为什么地震会引发灾难性的山体滑坡?

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  每一次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。长期以来,地震引发的山体滑坡一直被视为次生灾害,主要表现为落石、滑坡、泥石流,可造成严重的地震损失[1]。20世纪期间,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. 每次地震都能引发地表移动吗?

环境百科全书-地震-地震特征
图1. 地震震级(水平轴)与地震震中(地震震源在地表上的投影)到发生地表移动最远点的距离(垂直轴)关系。地震震级越高,越有可能引发离震中较远的地表移动。黑色曲线是“包络曲线”,包络线下的面积涵盖地震可引发地表移动的范围[4]

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

  • 结论1:大多数不稳定性由中到高震级地震触发[3],通常大于5级(图1)。不过,我们要谨慎对待“最小级”或震级阈值这类概念,因为其并未考虑地震前边坡的稳定状态。边坡状态通常鲜为人知,它是各种“荷载”(地震、暴雨)长期作用的结果。
  • 结论2:大大多数地表移动不会离震源太远,最远作用距离取决于地震震级。地震震级越高,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?

环境百科全书-地震-海地地表移动点密度的分布
图2. 海地地表移动点密度分布。a:2010年1月12日地震前记录的地表移动点密度。b:2010年地震引发的地表移动点密度。c:受2010年地震活化地表移动点的密度。这些数据表明,2010年的地震导致许多旧地表移动点活化(再次移动)。[示意图转载自格鲁姆(Gorum)等人,2013][8]

  地震通常会引发地面表层移动。失稳体积有时可达数百万立方米,1970年5月31日的秘鲁地震就是典型例证:瓦斯卡兰山的岩石崩塌时[6],约5000万立方米的岩石、冰、雪混合物,以210至280 km/h的速度移动,覆盖了超16.5 km的超长路线,导致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“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;
  • 物料移动停止后的覆盖范围。

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

  一些地震甚至能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:这次地震在距震中46公里的范围内引发了约4500次地表移动。至于2010年地震前记录的1273起山体滑坡中,有572处山体滑坡因2010年地震再次发生滑坡(图2)[8]

3. 地表移动对居民和地区有何影响?

环境百科全书-地震-拉斯科林纳斯滑坡
图3. 2001年1月13日萨尔瓦多地震引发的拉斯科林纳斯(Las Colinas)地表移动。这场地表移动夺去了500多人的生命。[©美国地质调查局,内政局/美国地质勘探局,公共领域]

  长期以来,一直将地震引起的地表移动视为与地面震动相对的次生效应。然而,全球许多案例表明,地表移动的破坏潜力巨大。例如,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,占地震遇难者总数的几乎三分之二。佩特利(Petley)等人(2006)[9]估计,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日中国的汶川大地震引发了15,000多次地表移动,仅此一项就夺去了近20,000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类影响:

  • 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造成的死亡。
  • 间接影响:地表移动产生的碎块毁坏或阻塞道路,妨碍援助受害者或将其疏散至医疗中心。

  有时,地表移动产生的碎屑会阻塞河床,形成堰塞体,进而在上游形成堰塞湖。中国2008年5月12日的地震期间,该现象频发(达数百次)。这段动画[11]显示了2008年地震引起地表移动前后的山坡状况。

环境百科全书-地震-新西兰地震堰塞体
图4. 2016年11月11日新西兰地震引发的地表移动碎屑阻碍了奥特马库拉河(Ote Makura River)河床,形成堰塞坝和堰塞湖。[©GNS Science(CCBY3.0NZ)]

  2016年11月14日新西兰地震期间也发生了类似现象,如图4所示。

  根据新西兰地质灾害研究中心监测[12],2016年11月14日的地震及其余震引发了80,000至100,000次地表移动,形成约150座堰塞坝。由于这些坝寿命长短不一(几分钟至几百年不等),自然灾害预防机构必须明确以下两类主要问题:

  • 如何随着时间推移妥善维护这些堰塞坝,避免附近城市和地区遭受洪水灾害?
  • 堰塞坝上游形成的湖泊将如何演变,特别是在遭逢暴雨、水位上涨的情况下?
  • 迄今为止,鲜有科学研究准确预测这些情况下会发生什么。

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:

  • 可能促使边坡失稳的驱动力。这些力由地震、暴雨引起。
  • 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,这两个参数能反映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)

