地震产生的地表破裂、
砂土液化与面波效应
1 地震后的地表破裂和砂土液化现象
地震后的地表破裂和砂土液化现象及其所伴随的灾害受到世界性的广泛瞩目，玉树2010年大地震后出现了很多地表破裂。探槽研究发现，这些浅表破裂往往延深很浅，也就是说这些浅表破裂没有根。那么这些浅表破裂和地下发震断裂是什么关系，是发震断裂直接产生的分支破裂吗？2008年汶川大地震后也发现了砂土液化现象（图1）。地震液化是指，原本稳定的、以固体状为主的砂土层，在地震作用下转化为失稳的混合液体的行为和过程，导致砂土层的支撑力减小。其发生的条件主要包括两个，一是固结不良的砂土，二是含水。工程研究表明砂土液化的根本原因是由于孔隙水压力上升导致的砂土抗剪强度的丧失。
图1 玉树地震地表破裂和汶川地震形成砂土液化溢出丘砂土液化现象到底是怎样的成因机制？传统上认为是地震波反复震荡造成的砂土层压力上升造成的，但无法解释一些地震之后仍然持续喷水喷砂现象，因此这种现象也可能有地下隐爆的贡献，即在地震分支断裂区域因膨胀流体溢出导致的在含水砂土层区域压力增加的反映。地震过程中不但有砂土液化现象，也存在砂火山形成的小型砂丘。地震后的浅表破裂和砂土液化现象的形成机制都和地震的面波效应密切相关，特别是瑞雷面波（Rayleigh wave）在其中发挥了重要作用，因为瑞雷面波振幅随深度急剧减小，即接近地表面波振幅大，意味着摆动幅度也大，而往深处面波振幅急剧减小，意味着摆动幅度也急剧减小。因此浅层和深层存在摆动幅度差，地震波摆动幅度的差异形成了摆动剪切力（如图2和3）。2 预防土壤液化的措施
预防土壤液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷的具体措施主要包括：（1）合理选择场地；采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度；（3）换土，板桩围封；采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。
3 地震面波效应
沿着介质与大气接触的自由表面传播的地震波称为瑞雷面波（俗称地滚波），其能量分布在地表附近的介质中并随深度的增加迅速衰减。瑞雷面波传播时，质点大致作逆时针方向、轨迹为椭圆的运动，椭圆长轴垂直地面。这种运动可以理解为相位差为90°的纵横两种振动的合成。地震面波在传播过程中因为其能量主要集中在数十米内的浅表层，因此其持续震荡造成了地表诸多复杂的破裂现象，包括砂土液化和地表变形，国内外地震研究说明，砂土液化大多发生在0-25m的浅表层。很多地表脆性破裂和地下深处的发震断裂没有直接关系，这些地表断裂特征（比如右旋或左旋）并不代表地下发震断裂的特征。实测数据说明，浅表层地震面波的传播速度大多在150-200m/s，频带主要集中在0-10Hz，按照平均5Hz计算，面波波长大约为30-40m，意味着面波能量主要集中在30-40m之内。而且对浅表层松软土层在3-4m深处面波水平方向摆动幅度就可以衰减为地表附近水平摆动幅度的约1/5左右。以美国圣安地列斯断层为例，它是世界公认的右旋走滑断裂，其贯穿于美国加利福尼亚州，长约1287km，伸入地面以下约16km，处于向西南运动的北美板块和太平洋板块交界处，它是一条长条形陆块从南美洲拼贴到北美洲剪切滑动形成的平错型（剪切）边界，其存在的时间已经超过20Ma，是地球表面最长和最活跃的断层之一。两个板块以每年约13mm的速率相互间在一侧擦滑而过（图4）。
图4 美国圣安德列斯断裂形成示意图（据USGS网站照片修编））
