为什么地震会引发灾难性的山体滑坡？

  所有的地震都能引发地表位移吗？地震每年都会造成人员伤亡、建筑物和基础设施损坏。人们早就知道地震可诱发滑坡次生灾害，主要表现为落石、滑坡、泥石流，这些灾害有时是导致地震损失的重要原因[1]。在20世纪，近80次地震造成了10万到100万次地表位移，引起数万人死亡[2]。

1. 所有地震都能引发地表移动吗？

  为了回答这个问题，基弗（Keefer）搜集并分析了1811年至1980年期间世界各地地震引发的所有地表移动，从而能够确定产生地表移动的地震特征与诱发的地表移动特征之间的相关性：

• 结论1：大多数不稳定性是由中到高震级的地震触发的[3]，通常大于5级（图1）。当然，我们需要谨慎对待“最小级”或震级阈值这类概念，因为它没有考虑到地震前边坡的稳定状态。边坡状态通常鲜为人知，是各种“荷载”（地震、暴雨）长期作用的结果。
• 结论2：大多数地表移动不会发生在距震源一定距离以外的地方，最远作用距离取决于地震的震级。地震震级越高，就越有可能引发远离震中的地表移动（图1）[5]。

2. 地震引发的地表移动有何特点？

  地震通常会引发地面表层移动。失稳的体积有时可能会达到数百万立方米，1970年5月31日的秘鲁地震期间就是如此：在瓦斯卡兰山的岩石崩塌中[6]，约5000万立方米的岩石、冰、雪的混合物，以210-280 km/h的速度移动，覆盖了16.5 km以上的超长路线，造成了位于山谷的兰拉希尔卡（Ranrahirca）和云盖（Yungay）村庄约2万人死亡[7]。

  地震引起的地表移动的“强度”可由以下特征表示：

• 移动的物料体积；
• 物料在移动过程中的流动性；
• 移动停止后物料覆盖的范围。

  基弗（1984）的工作表明，地表移动“强度”取决于地震的震级：震级越高，它可能引发的地表移动的“强度”就越大。

  一些地震甚至可以使以前发生过位移的地表再次移动，2010年1月12日的海地地震就是如此：这次地震在距离震中46公里的范围内引发了大约4500次的地表移动。在2010年地震前记录到的1273起山体滑坡中，有572处山体滑坡因2010年地震而再次滑坡（图2）[8]。

3. 地表移动对居民和地区有何影响？

  长期以来，一直将地震引起的地表移动作为与地面震动相对的一种次生效应。然而，世界各地的许多案例表明，地表移动的破坏潜力可能非常大。例如，在2001年1月13日萨尔瓦多地震期间，拉斯科林纳斯滑坡（图3）夺走了500多人的生命，几乎占地震遇难者总数的三分之二。佩特利（Petley）等人（2006）[9]估计，在2005年10月8日巴基斯坦地震期间，有30%的受害者，约26500人死于地震引发的地表移动。2008年5月12日中国发生的地震引发了15000多次地表移动，仅此一项就夺去了近20000人的生命，占地震遇难者总数的近三分之一[10]。

地震引起的地表移动可能有两种类型的影响：

• 直接影响：因地表移动体中的碎块埋压建筑物或车辆、损坏/破坏建筑物及通信网络等而造成的死亡。
• 间接影响：地表移动产生的碎块使道路毁坏或阻塞，可能会妨碍向受害者提供援助或将其疏散到医疗中心。

  有时，地表移动产生的碎屑会阻塞河床，形成堰塞体，进而在其上游形成堰塞湖。这种现象在中国2008年5月12日的地震期间大量发生（达数百次）。这个动画[11]显示了2008年地震引起地表移动前后的山坡。

  在2016年11月14日的新西兰地震中也发生了类似的现象，如图4所示。

  根据新西兰地质灾害研究中心的监测[12]，2016年11月14日的地震及其余震引发了80000至100000次地表移动，形成了约150座堰塞坝。由于这些坝的寿命长短相差很大（从几分钟到几百年不等），负责自然灾害预防的机构必须回答两个主要问题：

• 如何确保这些堰塞坝随着时间的推移得到妥善的维护，从而避免附近城市地区遭受灾难性洪水的破坏？
• 堰塞坝上游形成的湖泊将如何演变？特别是遇到暴雨使水位上涨的情形时。
• 迄今为止，很少有科学研究能准确预测在这种情况下会发生什么。

4. 我们如何解释这些不稳定性？

  要确定边坡是否稳定，必须比较：

• 倾向于使边坡失稳的驱动力。这些力是由地震、暴雨引起的。
• 对抗地表移动的抵抗力。这些力源于材料的固有性质，特别是其黏聚力和内摩擦角，莫尔-库仑定律中的这两个参数反映了土壤对抗破坏的能力[13]。

  地震可能会伴随一些诱发地表不稳定的现象。

4.1. 场地反应（site effect）

  如图5所示，地震期间在地球表面的一个已知点记录到的地表移动取决于三个参数：

• 与震源有关的一个参数。该参数反映了震源处的破坏机制、断层长度等地震性质。
• 与地震波在地下震源到表面移动传感器之间的传播相关的参数：源头发出的体积波在传输过程中会随着所穿越环境性质的变化发生多次变化。

