposits that are distributed over the valley bottom in a variety of landforms such as isolated hills of rock-boulder deposits, deformed and undeformed valley-fill sediments, and a stratified succession of continuous rock-boulder deposits forming natural dams. The results of the investigations of the large rock-slope instability in the upper Innfjorddalen Valley reveal complex kinematics and active deformation that is controlled by preexisting geological structures in the gneissic source rock. The feasible kinematics for failure is a large wedge failure formed by a fault plane and the foliation with an intersection lying below the valley bottom. Therefore, the deformation changes along the slope, including wedge sliding and creep-like deformation. This complex deformation is represented in the field by the distribution of various geomorphological features such as coherent slide blocks, fractured block-fields, large counterscarps and a bulging slope. These diagnostic characteristics account for the definition of a deep seated gravitational slope deformation. As lateral limit of the rock-slope instability, a distinct km-long linear geomorphological lineament has developed in the form of a topographic step that runs oblique to the slope. It has previously been interpreted as a Holocene reverse fault indicating the first example of neotectonic activity in southern Norway. However, the newly obtained results exhibit the existence of an inherited normal fault, parallel to the post-Caledonian collapse with regional extension that is a major geological constraint on rock-slope instability. Therefore, the geomorphological step marks a gravitational reactivation of a slope scale of the regional tectonic fault. The findings obtained from this thesis contribute to the understanding of Quaternary geology in Innerdalen and Innfjorddalen Valley, western Norway, with special regard on paleodynamics and kinematics of large rock-slope failures. The findings further improve identification and interpretation of complex rock-boulder deposits and geomorphological features associated with large rock-slope failures for other steep and glaciated mountain areas.show moreshow less
  • Großvolumige Hangversagen von Festgesteinen, die sich als katastrophale Sturzströme ereignen, stellen im zeitlichen Rahmen von glazialen Zyklen einen bedeutenden Kontrollfaktor der Landschaftsentwicklung in steilen Gebirgsregionen dar. Zusätzlich sind sie eine große Gefährdung für die Gesellschaft. Die Identifikation und Interpretation komplexer Ablagerungen und geomorphologischer Merkmale, die durch Hangversagen verursacht wurden, sind häufig schwierig. Fehlinterpretationen sind aufgrund der ineinandergreifenden Interaktionen zwischen Hangversagen und anderen schnellen geologischen Prozessen, wie Vergletscherung und Isostasie, nicht ungewöhnlich. Ein solch vielfältiges geologisches UmfeldGroßvolumige Hangversagen von Festgesteinen, die sich als katastrophale Sturzströme ereignen, stellen im zeitlichen Rahmen von glazialen Zyklen einen bedeutenden Kontrollfaktor der Landschaftsentwicklung in steilen Gebirgsregionen dar. Zusätzlich sind sie eine große Gefährdung für die Gesellschaft. Die Identifikation und Interpretation komplexer Ablagerungen und geomorphologischer Merkmale, die durch Hangversagen verursacht wurden, sind häufig schwierig. Fehlinterpretationen sind aufgrund der ineinandergreifenden Interaktionen zwischen Hangversagen und anderen schnellen geologischen Prozessen, wie Vergletscherung und Isostasie, nicht ungewöhnlich. Ein solch vielfältiges geologisches Umfeld findet sich im glazial überprägten Gebirge von Westnorwegen. Die primäre Zielsetzung dieser Arbeit ist das Verständnis der großvolumigen Hangversagen von Festgesteinen und der damit verbundenen Phänomene in den Tälern von Innerdalen und Innfjorddalen in Westnorwegen. Die Hauptziele sind dabei wie folgt: (I) Das Verständnis der komplexen Ablagerungen und geomorphologischen Merkmale die von mehrfachen Sturzströmen geformt wurden, um daraus deren Paläodynamik (d. h. Auslaufverhalten) unter Berücksichtigung der Quartärgeologie Skandinaviens in Folge des glazialen Abschmelzens nach dem letzten glazialen Maximum (LGM) abzuleiten. (II) Das Verständnis der geomorphologischen Merkmale, der geologischen Randbedingungen und der Verschiebungsbeträge einer sich aktiv bewegenden Hanginstabilität, um daraus deren Kinematik des Hangversagens und die Deformationsmechanismen abzuleiten. Das in dieser Arbeit angewandte integrative Vorgehen umfasst: (1) Intensive Geländekartierung einschließlich Stichprobenprüfung der Granulometrie, Erstellung von Schürfen, Bodenradar und Geoelektrik; (2) GIS-basierte Auswertung von digitalen Geländemodellen und Orthophotos; (3) geomechanische Untersuchung einschließlich Strukturanalyse mittels Geländemessung und terrestrischem Laserscanning (LiDAR) und Prüfung der kinematischen Möglichkeiten des Hangversagens; (4) Bewegungsmessung mittels differentiellem globalem Satellitennavigationssystem (dGNSS); (5) Datierung des Oberflächenexpositionsalters mittels terrestrischen kosmogenen Nukliden (10Be); (6) numerische dynamische Auslaufmodellierung (DAN3D). Aus den Ergebnissen der räumlichen Verteilung von oberflächlichen Ablagerungen und der geomorphologischen Formen