## 中文标题 考虑土体灵敏度的地震触发大陆边缘与海底峡谷地形海底滑坡三维深度平均模拟：Ashton海山滑坡反演与南海峡谷情景预测

《Journal of Marine Science and Engineering》：Depth-Averaged Modelling of Earthquake-Triggered Submarine Landslides on Continental Margins and Canyon Terrains

　　

位于海床上的基础设施易受地震触发海底滑坡的威胁，然而，大陆边缘或海底峡谷内破坏的扩展过程以及滑坡震后运动尚未得到很好的解释。研究人员采用三维深度平均方法（depth-averaged method，DAM）重新审视了两类典型情景的启动、渐进破坏与滑动距离（runout）：对Ashton海山深层滑坡的反演分析，以及南海某峡谷系统的情景预测。对于前者，在厚层上覆沉积物发生板状破坏（slab failure）之前，剪切带通过软弱层广泛扩展。土体灵敏度（soil sensitivity）对震时初始软化的影响可能不显著，但会严重影响后续剪切带扩展与滑动距离。当土体灵敏度由2增至5时，受影响面积之比接近6。在峡谷系统中，陡峭峡谷侧壁可能独立形成若干完全软化区，随后这些区域在地震过程中逐渐扩展并合并。滑体沿数条峡谷通道运动，最终在冲沟交汇处汇聚。初始边坡破坏过程中坡体物质向下坡方向被移除，从而削弱了对上坡沉积物的支撑，表明即使地震结束后仍可能出现更多后退式破坏（retrogressive failure）。据此预测峰值速度为40.8 m/s，受影响面积为23.4 km²。

## 论文主体解读

海底油气、水合物与矿产勘探不断向水深超过500 m的海域延伸，海底管道、跨洋电缆及水下生产系统等基础设施面临海底滑坡威胁，地震被认为是最危险的大型海底滑坡触发因素，其他触发因素还包括快速沉积、水合物分解与流体超压等。在复杂海底地形上安装基础设施之前，需要评估海底滑坡的可能性，不仅包括识别地震荷载造成的边坡破坏，还包括预测破坏物质在海底的后续运动，即潜在影响区域。与陆上边坡失稳相比，海底滑坡方量更大、滑动距离更长，对基础设施产生附加冲击力。敏感海相沉积物中的边坡破坏通常与软弱层有关，软弱层土体灵敏度（峰值与重塑不排水抗剪强度之比）一般为2至6。当软弱层局部屈服后，不排水强度逐渐退化，剪切带可能在层内扩展，从而推动上覆大体积沉积物滑动。这种渐进破坏难以用常规极限平衡或极限分析方法描述，而可由Puzrin与Germanovich、Puzrin等及Zhu等发展的剪切带扩展（shear band propagation，SBP）方法捕捉；一旦满足临界条件，剪切带扩展最终导致板状破坏，即灾难性SBP。已有学者针对理想化平面与曲线边坡、以及沿平面软弱层的多向扩展提出了灾难性SBP的解析准则，但由于天然海床三维形态难以简单理想化，这些准则在工程实践中应用很少，而地形形态恰恰是控制局部应力、破坏扩展范围及滑体运动的关键因素。近十年提出的数值方法中，大变形有限元与物质点法已显示潜力，但三维边坡空间离散与时间域计算代价巨大；更高效的途径是将SBP理论与深度平均方法（DAM）结合。此前二维与三维DAM仅用于简单几何边坡，Zhang等最近将三维地形曲率与三分量地震加速度纳入DAM以探讨地震触发SBP，并用瑞士Lake Lucerne的St. Niklausen滑坡进行验证，但该滑坡规模小（水深约20 m、影响面积约0.8 km²、滑层厚4.3 m、最大滑动距离仅400 m），该DAM能否解释深水天然大型滑坡（滑动距离1至100 km）仍不清楚。深水滑坡广泛发育于大陆边缘与峡谷系统，二者滑动行为不同：大陆边缘破坏的滑面常深埋于厚层沉积物之下，如挪威Storegga滑坡滑面位于现海床以下700 m以上；海底峡谷破坏则可能几乎同时在陡峭峡谷头部与侧壁多处启动，并受峡谷地形约束，分支谷底、陡壁与汇聚路径共同塑造源区与沟道化滑动。本文采用Zhang等的DAM研究大陆边缘与峡谷中地震触发的大型滑坡，第一个案例为西南伊比利亚边缘Ashton海山滑坡，软弱层上覆厚层沉积物，剪切带在软弱层内扩展直至上覆沉积物发生板状破坏，并量化软弱层强度比与土体灵敏度的影响；第二个案例为南海北部大型峡谷系统，地震期间陡峭峡谷侧壁的完全软化区扩展，导致沿峡谷谷底的下坡流动，初始破坏改变局部几何与对上坡的支撑，使震后发生更多破坏。研究以Ashton海山案例作为校准反演、南海案例作为情景预测，说明DAM在复杂海底地形大型地震触发滑坡中的可靠性。

