《Engineering Geology》：Chronological development of gravitational slope deformation induced by upstream knickpoint migration
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深层重力边坡变形持续发展机制及时间尺度差异研究。基于白垩纪造山带日本秩父地区线性山顶凹陷的系统调查，结合高分辨率数字高程模型、钻孔数据和火山灰年代学方法，揭示了低角度逆冲断层下倾方向与河流侵蚀联合作用导致的边坡变形机制，长期位移速率0.2-0.5mm/年，近期（18年）达0.69mm/年，差异可能与冰期气候调控有关。
作者：正和宗子（Masakazu Mashiko）、千切正弘（Masahiro Chigira）、古木宏和（Hirokazu Furuki）、铃木武彦（Takehiko Suzuki）
机构：京都大学灾害预防研究所，日本宇治市Gokasho 611-0011
摘要
深层重力斜坡变形是一个缓慢进行的过程，受到长期河流或冰川侵蚀以及气候变化的影响，同时也受到降水和地震等短期因素的干扰。本研究通过地质野外调查、高分辨率数字高程模型分析、钻探以及对深层重力斜坡变形（DGSD）沉积物的火山灰年代学测定，研究了日本中部秩父地区一个白垩纪增生体中几乎6公里长的线性排列的山脊顶部凹陷区的形成机制和演变过程。这些凹陷区形成于具有低角度逆冲断层的斜坡上，这些断层向下倾斜，并因上游侵蚀点的迁移而逐渐暴露出来。通过对沉积物的年代测定及凹陷特征的分析，发现该变形过程持续了20万年，典型位移速率为每年0.2至0.5毫米。过去18年中观察到的短期位移速率略快，平均为每年0.69毫米。这种长期与短期速率的差异可能归因于冰川作用期间对变形过程的减缓。在日本白垩纪增生体中，低角度逆冲断层和DGSD现象的普遍存在表明，这类现象可为类似地质体的研究提供参考。
引言
山坡长期受到重力作用而发生变形，这种现象有多种称谓，包括下沉（Varnes等人，1990年；Zischinsky，1969年）、岩体蠕动（Chigira，1992年；Chigira和Kiho，1994年；Radbruch-Hall等人，1976年）、深层重力斜坡变形（DSGSD或DGSD）（Agliardi等人，2001年；Dramis和Sorriso-Valvo，1994年）以及山地变形（Hungr等人，2001年）。Agliardi等人（2001年）和Dramis与Sorriso-Valvo（1994年）将深层重力变形定义为在相对较小位移范围内的大规模岩体运动，而不必依赖明确的滑动面。Chigira等人（2013年）研究了没有明显陡坡的DGSD现象，发现重力剪切带在斜坡中呈间歇性分布，未形成明显的整体滑动面。本文将DGSD定义为斜坡的岩体运动，不论是否存在连续的基底滑动面。当某区域与周围环境分离时，该区域下方的岩体可能会在其底部脱离，从严格意义上讲可称为滑坡。
DGSD具有典型的地貌特征，如山脊顶部凹陷、双脊结构、反陡坡和隆起（Agliardi等人，2001年；Beck，1967年；Bovis，1982年；Jahn，1964年；Tabor，1971年）。山脊顶部凹陷或双脊通常由滑动和弯曲倾覆作用形成（Agliardi等人，2019年；Chigira，1992年；Tabor，1971年）。当涉及薄弱层（如断层挤压带）时，弯曲倾覆会伴随反陡坡或朝上倾斜的陡坡（Yokoyama，2020年），而山谷斜坡的滑动并不总是伴随反陡坡现象。
根据斜坡与薄弱平面结构（如层理和断层）之间的关系，DGSD可分为滑动型、弯曲型（倾覆型）、屈曲型和拖拽型（Chigira，2000年）。最常见的层理类型是解理和片理，这两种结构都是导致DGSD的基本原因（Chigira，1992年；Crosta等人，2013年；Zischinsky，1966年）。增生体中的逆冲断层是典型的断层系统，形成于增生过程中（Taira，2001年）。近期对增生体滑坡的研究表明，具有向下倾斜断层的斜坡会因河流侵蚀作用而暴露，从而引发DGSD，有时甚至会导致灾难性破坏（Arai和Chigira，2018年；Arai和Chigira，2019年）。这种河流侵蚀通常由上游侵蚀点的迁移引起（Chigira，2009年；Hiraishi和Chigira，2011年；Korup和Schlunegger，2007年；Tsou等人，2015年；Zhao等人，2019年）。然而，侵蚀点迁移、向下倾斜的薄弱层与DGSD发展之间的具体关系尚未完全明了。
