地震災(zāi)害的隱形殺手——砂土液化

破壞性地震發(fā)生時(shí)，我們常發(fā)現(xiàn)在災(zāi)害區(qū)出現(xiàn)“噴砂”、“冒水”、“地陷”、“裂隙”等現(xiàn)象。相比大家熟知的崩塌、滑坡和泥石流等災(zāi)害，這種容易被人們忽視的現(xiàn)象就是地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)的隱形殺手----地震液化（俗稱砂土液化）。

地震液化表面上只是出現(xiàn)噴砂冒水現(xiàn)象，但實(shí)際上它有可能導(dǎo)致堤岸滑塌、地面開(kāi)裂下沉，進(jìn)而破壞地面的公路、鐵路、地面建筑和重大工程建設(shè)設(shè)施。

01

地震液化是怎么破壞地面建筑設(shè)施的？

地震液化是指，原本穩(wěn)定的、以固體狀為主的砂土層，在地震作用下轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)的混合液體的行為和過(guò)程，導(dǎo)致砂土層的支撐力減小。

圖1 地震前穩(wěn)定的砂土層載荷示意圖

地震前，地下水位以下的飽和砂土體承載著上面土層和建筑物的重量。這一重量大部分由砂土顆粒骨架像彈簧一樣的承擔(dān)，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)（圖1）。

地震發(fā)生時(shí)，地殼內(nèi)部巨大的能量在快速的釋放過(guò)程中造成振動(dòng)，在地殼內(nèi)部和表層產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和破裂。地下水位以下的砂土，瞬間受到巨大地震力的強(qiáng)烈作用，砂土層中的孔隙水來(lái)不及排出，空隙壓突然升高，致使原本穩(wěn)定的砂土層的性質(zhì)發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)出類似液體的特征。

這就好比原本穩(wěn)定的地下支撐，突然之間變成可以四處流動(dòng)的液體，地面建筑設(shè)施就像漂浮在水上的浮萍，這種破壞力也就不言而喻。

02

哪些地方最容易發(fā)生地震液化？

地震液化能產(chǎn)生巨大的破壞，但也不是每一次地震的元兇都是它。比如發(fā)生在基巖山區(qū)的地震，地震液化的危害就比較小，相反山崩、滑坡、泥石流這些災(zāi)害的破壞性就會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。那么什么情況下，破壞性地震容易誘發(fā)地震液化呢？

我國(guó)的地質(zhì)地形復(fù)雜，第四系松散的砂土沉積物約占全國(guó)面積的1/4。特別在我國(guó)的華北平原、關(guān)中地區(qū)、東北平原區(qū)和東南沿海地區(qū)，第四紀(jì)的松散砂土層厚度特別大。

此外，這些地區(qū)地勢(shì)平坦，人類活動(dòng)密集，這些地區(qū)都是潛在的地震液化災(zāi)害區(qū)，涉及北京、天津、西安、上海、唐山、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、黑龍江等多個(gè)重要城市和地區(qū)。

03

地震液化的犯罪證據(jù)

地震液化災(zāi)害直接影響人類的城鎮(zhèn)建設(shè)和發(fā)展，如1966年的邢臺(tái)地震、1975年的海城地震、1976年的唐山地震、2008年汶川地震、2011年新西蘭地震和2018年印度尼西亞地震等幾次大地震中，地震液化災(zāi)害在地震災(zāi)害中都充當(dāng)著隱形殺手的角色。

2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震雖然發(fā)生在龍門山斷裂帶山區(qū)，但它同時(shí)在地勢(shì)平緩、第四紀(jì)松散堆積的多個(gè)河谷地區(qū)造成了地震液化。

強(qiáng)烈地震發(fā)生時(shí)，地下深處含水的砂土層強(qiáng)烈液化，強(qiáng)液化的砂層沿一定的通道向地表垂直流動(dòng)或噴出，至地表后呈圓丘狀，稱之為“液化溢出丘”（圖2）。同時(shí)在岷江河漫灘也出現(xiàn)地震液化，發(fā)生破壞河堤現(xiàn)象（圖3）。

圖2 汶川地震后形成的4個(gè)代表性地震液化溢出丘

圖3 “5·12”汶川地震引發(fā)岷江河漫灘地震液化

2018年吉林松原5.7級(jí)地震雖然并未造成人員傷亡，然而在地震發(fā)生后，在震區(qū)的幾處稻田地里出現(xiàn)了一些深坑，有的還不斷地冒出泥漿和水，這令當(dāng)?shù)厥忻胥枫凡话?，有些害怕（圖4）。

圖4 2018年吉林松原5.7級(jí)地震后出現(xiàn)的地震液化

2011年2月22日新西蘭發(fā)生的6.2級(jí)地震中，地震液化災(zāi)害最為顯著（圖5），新西蘭第三大城市克賴斯特徹奇（簡(jiǎn)稱“基督城”）在地震中受損嚴(yán)重，因部分城區(qū)出現(xiàn)土壤液化現(xiàn)象，地下水滲出，地盤變形，這些區(qū)域的建筑發(fā)生傾斜、下陷甚至倒塌，不宜繼續(xù)使用。

圖5 新西蘭克賴斯特徹奇的地震液化

04

理性對(duì)待，防患于未然

對(duì)于地震液化這個(gè)隱形殺手，如果我們提前加以設(shè)防，還是可以有效地減少地震帶給我們的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)乃至世界上多個(gè)國(guó)家或大城市都在進(jìn)行三維地質(zhì)填圖工作。特別是近幾年的城市地質(zhì)調(diào)查工作——對(duì)地下空間開(kāi)展的勘探活動(dòng)，使我們獲得了多個(gè)地區(qū)的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖6）。

如果我們能夠識(shí)別出這些容易發(fā)生液化的砂土層所在深度、砂土層厚度和空間分布范圍，那么在工程建設(shè)和城市發(fā)展規(guī)劃時(shí)，就能夠?qū)@些易液化的砂土層采取對(duì)應(yīng)的措施，從而降低地震液化的“犯罪”機(jī)會(huì)，減少破壞性地震帶給我們的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。

圖6 三維城市地質(zhì)調(diào)查模型