根據有關部門的統計，載至2023年12月31日，發生在2023年12月18日23:59分的芮氏6.2級積石山地震已造成甘肅省積石山縣20余萬間房屋受損或倒塌，117人遇難， 781人受傷，這些傷亡人員主要是因為墻倒屋塌造成的。而距震央約20千米的青海省民和縣草灘村與金田村有34位元村民遇難，他們主要是地震導致的淤泥覆蓋或掩埋造成的。根據應急部大數據中心的無人機遙感影像，在草灘村與金田村之間65棟房屋被大約3公尺厚、面積12000平米以上的淤泥覆蓋。有專家解釋說這些淤泥是「砂湧」造成的，有專家則認為這不是砂湧的產物，是「地震-泥流」或「地震土石流」。今天簡單講解一下「砂湧」和「地震-泥流」。
圖1 12月20日金田村拍攝的砂湧處置現場 （新華社記者 李占軼 攝）
圖2 向黃河河床方向流動的砂湧最前端
1.「砂湧」是什麽現象？它的成因是什麽？它和土石流是什麽關系？
地震發生時，地下松散的砂土（包括不同粒徑的礫石和更細的泥土）在強烈的地震波的振動作用下，顆粒之間的位置迅速發生調整，砂土顆粒中的孔隙水壓力急劇升高並快速擠出和聚集，導致固態的砂土變成液態的砂泥混合物，這個過程稱為「液化」或「流體化」。
液化後的砂泥混合物或泥水混合物通常向壓力低的方面運動，大多數情況下會沿一定通道湧出地表，出現噴砂冒水的現象，稱為砂湧。有時，湧出地表的泥砂會形成火山錐一樣的形態，稱為砂火山。
圖3 2023年2月土耳其地震後，湧出的液化砂在地表形成了完好「砂火山」 （照片來源：維基百科）
液化砂土並不總是噴出地表，如果地下有合適的通道或洞穴，也會向這些地方湧動。
大量湧出地表的泥砂匯集到一起，可以形成類似土石流一樣的泥流或砂流，在流動過程中會對沿途的地貌景觀和人類建築造成破壞或掩埋，嚴重者會引起大量人畜傷亡。與一般意義上的土石流最大的區別是水的來源：形成土石流的水是來自暴雨、冰川融水、堤壩跨塌等地表水，而砂湧的水來自地下砂土層中固有的孔隙水。
地震波的振動是砂土液化的主要成因，但並不是砂土液化的唯一成因，機械振動、爆破等因素也可觸發砂土液化，但與地震觸發的砂土液化相比，程度和範圍都要小很多。
2.本次地震發生地的含水淤泥是「砂湧」造成的嗎？有專家認為這次震後出現「淤泥」包裹村莊的現象不是「砂湧」，而是「地震-泥流」，那麽「地震-泥流」現象的成因是什麽？
本次地震發生地的含水淤泥並非直接來源於金田村和草灘村的被淹沒區，而是來自兩村北側3000至4000公尺左右的高台（參見示意圖），稱為這次災害的源頭。這裏的沈積物有黃河故道或古洪水期堆積的泥砂，也有風成的黃土，但主要來源於周圍山體風化後被地表流水攜來的泥砂礫石，是經過幾十萬年的時間堆積起來的，從盆地外圍向盆地中心明顯變低的緩坡狀地貌。盆地外圍北側的山體主要由漸新統（距今約3300萬年至2300萬年以前）的紫紅色礫巖、粗砂巖和砂巖構成。
圖4 官亭盆地衛星照片，註意右上角的指北針方向
許多人對大量的泥水來源感到疑惑，西北地方不是非常幹旱麽，地震發生前後，這個地方並沒有大量降雨，淤泥中的水來自哪裏？為什麽別的地方沒有發生類似的災害？
圖5 官亭盆地東北側衛星照片分析，砂湧的範圍以及其在盆地中的分布位置、與黃河的關系。
圖5中的砂湧的源頭海拔在1850公尺左右，金田村與草灘村之間主要為天然形成的溝谷，與村間公路相交處的海拔高約為1775公尺，二者間的勢差為75公尺。源頭處的液化的泥砂在震後10分鐘內便洶湧而至，流動速度快、沖擊力大，會迅速破壞和掩埋沿途建築和村民。藍色箭頭代表地表水和地下水的流向。
原來，源頭區域松散的砂土和砂礫層內部有大量孔隙，周圍山體和盆地表面的降雨長期聚集在下面的砂土層中，加之2016年以來新修建的水渠在灌溉時下滲的地表水（可以從衛星照片及源頭上方散落的水渠等判斷）。
圖6 地震液化後的砂土發生坍塌，迅速向下方匯集。液化現場可以散落的水利設施 （來源：蘭州大學孟興民）。
