印尼蘇拉威西島發生7.5級強震並引發海嘯，這場海嘯帶來的災難還引發了砂土液化，導致當地一些社區整體(ti) 下沉了大約10米，幾乎整個(ge) 從(cong) 地圖上消失，居民拍攝的視頻更是堪比災難大片，看得學姐後背一陣發冷，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，學姐發現這種現象可不少，經常出現在地震活動中，並被稱之為(wei) “隱形的地震殺手”，非常值得引起關(guan) 注和防範。那砂土液化到底是什麽(me) ，可能帶來哪些災害，又該如何防範呢？本期《學姐來了》采訪了中國地質科學院地質力學研究所新構造與(yu) 活動構造研究室副主任吳中海研究員，我們(men) 一起分享他的科學解答吧。

　　砂土液化是什麽(me) ？

　　此次印尼地震海嘯引發的是典型的砂土液化現象，也被稱為(wei) 土壤液化，這是一種地震活動中較為(wei) 常見的典型次生地質災害。飽水的疏鬆粉砂、細砂土，在外力反複震蕩下，砂土發生顆粒移動並變密，砂粒間孔隙減小，由於(yu) 粉細砂的滲水性不良，會(hui) 導致孔隙水壓力急劇升高，而有效應力降低，使顆粒懸浮在水中，砂土即發生液化。就仿佛晃動杯子裏的含水砂土，水和砂分離，砂下沉，水會(hui) 上來。此時，原來的砂土層由固態轉變為(wei) 液態，砂土顆粒喪(sang) 失了原來的粒間接觸壓力與(yu) 摩擦力，而液體(ti) 無法承載上方的剪應力，使地基失去承載力，因此會(hui) 導致上部建築“倒塌”、“陷落”或“漂移”等，如果水壓超過上部覆蓋層的強度還會(hui) 導致噴砂冒水的現象。

　　為(wei) 了更為(wei) 直觀地理解砂土液化現象，學姐動手做了個(ge) 小實驗來模擬一下。首先，我在塑料杯中倒了一些水，並放了一些砂子，水浸透砂土一半的高度。然後，我用力左右搖晃杯子，發現原本整齊的水位線開始崎嶇不平，有些位置明顯升高；我繼續搖晃，下方的砂依然比較緊實，但是上方的幹砂越來越少，之後全部變成了濕砂子，而且非常鬆散，互相之間空隙很大。

　　實驗前後對比圖

　　實驗的最後並沒有出現液化，一是砂子太粗，二是沒有足量的水，三是我晃動所帶來的振動強度不夠。這個(ge) 簡單的小實驗，現象雖然不夠理想，但依然可以感受到砂土液化的危害，並且當我橫向擠壓塑料瓶時，上方鬆散的砂土窸窸窣窣地快速漏了下去，塑料瓶恢複原樣後，砂土卻再也不是原來的模樣了。

　　砂土液化的出現一般有以下幾個(ge) 因素共同影響。

　　第一，地麵振動。能引起砂土液化的振動主要來自5.0級以上的淺源地震，也有一些工程，如爆破等，會(hui) 引起局部砂土液化，但一般規模較小。

　　第二，粉細砂層。易發生液化的砂土一般粒徑為(wei) 0.02-1mm的砂，地層比較年輕，多屬於(yu) 全新世（指距今大約1.2萬(wan) 年以來）形成的鬆散的粉砂細砂。

　　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。

　　因此砂土液化多發生在沿海、沿江、沿河、環湖，以及衝(chong) 積平原地帶，5.0級以上淺源地震引起的地麵振動比較顯著且持續時間較長，所以砂土液化最常見於(yu) 地震中。而這類災害發生過程都隱藏在地下，不易察覺，但有時可造成巨大危害，因此被稱為(wei) “隱形的地震殺手”！

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

　　砂土液化的危害

　　砂土液化可以引起的災害有多種，其中破壞力較大的有兩(liang) 種，一種是承載力失效，此時經常導致砂土液化層之上的地表建築等負荷物沉陷到土壤中，而埋在地下的土壤或建築，如地下室、貯水池等有時會(hui) 漂浮到地麵，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發生7.5級大地震，並引發嚴(yan) 重的土壤液化現象，包括湧砂、噴水、地層下陷、建築物沉陷與(yu) 傾(qing) 斜、人孔與(yu) 地下室上浮、橋墩下沉，以及港灣、機場損毀。當時新潟新建的樓房考慮了抗震問題，整體(ti) 性好，沒有因地震而坍塌，但很多建築卻出現了地基失效，整體(ti) 傾(qing) 斜，有些雖然沒有完全傾(qing) 倒，傾(qing) 斜度卻超過了60°。這是日本與(yu) 世界地震史上第一個(ge) 以嚴(yan) 重土壤液化災害聞名的地震，當時拍攝的一些影像迅速傳(chuan) 播至全世界，隨之引起了世界工程地質領域對砂土液化的關(guan) 注和深入研究。

　　1964年日本新潟地質樓房傾(qing) 斜

　　另一種破壞力巨大的砂土液化是流動破壞，又被稱為(wei) 流向塌方，這種情況下，大塊的土地以液體(ti) 形式流動較長的距離，或整塊漂浮在液體(ti) 之上，規模大，行進速度高，是對生命財產(chan) 危害最大的一類砂土液化災害。此次印尼地震中的砂土液化就屬於(yu) 這一類。此類災害如果發生在近海的海底還可能引發海嘯，一個(ge) 最典型的例子是1964年的美國阿拉斯加大地震。

