劉愛文 張立寶 王銘鋒

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剪切波波速的。

近年來，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)。

超剪切破裂地震

超剪切破裂地震是指發(fā)震斷層在破裂過程中，其破裂傳播速度（Vr）超過了震源區(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年美國阿拉斯加Denali地震，2010年青海玉樹地震，2013年美國阿拉斯加Craig地震、2018年印度尼西亞帕盧（Palu）地震以及2021年剛剛發(fā)生的青海瑪多地震。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（圖1），地震學(xué)家通過分析地震觀測(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。

圖1 印度尼西亞帕盧地震發(fā)震斷層超剪切破裂示意圖

如上表1所示，這些超剪切破裂地震大多是走滑型地震。

表1 近些年被證實(shí)存在超剪切破裂的國內(nèi)外主要地震事件及相關(guān)震害

馬赫錐效應(yīng)

由于斷層破裂速度超過了震源區(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340m/s，這些同心圓聲波就不會(huì)相互碰撞或者重疊（圖2a），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（圖2b），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（圖2c）。

圖2 飛機(jī)超音速飛行產(chǎn)生音爆和馬赫錐的示意圖

圖3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。

圖3 走滑斷層超剪切破裂引起的馬赫錐效應(yīng)

超剪切地震破壞性更大

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。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（圖4），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。

圖4 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）

管道遭遇超剪切破裂地震

案例一：2001年11月青海與西藏交界發(fā)生昆侖山Ms8.1級(jí)地震。這次地震發(fā)震斷層為昆侖斷裂，是一條長達(dá)1000多千米的大型走滑斷層。地震造成的地表破裂達(dá)到400km。地震學(xué)家根據(jù)地震觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)發(fā)震斷層破裂速度最高達(dá)到5km/s（當(dāng)?shù)豓s=3.5km/s），屬于超剪切破裂地震。

根據(jù)野外地質(zhì)實(shí)地調(diào)查，受斷層破裂的擠壓沖擊（馬赫錐）效應(yīng)影響，地震造成地表斷層破裂跡線上多處地震擠壓鼓包（圖5），鼓包長5～30m，寬1～15m，高0.2～2m。如圖6所示青海格爾木至西藏的輸油管道（格拉管道）在與斷層交會(huì)處，斷層位錯(cuò)造成0.159m口徑的嚴(yán)重管體斷裂式破壞，管道輸油功能喪失。幸運(yùn)的是，地震發(fā)生時(shí)為冬季管道停輸期間，否則還可能造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

圖5 昆侖山地震沿著地表斷層破裂跡線出現(xiàn)的擠壓鼓包

圖6 格拉管道與昆侖山地震地表破裂帶交會(huì)示意圖

案例二：1999年8月17日，土耳其西北部Izmit市西南11km處發(fā)生Mw7.4的強(qiáng)烈地震。North Anatolian斷裂帶是此次地震的發(fā)震斷層，以右旋走滑為主。根據(jù)震后調(diào)查，此次地震地表破裂帶的最大寬度為51m，最大錯(cuò)距為3.8m，走滑段上的最大垂直錯(cuò)距為0.6m，破裂長度近200km。斷層附近的臺(tái)站SKR記錄到異常的S波—P波到時(shí)差，學(xué)者們用超剪切破裂解釋了這一現(xiàn)象。

從儲(chǔ)水壩到自來水廠有一條口徑為2.2m的輸水鋼管穿越North Anatolian斷裂帶。通過測(cè)量管道與斷裂交會(huì)點(diǎn)附近，地震造成籬笆的相對(duì)位移，推斷斷層位錯(cuò)量在管道與斷層交會(huì)處為3m左右，管線與斷層的交角約為鈍角125°。引起學(xué)者們關(guān)注的是，Izmit地震造成了這條大口徑供水鋼管的3處屈曲破壞。如圖7所示，最嚴(yán)重的屈曲破壞發(fā)生在斷層交匯A處，其他兩處B和C在斷層的另外一側(cè)。這種現(xiàn)象是目前管道抗震設(shè)計(jì)采用的擬靜力方法（包括理論解和數(shù)值模擬）不能解釋的。按照擬靜力方法結(jié)果，埋地管道在斷層位錯(cuò)作用下最大應(yīng)變值應(yīng)該出現(xiàn)在斷層面附近一定距離處而非斷層面上。

