超剪切破裂地震对跨断层管道的破坏与启示

刘爱文 张立宝 王铭锋

前言

天然地震是由于地壳活动引起地面震动的一种自然现象。然而这只是一种笼统的说法，地震学家们更关心的是地表深处震源区的岩层到底是如何破裂的？这种破裂与我们看到的地表破裂、与我们能感受到的地面震动有什么关系？通过对地震波的分析，科学家们发现，发生地震的断层（发震断层）的破裂速度是一个影响地表破裂和地面震动强度的关键的因素。

超剪切破裂最早源于上世纪70年代断裂力学的研究结果。虽然地震学研究很早就揭示了天然地震的断层破裂传播速度不尽相同，但之前的震源理论认为发震断层的破裂传播速度是不可能超过剪切波波速的。

近年来，宽频带地震学和地震波反演技术的发展进步，为我们揭开了震源区岩石破裂的更多细节。目前国内外地震学界在理论、实验以及实际地震观测中都证实了超剪切破裂的存在。超剪切破裂地震也随之成为地震学研究领域的热点问题之一。在相同震级的情况下，超剪切破裂地震比亚剪切破裂地震具有更强的破坏性。超剪切破裂地震往往伴随着马赫锥效应，产生地表破裂，出现断层位错与超强地震动叠加作用的现象，对跨越此类断层的管道工程有极高的毁坏风险。

超剪切破裂地震

超剪切破裂地震是指发震断层在破裂过程中，其破裂传播速度（Vr）超过了震源区的岩石剪切波波速（Vs）的地震。因此按照断层的破裂速度，天然地震可以分为超剪切破裂地震和亚剪切破裂地震。一般来讲，大多数地震为亚剪切破裂地震，即发震断层的破裂速度一般小于震源区岩石介质的剪切波速，大约为0.7Vs～0.9Vs。

随着地震波反演技术的进步以及地震观测台网的加密，地震学家可以通过地震波记录反演获得详细的断层面各点的破裂速度，发现很多地震存在超剪切破裂现象。包括1979年美国Imperial Valley地震、1999年土耳其Izmit地震、Duzce地震，2001年昆仑山地震，2002年美国阿拉斯加Denali地震，2010年青海玉树地震，2013年美国阿拉斯加Craig地震、2018年印度尼西亚帕卢（Palu）地震以及2021年刚刚发生的青海玛多地震。当然，还有其他地震可能存在超剪切破裂，只是没有被观测证实。

以2018年印度尼西亚帕卢（Palu）地震为例（图1），地震学家通过分析地震观测资料发现，Palu-Koro断层的平均破裂速度达到4.1km/s，而该地区岩石介质的平均剪切波波速约为3.6km/s，即Vr＞Vs。因此确认此次地震为超剪切破裂地震。

图1 印度尼西亚帕卢地震发震断层超剪切破裂示意图

如上表1所示，这些超剪切破裂地震大多是走滑型地震。

表1 近些年被证实存在超剪切破裂的国内外主要地震事件及相关震害

马赫锥效应

由于断层破裂速度超过了震源区岩石剪切波速，产生了马赫锥效应（March Cone）。超剪切破裂导致能量在马赫波前的位置产生堆积，类似于飞机产生的音爆。飞机在飞行时不断发出的声波，以同心圆的方式传播；飞机的速度越快这些同心圆声波就越接近，但是只要速度不超过340m/s，这些同心圆声波就不会相互碰撞或者重叠（图2a），因为前一个波能在后一个波到达时扩散开。但是当飞机速度超过声速时，飞机前进的速度比声波扩散得更快，声波逐渐在飞机的前面压缩积累犹如一道墙（图2b），当突破这道墙时，高度集中的声波能量传到人耳朵里时就会让人感觉到短暂而强烈的爆炸声，因此产生了音爆。同理，如果飞行速度继续增大至超音速飞行，飞机的周围也会形成马赫锥现象（图2c）。