环境百科全书-地震-影响地震波从震源传播到特点地点的示意图
图5. 影响地震波从震源传播到特点地点的示意图。地表记录的地震移动取决于震源类型、地震波波路(wave path)和场地局部响应或“场地效应”。[©马克斯·威斯(MaxWyss)(CCBY-SA3.0),通过维基共享]

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

  • 震源有关的参数。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而变化。
  • 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)影响波路上地震波传播和所记录地表移动的相关参数,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振幅更大、持续时间更长。现场观测结果[14]和数值模拟结果[15]都表明,场地效应确实会促进地表移动。

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,可能降低材料的固有抗性,诱发边坡整体破裂。

4.3. 孔隙水压力增加

  地震产生的压缩波传播到松散土体时,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,水往往会从土体溢出到地表。但是,若地震快速发生、震级强大或在土壤排水完成前再次发生,水就无法从土体中溢出。土体水压越高,土壤的机械强度越低,边坡受破坏的可能性就越大。

5. 如何评估地震期间边坡的稳定性?

  考虑地震期间的边坡稳定性时,需要回答两个问题:

  • 在给定特征的地震中边坡会被破坏吗?
  • 如果受破坏,破坏特点如何?特别是滑坡体能滑移多远,速度多快?

  由于滑坡体的传播速度和距离极其复杂,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

环境百科全书-地震-土耳其地质结构重建实例
图7. 土耳其 布亚肯米斯(Büyükçekmece)边坡地质结构重建实例,呈现了物质构成和地表位移的各个活化阶段。上图为显示移动区域平面轮廓的场地图像,图中标出了几个二维剖面(黑线),以重建边坡的地质结构。下图为沿移动方向重建的纵断面,以分析地表移动体重新活化的原因。在该剖面上,用颜色区分不同物质:棕色为黏土沉积物、红色为砂和砾石、蓝色为石灰质砂岩、黄色为粉质黏土。红线代表在该场地识别出的滑动面,反映了整个历史过程中地表移动点重新活化的不同阶段:首先,坡脚出现不稳定体,然后逐渐向坡顶扩展。[©萨尔瓦多·马蒂诺(Salvatore Martino),经许可;见参考文献16](图7 section 断面,泥灰岩钻孔(marsite borehole))

  无论引发不稳定的原因为何,边坡稳定性研究都需包含如下内容:

  • 深入地质研究,旨在确定现场的几何结构、地层和地质历史(图7[16])。
  • 描述土壤水流的水文地质研究,例如用压力计测量钻孔中地下水位的变化,因为水通常会促进这些移动。
  • 通过机械试验表征构成边坡物质的力学特性,通常在实验室进行,旨在确定剪切力,即黏聚力和内摩擦角。

  基于上述研究内容获得的参数,可利用计算软件比较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。该系数大于1时(边坡抗阻力大于驱动力),边坡是稳定的。系数小于1时,边坡不稳定。而该系数越接近1(例如,对过去多次发生地震的边坡而言),即使中等强度的地震也会导致边坡破裂。

  为分析地震期间边坡的稳定性,还需刻画潜在地震的特征:这是地震期间评估边坡稳定性的基础。

5.2. 地震期间分析边坡稳定性的方法

  目前主要有三类方法。

环境百科全书-地震-太沙基的伪静态法说明
图8. 太沙基(Terzaghi)的伪静态法说明(1950)。[©席琳·布尔多(Céline Bourdeau)]

  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。该方法中,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Fh和垂直分量Fv(图8)。在实践中,因为对边坡稳定性最具破坏性的力是水平作用力或剪切作用力,因而常忽略Fv。该方法可以判断边坡在地震中稳定(伪静态安全系数大于1)还是不稳定(伪静态安全系数小于1)。

  该方法的缺点是不提供边坡破坏概率或地震引起的移动“强度”。

  因此,建议将其使用限制在地震期间对边坡稳定性的初步分析,例如在人迹罕至或材料风险较低的地区。

环境百科全书-地震-永久位移计算法
图9. 以一个在边坡上滑动的刚性块体来说明纽马克(Newmark)(1965)方法评估地震引起的位移(见上图)。下图中的三个信号分别表示边坡的加速度A(t)(黑色曲线为实线)、不稳定块体相对于支撑地面的相对速度(蓝色曲线)和不稳定块体相对于边坡的累计位移(红色曲线)。当支撑地面的加速度A(t)超过临界加速度值(黑色虚线曲线)时,不稳定块开始移动,临界加速度值定义为导致伪静态安全系数等于1的加速度。[©席琳·布尔多(Céline Bourdeau)]