圖7 土耳其Izmit地震造成2.2m口徑的供水管道屈曲破壞示意圖

案例三：2002年11月3日在美國阿拉斯加Denali斷層發(fā)生Mw7.9地震，建于上世紀(jì)70年代的阿拉斯加輸油管道穿越此條斷層。經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡卣鸢踩栽u(píng)價(jià)，該條管道采用地表滑軌的敷設(shè)方式，設(shè)防的斷層位移量為：水平6.1m；垂直1.5m。根據(jù)震后GPS測(cè)地學(xué)的結(jié)果，在管道與斷層的交匯處斷層水平走滑位移5.5～6m，垂直位移1.5m。即震后的實(shí)際斷層位錯(cuò)量在阿拉斯加輸油管道的設(shè)防斷層位移量內(nèi)，如圖8和圖9所示，地震后管道在地面鋪設(shè)的滑軌上整體滑移，管道本體沒有發(fā)生破壞變形，但是多處滑軌支架發(fā)生了破壞。

圖8 阿拉斯加管道在Denali地震前（左）與地震后（右）對(duì)比圖（管道穿越處的斷層位移5.5～6.0m）

圖9 阿拉斯加管道穿越Denali斷裂及其支架破壞

超剪切破裂地震對(duì)跨斷層管道的影響

通常情況下斷層錯(cuò)動(dòng)的位移是管道抗震設(shè)計(jì)考慮的主要因素。但以上的這些震害實(shí)例引出了斷層破裂速度對(duì)管道的安全是否也有影響這個(gè)問題。

以阿拉斯加管道為例，探討斷層破裂速度為零和無窮大兩種極端情況。假定Denali斷層破裂速度很小，接近于零值，即相當(dāng)于慢地震或者斷層慢滑移的情況， 斷層的最大位移量設(shè)定達(dá)到6m。根據(jù)震源破裂的數(shù)值模擬結(jié)果，除了斷層位錯(cuò)作用，斷層周圍的地震動(dòng)加速度峰值、速度峰值幾乎為零。在這種情況下，阿拉斯加管道通過地面敷設(shè)的滑軌抗震措施，可以抵御該斷層位錯(cuò)量，管道因此可以保持基本完好，而且管道的支架沒有振動(dòng)沖擊能量的破壞作用，也不會(huì)被破壞。如果考慮另一種極端情況，斷層破裂速度和斷層位錯(cuò)都極快，即使在斷層位錯(cuò)量很?。ㄈ?.6m）的情況下，阿拉斯加管道與滑軌支架也會(huì)出現(xiàn)破壞。

地震學(xué)家通過對(duì)臺(tái)站獲得的記錄進(jìn)行震源動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果表明Denali斷層從初始破裂點(diǎn)傳播40km左右后，破裂速度即達(dá)到了5.6km/s，超過當(dāng)?shù)氐貧r石3.5km/s的剪切波波速（Dunham et al., 2004）。在此次地震中，距Denali斷層3km處的位于阿拉斯加輸油管道上、編號(hào)為PS10的臺(tái)站獲得了此次地震的三分量加速度記錄。將該臺(tái)站加速度記錄轉(zhuǎn)換成速度時(shí)程后（圖10），可以看出在斷層平行方向（FP）存在一個(gè)明顯的單側(cè)速度大脈沖，峰值速度超過1.5m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷層垂直方向（FN）的峰值速度。斷層平行方向的振動(dòng)強(qiáng)度大于斷層垂直方向的強(qiáng)度，這正是超剪切破裂地震馬赫錐效應(yīng)的特點(diǎn)。而對(duì)于一般地震，由破裂方向性效應(yīng)引起的速度脈沖是斷層垂直方向大于斷層平行方向。

