火星伊阿尼混沌区西向滑坡的边坡稳定性分析

《Planetary and Space Science》：Slope stability analysis of a west-facing landslide in the Iani Chaos Region (Mars)

　　

**摘要（要点）**
• 我们对Iani Chaos地区一个向西的滑坡进行了失稳前与失稳后的离散元（DEM）重建。
• 我们采用概率性边坡稳定性分析与安全系数（FoS）计算，并假设材料为颗粒状、类似风化残积土（regolith）的物质。
• 结果显示：静态安全系数为2.6（稳定）；准静态安全系数为0.8，失稳概率为74%。
• 我们对研究区域进行了地貌学测绘，以识别可能的动力学触发源。
• 地震震动被确定为所分析滑坡失稳的可信触发因素。

**引言**
滑坡研究长期以来一直是理解地球表面动力学的活跃研究领域，近年来也扩展到了其他天体。这些重力过程为我们了解其所在行星表面的地质、构造、环境乃至内部演化提供了重要线索。虽然滑坡研究传统上聚焦于地球（如Hungr等，2014；Aucelli等，2018；Casagli等，2023），但随着轨道任务和行星探测器所提供的高分辨率数据日益丰富，此类研究得以拓展到那些缺乏大气或具有截然不同环境条件的天体，例如月球（Kumar等，2013；Scaioni等，2018；Ermini等，2024）、火星（如Lucchitta，1978；Crosta等，2018a；Discenza等，2021；Brunetti和Peruccacci，2023；Magnarini等，2021、2024；Molaro等，2024）、水星（Brunetti等，2015）、金星（Malin，1992）以及土卫八（Singer等，2012）。在不同行星环境中对滑坡进行比较分析，为研究重力差异、物质属性与环境条件如何影响边坡稳定性以及可能引发失稳的机制提供了契机。

例如，月球提供了一个独特的天然实验室，用于在缺乏大气和水文系统的条件下研究重力过程。对类似滑坡特征的早期观测可追溯至上世纪70年代的阿波罗任务，但真正使月球滑坡的形态、分布和失稳条件的系统性研究成为可能的，是更近期的轨道数据——尤其是来自月球勘测轨道飞行器（LRO——Robinson等，2010）的数据。Kumar等（2013）记录了阿里斯塔克斯环形山附近的干燥颗粒流，被解释为高流动性的滑坡，可能由撞击引发的振动或浅层月震所触发。Huang等（2024）近期研究强调了撞击地震活动与热膨胀在触发边坡失稳中的潜在作用。Watters等（2024）在月球南极区域识别出活动构造系统，为动力学触发机制提出了新的可能。

在这一背景下，火星在所有天体中形态复杂性最接近地球，是研究重力、物质属性和环境条件如何影响边坡稳定性以及可能触发失稳机制的理想场所。自海盗号任务起（Mutch等，1976）就已观测到大规模滑坡，随后借助火星轨道激光高度计（MOLA——Smith等，2001）、高分辨率成像科学实验（HiRISE——McEwen等，2007）和上下文相机（CTX——Malin等，2007）的高分辨率数据，相关研究得到了更深入的开展。这些数据使研究者不仅能够调查火星滑坡的形态与分布，还能研究那些可能在失稳前逐步削弱边坡稳定性的地质与环境条件，以及可能引发滑坡启动的外部触发因素。然而，火星上控制滑坡发生的机制仍存在争议。以往研究通过以下方式来探讨这些问题：结合地貌测绘与形态测量分析（Quantin等，2004a）；将火星重力事件与地球类比案例进行比较（Lucchitta，1979）；对其进行热物理特征表征并与周围地表进行对比（Chojnacki等，2006）；或建立数值模型以评估边坡稳定性（Schultz，2002；Crosta等，2014；Tsige等，2016）。过去的液态水和挥发性物质活动被视为可能的先决条件，因为它们的贡献促成了富冰、含水或经风化作用形成、强度较低的物质（Lucchitta，1987；Harrison和Grimm，2003；De Blasio，2011；Watkins等，2015、2020）。这类物质可能通过降低摩擦阻力、改变黏聚力，或在涉及地下水时提高孔隙水压力，从而降低边坡的抗剪强度。这些解释意味着可能存在足以维持间歇性浅层地下冰、冰川沉积物或地下水循环的气候与环境条件（Nedell等，1987；Lucchitta等，1994；Peulvast和Masson，1993；Harrison和Grimm，2005；Harrison和Chapman，2008；Fastook等，2008；Mège和Bourgeois，2011；Gourronc等，2014）。此外，岩性非均质性以及软弱或胶结程度较低地层的存在，也可能局部有利于形成优选滑动面（Bigot-Cormier和Montgomery，2007；Crosta等，2014）。瞬态动力学过程，包括构造地震震动和撞击引发的地面运动，也被提出作为能够使边坡失稳的潜在触发因素（Schultz，2002；Quantin等，2004b；Crosta等，2014、2018a；Kumar等，2019；Tsige等，2016）。因此，火星滑坡可能由上述任一触发因素造成，或由其相互作用引起（Brunetti等，2014）。