地震發生時，地下飽含水的砂土層瞬間液化，並造成上部的松散沈積物塌陷，與液化的泥砂混合，順著地勢向下方的村莊洶湧匯集。因此，稱這次發生在草灘村和金田村的災害為砂湧所致未嘗不可，它強調的是觸發機制。稱其為地震泥流主要考慮了液化後的大量物質匯集後的侵害過程與普通土石流有些相似。
從本質上，所謂的地震-泥流與砂湧的觸發機理是相同的，都是地震導致的砂土液化。如果想強調地震-泥流，需要特別明確以下幾點，其一是觸發機制：主要是地震波的振動；其二是水的來源：是地下砂土層中固有的孔隙水，而不是直接來自地表降雨；第三是發生的位置：土石流發生的區域比較容易判定，一般位於山洪溝或周邊的斜坡，而地震液化觸發的砂湧和地震泥流則復雜得多，這次地震提供了一個慘痛而鮮明的例項；第四，這與2018年日本北海道發生的土壤液化滑坡並不完全一樣，從照片上推斷，這次的液化源頭現場更接近於砂湧。
圖7 地震液化源頭處的土層崩塌現場，液化後冒出的水已結冰，右下側為被液化砂土截斷的水渠（攝影：汪傑）
圖8 沿天然溝谷向下流動的液化砂土，在谷底留下了泥水（攝影：汪傑）
3. 本次震後出現「淤泥」包裹村莊的現象，對我們認識地震及災後預防次生災害有哪些意義？
地震砂土液化是非常普遍的現象，由其造成的災害屬於地震次生災害。
大量的實驗和觀察發現，一般大於芮氏5級的地震都可以導致震央附近飽和砂土的液化，砂土液化的範圍也通常遠大於地震直接造成的地表破裂範圍｡僅以中國的地震為例。1668年山東郯城8.5級地震的最大液化範圍達800km,1920年寧夏海原8.5級大地震的液化範圍超過600km。1966年發生的河北邢台地震(6.8級)､1975年的遼寧海城地震(7.3級)､1976年的河北唐山地震(7.8級)､1999年的台灣省集集地震(7.6級)以及2008年的四川汶川地震(8.0級)都伴隨有嚴重的砂土液化現象。
圖9 唐山地震砂土液化範圍，來源：唐山地震博物館
與這次發生在金田村和草灘村的由地震後液化砂土包裹村莊的災害類似的現象在世界範圍內是有先例的，特別是2018年9月28日發生在印度尼西亞蘇拉威西島的7.5級地震，造成至少4340人死亡，上萬人受傷。其中絕大多數死亡是因為地震砂土液化導致的滑坡和土石流。大面積的土壤液化還毀壞了9718公頃的農作物。
圖10 2018年10月2日衛星照片，記錄了9.28地震砂土液化導致的滑坡，大量房屋堆疊在一起，造成數千生命損失。
圖11 汶川地震產生的砂土液化現象，形成多種形態（拍攝者：李海兵）
圖12 汶川地震導致岷江沿岸砂土液化，並順勢流向岷江河床（李海兵 攝）
圖13 2011年紐西蘭基督城地震液化導致的泥水泛濫場景（來源網路）
2023年12月21日14時，在草灘村 2 號點的一處民宅，消防戰士發現一個令人震驚的場景，3個成人圍成一個圈保護2個小孩。這種人間大愛的場面不由得我們想起相距這次災害現場不足十千米遠的喇家遺址，那裏有幾乎同樣的母親守護孩子、返身救助親人的場面。所以，喇家遺址挖掘出的先民們完全有可能就是遭遇了類似的過程。它對於認識和預防地震次生災害以及災後重建具有重要的參考意義。
圖14 災難到來時，偉大的母親——喇家遺址博物館（照片來自網路）
圖15 災難到來時，偉大的母親——喇家遺址博物館（照片來自網路）
不要想當然地認為一些坡地特別是幹旱或半幹旱區的坡地不具備砂土液化的條件。 地表幹旱，並不意味著地下砂土層一定幹的。在地表進行大量開墾且地勢起伏較大的區域，人工造田和灌溉可以加速或加重地層的含水性，增加水土流失和砂土液化的風險。在災區重建時，要盡量對周邊的地質地貌條件、土壤、植被情況等做詳細的勘查工作，盡量在選址時避開未來可能再發生類似災害的區域。
圖16 2023年10月，回龍觀小學一位小同學居然把地震砂土液化造成的「砂湧」過程用圖示正確地表示了出來
蘇德辰 中國地質科學院地質研究所 創作於2024年1月1日