在技术方法方面，研究人员采用三维深度平均方法，将三维守恒方程沿垂向从软弱层表面至海床积分并投影至底面法向，保留重力、地震惯性力与地形曲率的一阶贡献。两层土体均采用线性应变软化：滑动层强度随累积von Mises塑性应变衰减，并采用Herschel–Bulkley关系描述率相关性；软弱层假定为简单剪切，抗力随累积塑性剪切位移衰减。分析采用不排水条件下总应力，超孔压通过受土体灵敏度与塑性位移控制的应变软化间接体现，环境水的影响通过浮力与表面摩阻系数考虑。案例输入方面，Ashton海山现状地形与恢复的破坏前表面来自Gamboa等数据库，缺乏场地实测土工数据，密度与不排水强度随深度增长系数取自西南伊比利亚边缘钻孔数据，中新世—上新世/上新世—第四纪界面作为软弱层，地震输入采用亚速尔群岛最近台站1998年地震记录（Event ID PT-1998-0020），作为条件性反演；南海峡谷案例土体强度来自研究区3个孔位的锥形贯入试验（cone penetration test，CPT），分别位于陆坡上部近陆架坡折、陆坡中部与坡脚峡谷底，地震输入采用1999年Chi-Chi地震TCU052台站记录（Mw 7.3），并按场地地震危险性评估将水平峰值加速度统一缩放至1000年重现期154 Gal。计算在MATLAB R2023b中实现，单块GPU完成Ashton海山全过程模拟约需38 min。

研究结果显示，在深部Ashton海山滑坡部分，预测影响面积随软弱层强度比α增大而减小：α=0.8时超出填图的下坡边界，α=0.9与0.95时偏小，α=0.85与填图的侧向及下坡边界接近，故采用0.85。剪切带扩展与滑动特征方面，完全软化区在4.3 s水平加速度峰值时出现，随后快速扩展，t=33 s时长度达12.8 km，震末增长极慢但在100 s后重新激活，最终长度14.5 km；滑动层最大速度震时增至约5 m/s，约90 s时峰值达13.5 m/s，约205 s归零，t=250 s滑体静止，预测破坏后形态与剖面A–A′观测海床一致（该对比未用于校准）。软弱层在厚层上覆物质运动前很早就破坏，上覆滑层在扩展阶段基本完整，约t=70 s才发生板状破坏，表明深部厚滑层滑坡中底面剪切软化是上覆板状脱离的前提。土体灵敏度影响方面，前80 s完全软化面积增长相似（约100–155 km²），初始软化主要取决于重力与地震剪应力之和是否超过峰值强度，对灵敏度依赖很小；St=2时扩展约90 s停止、软化面积稳定于约115 km²，St=3、4、5则继续扩展且最终面积显著增大。速度历史类似，峰值速度与运动持续时间随灵敏度增大，St=2约240 s停止，St=5超过500 s。滑距与沉积上，随灵敏度增大沉积体延伸更远、侧向展布更宽且更薄，St=2时距后壁约12 km，St=5时下坡延伸约24 km、宽约26 km，源区最大侵蚀深度由约300 m增至约600 m；St由2增至5时峰值速度增大四倍以上，最终影响面积约增大六倍。分层敏感性分析表明，St_w=5、St_s=2时影响面积583 km²，接近两者均为5时的697 km²；St_w=2、St_s=5时为130 km²，接近两者均为2时的118 km²，说明最终形态主要受软弱层灵敏度控制，初始屈服受峰值强度、坡面几何与地震荷载控制，后续扩展与运动性主要由软弱层灵敏度控制。在海底峡谷系统部分，破坏过程分为两阶段：第一阶段为地震期间及震后由惯性、重力驱动的破坏与运动，直至270 s；第二阶段始于270 s，即地震结束后180 s。三分量加速度约34 s达峰，36 s时峡谷侧壁坡角超过30°的数处最先完全软化，说明破坏在重力剪应力高的局部而非整个峡谷同时启动；36至42 s软化区扩展为侧壁五个分离区域，43 s起大范围变形与快速运动开始，下坡物质被移除削弱上坡支撑并促进后退式破坏；地震约90 s结束，滑体沿数条冲沟继续运动并在冲沟汇聚处局部合并，160 s时峰值速度37.2 m/s，270 s时因能量耗散与坡度变缓降至14.17 m/s，源区至沉积区距离约6.4 km。第二阶段中，270 s时除东部冲沟外运动几乎停止，至380 s中上坡形成三个速度30–40 m/s的新滑体，右上部又有一软化区向上坡扩展，381 s记录到40.8 m/s的新峰值速度；该阶段非地震加速度驱动，而是第一阶段沉积物位移改变坡面几何、移除上坡支撑并形成新临空面，应力重分布使上坡沉积物达临界状态，从而使重力下剪切带扩展与后退式破坏在震后恢复；至1200 s源区至沉积区总距离8.5 km，受影响海床面积扩展至23.4 km²，沉积物堆积于下游峡谷底。地震强度影响方面，同一记录缩放至200年（75 Gal）与475年（117 Gal）重现期水平后，前者未观察到滑坡；后者仅在东部冲沟触发单一破坏，完全软化面积4.8 km²、峰值速度28.9 m/s，380 s停止且未触发进一步破坏，表明多破坏源、沿冲沟合并及震后后退式破坏对应1000年重现期地震，震后再破坏受第一阶段被移除沉积物体积控制。