　　1964年3月27日美國阿拉斯加發生9.2級地震，也被稱為(wei) 耶穌受難日地震，地震引起的砂土液化主要發生在阿拉斯加沿岸海灣水底，塌陷達到10米之深，造成西沃德和瓦爾德芝兩(liang) 地碼頭建築完全被毀，並引發海嘯，奪走了許多人的生命，此次地震是美國和北美曆史上最大的地震。

　　1964年阿拉斯加地震

　　我國早在公元前70年已有文獻記載山東(dong) 諸城（西北）7級地震中“湧水噴砂”的砂土液化現象。特別是1605年7月13日我國海南瓊山地區發生的7.5級大地震，曾記載在沿海地帶出現“地裂沙水湧出，田地陷沒者不可勝計”等現象，可能都是砂土液化導致的次生災害。當時導致沿岸陸地發生大麵積快速下沉，使得原先為(wei) 陸地的東(dong) 寨港、北創港和鋪前港等地區大麵積陸陷成海。

　　砂土液化的防範

　　新中國成立後，我國工程界就已開始關(guan) 注砂土液化災害，尤其是在1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山大地震之後。海城地震發生在渤海灣北部，邢台地震和唐山地震發生在河北平原，均出現了顯著的砂土液化現象與(yu) 災害。據天津市地震局趙根模研究員回憶，唐山地震時他位於(yu) 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，我國工程地質領域也非常重視砂土液化問題，並不斷投入了深入和係統的研究。

　　1966年河北邢台6.8級地震中沿古河道出現的噴砂冒水帶（資料來源：國家地震局地質研究所，1983. 中國八大地震震害攝影圖集，北京：地震出版社）

　　1966年河北邢台7.2級地震中沿古河道出現的典型的噴砂冒水孔（資料來源：國家地震局地質研究所，1983. 中國八大地震震害攝影圖集，北京：地震出版社）

　　在我國，沿海、沿江、沿河、環湖和平原，發生過砂土液化的地區非常多，粗略統計，總的平原區麵積達115萬(wan) 平方公裏左右，占總國土麵積的10%—12%，其中涉及砂土液化的地區至少可達幾十萬(wan) 平方公裏，相當於(yu) 歐洲一個(ge) 中等國家的麵積，而且我國砂土液化問題呈現範圍廣、類型多的特點。同時，我國的一些砂土液化易發區往往與(yu) 能引發強烈地震活動的活動構造帶相疊合，且多為(wei) 經濟發達、人口密集的地區，如華北平原、河套盆地、福建到廣東(dong) 沿海地區等，因此，砂土液化危害問題非常值得重視。

　　我國主要地震活動構造帶（圖片來源：現代星空体育官网入口网站網）

　　麵對如此複雜的砂土液化情況，該如何防範呢？很顯然，預防是關(guan) 鍵，尤其是汶川地震的經驗教訓告訴我們(men) ，必須優(you) 先將減災工作做在前麵。

　　如何預防，首先應在區域性的基礎地質調查工作中，掌握可能出現砂土液化的地區、範圍和分布，然後通過進一步的詳細勘察，判斷可能出現液化的砂土層厚度與(yu) 可能導致災害的嚴(yan) 重程度，最後按照風險防控要求或工程地質規範製定科學防範的措施。如美國地質調查局，通過調查在1：2.5萬(wan) 的地圖上標識出砂土液化易發區和易發程度，來指導國土空間用途管製以及城鎮和工程的規劃和建設，如前文提到的阿拉斯加地震，港口地區遭到嚴(yan) 重砂土液化破壞，後期便不再作為(wei) 港口使用而建設成為(wei) 公園，此次印尼地震的後續報道中，政府也提到會(hui) 將此地區建設成濕地公園和紀念場地。

　　隨著科技的發展，如何進行砂土液化的調查，也不斷有了很多新技術、新方法，如高分辨率地質雷達、地震背景噪聲成像技術、電法勘探等，可以有效提高城鎮區砂土液化勘測的效率，在確定了可能發生液化作用的砂土層範圍後，再輔以傳(chuan) 統的鑽探、標貫測試與(yu) 實驗分析等，便可以準確有效地驗證砂土液化層的存在與(yu) 危害性等。

　　用於(yu) 測量和監測與(yu) 地震相關(guan) 的現代地殼應力狀態的地應力設備（拍攝於(yu) 地質力學研究所李四光紀念館）

　　采訪後，吳中海老師帶學姐們(men) 參觀了李四光紀念館，我們(men) 感受到丁文江、李四光等老一輩為(wei) 我國地質工作奠基和開拓所做出的卓越貢獻與(yu) 辛苦付出，了解到一代又一代地質工作者的不斷進取與(yu) 探索。如今我國的地質事業(ye) 得到了長足的發展，也仍存在許多需要深入探究和解密的問題，如果你對地質科學感興(xing) 趣，非常希望你能努力奮鬥成為(wei) 其中的一員，世界那麽(me) 大，等你去“勘探”，也希望我們(men) 大家都能關(guan) 注自然、熱愛自然！

　　內(nei) 容支持：吳中海 研究員、博士生導師

　　自然資源部新構造運動與(yu) 地質災害重點實驗室

　　中國地質科學院地質力學研究所新構造與(yu) 活動構造室

　　部分圖片來自網絡，如有版權問題請與(yu) 我們(men) 聯係


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