模擬結(jié)果還顯示，此次地震在斷層垂直方向有兩次速度峰值（圖10b），右邊的速度峰值是超剪切破裂（馬赫錐效應(yīng)）引起的，后面接著的（左邊）第二個(gè)速度脈沖是走滑型斷層破裂方向性效應(yīng)引起的，與是否為超剪切破裂無關(guān)。由此可見，隨著斷層破裂傳播速度的提高，其對(duì)近斷層強(qiáng)震動(dòng)的影響顯著。但是其影響規(guī)律如何，則需要更多的觀測(cè)資料驗(yàn)證和更深入的研究。

圖10 阿拉斯加管道PS10臺(tái)站的速度時(shí)程以及震源動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

超剪切破裂地震對(duì)我國輸油氣管網(wǎng)安全的啟示

總結(jié)和反思這些超剪切破裂地震造成的管道震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，其破壞的原因是否只是超過設(shè)防的斷層位錯(cuò)量？除了斷層的位錯(cuò)量，是否還有其他因素造成管道破壞？另外根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，亞剪切破裂地震中，管道—斷層交會(huì)點(diǎn)和管道的破壞點(diǎn)之間是有一定距離的，而超剪切破裂地震造成的破壞點(diǎn)都是發(fā)生在管道與斷層交會(huì)處。那么相對(duì)于亞剪切破裂地震，超剪切破裂地震在發(fā)震斷層及其周圍引起的地面變形和強(qiáng)震動(dòng)場(chǎng)有什么不同？用什么來表征超剪切破裂的地震作用？這些都是針對(duì)超剪切破裂地震新的、亟須解決的科學(xué)問題。

我國正在建設(shè)新的格拉輸油氣管道，而我國是世界上地震斷層活動(dòng)強(qiáng)烈的國家之一。根據(jù)國內(nèi)外地震地質(zhì)學(xué)研究，除了上文提到的昆侖斷裂，在我國大陸地區(qū)具備發(fā)生超剪切破裂地震條件的斷裂還有紅河斷裂、小江斷裂、阿爾金斷裂等著名的活動(dòng)斷裂（圖11）。這些斷裂均為大規(guī)模的活動(dòng)斷裂，綿延上千公里，加之工程選線會(huì)受到山脈、河谷走向等制約，使得長距離的輸油氣管道工程無法避讓這些斷裂，存在未來遭受超剪切破裂地震破壞的高風(fēng)險(xiǎn)。

在我國現(xiàn)行抗震規(guī)范中，跨斷層的管道抗斷設(shè)防位移是指震后的斷層靜態(tài)永久位移，輸油氣管道遭受斷層位錯(cuò)作用被簡化成一個(gè)靜力問題進(jìn)行抗震驗(yàn)算。另外管道的抗震動(dòng)驗(yàn)算與抗斷驗(yàn)算是分開進(jìn)行的，即地震動(dòng)和斷層位錯(cuò)引起的管道應(yīng)變各自計(jì)算，然后分別與管道的允許應(yīng)變進(jìn)行比較。對(duì)于大多數(shù)地震，先是強(qiáng)震動(dòng)（剪切波）到達(dá)，等破裂傳播到達(dá)后才開始發(fā)生斷層兩盤相對(duì)位錯(cuò)，將強(qiáng)震動(dòng)與斷層位錯(cuò)對(duì)管道的影響分開進(jìn)行驗(yàn)算是合理可行的。但超剪切破裂地震是斷層破裂先到，斷層位錯(cuò)與馬赫錐效應(yīng)引起的超強(qiáng)震動(dòng)同時(shí)疊加作用在管道上，從這個(gè)角度看，現(xiàn)行的國標(biāo)抗震驗(yàn)算方法存在不安全的隱患，現(xiàn)行抗震驗(yàn)算方法對(duì)于超剪切破裂地震的使用范圍也值得深入思考。