地震誘發淺層海底滑坡易發性概率評價方法

摘" 要：該文旨在實現區域尺度地震誘發海底滑坡地質災害的分析預判，為海洋工程選址、基礎設施規劃設計、海洋工程地質災害防控措施的制定和決策提供理論支撐。為此，結合無限邊坡穩定性分析模型和蒙特卡洛模擬方法，提出考慮地震活動的海底斜坡失效概率分析方法。在此基礎上，結合區域地形的柵格化離散，提出地震活動下的淺層海底滑坡易發性概率評價方法。將提出的方法應用于南海神狐海域，實現地震活動下的區域海底斜坡安全系數分析和海底滑坡易發性概率評價。結果表明，天然條件下，研究區海底斜坡整體穩定，但在地震影響下，部分地形陡峭區域的安全系數將顯著降低，可能誘發區域尺度的海底滑坡災害。該文提出的方法也可用于其他海域的淺層滑坡易發性評價，對實際工程的規劃設計和災害防控具有重要意義。

關鍵詞：地震活動；區域地質災害；海底滑坡；滑坡易發性；概率評價

中圖分類號：TU470" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0001-06

Abstract： The purpose of this paper is to realize the analysis and prediction of regional scale earthquake-induced submarine landslide geological disasters， and to provide theoretical support for marine engineering site selection， infrastructure planning and design， marine engineering geological hazard prevention and control measures and decision-making. For this reason， based on the infinite slope stability analysis model and Monte Carlo simulation method， a submarine slope failure probability analysis method considering seismicity is proposed. On this basis， according to the rasterization discretization of regional topography， a probability evaluation method of shallow submarine landslides under seismicity is proposed and then applied to the Shenhu sea area of the South China Sea，thus realizing the safety factor analysis of regional submarine slopes and the probability evaluation of submarine landslides under seismicity. The results show that in natural conditions， the submarine slope in the study area is stable as a whole， but affected by earthquakes， the safety factor of some steep terrain areas will be significantly reduced， which may induce submarine landslides on the regional scale. The method proposed in this paper can also be used to evaluate the vulnerability of shallow landslides in other sea areas， and is of great significance to the planning and design of practical projects and disaster prevention and control.

Keywords： seismicity; regional geological hazard; submarine landslide; landslide susceptibility; probability evaluation

Terzaghi[1]將滑坡定義為斜坡巖土體順坡向下的一切運動現象。海底滑坡相關研究一般沿用此定義[2]，即海底滑坡是由自然或人類活動誘發的海床土體順坡向下運動的現象。

大量研究發現，地震活動是海底滑坡的最主要觸發因素[2-5]。我國南海目前已識別的海底滑坡，多數與地震活動相關[6-10]。海底滑坡觸發后，滑體可在相對平緩的地形中以較大的速度運動相當長的距離[11-13]。根據文獻報道，海底滑坡可在坡度為0.5～3°的地形中運動數百千米[13-15]，最大運動速度可達20 m/s[16-18]。海底滑坡沖擊范圍大、沖擊速度高的特征使其成為海洋工程基礎設施的關鍵危險因素[19-24]。區域尺度的地震誘發海底滑坡災害發生的可能性評價，即地震誘發海底滑坡的易發性評價，是區域地質災害強度評估和危險區域分析預判的基礎，對海洋工程選址、海洋平臺、海底管線等基礎設施的規劃設計，以及海洋工程災害防控措施的制定具有重要意義。

神狐海域位于中國南海北部陸坡中部。該區域廣泛發育的裂隙和斷層為碳氫化合物的運移提供了有利條件[25]。地質調查顯示神狐海域為天然氣水合物的積儲提供了良好的條件[26-28]。2007年，廣州海洋地質調查局在南海北部陸坡神狐海域8個站位實施了鉆探（GMGS1），并從其中3個鉆井（SH2、SH3、SH7）獲取了天然氣水合物樣品[29]。2015年和2016年，廣州海洋地質調查局又在神狐海域實施了2個航次的水合物鉆探（GMGS3和GMGS4），并在其中7個鉆井獲取了水合物樣品，確認了該區域的水合物開采潛力[30-33]。2017年5月中旬，中國海洋石油集團有限公司在神狐海域荔灣3站位實施了全球首次海洋淺層非成巖水合物固態流化試驗性開采[34-35]。2017年5月至7月，中國地質調查局利用豎井降壓法在南海北部神狐海域成功實施了為期60 d的試驗性開采[33，36-37]。2020年3月，中國地質調查局利用深海淺軟地層水平井鉆采技術在神狐海域再次成功實施了為期30 d的試驗性開采，實現了從垂直井到水平井鉆采技術的升級換代，創造了“產氣總量86.14萬m3，日均產氣量2.87萬m3”2項新的世界紀錄[32]。南海神狐海域已被列為水合物的重點工程開發區[29-30]。然而，神狐海域地質條件復雜，地形坡度多變，潛在不穩定斜坡較為發育[29，38]。為了實現重點工程開發區的海底滑坡災害預判，為相關工程的規劃設計和災害防控提供依據，有必要對神狐海域的海底滑坡易發性進行預判。

