Understanding subaqueous landslides and their morphology : From qualitative to quantitative analysis

Subaqueous landslides are globally widespread -- occurring on continental margins, in lakes, fjords and river deltas, and at volcanic islands -- and can destroy critical seafloor infrastructure and marine habitats. Furthermore, they can result in tsunami waves that can have a devastating impact on coastal communities and infrastructure, can transport organic material and pollutants into the deep sea, impact upon hydrocarbon systems, and play a role in defining national economic boundaries. Thus, understanding how subaqueous landslides are emplaced and their potential impact is important both from a hazard mitigation and an economic perspective. The morphology and geometry of a landslide deposit provides key information about how it was emplaced, but our understanding of these factors depends heavily on data coverage and resolution. This thesis makes use of a variety of types of data from different settings and of different resolutions in order to both qualitatively and quantitatively investigate the morphology of mass transport deposits. In particular, I explore the relationship between morphology and the process of emplacement. Some morphological features, such as elongated ridges related to lateral-margin compression, toe compression, and extension (spreading), form through entirely different processes, but appear to have similar geomorphology. As geomorphology is widely used to infer information about the formative process, it is important that it is correctly interpreted. This poses a particular problem in areas of low data coverage, or for very large landslides, which may have failed in multiple stages. Here, we develop and test a quantitative method for distinguishing between different types of ridges in subaqueous landslide deposits. Our results demonstrate a quantitative link between the morphology and formative processes responsible for spreading, toe-compression, and lateral-margin compressional ridges. The application of quantitative methodology such as this represents an important step towards reducing the subjectivity that is often inherent in the analysis of subaqueous landslide deposits. Furthermore, the morphology and emplacement of two end-member cases -- a volcanic flank-collapse (the Monte Amarelo flank-collapse of the island of Fogo in the Cape Verdes), and a submarine megaslide on a passive continental margin (the Tampen Slide, offshore Norway) -- are examined in detail. The Monte Amarelo flank-collapse deposits offshore Fogo are investigated using a combination of high-resolution sub-bottom profiles, sediment gravity cores, and bathymetric data. These data reveal that the lateral extent of the Monte Amarelo debris avalanche deposits is more than twice what it was previously thought to be. Moreover, we find that the deposition of the debris avalanche deposits triggered the multi-phase failure of pre-existing seafloor sediments -- similar to what has been documented for flank-collapses in the Lesser Antilles (Caribbean). We also find evidence for numerous small volume, previously unobserved, mass transport deposits on the submerged slopes south of the island of Fogo. The second end-member case, the buried Tampen Slide offshore Norway, is investigated using laterally extensive, high-resolution 3D seismic data. We find that the prodigious volume of the Tampen Slide (>1,000 km^3) is largely the result of a single failure along a single glide plane. This differs significantly from other megaslides, whose large total volumes seem to be the result of numerous small volume retrogressive failures, and has important implications for our understanding of how large landslides may fail. Furthermore, the high resolution of the data enables the morphology of the Tampen Slide to be investigated in detail, and we identify regions of spreading and compression (cross-slope ridges), as well as longitudinal (down-slope orientated) chutes and ridges that are >40 m higher than the surrounding deposits -- the first time that longitudinal ridges of this scale have been identified in a deep marine setting. The findings for both these end-member subaqueous landslides have important implications for understanding how other such landslides may be emplaced, as well as their corresponding hazards.