lassen sich Hypothesen zur Paläodynamik der Sturzströme ableiten. Die Interpretationen werden durch die 10Be Datierung und die DAN3D Modellierung bestätigt. Die Resultate der geomorphologischen Merkmale, geomechanischen Untersuchungen und Bewegungsmessungen lassen eine komplexe Kinematik und aktive Deformation der Hanginstabilität erkennen. Für Innerdalen zeigen die Untersuchungsergebnisse, dass sich seit dem Oberpleistozän zwei großvolumige Sturzströme aus dem gleichen Herkunftsgebiet ereignet haben. Die beiden Ereignisse weisen eine ähnliche Kinematik des Hangversagens im stark zerklüfteten Gneis der steilen Felswand auf, jedoch eine unterschiedliche Paläodynamik. Ein Sturzstrom breitete sich im Oberpleistozän auf den damaligen Talgletscher aus und wurde auf diesem als supraglaziale Schuttbedeckung abgelagert. Die Überreste dieses Ereignisses und dessen Interaktion mit dem Gletscher sind komplexe Ablagerungen von Felsblöcken, die sich über unterschiedliche Landformen verteilen, wie End- und Randmoränen, Kame-Hügel und große Areale entlang der Talhänge die keine Verbindung zu möglichen Herkunftsgebieten haben. Im Holozän breitete sich ein weiterer Sturzstrom in das nunmehr eisfreie Tal aus. Dieser ist als zusammenhängende, typisch lobenartige Ablagerung von Felsblöcken erhalten, welche das Tal abriegelte und einen See aufstaute. Die Ergebnisse für Innfjorddalen zeigen, dass sich seit dem Oberpleistozän mindestens drei Sturzströme aus dem gleichen, von stark zerklüftetem Gneis aufgebauten Herkunftsgebiet ereignet haben. Obwohl die drei Ereignisse eine ähnliche Kinematik des Hangversagens aufweisen, zeigen diese wiederum eine unterschiedliche Paläodynamik. Ein Sturzstrom breitete sich im Oberpleistozän in den Innfjord aus und wurde unterhalb des damaligen Wasserspiegels abgelagert. Durch die postglaziale isostatische Landhebung sind dessen Ablagerungen in heutiger Zeit auf dem Talboden freigelegt. Im Holozän und in historischer Zeit breitete sich jeweils ein Sturzstrom über die von den vorangegangenen Ereignissen gebildeten Ablagerungen von Felsblöcken aus. All diese Sturzströme sind als Ablagerungen erhalten, die in unterschiedlichen Landformen entlang des Talbodens verteilt sind. Es sind die von Felsblöcken aufgebauten isolierten Hügel, die deformierten und nicht deformierten Talfüllungssedimente und die schichtenweise Abfolge von zusammenhängenden Ablagerungen aus Felsblöcken, welche hier natürliche Dämme bilden. Für die große Hanginstabilität im oberen Teil von Innfjorddalen zeigen die Untersuchungsergebnisse eine komplexe Kinematik und aktive Deformation, die von den gegebenen geologischen Strukturen der Gneise am Felshang gesteuert werden. Die wahrscheinliche Kinematik des Hangversagens ist ein großer Gleitkeil, der durch eine Störungs- und eine Schieferungsfläche gebildet wird, wobei sich das Verschnittlinear unterhalb des Talbodens befindet. Dies bewirkt eine Veränderung des Deformationsmechanismus entlang des Hanges, was Keilgleiten und kriechähnliche Deformation einschließt. Im Gelände wird diese komplexe Deformation durch die Verteilung der unterschiedlichen geomorphologischen Merkmale dargestellt, wie zusammenhängende Gleitblöcke, zerbrochene Blockfelder, große hangaufwärts zeigende Steilstufen und einen sich ausbeulenden Hang. Aufgrund der diagnostischen Merkmale ist die Instabilität als tiefgreifende gravitative Hangdeformation (DSGSD) einzuordnen. Ein deutliches, kilometerlanges geomorphologisches Lineament, welches sich in Form einer schräg zum Hang verlaufenden topographischen Stufe ausgebildet hat, stellt eine seitliche Begrenzung der Hanginstabilität dar. Dieses Lineament wurde bisher als Holozäne Aufschiebung interpretiert und als erstes Beispiel für neotektonische Aktivität in Südnorwegen beschrieben. Die neu erzielten Ergebnisse zeigen jedoch die Existenz einer alten, parallel zum Kaledonischen Kollaps verlaufenden Abschiebung mit regionaler Ausdehnung, die eine bedeutende geologische Einschränkung für die Hanginstabilität darstellt. Demzufolge markiert die geomorphologische Stufe eine in Größenordnung des Hanges auftretende gravitative Reaktivierung der regionalen tektonischen Störung. Die durch diese Doktorarbeit erlangten Erkenntnisse tragen zum Verständnis der Quartärgeologie von Innerdalen und Innfjorddalen in Westnorwegen bei, besonders hinsichtlich der Paläodynamik und Kinematik großvolumigen Hangversagens von Festgesteinen. Die Ergebnisse verbessern ferner die Identifikation und Interpretation komplexer Ablagerungen von Felsblöcken und geomorphologischer Merkmale, die im Zusammenhang mit großvolumigen Hangversagen stehen, auch für andere steile und vergletscherte Gebirgsregionen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Markus, T. Schleier
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-69168
Referee:Joachim Rohn, Reginald, L. Hermanns
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Embargo Date:2016/02/06
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2016/01/29
Release Date:2016/02/17
Tag:geomorphology; paleodynamics; rock avalanche; rock-slope failure; runout modeling; surface-exposure dating
SWD-Keyword:Massenbewegung <Geomorphologie>
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
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