全球热点评！《城市与减灾》| 刘爱文：超剪切破裂地震对跨断层管道的破坏与启示（一）

2022-08-01 10:00:35 来源：科普中国

作者简介

(相关资料图)

刘爱文，中国地震局地球物理研究所研究员，博士生导师，强震动地震学研究室主任，中国地震学会强震动观测技术与应用专业委员会主任委员、中国灾害防御协会风险专业委员会理事。主要研究领域为生命线地震工程和工程地震学。参加了汶川地震、玉树地震、尼泊尔地震等十多次的国内外地震现场工程震害调查及科考工作。近年承担了科技部、国家自然科学基金、地震行业专项等科研项目多项。发表学术论文数十篇。

前言

天然地震是由于地壳活动引起地面震动的一种自然现象。然而这只是一种笼统的说法，地震学家们更关心的是地表深处震源区的岩层到底是如何破裂的？这种破裂与我们看到的地表破裂、与我们能感受到的地面震动有什么关系？

通过对地震波的分析，科学家们发现，发生地震的断层（发震断层）的破裂速度是一个影响地表破裂和地面震动强度的关键的因素。

超剪切破裂最早源于上世纪 70 年代断裂力学的研究结果。虽然地震学研究很早就揭示了天然地震的断层破裂传播速度不尽相同，但之前的震源理论认为发震断层的破裂传播速度是不可能超过剪切波波速的。

近年来，宽频带地震学和地震波反演技术的发展进步，为我们揭开了震源区岩石破裂的更多细节。目前国内外地震学界在理论、实验以及实际地震观测中都证实了超剪切破裂的存在。超剪切破裂地震也随之成为地震学研究领域的热点问题之一。

**在相同震级的情况下，超剪切破裂地震比亚剪切破裂地震具有更强的破坏性。**超剪切破裂地震往往伴随着马赫锥效应，产生地表破裂，出现断层位错与超强地震动叠加作用的现象，对跨越此类断层的管道工程有极高的毁坏风险。

一、超剪切破裂地震

超剪切破裂地震是指发震断层在破裂过程中，其破裂传播速度（Vr）超过了震源区的岩石剪切波波速（Vs）的地震。

因此按照断层的破裂速度，天然地震可以分为超剪切破裂地震和亚剪切破裂地震。一般来讲，大多数地震为亚剪切破裂地震，即发震断层的破裂速度一般小于震源区岩石介质的剪切波速，大约为0.7Vs~0.9Vs。

随着地震波反演技术的进步以及地震观测台网的加密，地震学家可以通过地震波记录反演获得详细的断层面各点的破裂速度，发现很多地震存在超剪切破裂现象。

包括 1979年美国 Imperial Valley 地震、1999 年土耳其 Izmit 地震、Duzce 地震，2001 年昆仑山地震，2002 年美国阿拉斯加Denali 地震，2010 年青海玉树地震，2013 年美国阿拉斯加 Craig 地震、2018 年印度尼西亚帕卢（Palu）地震以及2021 年刚刚发生的青海玛多地震。

当然，还有其他地震可能存在超剪切破裂，只是没有被观测证实。以 2018 年印度尼西亚帕卢（Palu）地震为例，地震学家通过分析地震观测资料发现，Palu-Koro 断层的平均破裂速度达到 4.1km/s，而该地区岩石介质的平均剪切波波速约为 3.6km/s，即 Vr>Vs。因此确认此次地震为超剪切破裂地震。

如上表所示，这些超剪切破裂地震大多是走滑型地震。

二、马赫锥效应

**由于断层破裂速度超过了震源区岩石剪切波速，产生了马赫锥效应（March Cone）。**超剪切破裂导致能量在马赫波前的位置产生堆积，类似于飞机产生的音爆。

飞机在飞行时不断发出的声波，以同心圆的方式传播；飞机的速度越快这些同心圆声波就越接近，但是只要速度不超过 340m/s，这些同心圆声波就不会相互碰撞或者重叠（下图 a），因为前一个波能在后一个波到达时扩散开。

但是当飞机速度超过声速时，飞机前进的速度比声波扩散得更快，声波逐渐在飞机的前面压缩积累犹如一道墙（上图b），当突破这道墙时，高度集中的声波能量传到人耳朵里时就会让人感觉到短暂而强烈的爆炸声，因此产生了音爆。同理，如果飞行速度继续增大至超音速飞行，飞机的周围也会形成马赫锥现象（上图c）。

上图为二维走滑断层超剪切破裂模型，红（蓝）色马赫锥波（Mach Front）沿着断层走向推进，会产生一个强大的能量脉冲。

三、超剪切破裂地震破坏性更大

与亚剪切破裂相比，超剪切破裂引起的强地震动振幅大、传播速度快（大于 S 波速度，接近 P 波速度），且沿断层方向衰减慢，意味着超剪切地震破坏性大。

实际震害经验也表明在相同震级的情况下，超剪切地震比亚剪切地震具有更强的破坏力。

遭受超剪切破裂地震袭击的结古镇

（拍摄于2010年5月9日）

以 2010 年青海玉树Ms7.1 地震为例，玉树县城—结古镇正好位于超剪切破裂的马赫锥波前，县城大量房屋和城市基础设施被毁，造成 2698 人死亡。2018 年的印度尼西亚帕卢地震造成大量工程震害以及 2200 多人死亡，是当年全球遇难人数最多的自然灾害事件。