在本研究中，我们针对Iani Chaos地区一个向西的滑坡展开调查，以刻画其地貌环境，并在静态与准静态荷载下评估控制边坡稳定性的失稳前条件。数值分析重点在于沿重建的基底面进行失稳启动的研究，而滑坡失稳后的演化过程——包括其传播、流动性与冲距——并未进行模拟。所选滑坡具有相对简单的形态构型与保存良好的沉积结构，同时具备与颗粒状、类似风化残积土物质动员一致的地貌指标，而非出露仅限于上部槽源及邻近斜坡的岩体。这些特征使其特别适合于评估一体化的地貌—数值工作流。该地貌单元良好的保存状态可能与其相对年轻的表面表现有关，从而使失稳前地形的重建具有较高的一致性。这一重建对于研究崩塌前的边坡条件、并在减少解释模糊性的同时约束潜在滑动面的几何形态而言，是一个基本步骤。通过将高分辨率地形数据集与详细的光学地质分析相结合，本研究力图将基于遥感的调查所固有的不确定性降至最低，并得出对初始边坡构型的物理性表征。

本工作的一个基本要素在于明确聚焦于以风化残积土（regolith）为主导的物质属性及其对边坡稳定性的岩土工程意义。在过去数十年间，已有若干研究针对火星开展边坡稳定性分析，并调查了岩土参数对失稳条件的影响（Imre，2004；Okubo等，2011；Crosta等，2014；Barzegar等，2024）。这些研究主要涉及以岩石为主或受构造控制、以蚀变和破碎基岩为主要力学框架的边坡。与此不同，本研究将重点转向颗粒状和胶结程度低下的物质，这些物质代表的是受风化残积土控制的物质运动，而非连续完整的岩体。本研究的目标不仅是评估稳定性条件，还要探索关键岩土参数——特别是容重、内摩擦角和黏聚力——的变异性及其统计相关性如何在概率框架下影响安全系数（FoS）。这一视角使分析能够超越确定性的参数赋值，量化边坡行为对物质属性合理范围的相对敏感性，从而提供一种更适用于行星环境的科学方法论——在这些环境中无法直接进行力学量测，物质特性必须间接推断。

本研究采用极限平衡法（LEM）评估边坡稳定性，该方法在数据有限的情况下具有鲁棒性。事实上，全数值方法如有限元法（FEM）和离散元法（DEM），尽管能够再现详细的应力—应变行为和间断连续介质力学，却需要良好约束的本构关系和独立量测的力学参数（Duncan，1996；Griffiths和Lane，1999；Cundall和Strack，1979）。更具体地说，FEM和DEM通常需要相对较多的输入参数，包括弹性参数（如杨氏模量和泊松比）、塑性参数与强度参数（黏聚力、内摩擦角、膨胀角）、密度或容重、抗拉强度，以及合适本构关系的定义（如Mohr–Coulomb、Hoek–Brown、硬土模型）。此外，还须指定边界条件、层间刚度差异，以及——在间断连续或离散元方法情况下——节理特性，如法向与剪切刚度、节理黏聚力、节理摩擦角、节理间距与延伸性等。相比之下，基于LEM的分析通常依赖于一组较少但具有物理意义的参数，最常见的为黏聚力（c）、内摩擦角（φ）和容重（γ），必要时可纳入孔隙水压力或地震系数。由于LEM关注的是整体力和力矩的平衡，而非材料完整的应力—应变响应，因此其参数空间的维度显著更小。因此，在概率框架中，模型结果的不确定性往往随所引入的不确定岩土参数数量的增加而增大。需要大量本构与力学输入的数值方法在参数约束不严时可能放大不确定性；而LEM方法则能够更加透明地探索不确定度传播，并以较低的风险避免引入缺乏数据支持的人为力学行为。

