2025年1月7日定日M_S6.8级地震砂土液化特征及成因机制

Characteristics and Mechanisms of Sand Liquefaction in January 7, 2025 Dingri M_S6.8 Earthquake

摘要

砂土液化是震后灾害的主要形式之一，因此震后进行详细的砂土液化分布规律和发育特征的地表调查，具有重要意义.为了揭示定日地震产生的砂土液化特征，在震后针对定日地区进行了详细的遥感解译、野外调查，获得以下结果：（1）2025年1月7日定日M_S6.8级地震中，南部朋曲河谷、中部丁木措湖边、到北部空摸措东南侧均发育有砂土液化.这可能指示了本次地震形成了一个砂土液化层.在本次地震中朋曲河两岸和丁木措东岸砂土液化导致的地面破坏以横向扩展为主；而在朋曲河床、丁木措东岸冲积扇边缘、空摸措东南侧地面破坏以液化沙丘为主.（2）基于野外观察和构造应力场分析，认为本次地震中的砂土液化变形存在一个动态的发育过程.在构造应力和重力作用下，形成南北向张裂缝，由于振动使砂土液化，部分液化体随南北向张裂缝喷出.由于坡度较为平缓，产生了横向扩展.表层块体发生碰撞和挤压，在部分位置由于强烈的挤压碰撞，产生了东西向的张裂缝，液化体随之涌出，发育近东西向线状液化沙丘.

Abstract

Sand liquefaction is one of the main forms of post-earthquake disasters, so it is of great significance to conduct a detailed surface survey of the distribution patterns and development characteristics of sand liquefaction after an earthquake. To reveal the characteristics of sand liquefaction caused by the Dingri earthquake, detailed remote sensing interpretation and field investigation were carried out in the Dingri area after the earthquake, and the following results were obtained: (1) During the M_S6.8 Dingri earthquake on January 7, 2025, sand liquefaction was observed in the southern Pengqu Valley, along the shores of Dingmu Co in the central area, and on the southeast side of Kongmucuo in the northern region, which suggests the formation of a widely distributed liquefied sand layer in the strata during this earthquake. In this event, ground failures caused by sand liquefaction along both banks of the Pengqu River and on the east shore of Dingmu Co were mainly characterized by lateral spreading. In contrast, ground failures in the riverbed of Pengqu, the edge of the alluvial fan on the east shore of Dingmu Co, and the southeast side of Kongmucuo were dominated by liquefaction-induced sand dunes. (2) Field observations and analysis of the tectonic stress field suggest that the sand liquefaction deformation in this earthquake underwent a dynamic developmental process. Under the influence of tectonic stress and gravity, north-south oriented tensional fractures formed. The sand liquefied due to the librations, and some liquefied material was ejected along these north-south fractures, resulting in lateral spreading due to the gentle slope. Blocks on the surface collided and compressed with each other. In some locations, intense compression and collision led to the formation of east-west oriented tensional fractures, through which liquefied material surged out, forming nearly east-west oriented linear liquefaction sand dunes.

Graphical abstract

关键词

丁木措断裂 / 定日M_S6.8级地震 / 砂土液化 / 液化沙丘 / 地震 / 灾害.

Key words

Dingmu Co fault / M_S6.8 Dingri earthquake / sand liquefaction / liquefaction sand dunes / earthquakes / hazards

0 引言

2025年1月7日西藏定日发生6.8级地震，震中位于28.50°N，87.45°E，震源深度13 km.本次地震受灾区包括震中定日县和周边5县，共45个乡镇，伤亡人数达400人以上.地震造成了大量房屋倒塌和供水供电设施破坏（铁永波等，2025），同时伴随的砂土液化等同震灾害对灾区公路等基础设施破坏严重.

砂土液化是强烈地震过程中出现的典型现象.一般认为，饱和砂土或粉土在强烈地震引起的振动作用下，由于孔隙水压力的急剧上升，土体有效应力降低，抗剪强度丧失，从而表现出类似液体行为的现象（Seed， 1968； Iwasaki， 1986； Molina⁃Gómez et al.， 2024）.前人对于强震引发砂土液化已有很深入的研究，如1964年M_S 7.5新潟地震（Iwasaki， 1986）、1964年M_W9.2 Alaska地震（Seed， 1968）、1976年M_W7.8唐山地震（尹荣一等，2005）、2008年M_S8.0级汶川地震（Liu⁃Zeng et al.， 2017）和2023年积石山地震（徐岳仁等，2024），并归纳了砂土液化出现的三大基本条件：（1）地面振动，能引起砂土液化的振动主要来自5.0级以上的浅源地震；（2）粉细砂层，易发生液化的砂土一般粒径为0.02~ 1 mm的砂，地层比较年轻，多属于全新世形成的松散粉砂、细砂；（3）砂层埋深浅且地下水位浅（Housner， 1958； Ambraseys and Sarma， 1969； Iwasaki，1986； Dobry， 1989； Ishihara， 1993；钟建华等，2023）.砂土液化是2025年定日地震震后灾害的主要形式之一，造成了巨大的经济损失，因此震后进行详细的砂土液化分布规律和发育特征的地表调查，具有一定的科学意义.同时，对该次地震砂土液化特征的研究也将为震后的安置规划和震前预防提供基础支撑.

