印尼蘇拉威西島發(fā)生7.5級(jí)強(qiáng)震并引發(fā)海嘯，這場(chǎng)海嘯帶來的災(zāi)難還引發(fā)了砂土液化，導(dǎo)致當(dāng)?shù)匾恍┥鐓^(qū)整體下沉了大約10米，幾乎整個(gè)從地圖上消失，居民拍攝的視頻更是堪比災(zāi)難大片，看得學(xué)姐后背一陣發(fā)冷，更不禁疑問這砂土液化到底是“何方妖魔”，竟如此可怕！？一查資料，學(xué)姐發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象可不少，經(jīng)常出現(xiàn)在地震活動(dòng)中，并被稱之為“隱形的地震殺手”，非常值得引起關(guān)注和防范。那砂土液化到底是什么，可能帶來哪些災(zāi)害，又該如何防范呢？本期《學(xué)姐來了》采訪了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所新構(gòu)造與活動(dòng)構(gòu)造研究室副主任吳中海研究員，我們一起分享他的科學(xué)解答吧。

　　砂土液化是什么？

　　此次印尼地震海嘯引發(fā)的是典型的砂土液化現(xiàn)象，也被稱為土壤液化，這是一種地震活動(dòng)中較為常見的典型次生地質(zhì)災(zāi)害。飽水的疏松粉砂、細(xì)砂土，在外力反復(fù)震蕩下，砂土發(fā)生顆粒移動(dòng)并變密，砂粒間孔隙減小，由于粉細(xì)砂的滲水性不良，會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力急劇升高，而有效應(yīng)力降低，使顆粒懸浮在水中，砂土即發(fā)生液化。就仿佛晃動(dòng)杯子里的含水砂土，水和砂分離，砂下沉，水會(huì)上來。此時(shí)，原來的砂土層由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，砂土顆粒喪失了原來的粒間接觸壓力與摩擦力，而液體無法承載上方的剪應(yīng)力，使地基失去承載力，因此會(huì)導(dǎo)致上部建筑“倒塌”、“陷落”或“漂移”等，如果水壓超過上部覆蓋層的強(qiáng)度還會(huì)導(dǎo)致噴砂冒水的現(xiàn)象。

　　為了更為直觀地理解砂土液化現(xiàn)象，學(xué)姐動(dòng)手做了個(gè)小實(shí)驗(yàn)來模擬一下。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，我用力左右搖晃杯子，發(fā)現(xiàn)原本整齊的水位線開始崎嶇不平，有些位置明顯升高；我繼續(xù)搖晃，下方的砂依然比較緊實(shí)，但是上方的干砂越來越少，之后全部變成了濕砂子，而且非常松散，互相之間空隙很大。

　　實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖

　　實(shí)驗(yàn)的最后并沒有出現(xiàn)液化，一是砂子太粗，二是沒有足量的水，三是我晃動(dòng)所帶來的振動(dòng)強(qiáng)度不夠。這個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象雖然不夠理想，但依然可以感受到砂土液化的危害，并且當(dāng)我橫向擠壓塑料瓶時(shí)，上方松散的砂土窸窸窣窣地快速漏了下去，塑料瓶恢復(fù)原樣后，砂土卻再也不是原來的模樣了。

　　砂土液化的出現(xiàn)一般有以下幾個(gè)因素共同影響。

　　第一，地面振動(dòng)。能引起砂土液化的振動(dòng)主要來自5.0級(jí)以上的淺源地震，也有一些工程，如爆破等，會(huì)引起局部砂土液化，但一般規(guī)模較小。

　　第二，粉細(xì)砂層。易發(fā)生液化的砂土一般粒徑為0.02-1mm的砂，地層比較年輕，多屬于全新世（指距今大約1.2萬年以來）形成的松散的粉砂細(xì)砂。

　　第三，砂層埋深淺且地下水位淺，一般埋深在10—20米以上，而地下水位一般在4、5米左右。

　　因此砂土液化多發(fā)生在沿海、沿江、沿河、環(huán)湖，以及沖積平原地帶，5.0級(jí)以上淺源地震引起的地面振動(dòng)比較顯著且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，所以砂土液化最常見于地震中。而這類災(zāi)害發(fā)生過程都隱藏在地下，不易察覺，但有時(shí)可造成巨大危害，因此被稱為“隱形的地震殺手”！