• 

  与当地地质和地形条件（即传感器下方和附近的物质类型、地形）对波路上地震波传播和所记录的地表移动的影响有关的参数，此参数称为场地反应。由于场地反应，坡面的地震位移情况会随地点而异。与岩石场地（图6中的Campos站）边坡附近测得的地震移动量相比，沉积盆地（图6中的SCT站）或坡顶记录的地震移动通常具有更大的振幅和更长的持续时间。现场观测结果[14]和数值模拟结果[15]都表明，场地效应确实有助于地表移动的发生。

4.2. 材料力学性能下降

  反复地震会导致构成边坡的材料变形，可能使材料具有的固有抗性降低，诱发边坡整体破裂。

4.3. 孔隙水压力的增加

  当地震产生的压缩波传播到松散的土体时，往往会引起土体压缩。如果土体处于水分饱和状态，即水占据了土体颗粒之间的所有孔隙（或间隙），那么随着土体压缩，土体孔隙中的水压力增加，往往会使水从土体逸出到地表。但是，当地震发生足够快、震级足够大或在土壤排水所需时间之前再次发生地震，水就无法从土体中逸出。土体水压越高，土壤的机械强度越低，边坡破坏的可能性就越大。

5. 有什么方法可以评估地震期间的边坡稳定性？

  在考虑地震时的边坡稳定性时，有两个问题需要回答：

• 边坡在给定特征的地震中会被破坏吗？
• 如果有破坏的话，破坏的特点是什么？特别是滑坡体可以滑移多远，速度有多快？

  由于滑坡体的传播速度和距离极其复杂性，迄今为止很少有科学研究从这两个方面来表征不稳定性。

5.1. 边坡特征描述

  无论引发不稳定的原因是什么，边坡稳定性研究都要包括如下内容：

• 深入的地质研究，旨在确定现场的几何结构、地层和地质历史（图7[16]）。
• 描述土壤中水流的水文地质研究，例如通过压力计来测量钻孔中地下水位的变化，因为水通常是这些移动背后的驱动力。
• 通过机械试验来表征构成边坡物质的力学特性，通常在实验室进行，一个重要的目的是确定剪切力，即黏聚力和内摩擦角。

  基于上述研究内容获得的参数，可以利用计算软件比较使边坡失稳的驱动力和阻止移动的抗滑力来确定边坡稳定与否，即确定边坡的静态安全系数。当该系数大于1时（抗阻力大于驱动力的边坡），边坡是稳定的。当系数小于1时，边坡不稳定。而当该系数越接近1时（例如，对于过去多次发生地震的边坡而言），即使是中等强度的地震也会导致边坡破裂。

  为了分析地震期间边坡的稳定性，还必须刻画可能发生的地震的特征：这是地震期间评估边坡稳定性的各种方法的基础。

5.2. 地震作用下边坡稳定性分析方法

  目前主要有三类方法。

  其中最简单的方法是太沙基伪静态法[17]，即计算边坡的伪静态安全系数。在这种方法中，地震可以表征为一个恒定的体积力（volume force），其模量与不稳定块体的重量成正比。该力可拆分为水平分量F_h和垂直分量F_v（图8）。在实践中，因为对边坡稳定性最具破坏的力是水平作用力或剪切作用力，因而常忽略掉F_v。该方法可以判断边坡在地震中是稳定的（伪静态安全系数大于1）还是不稳定的（伪静态安全系数小于1）。

  该方法的缺点是，它不提供边坡破坏概率或地震引起的移动“强度”的信息。

  因此，建议将其使用限制在地震期间对人类或经济利益很少的地区的边坡稳定性的初步分析上。

  第二类方法是纽马克（Newmark）在1965年引入的“永久位移计算法”[18]（图9）。其步骤包括根据加速度图估计在地震作用下，假定的刚性块体在支撑地面上滑动时可能发生的位移，以此表征地表移动情况[19]；通过数学运算获得不稳定块体的位移：将伪静态安全系数等于1的加速度定义为“临界加速度”值，一段时间内所有超过超过该值的加速度峰都积分两次（图9）。一旦计算出该位移，专家就可作出判断确定边坡材料是否能够承受住该位移而不会导致边坡完全破坏。

  该方法的缺点：

• 未考虑地震期间不稳定体的内部变形（第4.2.段），因而仅适用于研究地震期间不太可能变形的刚性材料中相对浅层的地表移动。
• 未考虑在地震作用下土壤中可能产生的孔隙水压力（第4.3段）。
• 未考虑场地效应（第 4.1 节）。

  第三类方法包括应力–应变法，强烈建议将其用于人员和（或）材料风险较高，且数据质量足够的特定场地的研究中。这类方法需要使用二维或三维计算软件评估边坡中给定地震引起的位移，软件集成了场地的所有复杂性（不同材料的存在、地形地貌等）和地震。图10显示了一个数值模拟的案例，模拟了经过多次地震反复荷载的作用边坡逐渐破裂的过程。