所执行的分析同时考虑了静态重力条件和采用准静态方法的动力学场景，评估了瞬态地震荷载——无论是构造性还是撞击性的——可能作出的贡献。除增进对所分析滑坡失稳动力学的理解外，本研究还旨在促进对火星混沌地形中边坡过程的更广泛认识，并提出一种可复现的方法学框架，可适用于其他以颗粒状物质为特征、地面实测信息有限的行星环境。

**章节摘录**

**研究区**
Iani Chaos是位于约南纬2°、东经342°的一处显著混沌地形，位于Margaritifer Terra东缘，Ares Vallis以南不远处——后者是火星上最大的外流河道之一（图1）。该区域面积超过30,000平方公里，位于数个关键水文与构造系统的交汇处，被视为Uzboi–Ladon–Margaritifer–Ares（ULMA）外流系统中的一个关键节点，与早期Hesperian至早期Amazonian时期的大规模洪涝事件相关。（图像数据集 本研究综合了由NASA火星勘测轨道飞行器（MRO——Zurek和Smrekar，2007）上载仪器获取的高分辨率遥感数据集，具体来自高分辨率成像科学实验（HiRISE——McEwen等，2007）和上下文相机（CTX——Malin等，2007）。HiRISE是孔径0.5米的传感器，工作波段为可见光至近红外（0.35–1.0 μm），在正射条件下可获取约25–30厘米/像元的火星地表影像。该仪器……）

**地貌图**
地貌图揭示了研究区内地貌在空间上的分异（图8）。北部扇区由图2所示的Knobby（Ky）单元主导，绝大多数图上山脊均分布于此地貌单元内。山脊勾勒出Knobby地形的起伏地貌，并标示出众多局部折坡过渡。撞击坑广泛分布于地图北部，直径范围为……

**讨论**
本研究开展的一体化的地貌与岩土工程分析，为火星Iani Chaos地区一处向西滑坡的失稳动力学提供了新的见解。通过DTM重建获得的失稳前地表，使我们能够识别滑坡体的主要形态测量特征。此类定量化形态测量重建在天体研究中是基础性的，因为它使单个案例之间的比较成为可能，并……

**结论**
本研究聚焦于火星Iani Chaos地区一处向西滑坡的形态刻画与边坡稳定性评估。通过整合来自HiRISE的高分辨率地形数据与光学地质数据，并结合概率性数值建模，本研究旨在重建滑动面几何形态、量化动员体积，并识别静态与准静态条件下控制边坡稳定性的主要因素。

**CRediT作者贡献声明**
Andrea Ermini：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式化分析，数据整理，概念化。
Susan J. Conway：撰写——审阅与编辑，验证，监督，方法学，调查，资助获取，形式化分析，数据整理，概念化。
Luca Guallini：撰写——审阅与编辑，验证，数据整理。

**注释说明：** 原文为学术论文，正文在多处（如"HiRISE is a 0.5-m aperture sensor...The instrument"、"with diameters ranging from a"、"enable the comparison of individual cases with"、"The CRediT authorship..."）处出现明显截断或句子不完整的情况，上述中文译文严格依照原文实际提供的文本内容进行翻译，未对缺失内容进行补充。

Riccardo Salvini：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资金筹措
Andrea Ermini — 本出版物是在特伦托大学空间科学与技术博士项目（第三十九届）就读期间完成的，得到了 2023 年 3 月 2 日部长令第 118 号资助奖学金的支持，该奖学金基于 NRRP—由欧盟资助—下一代欧盟——任务 4“教育和研究”，组件 1“提升教育服务供应：从幼儿园到大学”——投资 4.1“增加研究数量”
利益冲突声明
作者声明了以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Susan J Conway 报告称法国空间局提供了资金支持。Andrea Ermini 报告称法国空间局提供了设备、药品或物资。Susan J Conway 报告称与法国空间局存在关系，包括：资金赠款。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或
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