讨论部分指出，以往地震触发海底滑坡评估多将边坡启动与破坏后运动分开处理：极限平衡、Newmark与上限分析可圈定湖岸、大陆边缘与峡谷侧壁的地震致边坡破坏，但无法描述破坏扩展与滑体运移；解析SBP准则仅适用于理想化几何；大变形有限元与物质点法可模拟全过程，但三维应用多限于单个边坡。本研究将DAM应用于最大46×60 km的天然地形与三分量地震荷载，在一个模型中模拟启动、剪切带扩展、板状破坏、滑动及震后后退式破坏，单GPU上38 min完成Ashton海山模拟，使大陆边缘尺度的参数研究具有可行性。分析存在三方面局限：地震加速度在各计算域内均匀施加，未考虑地震波传播及局部软沉积物与地形引起的地震动放大，陡壁与坡顶局部放大会导致更早更广泛的软化，衰减则相反；DAM捕捉滑体动力学，但无法考虑滑体下伏水膜效应（hydroplaning）与滑体转化为浊流，这些过程可能降低底阻并使细粒沉积物输运更远，故滑动距离与沉积扩展可能被低估，尤其薄层远端沉积；Ashton海山缺少土体灵敏度与软弱层强度实测，南海峡谷灵敏度取自邻近场地。预测影响范围体现了特定输入下沉积物破坏与运动的扩展，即滑坡危险性；大型海底滑坡还可能引发海啸，但本DAM不计算水面位移、波浪传播与海岸淹没。

结论部分翻译如下：采用深度平均方法（DAM）研究深水地震触发滑坡，考察两类典型情景：Ashton海山软弱层深埋的滑坡与南海北部分支峡谷系统的边坡破坏。主要结论总结如下：（1）对于软弱层深埋或大规模块体运动的海底滑坡，DAM能很好地捕捉其演化；在Ashton海山，以填图范围校准软弱层强度比后，预测的后壁与滑动距离与填图滑坡一致，支持DAM用于深水大型滑坡。（2）对于Ashton海山软弱层推测埋深550–700 m的深层滑坡，上覆块体灾难性破坏之前需要广泛的底面软化；土体灵敏度对初始软化过程影响不显著，但对滑动影响很大，土体灵敏度大意味着滑动更快、影响面积更大。（3）在Mw 7.3地震情景下，南海海底峡谷滑坡主要启动于坡角大于30°的陡峭峡谷侧壁，各峡谷通道滑体峰值速度达40.8 m/s、影响面积23.4 km²；地震期间下坡沉积物被移除削弱了上坡侧向支撑，随后触发后退式破坏与进一步滑动。地质灾害评估需考虑多破坏源与震后扩展，否则潜在危险区面积可能被低估。