​天坑、墙体开裂、滑坡？揭秘地震前后“地球皮肤”如何变化

交汇点讯 地震前后有些地方为什么莫名其妙地突然出现“天坑”，地面沉陷或者出现滑坡等地质自然灾害？这些灾害在地震发生前后作为“地球皮肤”的土壤会提前发出什么信号？对此，南京工业大学交通学院庄海洋教授和华中科技大学苗雨教授课题组合作，在《自然·通讯》上发表论文，揭示了它的内在机理及其深层原因（庄海洋教授为共同一作，南京工业大学为第二完成单位）。这一研究成果对地震前后地质自然灾害的预警、预防及治理、对灾后重建等人类工程活动都将提供重要的科学依据。

地壳的近地表部分，也被称为地球的皮肤，是人类生活的家园。近地表岩土材料的软化在许多地质灾害的演化及触发过程中扮演了重要角色，然而，该现象背后的物理学机制仍有待研究。论文以2011年3月11日东日本大地震引起的近地表软化现象及恢复过程为研究对象，发现近地表的恢复过程可以划分为两个阶段，包括一个持续几分钟的快速恢复阶段和一个长达数年甚至数十年的缓慢恢复阶段。

“地壳表层的岩土颗粒之间存在着一定的相互作用力，从而形成某种较为稳定的结构。但由于强烈地震的影响，地壳表层的土壤会发生软化（水化），表土层原来的那种稳定的结构状态会遭到隐形的破坏而发生变化。”庄海洋教授解释说，“但表土层的这种变化的影响，在地震前后的短时间内从表面上是看不出来的。因此在重大地质自然灾害的发生前后，表土层这种深层的潜在的变化往往会被工程技术人员或研究人员忽视，所以当地震前后出现滑坡、天坑、沉陷等各类自然灾害情况的时候，人们会觉得莫名其妙。”

庄海洋教授介绍，表土层这种破坏性的影响，一般情况下须经过数年甚至数十年之后才能恢复到原始的稳定状态。

对此，庄海洋教授团队经过不断研究探索，利用强震观测、室内试验和理论推导等研究方法，系统地揭示了由强震引起的近地表土层强度软化现象及随后的恢复过程，发现了在震荡的水化（软化）作用下，岩土颗粒间在纳米尺度存在多个亚稳态接触状态。这种强震引起的对表土层的破坏性影响，将导致近地表土壤需要数年甚至数十年才能恢复到地震前水平。

在此基础上，该研究还提出了一种新的土壤颗粒之间的力学接触模型，从机理上解释了强地震发生后土壤恢复过程中出现不同阶段的原因。

该研究成果能够为地球物理领域和岩土工程领域中岩土材料动力学特性的研究提供重要的理论支持与参考，为强地震发生前后重大地质自然灾害预警、建（构）筑物的地基长期稳定性评估、地震次生灾害的预防治理和灾后家园重建等人类工程活动提供重要的科学依据。

通讯员 周伟

新华日报·交汇点记者 谢诗涵

编辑: 蒋明睿