《城市與減災(zāi)》| 劉愛文：超剪切破裂地震對(duì)跨斷層管道的破壞與啟示（一）

作者簡(jiǎn)介

劉愛文，中國(guó)地震局地球物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，強(qiáng)震動(dòng)地震學(xué)研究室主任，中國(guó)地震學(xué)會(huì)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)主任委員、中國(guó)災(zāi)害防御協(xié)會(huì)風(fēng)險(xiǎn)專業(yè)委員會(huì)理事。主要研究領(lǐng)域?yàn)樯€地震工程和工程地震學(xué)。參加了汶川地震、玉樹地震、尼泊爾地震等十多次的國(guó)內(nèi)外地震現(xiàn)場(chǎng)工程震害調(diào)查及科考工作。近年承擔(dān)了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、地震行業(yè)專項(xiàng)等科研項(xiàng)目多項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇。

前言

天然地震是由于地殼活動(dòng)引起地面震動(dòng)的一種自然現(xiàn)象。然而這只是一種籠統(tǒng)的說(shuō)法，地震學(xué)家們更關(guān)心的是地表深處震源區(qū)的巖層到底是如何破裂的？這種破裂與我們看到的地表破裂、與我們能感受到的地面震動(dòng)有什么關(guān)系？

通過(guò)對(duì)地震波的分析，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，發(fā)生地震的斷層（發(fā)震斷層）的破裂速度是一個(gè)影響地表破裂和地面震動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵的因素。

超剪切破裂最早源于上世紀(jì) 70 年代斷裂力學(xué)的研究結(jié)果。雖然地震學(xué)研究很早就揭示了天然地震的斷層破裂傳播速度不盡相同，但之前的震源理論認(rèn)為發(fā)震斷層的破裂傳播速度是不可能超過(guò)剪切波波速的。

近年來(lái)，寬頻帶地震學(xué)和地震波反演技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，為我們揭開了震源區(qū)巖石破裂的更多細(xì)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外地震學(xué)界在理論、實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際地震觀測(cè)中都證實(shí)了超剪切破裂的存在。超剪切破裂地震也隨之成為地震學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

**在相同震級(jí)的情況下，超剪切破裂地震比亞剪切破裂地震具有更強(qiáng)的破壞性。**超剪切破裂地震往往伴隨著馬赫錐效應(yīng)，產(chǎn)生地表破裂，出現(xiàn)斷層位錯(cuò)與超強(qiáng)地震動(dòng)疊加作用的現(xiàn)象，對(duì)跨越此類斷層的管道工程有極高的毀壞風(fēng)險(xiǎn)。

一、超剪切破裂地震

超剪切破裂地震是指發(fā)震斷層在破裂過(guò)程中，其破裂傳播速度（Vr）超過(guò)了震源區(qū)的巖石剪切波波速（Vs）的地震。

因此按照斷層的破裂速度，天然地震可以分為超剪切破裂地震和亞剪切破裂地震。一般來(lái)講，大多數(shù)地震為亞剪切破裂地震，即發(fā)震斷層的破裂速度一般小于震源區(qū)巖石介質(zhì)的剪切波速，大約為0.7Vs~0.9Vs。

隨著地震波反演技術(shù)的進(jìn)步以及地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的加密，地震學(xué)家可以通過(guò)地震波記錄反演獲得詳細(xì)的斷層面各點(diǎn)的破裂速度，發(fā)現(xiàn)很多地震存在超剪切破裂現(xiàn)象。

包括 1979年美國(guó) Imperial Valley 地震、1999 年土耳其 Izmit 地震、Duzce 地震，2001 年昆侖山地震，2002 年美國(guó)阿拉斯加Denali 地震，2010 年青海玉樹地震，2013 年美國(guó)阿拉斯加 Craig 地震、2018 年印度尼西亞帕盧（Palu）地震以及2021 年剛剛發(fā)生的青?，敹嗟卣?。

當(dāng)然，還有其他地震可能存在超剪切破裂，只是沒有被觀測(cè)證實(shí)。以 2018 年印度尼西亞帕盧（Palu）地震為例，地震學(xué)家通過(guò)分析地震觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，Palu-Koro 斷層的平均破裂速度達(dá)到 4.1km/s，而該地區(qū)巖石介質(zhì)的平均剪切波波速約為 3.6km/s，即 Vr>Vs。因此確認(rèn)此次地震為超剪切破裂地震。

如上表所示，這些超剪切破裂地震大多是走滑型地震。

二、馬赫錐效應(yīng)

**由于斷層破裂速度超過(guò)了震源區(qū)巖石剪切波速，產(chǎn)生了馬赫錐效應(yīng)（March Cone）。**超剪切破裂導(dǎo)致能量在馬赫波前的位置產(chǎn)生堆積，類似于飛機(jī)產(chǎn)生的音爆。

飛機(jī)在飛行時(shí)不斷發(fā)出的聲波，以同心圓的方式傳播 ；飛機(jī)的速度越快這些同心圓聲波就越接近，但是只要速度不超過(guò) 340m/s，這些同心圓聲波就不會(huì)相互碰撞或者重疊（下圖 a），因?yàn)榍耙粋€(gè)波能在后一個(gè)波到達(dá)時(shí)擴(kuò)散開。

但是當(dāng)飛機(jī)速度超過(guò)聲速時(shí)，飛機(jī)前進(jìn)的速度比聲波擴(kuò)散得更快，聲波逐漸在飛機(jī)的前面壓縮積累猶如一道墻（上圖b），當(dāng)突破這道墻時(shí)，高度集中的聲波能量傳到人耳朵里時(shí)就會(huì)讓人感覺到短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲，因此產(chǎn)生了音爆。同理，如果飛行速度繼續(xù)增大至超音速飛行，飛機(jī)的周圍也會(huì)形成馬赫錐現(xiàn)象（上圖c）。

上圖為二維走滑斷層超剪切破裂模型，紅（藍(lán)）色馬赫錐波（Mach Front）沿著斷層走向推進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的能量脈沖。

三、超剪切破裂地震破壞性更大

與亞剪切破裂相比，超剪切破裂引起的強(qiáng)地震動(dòng)振幅大、傳播速度快（大于 S 波速度，接近 P 波速度），且沿?cái)鄬臃较蛩p慢，意味著超剪切地震破壞性大。

實(shí)際震害經(jīng)驗(yàn)也表明在相同震級(jí)的情況下，超剪切地震比亞剪切地震具有更強(qiáng)的破壞力。

遭受超剪切破裂地震襲擊的結(jié)古鎮(zhèn)

（拍攝于2010年5月9日）

以 2010 年青海玉樹Ms7.1 地震為例，玉樹縣城—結(jié)古鎮(zhèn)正好位于超剪切破裂的馬赫錐波前，縣城大量房屋和城市基礎(chǔ)設(shè)施被毀，造成 2698 人死亡。2018 年的印度尼西亞帕盧地震造成大量工程震害以及 2200 多人死亡，是當(dāng)年全球遇難人數(shù)最多的自然災(zāi)害事件。

【未完待續(xù)......】