砂土液化

蘇德辰

被淤泥淹沒的金田村和草灘村救援現(xiàn)場

地球內(nèi)部發(fā)生劇烈變動(dòng)（如斷層突然滑動(dòng)或火山活動(dòng)）后，地表會(huì)隨之出現(xiàn)強(qiáng)烈震動(dòng)，這就是地震現(xiàn)象。地震會(huì)引發(fā)諸多次生災(zāi)害，如爆炸、火災(zāi)、海嘯、洪水、泥石流、傳染病等，對人類社會(huì)的破壞和影響極大，而砂土液化也是其中之一。

被搖成“液體”的砂土

埋藏較淺的飽水松散砂土（包括不同粒徑的礫石和更細(xì)的泥土）遭受強(qiáng)烈振動(dòng)（如爆破、地震、機(jī)械爆破等）時(shí)，顆粒間的位置迅速調(diào)整，失去粒間的接觸壓力和摩擦力，有被振密的趨勢。顆粒間的孔隙水壓力急劇升高，快速聚集、擠出，砂粒們不再互相接觸，而是隨著水流不斷翻滾，固態(tài)砂土變成了液態(tài)混合物，這個(gè)過程叫作“液化”或“流體化”。

液化后的混合物會(huì)向壓力低的一方運(yùn)動(dòng)，若地下有合適的通道或洞穴，混合物會(huì)涌向這些地方。當(dāng)它們沿一定的通道涌出地表，呈現(xiàn)噴砂冒水的狀態(tài)時(shí)，人們會(huì)形象地將其稱為“砂涌”。有時(shí)，它們還會(huì)在地表形成火山錐一樣的形態(tài)，被稱作砂火山。

雖然砂土液化的成因多樣，但地震造成的砂土液化范圍最大、后果最嚴(yán)重，它們在流動(dòng)過程中會(huì)破壞沿途的地貌景觀和人類建筑，嚴(yán)重的還會(huì)造成人畜傷亡。

因其形態(tài)和泥石流十分相似，所以經(jīng)常難以分清。二者最大的區(qū)別在于水的來源：泥石流中的水來自暴雨、冰川融水、堤壩垮塌等地表水；砂土液化的水則來自地下砂土層中固有的孔隙水。其次，泥石流多發(fā)于山洪溝或周邊的斜坡，較易根據(jù)發(fā)生區(qū)域進(jìn)行判定，而砂土液化的判定則更加復(fù)雜。

如山洪般傾瀉的“野獸”

以2023年12月18日甘肅省臨夏州積石山縣的6.2級(jí)地震為例。根據(jù)應(yīng)急管理部大數(shù)據(jù)中心的無人機(jī)遙感影像，距震中約20千米的青海省民和縣草灘村與金田村被大量淤泥覆蓋，淤泥有約3米厚，面積達(dá)1.2萬平方米以上，而這就是砂土液化的惡果。

成分復(fù)雜的沉積物

這些淤泥并非直接來自草灘村和金田村的被淹沒區(qū)，而是來自距兩村北側(cè)3000～4000米的高臺(tái)。這里的沉積物成分復(fù)雜，既有黃河故道或古洪水期堆積的泥砂，也有風(fēng)成（風(fēng)對地面物質(zhì)進(jìn)行吹蝕、搬運(yùn)和堆積作用形成）的黃土，但最主要的成分式來自周圍山體風(fēng)化后的泥沙礫石，被地表流水?dāng)y帶而來。這處盆地在幾十萬年間不斷堆積，形成自外圍向中心明顯變低的緩坡狀地貌。

飽水的砂土層

盆地外圍北側(cè)的山體主要由漸新統(tǒng)（距今約3300萬～2300萬年）的紫紅色礫巖、粗砂巖和砂巖構(gòu)成。這些巖石風(fēng)化后堆積于盆地，形成的砂土和砂礫層內(nèi)部存在大量孔隙。周圍山體、盆地表面的降水和地表的灌溉水都滲入了地下，長期聚集在砂土層中。

不斷流動(dòng)的液化砂土最前端

地震發(fā)生時(shí)，地下飽水的砂土層瞬間液化，其上部的松散沉積物隨之塌陷，與液化的砂土混合在一起，洶涌著匯向下方的村莊。因其侵害過程與泥石流有些相似，所以有人將其稱作“地震-泥流”，但本質(zhì)上，它是因砂土液化引發(fā)的滑坡現(xiàn)象。

“跑”在災(zāi)害之前

砂土液化是地震常見的次生災(zāi)害，科研人員在大量的觀察和實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，一般大于里氏5級(jí)的地震就可以造成震中附近飽水砂土的液化。

僅以發(fā)生在中國的地震相應(yīng)記載為例，1668年，山東郯（tán）城（今山東省臨沂市郯城縣）發(fā)生8.5級(jí)地震，砂土最大液化范圍達(dá)800平方千米；1920年，寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市海原縣發(fā)生8.5級(jí)地震，砂土最大液化范圍超過600平方千米。1975年遼寧省海城市地震（7.3級(jí)）、1976年河北省唐山市地震（7.8級(jí)）、2008年四川省汶川市地震（8.0級(jí)）等地震災(zāi)害都伴有嚴(yán)重的砂土液化現(xiàn)象。

砂土液化過程示意圖（繪圖/ 張玲）

干旱或半干旱地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)砂土液化的現(xiàn)象。地表干旱并不意味著地下的砂土層也同樣干燥，在地表進(jìn)行大量開墾且地勢起伏較大的區(qū)域，發(fā)生水土流失和砂土液化現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)更高。中國許多人口較為密集的區(qū)域——如華北平原、河套盆地（黃河“幾”字形彎曲的上半部分，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部）、福建至廣東沿海地區(qū)，都有發(fā)生砂土液化現(xiàn)象的可能。

砂土液化會(huì)讓地層失去承載力，導(dǎo)致上方建筑沉陷、傾斜、坍塌，流動(dòng)的砂土規(guī)模大、行進(jìn)速度快，對人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大危害，若發(fā)生在近海區(qū)域的海底，還可能引發(fā)海嘯。我們必須提前做好準(zhǔn)備，應(yīng)在相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查工作中掌握可能出現(xiàn)砂土液化的區(qū)域及其地質(zhì)條件，為城鎮(zhèn)和工程的規(guī)劃提供參考，在選址時(shí)盡量避開未來可能出現(xiàn)類似災(zāi)害的區(qū)域?？萍疾粩喟l(fā)展，新技術(shù)和新設(shè)備不斷出現(xiàn)，正在幫助地質(zhì)工作者更好地檢測易出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象的區(qū)域。

砂土液化源頭處崩解的土層，液化后冒出的水已經(jīng)結(jié)冰（攝影/汪杰）

沿天然溝谷向下流動(dòng)的液化砂土，在溝谷地留下泥水（攝影/汪杰）

汶川地震后，汶川縣映秀鎮(zhèn)岷江階地上產(chǎn)生裂縫，地下砂土層沿地裂縫噴至階地表面，液化后的松軟砂體由高向低發(fā)生明顯流動(dòng)（攝影/李海兵）

汶川地震平原區(qū)，砂土液化現(xiàn)象在地面造成的坑洞和凹陷（攝影/李海兵）

中國幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，自然災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高。每年5月12日是全國防災(zāi)減災(zāi)日，全民關(guān)注防災(zāi)減災(zāi)、學(xué)習(xí)防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)，以科技提高防災(zāi)減災(zāi)能力，正是我們不斷前進(jìn)的方向。

（責(zé)任編輯 / 牛一名? 美術(shù)編輯 / 周游）