编辑推荐：
海底滑坡引发机制与三维地形适应性数值模拟方法研究。通过开发新型深度平均法，整合地震三向加速度输入和三维地形离心力效应，成功模拟海底滑坡从剪切带形成到后滑移扩展的全过程。方法经三个基准案例验证，并应用于瑞士卢塞恩湖St. Niklausen滑坡，揭示峰值地面加速度与滑坡扩展面积的正相关性。方法具有计算高效、物理意义明确的特点，适用于大规模滑坡演化预测。
张睿|王东|张旺成
中国海洋大学山东海洋勘探与保护工程研究中心，青岛266100，中国
摘要
海底滑坡有可能损坏海上基础设施并引发海啸。大量的海底滑坡是由地震引起的。在大多数传统方法（如极限平衡法）中，地震荷载被简化为准静态力，且没有考虑海洋粘性沉积物的应变软化行为。本文提出了一种新的深度平均方法来再现整个海底滑坡过程。该方法考虑了三个方向的地震加速度，并量化了三维地形引起的曲率效应。从地震引发到滑坡结束，整个剪切带的传播过程都被捕捉到了。所提出的方法通过三个基准案例进行了验证，随后应用于瑞士卢塞恩湖的St. Niklausen滑坡。数值结果与实地调查结果相当吻合。进一步探讨了地震峰值地面加速度与滑坡范围之间的关系。鉴于其简单性和计算效率，该方法可用于实际评估大规模滑坡的历史和范围。
引言
海底滑坡是一种灾难性的地质灾害，威胁着海底的基础设施，如管道（He等人，2025年）、洲际电缆（Hsu等人，2008年；Zheng等人，2024年）、锚固系统（Sorlie等人，2023年）以及各种类型的地基（Dong等人，2025年；Song等人，2025年）。此外，这种地质灾害还可能导致大量沉积物迁移（Mountjoy等人，2018年）或破坏性海啸（Lo Iacono等人，2012年；Pope等人，2017年；Tappin，2021年），造成巨大的生命和财产损失。
海底缓坡的失效通常表现为渐进性的平移运动，例如Afen滑坡（Wilson等人，2004年；Gatter等人，2020年）和Sahara滑坡（Georgiopoulou等人，2010年；Li等人，2017年）等案例，其滑坡体积比陆地上的滑坡大四个数量级（Du等人，2024年）。这种失效与粘性沉积物的应变软化有关。 offshore粘土的敏感性，定义为峰值强度与重塑无排水强度的比值，通常在2到6之间（Randolph和Gourvenec，2011年）。在敏感土壤中，由于外部触发因素（如地震、快速沉积或气体迁移），剪切失效可能在一个局部区域开始（Puzrin等人，2016年）。由于应变软化，剪切带会扩展到周围的完整土壤中，最终导致坡体蠕动或灾难性失效（Puzrin等人，2004年；Zhu等人，2023年）。
地震可以说是引发海底滑坡最危险的诱因。在地中海记录的696次海底滑坡中，近一半归因于地震活动（Urgeles和Camerlenghi，2013年），而在Hance（2003年）对全球534次记录事件的分析中，42%的滑坡是由地震或断层活动引起的。特别是，这些失效可能在峰值地面加速度（PGA）低至0.01 g的弱地震震动下发生（Du等人，2024年），其中g表示重力加速度。
地震引发的滑坡评估通常包括两部分：坡体稳定性分析以确定安全系数，以及模拟失效后的动力学以量化受影响区域。对于前者，伪静态极限平衡法可能是最常用的方法。然而，将土壤的应变软化响应纳入力平衡较为困难，地震荷载被简化为作用在滑动质量上的均匀准静态力。因此，大多数现有的极限平衡分析使用了峰值无排水强度，这可能导致对失效所需地震加速度的高估和非保守的安全评估（Klein等人，2023年；Rushton等人，2015年；Strasser等人，2007年）。
失效后的滑坡动力学已通过多种数值方法进行研究，如平滑粒子流体动力学（Fávero Neto等人，2020年）、粒子有限元法（Zhang等人，2023年）、物质点法（Tran等人，2024年）、任意拉格朗日-欧拉法（Dey等人，2016年）和深度平均法（DAM；Pastor等人，2009年；Pastor等人，2015年；Dong等人，2020年）。在这些方法中，基于浅流假设的DAM具有较高的计算效率，因此在实际应用中得到了广泛应用。最近，Zhang和Puzrin（2022年）提出了一种三维（3D）DAM方法，用于模拟剪切带的传播以及随后的滑坡扩展。该模型用于模拟新西兰东大陆边缘由地震引发的海底滑坡。然而，他们的DAM模型没有明确输入地震加速度历史，而是将地震效应简化为坡体中心的圆形起始区。这种处理限制了该方法的实际应用性，因为难以确定起始区的规模和位置（Puzrin等人，2015年）。此外，在分析失效后的滑坡扩展时忽略了复杂地形引起的离心力（Xia和Liang，2018年；Peruzzetto等人，2021年）。
本文提出了一种考虑海底三维地形和地震实际加速度分量的DAM方法，用于研究海底滑坡。坡体几何形状在全局笛卡尔坐标系中离散化，以便量化离心力。采用基于GPU的并行化技术来保证3D计算的效率。该方法应用于瑞士卢塞恩湖的St. Niklausen滑坡案例。详细讨论了滑坡的起始过程和失效后的形态，并探讨了滑坡范围与PGA之间的关系。
章节摘录
控制方程
DAM最初是为模拟泥石流而提出的，但它也适用于在剪切带传播框架内模拟海底滑坡的渐进性失效和失效后的扩展（Zhang和Puzrin，2021年）。在这个框架中，弱层和滑动层分别对应于传统泥石流模型中的剪切层和堵塞层。
验证
开发的数值算法应用于三个基准案例以验证其可靠性。前两个案例侧重于再现从剪切带起始和传播到失效滑动的整个过程，而第三个案例检验了该模型捕捉地震引发滑坡完整演变的能力。
重新探讨卢塞恩湖的St. Niklausen滑坡
公开报道的具有地质物理和岩土数据的深水滑坡数量非常有限。为了证明所提出方法的可行性，以瑞士中部卢塞恩湖底部的St. Niklausen滑坡为例。该滑坡是由约2400年前的一次大地震引发的，估计震级为Mw 6.5（Strasser等人，2007年）。这次滑坡通过广泛的现场调查得到了详细记录
结论
地震被认为是引发海底滑坡的主要诱因。本研究提出了一种新的数值方法，用于捕捉3D海底滑坡的共震演化过程。在全局笛卡尔坐标系中推导出了深度积分的控制方程，考虑了三个分量的地震加速度。再现了局部陡峭区域的失效起始、剪切带传播和海底滑坡的动力学过程。
CRediT作者贡献声明
张睿：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论。王东：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。张旺成：撰写——审阅与编辑、软件、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42025702和52394251）的支持。
