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隐形的地震杀手——砂土液化

图文:升级包

导语:9月底,印尼中苏拉威西省遭遇了一场地震海啸,导致临海的大片土地发生“砂土液化”,并呈现“液态化”流动,许多建筑被整体平移,然后倒塌,造成了严重的灾害与损失。砂土液化究竟是什么?破坏力竟这么大,应该如何防范?

印尼的这场地震海啸,引发砂土液化,导致当地一些社区整体下沉了大约10米,几乎整个从地图上消失,居民拍摄的视频更是堪比灾难大片,看得学姐后背一阵发冷,更不禁疑问这砂土液化到底是“何方妖魔”,竟如此可怕!?一查资料,学姐发现这种现象可不少,经常出现在地震活动中,并被称之为“隐形的地震杀手”,非常值得引起关注和防范。那砂土液化到底是什么,可能带来哪些灾害,又该如何防范呢?本期《学姐来了》采访了中国地质科学院地质力学研究所新构造与活动构造研究室副主任吴中海研究员,我们一起分享他的科学解答吧。

砂土液化是什么?

此次印尼地震海啸引发的是典型的砂土液化现象,也被称为土壤液化,这是一种地震活动中较为常见的典型次生地质灾害。饱水的疏松粉砂、细砂土,在外力反复震荡下,砂土发生颗粒移动并变密,砂粒间孔隙减小,由于粉细砂的渗水性不良,会导致孔隙水压力急剧升高,而有效应力降低,使颗粒悬浮在水中,砂土即发生液化。就仿佛晃动杯子里的含水砂土,水和砂分离,砂下沉,水会上来。此时,原来的砂土层由固态转变为液态,砂土颗粒丧失了原来的粒间接触压力与摩擦力,而液体无法承载上方的剪应力,使地基失去承载力,因此会导致上部建筑“倒塌”、“陷落”或“漂移”等,如果水压超过上部覆盖层的强度还会导致喷砂冒水的现象。

为了更为直观地理解砂土液化现象,学姐动手做了个小实验来模拟一下。首先,我在塑料杯中倒了一些水,并放了一些砂子,水浸透砂土一半的高度。然后,我用力左右摇晃杯子,发现原本整齐的水位线开始崎岖不平,有些位置明显升高;我继续摇晃,下方的砂依然比较紧实,但是上方的干砂越来越少,之后全部变成了湿砂子,而且非常松散,互相之间空隙很大。

实验前后对比图

实验的最后并没有出现液化,一是砂子太粗,二是没有足量的水,三是我晃动所带来的振动强度不够。这个简单的小实验,现象虽然不够理想,但依然可以感受到砂土液化的危害,并且当我横向挤压塑料瓶时,上方松散的砂土窸窸窣窣地快速漏了下去,塑料瓶恢复原样后,砂土却再也不是原来的模样了。

砂土液化的出现一般有以下几个因素共同影响。

第一,地面振动。能引起砂土液化的振动主要来自5.0级以上的浅源地震,也有一些工程,如爆破等,会引起局部砂土液化,但一般规模较小。

第二,粉细砂层。易发生液化的砂土一般粒径为0.02-1mm的砂,地层比较年轻,多属于全新世(指距今大约1.2万年以来)形成的松散的粉砂细砂。

第三,砂层埋深浅且地下水位浅,一般埋深在10—20米以上,而地下水位一般在4、5米左右。

因此砂土液化多发生在沿海、沿江、沿河、环湖,以及冲积平原地带,5.0级以上浅源地震引起的地面振动比较显著且持续时间较长,所以砂土液化最常见于地震中。而这类灾害发生过程都隐藏在地下,不易察觉,但有时可造成巨大危害,因此被称为“隐形的地震杀手”!

流砂的形成:地下水对砂粒的液化作用。图片来自:howstuffworks.com

砂土液化的危害

砂土液化可以引起的灾害有多种,其中破坏力较大的有两种,一种是承载力失效,此时经常导致砂土液化层之上的地表建筑等负荷物沉陷到土壤中,而埋在地下的土壤或建筑,如地下室、贮水池等有时会漂浮到地面,其中典型的例证有1964年的日本新潟地震。

1964年6月16日,日本新潟县南方近海40km发生7.5级大地震,并引发严重的土壤液化现象,包括涌砂、喷水、地层下陷、建筑物沉陷与倾斜、人孔与地下室上浮、桥墩下沉,以及港湾、机场损毁。当时新潟新建的楼房考虑了抗震问题,整体性好,没有因地震而坍塌,但很多建筑却出现了地基失效,整体倾斜,有些虽然没有完全倾倒,倾斜度却超过了60°。这是日本与世界地震史上第一个以严重土壤液化灾害闻名的地震,当时拍摄的一些影像迅速传播至全世界,随之引起了世界工程地质领域对砂土液化的关注和深入研究。