因此，本文选取了2025年1月7日西藏定日M_S6.8级地震砂土液化为研究对象，通过详细的野外地表调查，报道了该次地震中103个砂土液化点及其对工程的影响，并总结了本次地震中砂土液化分布的规律及其成因机制.

1 地震地质背景

青藏高原产生于印度‒欧亚板块之间强烈的碰撞作用，前人研究表明：现今高原通过南北向缩短和向东挤出来调节碰撞汇聚产生的变形，其中喜马拉雅造山带吸收了近一半变形量.前人研究表明：以东昆仑断裂为界，东昆仑断裂以北，主要以南北向地壳缩短和向东挤出来调节变形，发育了一系列北西‒北西西走向的逆冲断裂和走滑断裂（图1a），如海原断裂等（吴中海等，2015；高扬，2024）.而东昆仑断裂以南主要以近东西向伸展来调节变形，发育了一系列近南北向裂谷、北东向左旋走滑断裂和北西向右旋走滑断裂（吴中海等，2015；田婷婷和吴中海，2023；Gao et al.， 2024）.前人将一系列近南北裂谷统称为藏南裂谷系，并厘定了八条近南北向裂谷（图1b），自东向西依次为：措那‒沃卡裂谷，亚东‒谷露裂谷，定结‒申扎裂谷，岗噶‒当惹雍措裂谷，聂拉木‒措勤裂谷，仲巴‒达瓦措裂谷，江曲藏布‒改则裂谷以及普兰‒文布当桑裂谷.

由于印度板块持续向北东方向楔入，青藏高原及周边地区一直是我国强震最为频发的地区（吴中海等，2015；高扬，2024）.2015年4月25日尼泊尔发生M_S8.1地震，随后在2015年5月12日又发生M_S7.5地震（图2）.

尼泊尔北部的中国藏南地区距震中仅 40 km左右，并且8.1级地震当天和第二天触发了藏南裂谷系中聂拉木和定日县M_W5.4和M_b5.7地震（吴中海等，2015）.这种地震活动性上的密切时空联系表明，喜马拉雅主逆冲断裂带逆冲断裂作用与藏南裂谷系正断层作用之间存在密切的运动学与动力学联系（吴中海等，2015）.

本次定日M_S6.8地震位于定结‒申扎裂谷南段，该段全新世活动断裂主要有3条，自东向西分别为定结断裂、郭加断裂和丁木措断裂（Gao et al.， 2024）.本次地震发震断裂为丁木措断裂，该断裂为一条南北向正断层，活动性强烈，历史上曾发生过多次M_S5.0级以上地震（铁永波等，2025），本次震源位于西藏日喀则市定日县（28.50°N，87.45°E），震源深度10 km，震源机制解显示主要为正断性质兼有少许走滑分量.因为丁木措断裂整体为南北向，但仍有一些段落为北东走向.在藏南裂谷系，由于受到印度板块持续向北推进的影响，裂谷系统整体的构造应力场为东西向伸展.在东西向伸展构造应力场下，南北走向的断层段落运动性质表现为正断，而北东走向的段落运动性质表现为正断兼有左旋分量.最高烈度为IX度（9度），等震线长轴呈近南北走向，长轴约191 km，短轴约152 km，共涉及西藏自治区1个市6个县45个乡镇（图2， 图4）.

震区地层发育比较完整，古生代‒中生代的地层均有出露，其中三叠系和侏罗系沉积岩分布最广.新生代地层以第四系松散堆积物为主，主要分布在朋曲河及其支流的相邻区域内（金文祥，2019；铁永波等，2025），主体为更新世和全新世湖积相、冲积相及少量洪积相的松散沉积物（图4）.震中区域下伏地层主要为三叠系和侏罗系灰岩、页岩、砂岩，震中北部和南部下伏地层均为前寒武系变质岩（铁永波等，2025）.