美国圣安德列斯断裂2019年 7月4日6.4级，7月5日又发生7.1级地震，震后美国地质调查局拍摄到了这些地表断裂特征（图5-6）。这些照片说明地震面波造成的地表脆性破裂即可显示右旋特征，又同时显示左旋特征。其实它们都是固结良好的公路混凝土表层在地震面波作用下相对于地下基地摆动形成的。在混凝土层之下存在一个相对软弱的解耦面。图5 美国圣安德列斯断裂区域2019年7月4日6.4级后公路上的破裂特征（据USGS网站照片修编）
图6 美国圣安德列斯断裂区域2019年7月4日6.4级后公路上的破裂特征（据USGS网站照片修编）
其形成原理可以用图7说明，因面波振幅随深度快速衰减导致地表附近固结良好的摆动层相对基底发生晃动，摆动层下存在相对软弱的解耦剪切滑动层。在含水砂土层情况下，含水的砂土层会发生砂土液化形成剪切滑动层，它们在震荡压力变化作用下沿着破裂向地表喷水喷砂。在无水情况下会产生地表脆性破裂，随着地震波摆动，在固结良好层下面存在软弱解耦面的情况下，地表可能出现左旋或右旋断裂。例如，地质上确认圣安德列斯断裂是右旋走滑，而地震造成的表面断裂即可以呈现左旋走滑，又可以呈现右旋走滑。因此不能完全依靠表面断裂来确定深部发震断裂的性质。如果表层是未固结的砂土层或黄土层，在饱和水情况下也会发生摆动震荡液化，根本原因是随着地震波的震荡，低密度的水向上运动，高密度的砂土向下分层所致。如2008年汶川大地震引发了岷江河漫滩地震液化。我国西北黄土覆盖区域也会在大地震中发生黄土液化。也就是说只要浅部存在软弱层，无论这个软弱层在上面还是在下面都会在地震面波作用下产生液化现象。
图8 唐山1976大地震钢轨变形和汶川2008年地震钢轨变形照片。
唐山1976大地震中也出现了奇怪的钢轨变形现象（如图8），注意图中左侧钢轨严重变形，而相距2-3m的右侧钢轨却没有变形，大约百米左右的房屋也并没有倒塌。造成这种奇怪地表变形的原因也是面波效应，形成原理与上图类似。地震中钢轨变形多发生在地基沉降处，说明钢轨枕木层与地下稳定基岩层之间存在薄弱层，它们在面波作用下大幅度摆动导致钢轨发生弯曲变形（图9）。事实上在沉积盆地特别是存在浅表层松软沉积的区域，不仅仅面波更为发育，还可能存在面波与浅层强折射波的多次反射（反射波法地震勘探称之为鬼波）的耦合作用，放大地震波的最大振幅。图9 唐山1976大地震钢轨和枕木作为一个固结的整体在面波作用下，在相对软弱层上大幅度晃动导致变形。这些表壳层脆性断裂通常没有根，它们往往尖灭在剪切滑动层。因此地表破裂绝大多数并不与发震断裂直接相连，而是由面波波动所造成的表面现象。因此不能用它们的断裂特征推测发震断裂的断裂特征，比如左旋走滑或者右旋走滑。由此说明，1976年唐山大地震中依靠下图的一行树木的错位而确定该地震的发震断裂是右旋走滑可能是错误的（图10），而根据郯庐断裂带被错断的地质原因推断，唐山大地震发震断裂在北东方向的郯庐断裂带西侧的平行断裂和张家口-渤海湾断裂带的交叉部位，这些断裂带目前应该是左旋走滑，实际是整个华北东部从5Ma至今都是左旋走滑断裂为主。这也说明提出弹性回跳的美国圣安地列斯断裂带区域的那个栅栏错断可能也并不是发震直接断裂，而很可能是由于面波造成的表层错断。但本文并不否认一些主破裂带很长的断裂带，比如2001年昆仑山8.1级大地震造成的长达430Km的显著左旋地表断裂带，它们应该就是和地震发震断裂直接相关的断裂系统。
图10 唐山1976年大地震用于确认发震断裂为右旋走滑的地表一行树变形特征。
4 结论
地震后很多地表脆性破裂和地下深处的发震断裂没有直接关系，这些地表断裂右旋或左旋并不代表地下发震断裂的特征，它们往往是地震面波效应造成的，具有偶发性，实际发震断裂的性质需要根据地质填图和地质构造演化历史来推断。砂土液化现象是地震面波效应造成的，地面的钢轨扭曲变形也是地震面波效应造成的。
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