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火山泥流侵蚀动态与人类活动影响研究|La Fossa锥体|LiDAR与UAS数据对比|沟谷系统侵蚀速率|火山碎屑沉积物迁移
亚历山德罗·福尔纳恰伊（Alessandro Fornaciai）| 马西米利亚诺·法瓦利（Massimiliano Favalli）| 卢卡·纳尼皮耶里（Luca Nannipieri）| 罗莎娜·博纳西亚（Rosanna Bonasia）| 阿格涅塞·图尔基（Agnese Turchi）| 费德里科·迪·特拉利亚（Federico Di Traglia）
意大利国家地球物理与火山学研究所（Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia），比萨分部（Sezione di Pisa），切萨雷·巴蒂斯蒂街53号（Via Cesare Battisti），56125，比萨（Pisa），意大利
摘要
本研究分析了2010年至2022年间意大利沃尔卡诺岛（Vulcano Island）拉福萨锥体（La Fossa Cone）西北部地区沟壑系统的演变过程。该地区会产生小体积的碎屑流，有可能对锥体底部的村庄造成破坏。通过比较连续航空调查中获取的光电测距（LiDAR）和无人机系统（UAS）生成的数字地形数据，评估了此处描述的地形变化。研究发现，拉福萨锥体的西北部沟壑系统是一个动态环境，侵蚀作用在该系统中各不相同，并且受到人类活动的强烈影响，例如通往山顶的小径的建设和改造。据计算，在12年间，15至20世纪喷发期间沉积的17,820立方米的火山灰被侵蚀并从沟壑中搬运到锥体侧面及更远的地方。其中超过50%的体积损失发生在三条沟壑中：两条位于北部区域，一条位于南部区域。平均侵蚀速率为每年1485立方米，与1888年至1990年火山灰沉积期间推断出的年均侵蚀率1887立方米/年相当。此外，我们对沟壑系统进行了形态测量分析，并基于分析结果提出了一个概念性地貌模型，该模型包含三个阶段，这些阶段最终导致最上层未固结沉积物的逐渐移除，在此过程中，沟壑内的最陡下降角度在控制侵蚀过程中起着重要作用。
引言
生活在活火山岛上的居民面临多种危险（Biass等人，2016a；Biass等人，2016b；Selva等人，2020；Turchi等人，2022；Nannipieri等人，2023）。一些危险直接与火山喷发有关（例如，弹道物质和火山灰降落、火山碎屑流、熔岩流以及火山气体），而其他危险则是由火山活动间接引发或加剧的（例如，火山碎屑流、滑坡和海啸）。这些次生危险可能在火山危机过后很长时间内仍然存在。例如，火山碎屑物质在火山坡面上的堆积会改变地质水文系统，这种潜在的危险状况可能在沉积后持续多年（Pierson和Major，2014；Procter等人，2021）。
火山碎屑物质的重新迁移是火山碎屑流的主要成因。这些现象会对下游地区产生重大影响，对居住在火山附近的居民造成损失（Thouret等人，2014；Thouret等人，2020；Ettinger等人，2016）。
沃尔卡诺岛（Isola di Vulcano）是位于第勒尼安海南部（Tyrrhenian Sea）的埃奥利安火山群岛（Aeolian volcanic archipelago）中的一个复合火山构造的露出部分（图1）。最近喷发的拉福萨锥体（La Fossa Cone）中的松散火山碎屑物质因强降雨而重新迁移，随后引发小规模碎屑流，这是沃尔卡诺岛上反复出现的危险现象（Ferrucci等人，2005；Di Traglia等人，2013；Di Traglia等人，2024；Baumann等人，2019；Gattuso等人，2022）。虽然这些碎屑流通常搬运的物质体积较小，通常局限于沟壑或其邻近区域，但在强降雨期间，它们可能会沿着道路流动，淹没建筑物，甚至涌入主要港口并最终排入大海（Di Trapani等人，2011；Bonasia等人，2022）。
主要由降雨驱动的重力和侵蚀过程在拉福萨锥体上形成了多个沟壑系统（图1c和2a、b、c）。沟壑的存在增加了径流和坡面物质流失。此外，沟壑本身也会因壁体的崩塌以及河床的堆积和侵蚀而成为物质流失的来源（Waythomas等人，2010；Vázquez等人，2016；Malatesta等人，2017；Major等人，2019；Tsunetaka等人，2021）。因此，了解这些沟壑的行为及其对降雨的响应对于预测气候变化和火山活动如何影响碎屑流的发生概率至关重要。
在这项研究中，我们使用连续的数字地形数据重建了2010年至2022年间拉福萨锥体西北部（NW）地区沟壑系统的地貌演变过程。该地区以复杂的沟壑系统为特征（图1、图2），是可能威胁岛上人口密集区域的火山碎屑流的来源。我们使用了2010年的数字高程模型（DEM），该模型基于航空光电测距（LiDAR）数据生成；以及2017年、2019年和2022年的数字表面模型（DSM），这些模型通过结合无人机系统（UAS）技术和结构从运动（SfM）方法获得。通过比较地形数据（首先进行配准以最小化连续数据集之间的位移），计算了从西北部沟壑系统中侵蚀的火山碎屑物质体积和平均侵蚀速率。此外，我们还提取并分析了沟壑的形态参数（即沟壑深度、宽度和横截面积），并对选定的沟壑进行了多年演变分析，以量化其形态变化。
