超剪切破裂地震對跨斷層管道的破壞與啟示

劉愛文 張立寶 王銘鋒

前言

天然地震是由于地殼活動引起地面震動的一種自然現(xiàn)象。然而這只是一種籠統(tǒng)的說法，地震學家們更關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有什么關系？通過對地震波的分析，科學家們發(fā)現(xiàn)，發(fā)生地震的斷層（發(fā)震斷層）的破裂速度是一個影響地表破裂和地面震動強度的關鍵的因素。

超剪切破裂最早源于上世紀70年代斷裂力學的研究結果。雖然地震學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，寬頻帶地震學和地震波反演技術的發(fā)展進步，為我們揭開了震源區(qū)巖石破裂的更多細節(jié)。目前國內外地震學界在理論、實驗以及實際地震觀測中都證實了超剪切破裂的存在。超剪切破裂地震也隨之成為地震學研究領域的熱點問題之一。在相同震級的情況下，超剪切破裂地震比亞剪切破裂地震具有更強的破壞性。超剪切破裂地震往往伴隨著馬赫錐效應，產生地表破裂，出現(xiàn)斷層位錯與超強地震動疊加作用的現(xiàn)象，對跨越此類斷層的管道工程有極高的毀壞風險。

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)巖石介質的剪切波速，大約為0.7Vs～0.9Vs。

隨著地震波反演技術的進步以及地震觀測臺網(wǎng)的加密，地震學家可以通過地震波記錄反演獲得詳細的斷層面各點的破裂速度，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?，敹嗟卣?。當然，還有其他地震可能存在超剪切破裂，只是沒有被觀測證實。

以2018年印度尼西亞帕盧（Palu）地震為例（圖1），地震學家通過分析地震觀測資料發(fā)現(xiàn)，Palu-Koro斷層的平均破裂速度達到4.1km/s，而該地區(qū)巖石介質的平均剪切波波速約為3.6km/s，即Vr＞Vs。因此確認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 近些年被證實存在超剪切破裂的國內外主要地震事件及相關震害

馬赫錐效應

由于斷層破裂速度超過了震源區(qū)巖石剪切波速，產生了馬赫錐效應（March Cone）。超剪切破裂導致能量在馬赫波前的位置產生堆積，類似于飛機產生的音爆。飛機在飛行時不斷發(fā)出的聲波，以同心圓的方式傳播；飛機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相互碰撞或者重疊（圖2a），因為前一個波能在后一個波到達時擴散開。但是當飛機速度超過聲速時，飛機前進的速度比聲波擴散得更快，聲波逐漸在飛機的前面壓縮積累猶如一道墻（圖2b），當突破這道墻時，高度集中的聲波能量傳到人耳朵里時就會讓人感覺到短暫而強烈的爆炸聲，因此產生了音爆。同理，如果飛行速度繼續(xù)增大至超音速飛行，飛機的周圍也會形成馬赫錐現(xiàn)象（圖2c）。

圖2 飛機超音速飛行產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）色馬赫錐波（Mach Front）沿著斷層走向推進，會產生一個強大的能量脈沖。

圖3 走滑斷層超剪切破裂引起的馬赫錐效應

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地震動振幅大、傳播速度快（大于S波速度，接近P波速度），且沿斷層方向衰減慢，意味著超剪切地震破壞性大。

實際震害經驗也表明在相同震級的情況下，超剪切地震比亞剪切地震具有更強的破壞力。以2010年青海玉樹Ms7.1地震為例，玉樹縣城—結古鎮(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設施被毀（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，是當年全球遇難人數(shù)最多的自然災害事件。

圖4 遭受超剪切破裂地震襲擊的結古鎮(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級地震。這次地震發(fā)震斷層為昆侖斷裂，是一條長達1000多千米的大型走滑斷層。地震造成的地表破裂達到400km。地震學家根據(jù)地震觀測資料發(fā)現(xiàn)發(fā)震斷層破裂速度最高達到5km/s（當?shù)豓s=3.5km/s），屬于超剪切破裂地震。

根據(jù)野外地質實地調查，受斷層破裂的擠壓沖擊（馬赫錐）效應影響，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）在與斷層交會處，斷層位錯造成0.159m口徑的嚴重管體斷裂式破壞，管道輸油功能喪失。幸運的是，地震發(fā)生時為冬季管道停輸期間，否則還可能造成嚴重的次生災害。

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)震后調查，此次地震地表破裂帶的最大寬度為51m，最大錯距為3.8m，走滑段上的最大垂直錯距為0.6m，破裂長度近200km。斷層附近的臺站SKR記錄到異常的S波—P波到時差，學者們用超剪切破裂解釋了這一現(xiàn)象。