1964年日本新潟地质楼房倾斜

另一种破坏力巨大的砂土液化是流动破坏,又被称为流向塌方,这种情况下,大块的土地以液体形式流动较长的距离,或整块漂浮在液体之上,规模大,行进速度高,是对生命财产危害最大的一类砂土液化灾害。此次印尼地震中的砂土液化就属于这一类。此类灾害如果发生在近海的海底还可能引发海啸,一个最典型的例子是1964年的美国阿拉斯加大地震。

1964年3月27日美国阿拉斯加发生9.2级地震,也被称为耶稣受难日地震,地震引起的砂土液化主要发生在阿拉斯加沿岸海湾水底,塌陷达到10米之深,造成西沃德和瓦尔德芝两地码头建筑完全被毁,并引发海啸,夺走了许多人的生命,此次地震是美国和北美历史上最大的地震。

1964年阿拉斯加地震

我国早在公元前70年已有文献记载山东诸城(西北)7级地震中“涌水喷砂”的砂土液化现象。特别是1605年7月13日我国海南琼山地区发生的7.5级大地震,曾记载在沿海地带出现“地裂沙水涌出,田地陷没者不可胜计”等现象,可能都是砂土液化导致的次生灾害。当时导致沿岸陆地发生大面积快速下沉,使得原先为陆地的东寨港、北创港和铺前港等地区大面积陆陷成海。

砂土液化的防范

新中国成立后,我国工程界就已开始关注砂土液化灾害,尤其是在1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山大地震之后。海城地震发生在渤海湾北部,邢台地震和唐山地震发生在河北平原,均出现了显著的砂土液化现象与灾害。据天津市地震局赵根模研究员回忆,唐山地震时他位于天津市的家中曾冒出一米多高的砂丘,可见砂土液化的危害力有多大。因此,我国工程地质领域也非常重视砂土液化问题,并不断投入了深入和系统的研究。

1966年河北邢台6.8级地震中沿古河道出现的喷砂冒水带(资料来源:国家地震局地质研究所,1983. 中国八大地震震害摄影图集,北京:地震出版社)

1966年河北邢台7.2级地震中沿古河道出现的典型的喷砂冒水孔(资料来源:国家地震局地质研究所,1983. 中国八大地震震害摄影图集,北京:地震出版社)

在我国,沿海、沿江、沿河、环湖和平原,发生过砂土液化的地区非常多,粗略统计,总的平原区面积达115万平方公里左右,占总国土面积的10%—12%,其中涉及砂土液化的地区至少可达几十万平方公里,相当于欧洲一个中等国家的面积,而且我国砂土液化问题呈现范围广、类型多的特点。同时,我国的一些砂土液化易发区往往与能引发强烈地震活动的活动构造带相叠合,且多为经济发达、人口密集的地区,如华北平原、河套盆地、福建到广东沿海地区等,因此,砂土液化危害问题非常值得重视。

我国主要地震活动构造带(图片来源:现代知识网)

面对如此复杂的砂土液化情况,该如何防范呢?很显然,预防是关键,尤其是汶川地震的经验教训告诉我们,必须优先将减灾工作做在前面。

如何预防,首先应在区域性的基础地质调查工作中,掌握可能出现砂土液化的地区、范围和分布,然后通过进一步的详细勘察,判断可能出现液化的砂土层厚度与可能导致灾害的严重程度,最后按照风险防控要求或工程地质规范制定科学防范的措施。如美国地质调查局,通过调查在1:2.5万的地图上标识出砂土液化易发区和易发程度,来指导国土空间用途管制以及城镇和工程的规划和建设,如前文提到的阿拉斯加地震,港口地区遭到严重砂土液化破坏,后期便不再作为港口使用而建设成为公园,此次印尼地震的后续报道中,政府也提到会将此地区建设成湿地公园和纪念场地。

随着科技的发展,如何进行砂土液化的调查,也不断有了很多新技术、新方法,如高分辨率地质雷达、地震背景噪声成像技术、电法勘探等,可以有效提高城镇区砂土液化勘测的效率,在确定了可能发生液化作用的砂土层范围后,再辅以传统的钻探、标贯测试与实验分析等,便可以准确有效地验证砂土液化层的存在与危害性等。

用于测量和监测与地震相关的现代地壳应力状态的地应力设备(拍摄于地质力学研究所李四光纪念馆)

采访后,吴中海老师带学姐们参观了李四光纪念馆,我们感受到丁文江、李四光等老一辈为我国地质工作奠基和开拓所做出的卓越贡献与辛苦付出,了解到一代又一代地质工作者的不断进取与探索。如今我国的地质事业得到了长足的发展,也仍存在许多需要深入探究和解密的问题,如果你对地质科学感兴趣,非常希望你能努力奋斗成为其中的一员,世界那么大,等你去“勘探”,也希望我们大家都能关注自然、热爱自然!

 

内容支持:吴中海 研究员、博士生导师

自然资源部新构造运动与地质灾害重点实验室

中国地质科学院地质力学研究所新构造与活动构造室

 

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