图2 飞机超音速飞行产生音爆和马赫锥的示意图

图3为二维走滑断层超剪切破裂模型，红（蓝）色马赫锥波（Mach Front）沿着断层走向推进，会产生一个强大的能量脉冲。

图3 走滑断层超剪切破裂引起的马赫锥效应

超剪切地震破坏性更大

与亚剪切破裂相比，超剪切破裂引起的强地震动振幅大、传播速度快（大于S波速度，接近P波速度），且沿断层方向衰减慢，意味着超剪切地震破坏性大。

实际震害经验也表明在相同震级的情况下，超剪切地震比亚剪切地震具有更强的破坏力。以2010年青海玉树Ms7.1地震为例，玉树县城—结古镇正好位于超剪切破裂的马赫锥波前，县城大量房屋和城市基础设施被毁（图4），造成2698人死亡。2018年的印度尼西亚帕卢地震造成大量工程震害以及2200多人死亡，是当年全球遇难人数最多的自然灾害事件。

图4 遭受超剪切破裂地震袭击的结古镇（拍摄于2010年5月9日）

管道遭遇超剪切破裂地震

案例一：2001年11月青海与西藏交界发生昆仑山Ms8.1级地震。这次地震发震断层为昆仑断裂，是一条长达1000多千米的大型走滑断层。地震造成的地表破裂达到400km。地震学家根据地震观测资料发现发震断层破裂速度最高达到5km/s（当地Vs=3.5km/s），属于超剪切破裂地震。

根据野外地质实地调查，受断层破裂的挤压冲击（马赫锥）效应影响，地震造成地表断层破裂迹线上多处地震挤压鼓包（图5），鼓包长5～30m，宽1～15m，高0.2～2m。如图6所示青海格尔木至西藏的输油管道（格拉管道）在与断层交会处，断层位错造成0.159m口径的严重管体断裂式破坏，管道输油功能丧失。幸运的是，地震发生时为冬季管道停输期间，否则还可能造成严重的次生灾害。

图5 昆仑山地震沿着地表断层破裂迹线出现的挤压鼓包

图6 格拉管道与昆仑山地震地表破裂带交会示意图

案例二：1999年8月17日，土耳其西北部Izmit市西南11km处发生Mw7.4的强烈地震。North Anatolian断裂带是此次地震的发震断层，以右旋走滑为主。根据震后调查，此次地震地表破裂带的最大宽度为51m，最大错距为3.8m，走滑段上的最大垂直错距为0.6m，破裂长度近200km。断层附近的台站SKR记录到异常的S波—P波到时差，学者们用超剪切破裂解释了这一现象。

从储水坝到自来水厂有一条口径为2.2m的输水钢管穿越North Anatolian断裂带。通过测量管道与断裂交会点附近，地震造成篱笆的相对位移，推断断层位错量在管道与断层交会处为3m左右，管线与断层的交角约为钝角125°。引起学者们关注的是，Izmit地震造成了这条大口径供水钢管的3处屈曲破坏。如图7所示，最严重的屈曲破坏发生在断层交汇A处，其他两处B和C在断层的另外一侧。这种现象是目前管道抗震设计采用的拟静力方法（包括理论解和数值模拟）不能解释的。按照拟静力方法结果，埋地管道在断层位错作用下最大应变值应该出现在断层面附近一定距离处而非断层面上。

图7 土耳其Izmit地震造成2.2m口径的供水管道屈曲破坏示意图

案例三：2002年11月3日在美国阿拉斯加Denali断层发生Mw7.9地震，建于上世纪70年代的阿拉斯加输油管道穿越此条断层。经过科学严谨的地震安全性评价，该条管道采用地表滑轨的敷设方式，设防的断层位移量为：水平6.1m；垂直1.5m。根据震后GPS测地学的结果，在管道与断层的交汇处断层水平走滑位移5.5～6m，垂直位移1.5m。即震后的实际断层位错量在阿拉斯加输油管道的设防断层位移量内，如图8和图9所示，地震后管道在地面铺设的滑轨上整体滑移，管道本体没有发生破坏变形，但是多处滑轨支架发生了破坏。