DGSD在短期和长期内的位移速率对于评估斜坡稳定性（Pánek和Klime?，2016年；Schulz等人，2025年；Zhang等人，2025年）及预测斜坡发展速度至关重要。InSAR技术已被用于监测DGSD的短期位移速率（Ambrosi和Crosta，2006年；Cappadonia等人，2024年；Cignetti等人，2024年；Lin和Lin，2025年），但该方法无法反映深度方向的位移分布。相比之下，钻孔倾斜仪能够提供深度方向的位移速率数据（Crosta等人，2014年；Lin等人，2020年；Yamamoto等人，2023年），不过这些数据仅针对单个监测孔获得。由于监测时间通常较短（不到十年），因此无法捕捉到更长期的变化。长期速率是通过分析DGSD形成的沟槽中的沉积物年代得到的（Gutierrez等人，2005年；Kojima等人，2014a；McCalpin，1995年；Tibaldi等人，2004年）。14C测年、火山灰年代学或宇宙成因测年提供了时间标记，但后者仅适用于火山活动频繁的地区（如日本、新西兰、美国和意大利，Arai和Chigira，2019年；Beget，1985年；Kojima等人，2014b）。基于实际数据的短期和长期位移速率对比研究非常少，同时利用高分辨率地形数据描述DGSD形成的沟槽特征的研究也很有限（Arai和Chigira，2019年；Chigira等人，2025年），因此变形特征的时间变化尚未得到充分理解。
DGSD的位移可以是间歇性的，也可以是持续性的。在某些情况下，DGSD会持续进行（McCalpin，1995年），而在其他情况下则表现为间歇性现象（Chigira等人，2024年；Gutierrez等人，2005年；McCalpin等人，2011年）。如果DGSD是间歇性的，那么短期监测数据可能无法反映其长期行为。间歇性位移可能由地震或暴雨引发，但在地质时间尺度上确定具体触发因素较为困难。Chigira等人（2024年）通过分析瑞士阿尔卑斯山Bedretto山谷中滑动倾覆形成的线性凹陷中的断层碎屑注入现象，发现地震是该现象的触发因素。
为填补现有研究的空白，本研究旨在利用高分辨率数字高程模型（DEM）和钻孔数据，阐明长期存在的山脊顶部凹陷区的内部地质结构，以及DGSD与增生体中河流侵蚀之间的关系。
地质背景
研究区域位于东京以西80公里的秩父山脉，该地区存在DGSD现象。研究地点位于Ara河（南侧）和Nakatsu河（北侧）之间的东西向山脊上，这两条河流均从西向东流动（图1）。Ara河上游2.4公里处建有Futase大坝和Takizawa大坝。研究区域的山脊顶部和河床高度分别为900至1200米和500至800米。
研究方法
研究使用了1米分辨率的数字高程模型（DEM）来分析地形特征，并绘制了坡度图、等高线图和地形剖面图。DEM数据来源于日本国土交通省于2012年10月20日至11月4日进行的机载激光扫描。同时参考了日本地理空间信息机构提供的航空照片（链接：https://cyberjapandata.gsi.go.jp/xyz/seamlessphoto/z/x/y.jpg）。研究重点关注具有小陡坡、隆起和线性特征的DGSD斜坡。
地形特征
本研究调查的山脊上发生了多处DGSD和滑坡现象，尤其是在其南侧斜坡（图1b）。DGSD的特征包括陡坡、隆起和凹陷，而几乎未观察到反陡坡现象。如图1和图2所示，部分DGSD区域在地形上与周围区域明显分离，具有头部和侧部陡坡，因此可将其视为严格意义上的滑坡。
山脊的南侧斜坡受到显著影响。
讨论
已知在具有向下倾斜断层的斜坡上存在DGSD现象的内部结构。Agliardi等人（2009年）研究了Schlinig断层上的DGSD现象，该断层深度为100至500米，倾斜角度低至8°至17°。DGSD体不仅发生滑动，其上部还受到高角度正交断层的变形影响（Ambrosi和Crosta，2006年）。
结论
我们研究了日本中部秩父地区白垩纪增生体中山脊顶部凹陷的形成机制和演变过程，这些凹陷现象沿河流方向延伸5公里，呈间歇性发生。研究采用了地质调查、钻探和沉积物火山灰年代学测定方法。这些山脊顶部凹陷与下游河床平行，其形成过程与沿逆冲断层的重力斜坡变形有关，断层本身向下倾斜。
作者贡献声明
正和宗子（Masakazu Mashiko）：负责撰写初稿、方法论制定、调查设计和概念构建。千切正弘（Masahiro Chigira）：负责审稿与编辑、监督工作以及资金申请。古木宏和（Hirokazu Furuki）：参与调查工作。铃木武彦（Takehiko Suzuki）：参与调查并负责数据管理。
未引用参考文献
Agliardi等人，2020年
Chigira和Yagi，2006年
日本气象厅，2011a
Seed和Wilson，1967年
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究的数据由埼玉县土地开发局提供。关东地区土地、基础设施、交通和旅游厅提供了秩父湖周边Futase大坝滑坡的调查和监测数据。国土交通省提供了研究区域的高分辨率数字高程模型（DEM）。