　　流砂的形成：地下水對(duì)砂粒的液化作用。圖片來自：howstuffworks.com

　　砂土液化的危害

　　砂土液化可以引起的災(zāi)害有多種，其中破壞力較大的有兩種，一種是承載力失效，此時(shí)經(jīng)常導(dǎo)致砂土液化層之上的地表建筑等負(fù)荷物沉陷到土壤中，而埋在地下的土壤或建筑，如地下室、貯水池等有時(shí)會(huì)漂浮到地面，其中典型的例證有1964年的日本新潟地震。

　　1964年6月16日，日本新潟縣南方近海40km發(fā)生7.5級(jí)大地震，并引發(fā)嚴(yán)重的土壤液化現(xiàn)象，包括涌砂、噴水、地層下陷、建筑物沉陷與傾斜、人孔與地下室上浮、橋墩下沉，以及港灣、機(jī)場(chǎng)損毀。當(dāng)時(shí)新潟新建的樓房考慮了抗震問題，整體性好，沒有因地震而坍塌，但很多建筑卻出現(xiàn)了地基失效，整體傾斜，有些雖然沒有完全傾倒，傾斜度卻超過了60°。這是日本與世界地震史上第一個(gè)以嚴(yán)重土壤液化災(zāi)害聞名的地震，當(dāng)時(shí)拍攝的一些影像迅速傳播至全世界，隨之引起了世界工程地質(zhì)領(lǐng)域?qū)ι巴烈夯年P(guān)注和深入研究。

　　1964年日本新潟地質(zhì)樓房?jī)A斜

　　另一種破壞力巨大的砂土液化是流動(dòng)破壞，又被稱為流向塌方，這種情況下，大塊的土地以液體形式流動(dòng)較長(zhǎng)的距離，或整塊漂浮在液體之上，規(guī)模大，行進(jìn)速度高，是對(duì)生命財(cái)產(chǎn)危害最大的一類砂土液化災(zāi)害。此次印尼地震中的砂土液化就屬于這一類。此類災(zāi)害如果發(fā)生在近海的海底還可能引發(fā)海嘯，一個(gè)最典型的例子是1964年的美國(guó)阿拉斯加大地震。

　　1964年3月27日美國(guó)阿拉斯加發(fā)生9.2級(jí)地震，也被稱為耶穌受難日地震，地震引起的砂土液化主要發(fā)生在阿拉斯加沿岸海灣水底，塌陷達(dá)到10米之深，造成西沃德和瓦爾德芝兩地碼頭建筑完全被毀，并引發(fā)海嘯，奪走了許多人的生命，此次地震是美國(guó)和北美歷史上最大的地震。

　　1964年阿拉斯加地震

　　我國(guó)早在公元前70年已有文獻(xiàn)記載山東諸城（西北）7級(jí)地震中“涌水噴砂”的砂土液化現(xiàn)象。特別是1605年7月13日我國(guó)海南瓊山地區(qū)發(fā)生的7.5級(jí)大地震，曾記載在沿海地帶出現(xiàn)“地裂沙水涌出，田地陷沒者不可勝計(jì)”等現(xiàn)象，可能都是砂土液化導(dǎo)致的次生災(zāi)害。當(dāng)時(shí)導(dǎo)致沿岸陸地發(fā)生大面積快速下沉，使得原先為陸地的東寨港、北創(chuàng)港和鋪前港等地區(qū)大面積陸陷成海。

　　砂土液化的防范

　　新中國(guó)成立后，我國(guó)工程界就已開始關(guān)注砂土液化災(zāi)害，尤其是在1966年邢臺(tái)地震、1975年海城地震、1976年唐山大地震之后。海城地震發(fā)生在渤海灣北部，邢臺(tái)地震和唐山地震發(fā)生在河北平原，均出現(xiàn)了顯著的砂土液化現(xiàn)象與災(zāi)害。據(jù)天津市地震局趙根模研究員回憶，唐山地震時(shí)他位于天津市的家中曾冒出一米多高的砂丘，可見砂土液化的危害力有多大。因此，我國(guó)工程地質(zhì)領(lǐng)域也非常重視砂土液化問題，并不斷投入了深入和系統(tǒng)的研究。

　　1966年河北邢臺(tái)6.8級(jí)地震中沿古河道出現(xiàn)的噴砂冒水帶（資料來源：國(guó)家地震局地質(zhì)研究所，1983. 中國(guó)八大地震震害攝影圖集，北京：地震出版社）