图8 阿拉斯加管道在Denali地震前（左）与地震后（右）对比图（管道穿越处的断层位移5.5～6.0m）

图9 阿拉斯加管道穿越Denali断裂及其支架破坏

超剪切破裂地震对跨断层管道的影响

通常情况下断层错动的位移是管道抗震设计考虑的主要因素。但以上的这些震害实例引出了断层破裂速度对管道的安全是否也有影响这个问题。

以阿拉斯加管道为例，探讨断层破裂速度为零和无穷大两种极端情况。假定Denali断层破裂速度很小，接近于零值，即相当于慢地震或者断层慢滑移的情况， 断层的最大位移量设定达到6m。根据震源破裂的数值模拟结果，除了断层位错作用，断层周围的地震动加速度峰值、速度峰值几乎为零。在这种情况下，阿拉斯加管道通过地面敷设的滑轨抗震措施，可以抵御该断层位错量，管道因此可以保持基本完好，而且管道的支架没有振动冲击能量的破坏作用，也不会被破坏。如果考虑另一种极端情况，断层破裂速度和断层位错都极快，即使在断层位错量很小（如0.6m）的情况下，阿拉斯加管道与滑轨支架也会出现破坏。

地震学家通过对台站获得的记录进行震源动力学模拟，结果表明Denali断层从初始破裂点传播40km左右后，破裂速度即达到了5.6km/s，超过当地地壳岩石3.5km/s的剪切波波速（Dunham et al., 2004）。在此次地震中，距Denali断层3km处的位于阿拉斯加输油管道上、编号为PS10的台站获得了此次地震的三分量加速度记录。将该台站加速度记录转换成速度时程后（图10），可以看出在断层平行方向（FP）存在一个明显的单侧速度大脉冲，峰值速度超过1.5m/s，远远大于断层垂直方向（FN）的峰值速度。断层平行方向的振动强度大于断层垂直方向的强度，这正是超剪切破裂地震马赫锥效应的特点。而对于一般地震，由破裂方向性效应引起的速度脉冲是断层垂直方向大于断层平行方向。

模拟结果还显示，此次地震在断层垂直方向有两次速度峰值（图10b），右边的速度峰值是超剪切破裂（马赫锥效应）引起的，后面接着的（左边）第二个速度脉冲是走滑型断层破裂方向性效应引起的，与是否为超剪切破裂无关。由此可见，随着断层破裂传播速度的提高，其对近断层强震动的影响显著。但是其影响规律如何，则需要更多的观测资料验证和更深入的研究。

图10 阿拉斯加管道PS10台站的速度时程以及震源动力学模拟结果

超剪切破裂地震对我国输油气管网安全的启示

总结和反思这些超剪切破裂地震造成的管道震害经验教训，其破坏的原因是否只是超过设防的断层位错量？除了断层的位错量，是否还有其他因素造成管道破坏？另外根据地震现场的调查，亚剪切破裂地震中，管道—断层交会点和管道的破坏点之间是有一定距离的，而超剪切破裂地震造成的破坏点都是发生在管道与断层交会处。那么相对于亚剪切破裂地震，超剪切破裂地震在发震断层及其周围引起的地面变形和强震动场有什么不同？用什么来表征超剪切破裂的地震作用？这些都是针对超剪切破裂地震新的、亟须解决的科学问题。

我国正在建设新的格拉输油气管道，而我国是世界上地震断层活动强烈的国家之一。根据国内外地震地质学研究，除了上文提到的昆仑断裂，在我国大陆地区具备发生超剪切破裂地震条件的断裂还有红河断裂、小江断裂、阿尔金断裂等著名的活动断裂（图11）。这些断裂均为大规模的活动断裂，绵延上千公里，加之工程选线会受到山脉、河谷走向等制约，使得长距离的输油气管道工程无法避让这些断裂，存在未来遭受超剪切破裂地震破坏的高风险。

在我国现行抗震规范中，跨断层的管道抗断设防位移是指震后的断层静态永久位移，输油气管道遭受断层位错作用被简化成一个静力问题进行抗震验算。另外管道的抗震动验算与抗断验算是分开进行的，即地震动和断层位错引起的管道应变各自计算，然后分别与管道的允许应变进行比较。对于大多数地震，先是强震动（剪切波）到达，等破裂传播到达后才开始发生断层两盘相对位错，将强震动与断层位错对管道的影响分开进行验算是合理可行的。但超剪切破裂地震是断层破裂先到，断层位错与马赫锥效应引起的超强震动同时叠加作用在管道上，从这个角度看，现行的国标抗震验算方法存在不安全的隐患，现行抗震验算方法对于超剪切破裂地震的使用范围也值得深入思考。