菲律宾萨兰加尼半岛Mw 6.8地震土壤液化效应的多方法综合研究：对灾害评估与减灾的启示

《GeoHazards》：Exploratory Statistical Analysis of Precursors to Moderate Earthquakes in Japan

本文推荐对2023年Mw 6.8地震引发的萨兰加尼半岛土壤液化现象进行系统性研究。通过实地测绘、地貌解译、地球物理勘探（如折射微动法ReMi、三分量微动法3CMt）、粒度分析及与预测模型对比，揭示了液化分布规律、沉积物特征及场地响应（如剪切波速VS30、液化潜力指数LPI），为区域工程地质与灾害防控提供了关键数据支撑。

　　

引言

2023年11月17日，菲律宾棉兰老岛西南海域发生一次矩震级（M_W）为6.8的地震，震源深度63公里。这次地震在萨兰加尼半岛的低地地区引发了广泛的土壤液化现象，表现为喷砂冒水、地面裂缝、侧向扩展和地面变形等多种形式。液化主要发生在河流三角洲、填土区、洪泛区和海滩等地下水位较浅的地貌单元，并对部分建筑物造成了破坏。本研究旨在通过多学科方法，全面刻画此次地震的液化效应，评估其与现有预测模型的一致性，并分析控制液化的关键场地条件。

构造背景与历史地震活动

菲律宾位于复杂的构造活动区，主要受菲律宾海板块与欧亚板块汇聚作用控制。萨兰加尼半岛邻近哥打巴托海沟，该海沟的俯冲作用是该地区大震的主要来源。历史记录表明，该地区曾多次发生触发液化的强震，如1917年M_W6.9、1976年M_W8.0、2002年M_W7.2以及2017年M_W6.9地震。半岛的地质基础主要为中新世大陆基底岩层，低地广泛分布着未固结的全新世或近代沉积物，为液化提供了物质基础。

研究方法

研究采用了综合性的技术路线。地震发生后两天内即开展了现场踏勘，利用遥感无人机（RPA）技术快速获取高分辨率正射影像和数字高程模型（DEM），详细测绘液化地表形态。通过分析干涉合成孔径雷达（IFSAR）DEM和历史卫星影像进行地貌解译。将液化点分布与菲律宾火山学与地震学研究所（DOST-PHIVOLCS）的液化灾害图以及Hu提出的经验公式预测的最大液化距离（R_emax和R_hmax）进行对比。

对采集的喷出沉积物进行了粒度分析，将其结果与Tsuchida以及Numata和Mori建立的液化土判别界限进行对比。在选定的液化场地进行了地球物理勘探，包括折射微动法（ReMi）和三分量微动法（3CMt）。ReMi使用12个检波器线性排列，通过分析面波频散曲线反演地下剪切波速度（V_S）结构，并计算30米深度平均剪切波速（V_S30）进行场地分类（依据菲律宾国家结构规范NSCP）。结合美国地质调查局（USGS）Shakemap模拟的峰值地面加速度（PGA），采用Iwasaki等人提出的简化程序计算液化潜力指数（LPI）。3CMt则通过测量地脉动，计算水平与垂直谱比（HVSR）曲线，获取场地卓越周期（T），并利用经验公式估算松散沉积层厚度（h），与ReMi结果进行交叉验证。

结果与讨论

液化影响分布

研究共记录了69个液化观测点，分布在萨兰加尼半岛的多个市镇。液化现象主要集中在河流三角洲，其次是海滩、填土区、河心洲和洪泛区。具体案例如下：在桑托斯将军城的布亚延区，巴亚延河洪泛区和三角洲出现了长达17.7米的地裂缝和喷砂冒水，并观察到局部地面隆起。马拉帕坦镇的图延区，海滩和河洲发生了广泛的侧向扩展和长达58米的地裂缝。萨普马斯拉区一处由沼泽回填形成的居民区，液化导致长达38米的地裂缝，破坏了十栋房屋。格兰镇的格兰帕迪杜区液化范围最广，估计达5400平方米，表现为大范围的喷砂和宽大裂缝。这些观察证实了低洼、饱水的地貌单元对液化的高度敏感性。所有观测点均落在DOST-PHIVOLCS液化灾害图划定的易发区内，且最远液化距离（81公里）在经验公式预测的最大液化距离（120公里）之内。

沉积物喷射物分析

对11个站点的喷出物样品进行粒度分析显示，其平均粒径介于0.05毫米（粉砂）至0.19毫米（细砂）之间。大部分样品落在Tsuchida以及Numata和Mori定义的“最易液化”或“潜在液化”土的界限内。颗粒分选性从中等到良好，均匀系数（Cu）在1.57至3.52之间，表明沉积物级配相对均匀。这些结果证实了液化区地下存在符合液化条件的粉砂质至砂质沉积物。

地球物理分析

对12个选定站点的ReMi勘探显示，其中11个站点的V_S30值在170米/秒至339米/秒之间，对应NSCP场地分类中的S_D类（中硬土）和S_E类（软土），表明地下存在松散至中密、可能液化的沉积层。只有一个站点（比格马格斯）的V_S30较高（425米/秒，S_C类，密实土/软岩），但液化发生在该地点海滩的表层松散砂层，ReMi剖面也显示其上部5.7米存在较低波速层。3CMt测量得到的场地卓越周期与利用经验公式估算的沉积层厚度具有高度一致性（R²= 0.90），验证了ReMi对软弱土层厚度的推断。例如，在图延站点，ReMi推断的上部土层厚度为9.3米，而3CMt估算的厚度范围为7.8至11.3米。

USGS Shakemap模拟的PGA值在0.24g至0.34g之间，与现场观察到的MMI VII（破坏性震动）强度相符。基于PGA和V_S剖面计算的LPI显示，12个站点中有8个具有高或非常高液化潜力，但值得注意的是，有4个LPI值较低（低至非常低）的站点也发生了液化。这表明，即使根据简化方法评估液化潜力不高，在特定的地貌（如海滩）、水文（浅地下水）和强震动（PGA > 0.09g的触发阈值）条件下，液化仍可能发生。

研究局限性

本研究存在一些局限性。液化证据易受侵蚀和人为干扰，可能遗漏部分液化点。地貌分析依赖于2013年的IFSAR DEM和2003-2023年的历史影像。由于液化影响范围有限和卫星影像分辨率不足，难以从卫星数据中识别所有液化痕迹。由于历史记录不全，难以全面评估历史液化点的复发情况。地球物理方法是点状测量，结果具有场地特异性。虽然地球物理方法与岩土测试结果有良好相关性，但钻孔数据能提供更精确的土层信息。

结论

本研究通过多学科方法综合分析了2023年萨兰加尼半岛M_W6.8地震的液化效应。研究证实液化主要集中在特定地貌单元，且与现有灾害图和经验预测吻合。地球物理勘探（ReMi, 3CMt）揭示了场地的剪切波速结构和沉积层厚度，粒度分析确认了喷出物的液化敏感性。结果表明，即使在简化评估中液化潜力较低的场地，在有利条件下仍可能发生液化。该研究强调了地球物理技术作为岩土工程勘察替代方法的可靠性，其成果可为该地区的液化灾害评估、土地利用规划和工程抗震设计提供重要依据。需要警惕的是，本次地震震级远低于哥打巴托海沟可能发生的最大 scenario（M_W7.9），未来更强的地震可能引发更广泛、更严重的液化灾害。