地震时，地面会“呼吸”，汽车被吞入，都可能是因为土壤液化
地震的时候，街道有时会出现一种奇怪的现象—— 路面不停地上升隆起然后下降，仿佛在波动起伏的混凝土下方，有一头巨大的野兽正在大口呼吸着 。
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这些看似在呼吸的地面，其实是 土壤液化 的结果。
这种现象在我国、墨西哥、日本等地发生地震时都曾出现过。 去年12月，我国甘肃发生了6.2级地震，地震波及了旁边的青海，在当地触发了土壤液化，严重的滑坡泥流掩埋了大量房屋，造成多人失联 。
地震前后，青海中川乡的滑坡-泥流区域对比。图片来源：成都理工地灾防治国家重点实验室
土壤液化，简单说来就是 在强烈的地震作用下，地表附近松散、浸水的土壤从固态变成了液态，开始像液体一样流动 。
液化的结果是土壤失去了承载能力，变得类似流体，因此街道、地基等任何土壤表面的东西都会受到影响， 建筑物、桥梁和基础设施可能出现沉降、开裂、倾斜甚至倒塌，或引发山体滑坡 。因此，许多国家和地区的建筑规范都要求工程师在设计的过程中考虑土壤液化的影响。
1964年日本新泻地震引起了严重的土壤液化，造成许多房屋倒塌。另外，石油管道因为地震破损，石油被土壤液化释放的地下水以及地震引起的海啸带到海面，随后被点燃，火势还蔓延到周围地区，火灾持续了12天。 图片来源： wikipedia
并非每次地震都有
其实， 当你在海滩玩耍的时候，你就能观察、体验到小规模的土壤液化 。当你的脚踩上湿润的沙子时，就会产生震动沙子的微型地震波，当脚下沙子发生液化时，沙子内的水压会增加，水就会从你的脚下涌出来。而随着你脚下的地面从固体变成液体，你的脚也慢慢陷入沙子中。
如果沙子在斜坡上，液化部分会流下山坡，直到水排干，沙子再次沉淀到位。同样地， 建筑物如果建在容易液化的土壤上，在地震期间它们不仅容易下沉或倾斜，如果周围有斜坡，建筑物还会滑下坡，比如滑向附近的河流 。
好在并非每一次地震都会出现这种吓人的场景， 地震期间的土壤液化通常需要具备一定的条件 。
图片来源：NHK WORLD
首先，在发生土壤液化的地区， 土壤通常是松散的、没有粘性的 。其次， 土壤环境中还含有饱和水分，这些水一般难以从这里排出 。在这种情况下，水填满了土壤颗粒之间的空隙，这使得土壤颗粒之间的接触变弱，土壤整体的强度降低。
你可以想象一个装满沙子和水的容器。当你摇动它时，沙子颗粒会相互远离，水会充满沙子的间隙，使得混合物更像液体而不是固体。
图片来源： QuakeCoRE NZ
除此之外， 土壤液化的产生也需要较大的地震强度 。几乎所有大地震都会出现某种程度的土壤液化。
如果你在轻微震动的时候站在城市街道上，很可能就不会看到这种现象。因为若要地面出现松动，通常需要一个很大的力，然后水压才会被充分增大，液体进而被分布到土壤中。强震的震动使得土壤颗粒发生重排，导致颗粒之间的接触变得更加紧密，孔隙水的压力增加，土壤的强度进一步被削弱，从而出现液化。
图片来源：NHK WORLD
过去难以解释的例外
不过，过去人们也发现，有些土壤液化事件并不符合上述这些情况——在远离地震震中的低能量密度条件下，以及在土壤能够排水的情况，土壤液化的现象仍会出现。例如在2010年，新西兰南岛坎特伯雷区发生了7.1级地震，但在距离震中较远的地区，仍然发生了许多土壤液化。
在2010年的地震中，新西兰受损的建筑物和基础设施大部分是由于土壤液化造成的。图片来源：Brett Maurer
对此，去年9月的一项研究或许可以解释这个现象。研究发现，强度不大的地震震动仍然可以在排水条件下触发间质流体流动。
在排水的条件下，地震的震动促进了土壤内间隙流体的流动，形成了压力梯度，即在土壤中孔隙水的压力会在不同位置产生差异，形成从高压力到低压力的梯度 ，流体会从较高压力区域流向较低压力区域。这个压力梯度对土壤颗粒产生作用力，削弱了颗粒之间的接触，进而降低土壤的强度。
在新西兰的基督城，地震引起的土壤液化导致汽车陷入。图片来源：nzraw.co.nz
除了地震，现如今，填海造地和人工岛屿建设正在不断增加，这些地区发生土壤液化的风险都很高。因此，深入了解土壤液化，对保障人们的生命财产安全有着重要意义。
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本文来自微信公众号“把科学带回家”（ID：steamforkids），作者：Cloud，36氪经授权发布。