Subaquatische Hangrutschungen sind global weit verbreitet -- sie treten an Kontinentalrändern, in Seen, Fjorden und Flussdeltas sowie auf vulkanischen Inseln auf -- und können wichtige Infrastrukturen am Meeresboden, marine Ökosysteme und Habitate zerstören. Darüber hinaus können sie Tsunamis auslösen, die verheerende Auswirkungen auf Küstenregionen und Infrastruktur haben, organisches Material und Schadstoffe in die Tiefsee transportieren, sich auf Kohlenwasserstoffsysteme auswirken und bei der Festlegung nationaler Grenzen und wirtschaftlicher Zonen eine Rolle spielen können. Daher ist das Verständnis von Mechanismen dieser subaquatischer Hangrutschungen und ihrer potenziellen Auswirkungen, sowohl aus der Sicht der Gefahrenminderung, als auch aus wirtschaftlicher Sicht, essentiell. Die Morphologie und Geometrie einer Hangrutschung liefert wichtige Informationen darüber, wie diese abgelagert wurde. Jedoch hängt die Analyse dieser Faktoren stark von der Art der Datenaufnahme und -auflösung ab. Um die Morphologie von Massentransportablagerungen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu untersuchen, wird in dieser Arbeit eine Vielzahl von Datentypen aus unterschiedlichen Regionen und unterschiedlicher Auflösungen verwendet. In dieser Arbeit werden insbesondere die Beziehungen zwischen Morphologie und deren zugrunde liegenden Prozesse untersucht. Strukturen ähnlicher Ausprägung können durch ganz unterschiedliche Prozesse entstehen. Ein gutes Beispiel dafür sind Kämme, die als Folge von Dehnung (Spreizung) im proximalen Bereich, Kompression im distalen Bereich, oder durch laterale Randkompressionen entstehen können. Da die Geomorphologie weithin zur Ableitung von Informationen über den Entstehungsprozess verwendet wird, ist es wichtig, dass diese korrekt interpretiert wird. Dies stellt ein besonderes Problem in Gebieten mit geringer Datendichte oder bei sehr großen Hangrutschungen dar, die möglicherweise in mehreren Phasen abgerutscht sind. Hier werden quantitative Methoden zur Differenzierung zwischen lateraler Randkompression, distaler Ridge Kompression und Dehnungskämmen in Ablagerungen von subaquatischer Hangrutschungen untersucht und getestet. Die Ergebnisse dieser Analyse zeigen einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Morphologie und den Formgebungsprozessen, die für die Spreizung, die distale Kompressions-Kämme und die Kompression der seitlichen Ränder verantwortlich sind. Die Anwendung einer solchen quantitativen Methodik stellt einen wichtigen Schritt zur Verringerung der Subjektivität dar, die der Analyse subaquatischer Hangrutschablagerungen oft innewohnt. Darüber hinaus wird die Morphologie und räumliche Lage von zwei Fallbeispielen im Detail untersucht: der vulkanischer Monte-Amarelo-Flankenkollaps der Insel Fogo, Kapverden, und die riesige Tampen subaquatische Hangrutschung an dem passiven Kontinentalhang vor zentral Norwegen. Die Ablagerungen des Monte-Amarelo Flankenkollapses vor der vulkanischen Insel Fogo wurden mit einer Kombination aus hochauflösenden Sedimentecholot-, Fächerecholot- und Sedimentkerndaten untersucht. Die Daten zeigen, dass die laterale Ausdehnung der Monte-Amarelo Schuttlawine mehr als doppelt so groß ist wie bisher angenommen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Ablagerungen der Schuttlawine das mehrphasige Rutschen von bereits abgelagerten Sedimenten auslöste. Dieser Prozess ist bereits von Flankenabbrüchen auf den Kleinen Antillen (Karibik) bekannt. An Fogos subaquatischen Vulkanhängen konnten außerdem zahlreiche kleinvolumige Massentransportablagerungen nachgewiesen werden. Als zweites Fallbeispiel wurden die Ablagerungen der Tampen-Rutsunchung mit einem Gesamtvolumen von >1,000 km^3 untersucht. Unter Verwendung eines großen, hochauflösenden reflektions-seismischen 3D Datensatzes der Sediment bedeckten Abbruchkante der Tampen-Rutschung konnte festgestellt werden, dass die Massenumlagerung weitgehend während eines einzigen Ereignises entlang einer Gleitebene stattfand. Diese Beobachtung unterscheidet sich erheblich von anderen Megarutschungen, deren großes Gesamtvolumen das Ergebnis zahlreicher retrogressiver, kleinvolumiger Hangrutschungen ist. Dies hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis von Abläufen, die während einer großen Hangrutschung stattfinden können. Die hohe Datenauflösung ermöglicht es die Morphologie der Tampen-Rutschung im Detail zu untersuchen. So konnten Spreizungs- und Kompressionsregionen, die quer zum Streichen verlaufen, sowie hangabwärts orientierte Rutschungsbahnen und Kämme, die bis zu 40 m höher sind als die sie umgebenden Ablagerungen identifiziert werden. Dies ist das erste Mal, dass diese longitudinalen Kämme in dieser Wassertiefe gefunden wurden. Die Erkenntnisse, die durch diese beiden Fallbeispiele gewonnen wurden, haben wichtige Implikationen für das Verständnis wie derartige Hangrutschungen abgelagert werden, und welche Gefahren mit ihnen einhergehen können.

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