藏在地下的“凶器”！砂土為什麼會液化？

地球內部發生劇烈變動（如斷層突然滑動或火山活動）後，地表會隨之出現強烈震動，這就是地震現象。地震會引發諸多次生災害，如爆炸、火災、海嘯、洪水、泥石流、傳染病等，對人類社會的破壞和影響極大，而砂土液化也是其中之一。

被淤泥淹沒的金田村和草灘村救援現場

被搖成“液體”的砂土

埋藏較淺的飽水鬆散砂土（包括不同的礫石和更細的泥土）遭受強烈振動（如爆破、地震、機械爆破等）時，顆粒間的位置迅速調整，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，固態砂土變成了液態混合物，這個過程叫作“液化”或“流體化”。

液化後的混合物會向壓力低的一方運動，若地下有合適的通道或洞穴，混合物會湧向這些地方。當它們沿一定的通道湧出地表，呈現噴砂冒水的狀態時，人們會形象地將其稱為“砂湧”。有時，它們還會在地表形成火山錐一樣的形態，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範圍最大、後果最嚴重，它們在流動過程中會破壞沿途的地貌景觀和人類建築，嚴重的還會造成人畜傷亡。

因其形態和泥石流十分相似，所以經常難以分清。二者最大的區別在於水的來源：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，泥石流多發於山洪溝或周邊的斜坡，較易根據發生區域進行判定，而砂土液化的判定則更加複雜。

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級地震為例。根據應急管理部大資料中心的無人機遙感影像，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1.2萬平方米以上，而這就是砂土液化的惡果。

成分複雜的沉積物

這些淤泥並非直接來自草灘村和金田村的被淹沒區，而是來自距兩村北側3000～4000米的高臺。這裡的沉積物成分複雜，既有黃河故道或古洪水期堆積的泥砂，也有風成（風對地面物質進行吹蝕、搬運和堆積作用形成）的黃土，但最主要的成分式來自周圍山體風化後的泥沙礫石，被地表流水攜帶而來。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

盆地外圍北側的山體主要由漸新統（距今約3300萬～2300萬年）的紫紅色礫岩、粗砂岩和砂岩構成。這些岩石風化後堆積於盆地，形成的砂土和砂礫層內部存在大量孔隙。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。

地震發生時，地下飽水的砂土層瞬間液化，其上部的鬆散沉積物隨之塌陷，與液化的砂土混合在一起，洶湧著匯向下方的村莊。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”，但本質上，它是因砂土液化引發的滑坡現象。

“跑”在災害之前

砂土液化是地震常見的次生災害，科研人員在大量的觀察和實驗後發現，一般大於里氏5級的地震就可以造成震中附近飽水砂土的液化。

僅以發生在中國的地震相應記載為例，1668年，山東郯（tán）城（今山東省臨沂市郯城縣）發生8.5級地震，砂土最大液化範圍達800平方千米；1920年，寧夏回族自治區中衛市海原縣發生8.5級地震，砂土最大液化範圍超過600平方千米。1975年遼寧省海城市地震(7.3級)、1976年河北省唐山市地震(7.8級)、2008年四川省汶川市地震(8.0級)等地震災害都伴有嚴重的砂土液化現象。

乾旱或半乾旱地區也會出現砂土液化的現象。地表乾旱並不意味著地下的砂土層也同樣乾燥，在地表進行大量開墾且地勢起伏較大的區域，發生水土流失和砂土液化現象的風險更高。中國許多人口較為密集的區域——如華北平原、河套盆地（黃河“幾”字形彎曲的上半部分，位於內蒙古自治區中部）、福建至廣東沿海地區，都有發生砂土液化現象的可能。

砂土液化會讓地層失去承載力，導致上方建築沉陷、傾斜、坍塌，流動的砂土規模大、行進速度快，對人民的生命和財產造成巨大危害，若發生在近海區域的海底，還可能引發海嘯。我們必須提前做好準備，應在相關的地質調查工作中掌握可能出現砂土液化的區域及其地質條件，為城鎮和工程的規劃提供參考，在選址時儘量避開未來可能出現類似災害的區域。科技不斷髮展，新技術和新裝置不斷出現，正在幫助地質工作者更好地檢測易出現砂土液化現象的區域。

本文節選自《知識就是力 量》雜誌《 砂土液化——藏在地下的“凶器”》。告訴青少年，中國幅員遼闊，地形地貌複雜，自然災害種類多、分佈地域廣、發生頻率高。全民關注防災減災、學習防災減災知識，以科技提高防災減災能力，正是我們不斷前進的方向。

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編輯/趙青雲

文章來源：《知識就是力量》雜誌