这项工作旨在深入了解拉福萨锥体侧翼的地貌演变过程，这对于评估沃尔卡诺岛上火山碎屑流和洪水带来的危险至关重要。在当前气候变化可能改变现有平衡状态的背景下，这一点尤为重要（Roccati等人，2020），这可能会增加短时极端降雨事件的频率和强度。此类事件可能导致比以往观察到的更大体积的物质重新迁移。
部分内容摘录
地质背景
沃尔卡诺岛是位于第勒尼安海南部（Tyrrhenian Sea）的埃奥利安火山群岛（Aeolian volcanic archipelago）中的一个复合火山构造的露出部分（图1a）。该岛的地貌主要由两个破火山口之间的相互作用形成：南部的伊尔皮亚诺破火山口（Il Piano Caldera）和北部的拉福萨破火山口（La Fossa Caldera）（图1b）。在过去15,000年里，火山活动主要集中在岛屿的北部区域（Keller，1980），在那里有几个喷口被激活。
拉福萨锥体西北部的沟壑系统
VT是一种坚硬、细粒的、经过热液改造的沉积物，具有非常低的渗透性和较高的内聚力。其上方是15至20世纪喷发形成的松散、粗粒至细粒的火山灰，这些火山灰具有高渗透性、低内聚力，颗粒大小以沙子和淤泥为主（Baumann等人，2019；Madonia等人，2019）。这些特性使得它们在强降雨期间极易受到侵蚀（Ferrucci等人，2005；Baumann等人，2019）。
数字表面模型：数据集、处理和后处理
使用来自LiDAR数据和SfM摄影测量的多种数字地形数据，重建了2010年至2022年间拉福萨锥体西北部（LFc）的演变过程及其差异（表1）。通过专用的C++代码从地形数据中提取沟壑的宽度和深度，从而进行了沟壑的形态测量分析。调查区域的流域网络是使用GRASS GIS（版本7.8.2）中的水文模块在QGIS（版本）中提取的。
地形变化检测与量化
从2010年到2022年，拉福萨锥体的西北部地区受到显著侵蚀，不同沟壑之间的侵蚀差异明显。在此期间，西北部沟壑系统共有17,820立方米的物质被侵蚀，平均侵蚀速率为每年1485立方米（表3）。然而，图3显示了侵蚀强度的显著不对称性：CD和DE沟壑受到严重侵蚀（图4a–d），而中央沟壑的凹处几乎保持稳定。
讨论
本研究中的多时相DEM/DSM分析捕捉到了地表地形的变化，但无法定量区分径流驱动的侵蚀和重力作用导致的物质流失。这两种机制都导致了观察到的体积损失；然而，之前在拉福萨进行的数值建模（Bonasia等人，2022）以及强降雨事件后的现场观察结果清楚地表明，短时强风暴产生的径流起到了重要作用。
结论
拉福萨锥体的西北部是一个极其动态的环境，对其脚下的村庄构成潜在威胁。在这项工作中，我们首次量化了该地区12年内的体积损失，这些损失主要通过沟壑系统向下输送。我们证明了侵蚀在整片区域内的分布并不均匀，人类活动可以显著改变系统的行为。因此，未来的干预措施必须经过仔细评估。
作者贡献声明
亚历山德罗·福尔纳恰伊（Alessandro Fornaciai）：撰写初稿、验证、监督、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、概念构思。马西米利亚诺·法瓦利（Massimiliano Favalli）：撰写与编辑、验证、软件使用、方法论、正式分析、数据管理。卢卡·纳尼皮耶里（Luca Nannipieri）：撰写与编辑、方法论、数据管理。罗莎娜·博纳西亚（Rosanna Bonasia）：撰写与编辑。阿格涅塞·图尔基（Agnese Turchi）：撰写与编辑。费德里科·迪·特拉利亚（Federico Di Traglia）：撰写初稿、验证。
未引用参考文献
Favalli和Fornaciai，2017
H?hle和H?hle，2009
Ortíz-Rodríguez等人，2019
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究部分得到了意大利国家地球物理与火山学研究所（Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia）资助的“VOLF - 沃尔卡诺岛（Vulcano Island）火山碎屑流：演变与危险影响”项目的支持。此外，该研究还受益于意大利部长会议主席办公室 – 民防部（Italian Presidenza del Consigli dei Ministri – Dipartimento della Protezione Civile）在DPC-INGV协议A 2022–2024（WP8.3）框架内提供的资金支持。