2 研究方法

本文在震后进行了详细的野外地质调查，同时结合1.05 m/像素的震后天地图卫星影像（数据来自91卫图：https：//www.91weitu.com/）.采用目视解译与地表调查相结合的方法揭示本次地震中砂土液化的发育特征，并通过无人机测量，获得了震后高清DEM.根据发育部位，液化点可以分为两类，一类仅喷水现象；一类是喷出地表的液化沙丘.喷水现象主要发育在老断坎上，而液化沙丘主要发育在挤压垄附近.

3 定日地震地表变形特征

本次地震地表破裂展布较长，从南部措果乡延伸至北部羊姆丁措姆，地表破裂约36.5 km，地表变形带宽度在几十米到几千米之间.在北部，长所拉昂水库以北地表变形较为强烈且集中，垂直位错量可达3 m.在南部朋曲河沿岸和丁木措东岸变形较为分散，朋曲河北岸发育的弥散变形带，宽达4 km.由于南部变形主要发育在较松散的沉积物中，产生了较为经典的横向扩展现象（lateral spreading，如Youd，2003）.具体表现为地表变形带可以划分为两部分，分别为靠近冲积扇中部的伸展变形带（图3a， 3d）、发育在冲积扇边缘的挤压变形区（图3c， 3d），整体呈前缘挤压，后缘伸展的变形模式.其中伸展变形带主要由一系列近南北向的张裂缝和断层陡坎组成，部分位置发育有液化沙丘；挤压变形区主要由一系列冻土挤压堆叠形成的挤压垄、液化沙丘、垂直于挤压垄的近东西向张裂缝组成（图3d）.本文关注本次地震中发育的砂土液化现象，重点针对地震中产生的液化沙丘进行了详细的野外调查（图4）.

4 定日地震砂土液化特征

通过详细的地表调查，获得了本次地震产生的103个砂土液化点（图4）.砂土液化点沿着断裂带线状展布，南部的朋曲河谷内、中部的丁木措东岸、到北部的空摸措东南侧均有分布.本文针对地表变形带中南部的液化沙丘进行了详细的野外调查.

据发育特征可将砂土液化点分为两类，一类为喷水点，一类为液化沙丘点.

喷水点主要发育在靠近丁木措东岸冲积扇顶部和北部尼辖措的东北岸，由于震区天气寒冷，喷水点往往形成多层叠加的冰层，指示本次地震中可能存在多期次的液化过程（图6e）.在丁木措东岸冲积扇顶部断层陡坎上可见发育一连串南北向线状展布的喷水点（图3b），指示喷水作用可能与南北向丁木措断裂的地震活动相关.液化沙丘是指由于地震或其他振动作用导致地下饱和砂土层发生液化，液化的砂土通过地表裂缝或薄弱点喷出，并在地表堆积形成类似沙丘的堆积体.液化沙丘在横向上主要发育于靠近冲积扇边缘挤压垄的位置（图3， 图4， 图6b， 6c， 6d），纵向上主要发育于朋曲河谷和丁木措东岸（图4），在丁木措断层的北段也有部分发育（图4）.本次地震产生的液化沙丘整体为灰黄色，大多为形态较为完整的圆状，局部可见扇状，半径在0.1~1.5 m，高度在0.1~ 0.3 m（图6a， 6b， 6c， 6d）.砂火山核部粒径稍粗，呈圆状或狭长状，边缘粒径较细，向四周撒开.

通过详细的野外调查，本文认为液化沙丘可分为两类.一类砂火山主要发育位置相对随机，并未表现出明显的线性特征，砂火山核部较为浑圆，形态较为完整.一类主要沿着挤压垄附近张裂缝喷出，在朋曲河谷、嘎定线东侧、丁木措东岸均可见一连串砂火山沿着张裂缝发育.砂火山的核部呈狭长状（图6a， 6b， 6c， 6d），一连串砂火山的核部相连，呈现明显线性特征（图6a， 6b， 6c， 6d）.通过对伴生有砂火山裂缝的走向统计，本文发现大部分张裂缝可以分为两组，一组为东西向，垂直于冲积扇缘挤压垄；一组为南北向，基本平行于扇缘挤压垄.这两组张裂缝上往往伴生有形态较完整的线状液化沙丘（图6a， 6b， 6c， 6d），规模较大，这可能指示液化沙丘的形成与这两组近垂直的张裂缝有密切关系.