　　1966年河北邢臺(tái)7.2級(jí)地震中沿古河道出現(xiàn)的典型的噴砂冒水孔（資料來源：國(guó)家地震局地質(zhì)研究所，1983. 中國(guó)八大地震震害攝影圖集，北京：地震出版社）

　　在我國(guó)，沿海、沿江、沿河、環(huán)湖和平原，發(fā)生過砂土液化的地區(qū)非常多，粗略統(tǒng)計(jì)，總的平原區(qū)面積達(dá)115萬平方公里左右，占總國(guó)土面積的10%—12%，其中涉及砂土液化的地區(qū)至少可達(dá)幾十萬平方公里，相當(dāng)于歐洲一個(gè)中等國(guó)家的面積，而且我國(guó)砂土液化問題呈現(xiàn)范圍廣、類型多的特點(diǎn)。同時(shí)，我國(guó)的一些砂土液化易發(fā)區(qū)往往與能引發(fā)強(qiáng)烈地震活動(dòng)的活動(dòng)構(gòu)造帶相疊合，且多為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū)，如華北平原、河套盆地、福建到廣東沿海地區(qū)等，因此，砂土液化危害問題非常值得重視。

　　我國(guó)主要地震活動(dòng)構(gòu)造帶（圖片來源：現(xiàn)代知識(shí)網(wǎng)）

　　面對(duì)如此復(fù)雜的砂土液化情況，該如何防范呢？很顯然，預(yù)防是關(guān)鍵，尤其是汶川地震的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)告訴我們，必須優(yōu)先將減災(zāi)工作做在前面。

　　如何預(yù)防，首先應(yīng)在區(qū)域性的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作中，掌握可能出現(xiàn)砂土液化的地區(qū)、范圍和分布，然后通過進(jìn)一步的詳細(xì)勘察，判斷可能出現(xiàn)液化的砂土層厚度與可能導(dǎo)致災(zāi)害的嚴(yán)重程度，最后按照風(fēng)險(xiǎn)防控要求或工程地質(zhì)規(guī)范制定科學(xué)防范的措施。如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，通過調(diào)查在1：2.5萬的地圖上標(biāo)識(shí)出砂土液化易發(fā)區(qū)和易發(fā)程度，來指導(dǎo)國(guó)土空間用途管制以及城鎮(zhèn)和工程的規(guī)劃和建設(shè)，如前文提到的阿拉斯加地震，港口地區(qū)遭到嚴(yán)重砂土液化破壞，后期便不再作為港口使用而建設(shè)成為公園，此次印尼地震的后續(xù)報(bào)道中，政府也提到會(huì)將此地區(qū)建設(shè)成濕地公園和紀(jì)念場(chǎng)地。

　　隨著科技的發(fā)展，如何進(jìn)行砂土液化的調(diào)查，也不斷有了很多新技術(shù)、新方法，如高分辨率地質(zhì)雷達(dá)、地震背景噪聲成像技術(shù)、電法勘探等，可以有效提高城鎮(zhèn)區(qū)砂土液化勘測(cè)的效率，在確定了可能發(fā)生液化作用的砂土層范圍后，再輔以傳統(tǒng)的鉆探、標(biāo)貫測(cè)試與實(shí)驗(yàn)分析等，便可以準(zhǔn)確有效地驗(yàn)證砂土液化層的存在與危害性等。

　　用于測(cè)量和監(jiān)測(cè)與地震相關(guān)的現(xiàn)代地殼應(yīng)力狀態(tài)的地應(yīng)力設(shè)備（拍攝于地質(zhì)力學(xué)研究所李四光紀(jì)念館）

　　采訪后，吳中海老師帶學(xué)姐們參觀了李四光紀(jì)念館，我們感受到丁文江、李四光等老一輩為我國(guó)地質(zhì)工作奠基和開拓所做出的卓越貢獻(xiàn)與辛苦付出，了解到一代又一代地質(zhì)工作者的不斷進(jìn)取與探索。如今我國(guó)的地質(zhì)事業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，也仍存在許多需要深入探究和解密的問題，如果你對(duì)地質(zhì)科學(xué)感興趣，非常希望你能努力奮斗成為其中的一員，世界那么大，等你去“勘探”，也希望我們大家都能關(guān)注自然、熱愛自然！

　　內(nèi)容支持：吳中海 研究員、博士生導(dǎo)師

　　自然資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所新構(gòu)造與活動(dòng)構(gòu)造室

　　部分圖片來自網(wǎng)絡(luò)，如有版權(quán)問題請(qǐng)與我們聯(lián)系


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