6. 地震引发的地表移动研究目前面临哪些挑战？

  为了增进对相关问题的理解，想在有很多课题将地震引起的地表移动作为研究主题，这些问题包括：

• 水的影响。目前人们对水在地震引起地表移动中的作用知之甚少。
• 三维效果（或3D效果）。由于边坡失稳现象极其复杂，通常以不稳定性传播方向上的二维（2D）截面作近似分析。对于人工边坡，这种近似是合理的，但是对自然边坡的近似模拟往往与实际相差甚远。需要在计算机软件中加入了描述边坡所有维度（3D）的代码，以实现对地震波传播方向及其对边坡稳定性影响的研究。
• 地震引发的地表移动预测。为了组织对自然灾害的预防，就必须能够预测下一次地震引发的移动将在何时何地发生，这意味着需要知道边坡某点的稳定状态，而边坡的稳定状态要追溯到边坡的整个“荷载”历史，因而通常难以明确知悉。我们还需要能够预测什么类型的地震可能会影响某一特定地点，以及可能在何时发生。最后，还需要能够量化边坡失稳的“强度”，即描述不稳定的体积或不稳定体移动可能覆盖的面积、不稳定体移动的速度和距离。由于地震引起的地表移动很复杂，不同的地震可能产生不同的结果，因此上述参数参数都难以估测。

  实地观察还表明，地震也可能对边坡稳定性产生长期影响：例如，在1999年9月21日台湾地震之后的几年里，季风引起的地表移动有所增加[22]。这是因为地震使边坡变得脆弱，使它们更容易在随后的强降雨事件中发生失稳事件。

7. 总结

• 5级以上的地震很可能会引发地表移动，这可能是很大比例人员与其它损失的重要原因。
• 地震引发的地表移动类型众多，这些现象通常非常复杂。
• 要降低此类危害所带来的风险，一方面需要加深理解引发地表移动的机制，另一方面需要增进对控制失稳体移动速度和移动距离的机制的认识。

 

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参考资料及说明

封面图片：2016年4月发生地震后，在日本小木松市发生的一场地表移动。[图片©共同社/路透社通过Flickr,公共领域]

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[2] Keefer D.K. (1984). Landslides caused by earthquakes. Bulletin of the seismological society of America, 95, pp. 406-421.

[3] 震级在地震学中用于表示测量地震释放能量的地震矩。地震释放的能量越多，其震级越高：震级增加1相当于地震释放能量增加30倍。

[4] Gishig V., Preisig G. & Eberhardt E. (2016). Numerical Investigation of Seismically Induced Rock Mass Fatigue as a Mechanism Contributing to the Progressive Failure of Deep-Seated Landslides. Rock Mechanics and Rock Engineering. 49: 2457. < https://doi.org/10.1007/s00603-015-0821-z >.

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[6] (https://www.ngdc.noaa.gov/hazardimages/picture/show/785)

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[9] Petley D., Dunning S., Rosser N. & Kausar A.B. (2006). Incipient landslides in the Jhelum Valley, Pakistan following the 8th October 2005 earthquake. SAARC Workshop on Landslide Risk Management in South Asia.

[10] Yin, Y., Wang, F. & Sun, P. (2009). Landslide hazards triggered by the 2008 Wenchuan earthquake, Sichuan, China. Landslides 6, 139-151.

[11] Contains modified Copernicus Sentinel data {{{year}}}} [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0) or Attribution], via Wikimedia Commons

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[13] 摩尔-库仑定律：该数学定律在岩土工程中用于以近似方式来描述大多数长期承受剪切应力（称为剪切破坏）作用下土体的行为。该定律有两个参数：黏聚力（定义为零法向应力下土体的抗剪强度）和内摩擦角（对应于堆积的土体相对于水平面的自然形成的角度）。.

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[15] Bozzano F., Lenti L., Martino M., Paciello A. & Scarascia Mugnozza G. (2008). Self-excitation process due to local seismicamplification responsible for the reactivation of the Salcito landslide (Italy) on 31 October 2002. Journal of Geophysical Research 113, B10312. <https://doi.org/10.1029/2007JB005309>>.

[16] Bourdeau C., Lenti L., Martino S., Oguz O., Yalcinkaya E., Bigarre P. & Coccia A S. (2017). Comprehensive analysis of the local seismic response in the complex Büyükçekmece landslide area (Turkey) by engineering-geological and numerical modelling. Engineering Geology 218, 90-106. < http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.01.005 >.

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[18] Newmark N.M. (1965). Effects of earthquakes on dams and embankments. Geotechnics 15, 139-160.

[19] Accelerogram: A signal giving the acceleration of the ground as a function of time is called an “accelerogram”.

[20] Cundall P.A. & HART R.D. (1992). Numerical modelling of discontinua. Eng. Comp. 9:101-113

[21] (2011). UDEC-Universal Distinct Element Code, Version 5.0. User’s Manual. Itasca Consulting Group, Inc. In Minneapolis

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译者：杨幼清          编审：崔骁勇          责任编辑：胡玉娇

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附加信息

杨幼清：中国科学院大学，生命科学学院，博士生

崔骁勇：中国科学院大学，生命科学学院，教授