本文結合無限邊坡穩定性分析模型和蒙特卡洛模擬方法，提出考慮地震活動的海底斜坡失效概率分析方法。在此基礎上，結合區域地形的柵格化離散，提出地震活動下的淺層海底滑坡易發性概率評價方法。將提出的方法應用于南海神狐海域，實現重點工程開發區的海底滑坡易發性概率評價。

1" 研究方法

1.1" 地震活動下單體海底斜坡失效概率分析方法

1.1.1" 考慮地震活動的海底斜坡安全系數計算模型

海底斜坡坡度通常較緩，滑坡尺度相比陸地滑坡要大得多。以發生在大西洋東北部的挪威大陸邊緣、世界上最大的海底滑坡（Storegga滑坡）為例，該坡的滑裂面大致與坡面平行，滑體體積達3 000 km3，平均厚度160 m[39-40]，滑體的長和寬超過滑裂面深度的100倍。無限邊坡穩定性分析模型適用于平面維度超過滑裂面深度10倍的斜坡。因此，采用無限邊坡穩定性分析模型評估海底斜坡的穩定性。

地震是觸發海底滑坡的最主要原因[2-10]。由于地震的持續時間較短，地震中海洋土體通常處于不排水狀態，地震活動誘發的慣性力同時作用在土體顆粒和孔隙水上[41]。如圖1所示，考慮準靜態水平地震活動，海底斜坡的安全系數可用下式計算[41]

式中：FS為斜坡的安全系數；τf為滑裂面處土體的抗剪強度；τ為作用于滑裂面上的剪應力；h為滑裂面的埋深；su（h）為滑裂面處土體的不排水抗剪強度；β為斜坡坡度；W為土體自重應力；W′為去掉浮力后的土體自重應力；kh為水平地震系數，定義為水平地震加速度與重力加速度之比；z為由海床指向地心的坐標軸；γ（z）為埋深為z處土體的容重；γw為水的容重，取10 kN/m3。根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》[42]，重要工程永久邊坡的安全系數設計值為1.15。假定海底斜坡安全系數計算值小于1.15時，該坡失穩，發生滑坡。

1.1.2" 蒙特卡洛模擬

海底斜坡失效概率通過蒙特卡洛模擬獲得。計算時，考慮計算參數的不確定性，確定各參數的概率分布。按參數的概率分布抽取一定數量的隨機樣本，用式（1）計算每個樣本對應的斜坡穩定性安全系數，統計得到海底斜坡的失效概率Pf（失效樣本數與樣本總數的比值）。

1.2" 區域尺度自然地形的離散

如圖2所示，將區域自然地形離散為一系列正方形柵格，每個柵格中間存在一個代表柵格所處空間位置的節點。斜坡安全系數空間分布和滑坡易發性概率通過如下方法獲得：首先，將每個柵格視為一個評價單元。接著，采用1.1節提出的地震活動下的單體海底斜坡安全系數和失效概率評估方法，基于每個柵格節點上的隨空間變化的參數（如高程、土體不排水抗剪強度等）的概率分布，評估每個柵格單元的安全系數和失效概率。最后，根據斜坡失效概率的空間分布，評價研究區的海底滑坡易發性。

2" 研究區地形和分析設定

采用文獻[29]中神狐海域的水合物調查區作為研究區。提取該研究區的水深數據[29，38]并轉換為數字高程模型，分辨率為20 m×20 m。研究區中心位于北緯19.87°東經115.18°。面積為183.64 km2，平均坡度為3.45°。

根據式（1）—式（3），要采用1.1節的方法評價研究區地震誘發海底滑坡的易發性，還需確定滑裂面處土體的不排水抗剪強度su（h）、埋深為z處土體的容重γ（z）和斜坡坡度β。

王艷秋等[43]分析了南海水深500～1 500 m水深區域的CPT測試數據，結合南海神狐海域荔灣3-1項目區11個孔深為40 m的CPT測試數據，發現埋深為z的土體不排水抗剪強度的下限值和上限值可用下式估計

式中：su下限為埋深為z的土體的不排水抗剪強度的下限值；su上限為埋深為z的土體的不排水抗剪強度的上限值；su0為海床附近土體的不排水抗剪強度。南海神狐海域中，su0通常在2～10 kPa之間[43]。