從儲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。通過測量管道與斷裂交會點附近，地震造成籬笆的相對位移，推斷斷層位錯量在管道與斷層交會處為3m左右，管線與斷層的交角約為鈍角125°。引起學者們關注的是，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。這種現(xiàn)象是目前管道抗震設計采用的擬靜力方法（包括理論解和數(shù)值模擬）不能解釋的。按照擬靜力方法結果，埋地管道在斷層位錯作用下最大應變值應該出現(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70年代的阿拉斯加輸油管道穿越此條斷層。經過科學嚴謹?shù)牡卣鸢踩栽u價，該條管道采用地表滑軌的敷設方式，設防的斷層位移量為：水平6.1m；垂直1.5m。根據(jù)震后GPS測地學的結果，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。即震后的實際斷層位錯量在阿拉斯加輸油管道的設防斷層位移量內，如圖8和圖9所示，地震后管道在地面鋪設的滑軌上整體滑移，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

超剪切破裂地震對跨斷層管道的影響

通常情況下斷層錯動的位移是管道抗震設計考慮的主要因素。但以上的這些震害實例引出了斷層破裂速度對管道的安全是否也有影響這個問題。

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，即相當于慢地震或者斷層慢滑移的情況， 斷層的最大位移量設定達到6m。根據(jù)震源破裂的數(shù)值模擬結果，除了斷層位錯作用，斷層周圍的地震動加速度峰值、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的滑軌抗震措施，可以抵御該斷層位錯量，管道因此可以保持基本完好，而且管道的支架沒有振動沖擊能量的破壞作用，也不會被破壞。如果考慮另一種極端情況，斷層破裂速度和斷層位錯都極快，即使在斷層位錯量很?。ㄈ?.6m）的情況下，阿拉斯加管道與滑軌支架也會出現(xiàn)破壞。

地震學家通過對臺站獲得的記錄進行震源動力學模擬，結果表明Denali斷層從初始破裂點傳播40km左右后，破裂速度即達到了5.6km/s，超過當?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、編號為PS10的臺站獲得了此次地震的三分量加速度記錄。將該臺站加速度記錄轉換成速度時程后（圖10），可以看出在斷層平行方向（FP）存在一個明顯的單側速度大脈沖，峰值速度超過1.5m/s，遠遠大于斷層垂直方向（FN）的峰值速度。斷層平行方向的振動強度大于斷層垂直方向的強度，這正是超剪切破裂地震馬赫錐效應的特點。而對于一般地震，由破裂方向性效應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）引起的，后面接著的（左邊）第二個速度脈沖是走滑型斷層破裂方向性效應引起的，與是否為超剪切破裂無關。由此可見，隨著斷層破裂傳播速度的提高，其對近斷層強震動的影響顯著。但是其影響規(guī)律如何，則需要更多的觀測資料驗證和更深入的研究。

圖10 阿拉斯加管道PS10臺站的速度時程以及震源動力學模擬結果

超剪切破裂地震對我國輸油氣管網(wǎng)安全的啟示

總結和反思這些超剪切破裂地震造成的管道震害經驗教訓，其破壞的原因是否只是超過設防的斷層位錯量？除了斷層的位錯量，是否還有其他因素造成管道破壞？另外根據(jù)地震現(xiàn)場的調查，亞剪切破裂地震中，管道—斷層交會點和管道的破壞點之間是有一定距離的，而超剪切破裂地震造成的破壞點都是發(fā)生在管道與斷層交會處。那么相對于亞剪切破裂地震，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震動場有什么不同？用什么來表征超剪切破裂的地震作用？這些都是針對超剪切破裂地震新的、亟須解決的科學問題。

我國正在建設新的格拉輸油氣管道，而我國是世界上地震斷層活動強烈的國家之一。根據(jù)國內外地震地質學研究，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斷裂（圖11）。這些斷裂均為大規(guī)模的活動斷裂，綿延上千公里，加之工程選線會受到山脈、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險。

在我國現(xiàn)行抗震規(guī)范中，跨斷層的管道抗斷設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作用被簡化成一個靜力問題進行抗震驗算。另外管道的抗震動驗算與抗斷驗算是分開進行的，即地震動和斷層位錯引起的管道應變各自計算，然后分別與管道的允許應變進行比較。對于大多數(shù)地震，先是強震動（剪切波）到達，等破裂傳播到達后才開始發(fā)生斷層兩盤相對位錯，將強震動與斷層位錯對管道的影響分開進行驗算是合理可行的。但超剪切破裂地震是斷層破裂先到，斷層位錯與馬赫錐效應引起的超強震動同時疊加作用在管道上，從這個角度看，現(xiàn)行的國標抗震驗算方法存在不安全的隱患，現(xiàn)行抗震驗算方法對于超剪切破裂地震的使用范圍也值得深入思考。