5 对工程的影响

前人的研究表明：地震引发的砂土液化会导致多种形式的破坏（Iwasaki， 1986；李金宇等，2024）.最典型的破坏如喷砂冒水产生的堆积物掩埋道路，造成震区交通瘫痪；孔隙水压力上升导致的抗剪强度降低，会导致地基承载力极大的降低，会造成公路、建筑物的地基沉降、坝体的开裂等严重后果（刘传正等，2024）.

本次定日M_S6.8级地震中砂土液化作用产生了多种破坏.在丁木措东岸喷水冒砂产生的堆积体覆盖了长所线，造成了局部的交通瘫痪（图7a），砂土液化引起的抗剪强度降低还导致了部分位置路基沉降和措果湖东岸坝体开裂现象（图7b， 7d）；同时在嘎定线的西侧河谷内，东西向裂缝切割了公路，并伴随有程度较低的喷砂冒水作用（图7c）.本次地震中砂土液化虽未对房屋造成明显的破坏，但对这种特殊成因的地震灾害应该加强调查，以期为震后抗灾和同类型地区的震前防灾工作提供重要认识.

6 讨论

6.1　定日地震砂土液化的破坏类型

前人研究表明，峰值地面加速度、烈度、沉积物的类型、地下水位高度等因素都会对砂土液化过程产生重大影响（Youd， 1973，2003）.

本次地震震中位于朋曲河岸西南部，震区新生代地层以第四系松散堆积物为主，主要分布在朋曲河及其支流的相邻区域内（金文祥，2019；铁永波等，2025），其中，全新世又以湖积相、冲积相及少量洪积相的松散沉积物为主，结构多为粉土、粉砂、细砂、中砂等（铁永波等，2025）.同时，从水文地质的角度来看，丁木措是补给型湖泊，湖水主要依赖地表径流补给，入湖河流来自北部，湖水最终通过湖南端外泄入朋曲.因此推测其主要水力联系是通过地表径流实现的，地下水对丁木措的补给作用可能较弱，潜水面可能接近湖水面（图3）.

本次地震最大烈度可达Ⅸ级，地表峰值加速度（PGA）可达0.4 g.Ⅸ级区域包含丁木措和朋曲河谷.强烈的振动使朋曲河谷和丁木措边的全新世松散沉积物颗粒间的孔隙压力快速升高，当孔隙压力接近或超过颗粒之间的有效应力时，沉积物颗粒之间的摩擦力消失，沉积物抗剪强度降低，产生液化.

前人研究表明，砂土液化会产生三种类型的地面破坏：流动性滑坡、横向扩展（有限位移滑坡）、快速沉降（Seed， 1968； Youd， 1973，2003）.流动性滑坡往往发生在坡度较陡的地区，侧向位移较大，容易造成巨大的破坏.当驱动剪切力（如坡度）小于流动物质的粘性剪切阻力时，流动才会停止，如1971年美国圣费尔南地震（Youd， 1973，2003）、2023年积石山地震（徐岳仁等，2024）.横向扩展发生在坡度较为平缓的地区，地震和重力共同控制了位移.通常呈现后缘伸展，前缘挤压的特征，如1971年美国圣费尔南地震（Youd， 1973， 2003）、1999年中国台湾集集地震.快速沉降是由于液化层上方无渗透性更弱的盖层，孔隙水压力无法快速消散，液化后的砂土在振动作用下趋于密实，导致地面快速下沉（Youd， 1973，2003）.如1964年日本新潟地震典型的几座高层公寓下沉（Iwasaki， 1986）.

本文的调查结果显示，在本次地震中，南部朋曲河谷、中部丁木措湖边、到北部空摸措东南侧均发育有砂土液化.这可能指示了本次地震形成了一个砂土液化层.在朋曲河两岸和丁木措东岸，呈现典型后缘伸展，前缘挤压的变形模式（图3，图9a，9b），且丁木措东岸冲积扇体的坡度较为平缓，符合典型的横向扩展变形特征.因此本文认为，本次地震中产生了广泛的砂土液化，朋曲河两岸和丁木措东岸砂土液化导致的地面破坏以横向扩展为主；而在朋曲河床、丁木措东岸冲积扇边缘、空摸措东南侧地面破坏以液化沙丘喷出为主.