  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,估计地震作用下假定刚性块体在支撑地面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该值的加速度峰都进行两次积分(图9)。一旦计算出该位移,专家就能确定边坡材料能否承受该位移而不导致边坡完全破坏。

  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变形可能较小的刚性材料中相对浅层的地表移动。
  • 未考虑地震作用下,土壤中可能产生孔隙水压力(第4.3段)。
  • 未考虑场地效应(第 4.1 节)。
环境百科全书-地震-数值模拟的案例
图10. 用离散元软件(UDEC)[20],[21]模拟边坡上一系列给定特征地震(EQ1、EQ2、EQ3、…EQ15,M=震级,De=距场地的距离)引起的位移(有关离散元的定义,请参阅http://www.encyclopedie-environnement.org/physique/comment-matiere-deforme-fluides-solides/: 物质是如何形变的——流体和固体)。位移量由蓝色(小位移)到红色(位移达到100 m)等一系列色标表示。在平面上滑动的不稳定块体中的黑线表示反复地震作用下边坡产生的裂缝。最后一次地震(EQ15) 作用后,边坡发生严重破坏。[资料来源:图表转载自吉希格(Gishi)等人,2016,见参考文献4,经许可]

  第三类方法为应力–应变法,强烈建议将其用于研究居民较多和(或)材料风险较高,且数据质量足够的特定场地。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特质(不同材料性质、地形地貌等)和地震。图10为某个数值模拟案例,模拟了多次地震、反复荷载作用后边坡逐渐破裂的过程。

6. 地震引发的地表移动研究面临的挑战?

  为更好理解相关问题,目前许多课题都在研究地震引起的地表移动,内容包括:

  • 水的影响。目前人们对水对地震引起地表移动的作用知之甚少。
  • 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。这种近似对于人工边坡较为合理,但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输入描述边坡所有维度(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。为预防自然灾害,必须预测地震引发的下一次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至其整个“荷载”历史,因而难以明悉。我们还需要预测可能影响某一特定地点的地震类型,以及该地震何时发生。最后,还需要量化边坡失稳的“强度”,即描述不稳定体的体积或不稳定体移动时可能覆盖的面积、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,不同的地震产生的结果可能不同,因此难以估量上述参数。

  实地观察还表明,地震也可能长期影响边坡稳定性:例如,1999年9月21日台湾地震后的几年里,季风引起的地表移动有所增加[22]。这是因为地震后边坡变得脆弱,更容易因强降雨事件失稳。

7. 总结

  • 5级以上的地震很可能引发地表移动,而这类地表移动会造成人员伤亡和地震相关损失。
  • 地震引发的地表移动类型众多,现象通常非常复杂。
  • 要降低此类危害带来的风险,一方面要进一步理解引发地表移动的机制,另一方面要进一步认识控制失稳体移动速度和移动距离的机制。

 


参考资料及说明

封面图片:2016年4月发生地震后,日本小木松市发生的一场地表移动。[图片©共同社/路透社,来源网络相簿(Flickr),公共领域]

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

[12] GeoNet, Geological hazard information for New Zealand

[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描述大多数长期承受剪切应力(称为剪切破坏)的土体行为。该定律有两个参数:黏聚力(即零法向应力下土体的抗剪强度)和内摩擦角(堆积土体相对于水平面自然形成的角度)。.

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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

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[22] Hovius N., Meunier P., Lin C.-W., Hongey C., Chen Y.-G., Dadson S., Horng M.-J. & Lines M. (2011). Prolonged seismically induced erosion and the mass balance of a large earthquake. Earth and Planetary Science Letters 304, 347-355


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引用这篇文章: BOURDEAU Céline (2024年3月12日), 为什么地震会引发灾难性的山体滑坡?, 环境百科全书,咨询于 2024年5月25日 [在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/%e4%b8%ba%e4%bb%80%e4%b9%88%e5%9c%b0%e9%9c%87%e4%bc%9a%e5%bc%95%e5%8f%91%e7%81%be%e9%9a%be%e6%80%a7%e7%9a%84%e5%b1%b1%e4%bd%93%e6%bb%91%e5%9d%a1%ef%bc%9f/.

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