Original paper

Structurally and climatically-controlled progressive destabilisation of a multi-unit carbonate rockslide with marly interlayers over two decades (Hornbergl, Tyrol/Austria)

Ettenhuber, Regina; Moser, Michael; Krautblatter, Michael; Paysen-Petersen, Lukas

Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 173 Heft 2 (2022), p. 311 - 331

52 references

published: Sep 30, 2022
manuscript accepted: Jun 23, 2022
manuscript revision received: Jun 21, 2022
manuscript revision requested: Feb 18, 2022
manuscript received: Aug 22, 2021

DOI: 10.1127/zdgg/2022/0302

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Abstract

Rockslides in intercalated carbonate rocks are among the most common and hazardous rock slide types in the European Alps and other mountains worldwide. Progressive shear plane development in marly or clayey interlayered limestones is an issue of debate, especially since the disastrous 200 million m3 carbonate rockslide in Vajont in 1963. Since interlayers are often not persistently developed, the processes controlling the progressive shear plane evolution in carbonate rockslides affecting acceleration and deceleration phases are poorly understood. This paper discusses 20 years of progressive shear plane development in a 10 million m3 multi-unit rockslide with marly interlayers (Hornbergl, Austria). We present a two-decade kinematic record, complemented with field mapping, surface geodetical observations, subsurface geophysical investigations, rock and soil mechanical laboratory testing, a snow-referenced infiltration model, as well as a resulting discontinuum mechanical model. Monthly tape extensometer measurements (3,300 individual measurements) from 1996 to 2016, mapping and geodetic investigations reveal mean absolute displacement rates of 0.2–14.5 mm/month between multiple units of the translational rockslide, often separated by >20 m deep and meter-wide open fractures. Electrical resistivity tomography (ERT) uncovers the geological and structural setting of the upper 40 m of the rockslide’s inner structure. Laboratory analysis shows that full (100%) saturation of marly interlayers decreases the cohesion from 65 to 21 kPa in comparison to 50% saturation, presumably explaining seasonal velocity variations. Correspondingly, infiltration models including snow accumulation and melt appear to control movement patterns in some years after snow melt and after heavy convective rainfalls. Discontinuum mechanical models based on mapping, geophysical reconnaissance and mechanical laboratory testing show that the multi-unit rockslide is at the fringe of stability with 50% water saturation in marly interlayers and that strain rates rapidly accelerate with the cohesion loss upon their full water-saturation matching with the described kinematic record. Over multiple years, compression and decompression waves between rockslide units become a first order control for progressive rockslide development. Here we show in a 20-year multi-unit rockslide record, that infiltration after snowmelt and extreme precipitation may control monthly and seasonal patterns of carbonate rockslide defor mation, but compression and decompression waves may become key control on a multiannual time scale for progressive destabilisation.

Kurzfassung

Felsgleitungen in Karbonatgesteinen mit feinkörnigen Zwischenlagen gehören zu den häufigsten Felsgleitungstypen in den europäischen Alpen und Gebirgen weltweit. Dabei ist die Debatte um die progressive Entwicklung der Scherbahn in mergeligen oder tonigen Zwischenlagen eine Schlüsseldebatte, besonders seit der katastrophalen Karbonat- Felsgleitung von 1963 in Vajont mit 200 Mio. m3. Da die Zwischenlagen oft nicht durchgehend entwickelt sind, sind die Prozesse, die die progressive Scherbahnentwicklung in Karbonat-Felsgleitungen steuern und Beschleunigungs- und Verlangsamungsphasen kontrollieren, oft schlecht verstanden. Dieser Artikel diskutiert 20 Jahre progressive Scherbahnentwicklung einer 10 Mio. m3 Felsgleitung mit mehreren Einheiten und mergeligen Zwischenlagen (Hornbergl, Tirol). Wir zeigen eine 2-Dekaden lange kinematische Messreihe ergänzt mit Feldmessungen, geodätischen Beobachtungen, geophysikalischen Untergrundmessungen, fels- und bodenmechanischen Labormessungen, einem Schnee-referenzierten Infiltrationsmodell und einem resultierenden diskontinuummechanischen Modell. Monatliche Bandextensometermessungen (3.300 einzelne Messungen) seit 1996 bis 2016, Kartierungen und geodätische Untersuchungen ergeben absolute Verschiebungsraten von 0,2–14,5 mm/Monat zwischen den mehrteiligen Schollen der Felsgleitung, die häufig durch mehr als 20 m tiefe und meterweit geöffnete Spalten voneinander getrennt sind. Geoelektrische Untersuchungen decken die innere geologische und strukturelle Situation der oberen 40 m der Hangrutschung auf. Bodenmechanische Laborversuche zeigen, dass die volle Aufsättigung (100 %) der mergeligen Zwischenlagen die Kohäsion von 65 auf 21 kPa im Vergleich zur 50 % Sättigung absenken, was vermutlich die Schwankungen der saisonalen Geschwindigkeiten erklärt. Ähnlich dazu korreliert das Infiltrationsmodell mit Schneeakkumulation und Schmelze in einigen Jahren mit den Bewegungsmustern, die nach der Schneeschmelze und nach heftigen konvektiven Regenfällen erfasst wurden. Das diskontinuummechanische Modell auf Basis geophysikalischer Erkundungsergebnisse und mechanischer Laborversuche zeigt, dass die komplexe Felsgleitung bei einer Aufsättigung der Mergel von 50 % die Stabilitätsgrenze erreicht und dass Dehnungsraten beim Aufsättigen durch Kohäsionsverlust stark ansteigen, was mit den erfassten kinematischen Aufzeichnungen übereinstimmt. Unsere langfristigen Messungen können zeigen, wie kompressive und dekompressive Bewegungswellen der Felsgleitungseinheiten eine übergeordnete Kontrolle der progressiven Felsgleitungsentwicklung erhalten. Hier zeigen wir in einer 20-Jahre langen Felsgleitungsmessung, dass Infiltration nach Schneeschmelze und extremen Niederschlägen die Deformation der Felsgleitung in monatlichen und jahreszeitlichen Skalen kontrollieren können, jedoch Kompressions- und Dekompressionswellen eine Schlüsselsteuereung der progressiven Destabilisierung über mehrere Jahre lange Skalen darstellen.

Keywords

progressive destabilisationshear plane developmentcarbonate rockslidemarly interlayersVajont rockslideProgressive DestabilisierungScherflächenentwicklungkarbonatische Felsgleitungmergelige LagenFelsgleitung von Vajont