6.2　液化沙丘与横向拓展之间的关系

如前所述，在朋曲河床和丁木措东岸发育后缘伸展，前缘挤压的横向扩展模式，而液化沙丘也基本发育在前缘挤压区内，临近挤压垄（图3， 图9d）.大部分液化沙丘沿着张裂缝发育，呈现明显的线性特征，可分为两组走向，一组为南北向，一组为东西向.南北向线状液化沙丘基本发育在挤压垄附近，展布与挤压垄近平行.东西向线状液化沙丘大多垂直于挤压垄，呈现明显的线性特征.局部位置可见东西向线状液化沙丘切过南北向线状液化沙丘和挤压垄（图6c， 6d）.指示东西向线状液化沙丘发育时间可能稍晚于南北向线状沙丘和挤压垄.

在嘎定线公路西侧的河谷中，笔者发现这两组不同走向的线状砂火山可能存在一定的先后关系（图6c， 6d）.在观测点24，沿着南北向裂缝发育的砂火山，被挤压垄覆盖，形态不完整，呈半圆状或扇状；沿着东西向裂缝发育的砂火山覆盖在挤压垄上，形态较为完整.这种空间上的叠置关系表明，虽然主震及余震持续时间相对短暂，但引发的砂土液化是一个持续的过程，由此引发的地面破坏存在动态的演化过程.前人研究表明，砂土液化诱发的横向扩展在破坏过程中，表层通常会断裂成大块，这些土块以地面波（地面振荡）的形式相互碰撞、上下颠簸，并逐渐向水平方向迁移（图9a， 9b）.本文观测到的朋曲河谷内和丁木措湖边的地表变形特征符合这种变形模式.此外，本文还观测到了近垂直于南北向挤压垄的东西向张裂缝，液化沙丘沿着这些裂缝喷出.东西向的张裂缝指示应力场为近东西向的挤压，而震区位于定结‒申扎裂谷的南段，区域上以近东西向伸展构造应力场为主，本次地震的震源机制解也呈现明显的正断层特征，这两者存在矛盾.但前缘挤压垄的方向是基本近南北向的，指示着局部挤压方向是东西向，这可能导致了东西向张裂缝的形成.因此本文推测，在表层发生横向扩展的过程中，发生了强烈的挤压，在挤压的边缘部位，形成了东西向的张裂缝（图8b），液化沙丘随之喷出.

综上，基于野外露头观测和应力场分析，本文认为在朋曲河谷及丁木措东岸等位置，由于沉积物的颗粒相对较细，受到1月7日定日 M_S6.8级主震的振动，砂土液化.在东西向伸展构造应力场和重力的共同作用下，冲积扇的后缘发育断层陡坎，冲积扇的中部‒前缘发育一系列的近南北向裂缝（图8a），由于天气寒冷，冲积扇前缘已成为冻土层，表层被南北向裂缝分割成小的狭长块体.在南北向裂缝的局部位置，由于地下水位较高，沿着南北向裂缝发育了线状砂火山（图9c， 9d）.同时，由于地震波的振荡，产生横向扩展，表层块体发生碰撞和挤压，在部分位置由于强烈的挤压碰撞，产生了东西向的张裂缝，液化体随之涌出，发育近东西向线状液化沙丘.由于张裂缝并非平直的线状，且余震地震波的持续振动，导致表层小块体之间持续挤压，最终形成了较为破碎，整体为南北向，局部为东西向的挤压垄（图9b， 9d）.

7 结论和展望

（1）2025年1月7日定日M_S6.8级地震中，南部朋曲河谷、中部丁木措湖边、到北部空摸措东南侧均发育有砂土液化.这可能指示了本次地层形成了一个砂土液化层.在本次地震中朋曲河两岸和丁木措东岸砂土液化导致的地面破坏以横向扩展为主；而在朋曲河床、丁木措东岸冲积扇边缘、空摸措东南侧地面破坏以液化沙丘为主.

（2）基于野外观察和构造应力场分析，本文认为本次地震中的砂土液化变形存在一个动态的发育过程.在构造应力和重力作用下，形成南北向张裂缝，由于振动使砂土液化，部分液化体随南北向张裂缝喷出.由于坡度较为平缓，产生了横向扩展.表层块体发生碰撞和挤压，在部分位置由于强烈的挤压碰撞，产生了东西向的张裂缝，液化体随之涌出，发育近东西向线状液化沙丘.

本文获得了定日地震中产生的大量砂土液化点，这些点位大多都位于烈度为Ⅸ度的区域，且为全新统沉积物，少部分出露于更新统中.限于高原的工作环境和余震频发，本次野外应急工作未对烈度为Ⅷ度和Ⅶ度的地区展开详细的野外调查，对于Ⅶ度和Ⅷ度区砂土液化的发育规律，需要进一步的工作.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42472287)

国家自然科学基金项目(42402229)

国家自然科学基金项目(42202259)