設埋深為h的滑裂面上的土體不排水抗剪強度為服從均勻分布U（su下限，su上限）的隨機變量，即su（h）～U（su下限，su上限）。su下限和su上限分別由式（4）和式（5）估計。設海床附近土體的不排水抗剪強度su0滿足su0～U（2，10）。

圖3為南海的土體容重γ與其埋深z的散點圖。由于機械壓實作用是淺部地層土體容重隨埋深變化的根本原因，采用線性函數擬合土體容重γ與其埋深z的關系。如圖3所示，埋深為z處土體的不排水抗剪強度的下限值和上限值采用下式估計

式中：γ下限為埋深為z處土體的不排水抗剪強度的下限值；γ上限為埋深為z處土體的不排水抗剪強度的上限值。設埋深為z處土體的容重γ（z）滿足γ（z）～U（γ下限，γ上限）。

區域空間中，每個評價單元（柵格）的坡度通過高程數據求解

式中：ηi為柵格i的高程值；ηj為柵格i的鄰近柵格j的高程值；d為柵格i和柵格j的水平距離。如圖2所示，每個柵格有8個鄰近柵格，由式（8）可求得8個坡度值。為取得保守的估計，β取8個值中的最大值。

3" 結果

采用2個確定性的算例（算例1和算例2）測試本文提出的方法在區域尺度海底斜坡穩定性分析中的表現。算例1不考慮地震活動（水平地震系數kh為0），海床附近土體的不排水抗剪強度su0為定值6 kPa，滑裂面埋深h為1 m。滑裂面處土體的不排水抗剪強度su（h）取其上、下限的平均值。由式（4）和（5）可知，su（h）為7.2 kPa。埋深為z的土體容重γ（z）取其上、下限的平均值。由式（6）和（7）可知，有γ（z）=0.571 3z+14.252 8。每個柵格的地形坡度由式（8）獲取。最后通過式（1）求解每個柵格的安全系數。算例2考慮地震活動對區域海底斜坡穩定性安全系數的影響，水平地震系數kh取0.1，其余參數和設定均與算例1保持一致。

圖4為算例1和算例2中神狐海域研究區的海底斜坡安全系數空間分布圖。圖4中，地形坡度較大的地區（等高線密集的地區）安全系數顯著低于地形平緩的地區（等高線稀疏的地區），這與大眾的常識和直覺一致。算例1中（圖4（a）），無地震的天然條件下，研究區海底斜坡的安全系數最低值為5.1，不小于1.15，研究區內的任一斜坡均不失效。算例2中（圖4（b）），在地震活動的影響下，研究區內海底斜坡的安全系數整體呈現下降趨勢，最低值為3.5，顯著低于無地震活動的算例1。說明地震活動對海底斜坡的穩定性具有顯著的劣化影響。本文方法可定量評估地震活動下區域尺度海底斜坡的穩定性。

采用考慮參數不確定性的算例3測試本文提出的方法在神狐海域研究區海底滑坡易發性概率評價中的表現。算例3中，考慮地震活動的影響（kh=0.1），h為1 m。su（h）、γ（z）和β通過式（4）—式（8）求解。

圖5（a）為算例3中神狐海域研究區的海底斜坡失效概率空間分布圖。圖中斜坡失效概率相對較大的區域集中于左上角地形坡度較大的區域，失效概率最大值為0.011。參考Deng等[44]的研究，將失效概率大于0.1%的區域定義為潛在失效區域。圖5（b）為算例3中神狐海域研究區的海底滑坡易發性分區圖。圖5（b）中，潛在失效區域面積為3.656×105 m2。因此，本文方法可定量評估地震活動下海底斜坡失效概率的空間分布，可為決策者提供直觀的海底滑坡易發性區劃圖，對海洋工程規劃設計和區域海底地質災害風險防控具有重要意義。

4" 結論

本文結合無限邊坡穩定性分析模型和蒙特卡洛模擬方法，提出了考慮地震活動的海底斜坡失效概率分析方法。在此基礎上，結合區域地形的柵格化離散，提出了地震活動下的淺層滑坡易發性概率評價方法。

將提出的方法應用于南海神狐海域。結果表明：提出的方法可實現天然和地震條件下的區域海底斜坡安全系數分析和海底滑坡易發性概率評價；天然條件下，神狐海域研究區海底斜坡整體保持穩定，但在地震活動的影響下，部分地形坡度較大的區域的安全系數將顯著降低，可能誘發區域尺度的海底滑坡災害；本文提出的方法也可用于其他海域的淺層滑坡易發性評價，對實際工程的規劃設計和災害防控具有重要意義。

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