地下爆炸

炸药、炸弹、钻地弹或核地雷等在地面以下有一定埋设深度(简称埋深)处的爆炸。爆源爆炸后，爆心周围土石介质的压力和温度均很高。在核爆炸的情况下，爆炸能量足以使弹壳或装置以及爆源附近的岩土介质迅速熔化和气化而形成高压气球。气球向外膨胀，推动周围介质，从而在介质中形成向外扩展的冲击波(即激波)。冲击波压缩介质并推动它向外运动。根据埋深的不同，地下爆炸可分为浅埋和封闭式两类。前者以形成弹坑为主要特征；后者不形成地面弹坑，多见于核爆炸。爆炸产生的冲击波效应是主要研究对象。

浅埋爆炸  这种爆炸能形成弹坑以达到军事及其他目的。它既可以通过人工埋设，也可以通过炸弹的侵彻效应(见终点弹道学)来实现。

成坑过程  地下爆炸成坑的主要因素是冲击波和由爆炸产物组成的高温高压气团。在具有一定埋深的条件下，冲击波传播到地面经反射后产生拉伸波，使爆心上方的土石介质剥离破坏并向上方抛射。高温高压气体随之进一步破坏岩石并使破碎的岩石加速抛出地表，形成弹坑。最后，一部分抛掷的碎石回降，形成比真实弹坑略小的外观弹坑，堆积在坑边的碎石形成弹坑的唇缘(图1)。对于触地爆炸(爆源位于地面或地表层的爆炸)，大约只有6%～10%的能量用于成坑和产生地下冲击波。向地下传播的冲击波压碎(或压裂)地表的土石介质，向上传播的空气冲击波的抽吸作用使碎石向上抛射，再加上高温高压气体的加速作用而形成弹坑。因此，在爆炸能量相同的条件下浅埋爆炸形成的弹坑比触地爆炸形成的弹坑大。

图1

弹坑参数  描述弹坑的参数除了同爆炸能量、埋深有关外，还同爆心附近介质的性质有密切关系。即使是同一介质，由于含水量不同，弹坑参数也有很大差异。大量实验结果表明：弹坑参数近似符合与爆炸能量1/3.4次方成比例的规律。图2给出湿土(湿软岩)和干土(干软岩)中 1千吨当量炸药爆炸的表观弹坑半径R、深度H随埋深的变化；并且给出在地面上一定高度的爆炸形成的弹坑的参数(用负埋深表示离地高度)。对于给定埋深 H(米)、不同药量Q(千吨)的爆炸只需将图2所得数据乘上Q即得所需参数。一般称为比例埋深。触地爆炸的弹坑参数由下式表示：

在硬岩中，爆炸弹坑尺寸有所减小。在干湿两种条件下，其半径应分别乘上因子0.8和0.7，而深度应分别乘上因子0.8和0.9。由图2可见，最初弹坑尺寸随埋深增大而增加，尺寸最大时的埋深为最佳埋深；例如干土，与半径、深度相对应的最佳比例埋深约为52和36米/(千吨)。埋深再增加，弹坑尺寸反而减小。当比例埋深达90～100米/(千吨)以上时，不再形成弹坑。化学爆炸和核爆炸在成坑机理上是相似的，但成坑效率不同，核爆炸效率低，仅及化学爆炸的60%～100%。

封闭式地下爆炸  主要用于核武器研究、观察核爆炸效应和某些特定科学试验项目。要求地面不形成陷落弹坑，向外泄漏的放射性一般不超过百居里量级，以确保地面以上不受污染。满足这一要求的埋深称为安全埋深。对千吨级以上当量，一般安全埋深为(110～120)Q(系数为比例埋深的大小)。对于千吨级以下的当量，安全埋深约为 180米左右。实际选择要根据爆心上方的介质和地质情况。即使在安全埋深下爆炸，由于不掌握地下介质情况，介质含水太多或回填堵塞不当，也会造成大规模放射性泄漏。目前封闭式爆炸有竖井和平洞两种类型，后者多用于核爆炸效应试验。

爆炸过程  可以分为核反应、流体动力学运动、静力学运动和热扩散等四个阶段。①核反应阶段：置于一定体积爆室内的核装置起爆后，核反应所释放的能量在几微秒内使爆室充满比空气密度高2～3个量级的高温高压气体，它压缩周围岩石并在岩石中形成冲击波。②流体动力学运动阶段：岩石受到冲击波的冲击和压缩向外运动，爆室膨胀，逐渐形成稳定的空腔。空腔的半径一般与爆炸当量、介质性质和埋深等因素有关。例如花岗岩石中万吨 TNT当量爆炸形成的空腔半径约23～24米。如果介质破碎、裂隙发育、含水量大，则空腔半径增大;如果埋深增大，则半径减小。冲击波在向四周扩展的过程中，强度不断衰减，岩石受到不同程度的破坏。被超压大于约2×10)帕的强冲击波作用过的岩石在卸载后发生气化，气化区半径用比例半径表示，约2米／(千吨);如果超压更低一些(约大于5×10帕)，岩石在卸载过程中被液化，液化区比例半径约为5米/(千吨)。液化区外的岩石在冲击波作用下先被压碎，后被压实，形成破碎区。破碎区外面是岩石发生明显塑性变形的剪切破坏区。再往外，冲击波已减弱到不再能破坏岩石，而衰减为地震波继续向远方传播。③静力学运动阶段：当空腔稳定一段时间后，随着空腔内压力下降，腔顶塌陷，岩石塌落向上方形成“烟囱”，其高度约为空腔半径的2.5倍。“烟囱”形成后静力学阶段即告结束。由于大量岩石落入空腔，腔内温度、压力急剧下降，但最高点的温度仍然近千摄氏度。④热扩散阶段：通过多种传热方式，腔内温度逐渐降低，这个阶段可以延续几年之久。在这阶段中，非气态裂变产物随其他气体渗入裂隙，进入被破坏的岩石内，少量泄漏出地表。封闭式地下爆炸起爆后不同时刻的情况见图3。

冲击波传播规律  冲击波在岩石中的衰减比在空气中快，超压衰减规律为Δp=(Q/R)，指数n与介质性质有关，其值在2左右。冲击波传到爆心垂直上方地表处发生反射，反射后的波为拉伸波(稀疏波)，引起地表剥离破坏和可观察到的地表运动。冲击波传出破碎区后即衰减为地震波，向远方传播。

地震效应  以震中(即爆炸中心)地动最为剧烈，其程度决定于埋深和岩石的性质。例如约 1.7千吨当量炸药在埋深为 274米的凝灰岩中爆炸，震中处地表上升达0.3米，而后岩块塌落，加速度达5.8g(g为重力加速度)。地震波在自由(无边界)介质中传播时，在距爆心100～200米范围内，加速度、速度随距离衰减比较快，与距离的2～4次方成反比，稍远后衰减变慢。不同介质中测量结果也不尽相同，不能给也统一的经验公式。在地表引起的地震加速度(介质运动的加速度)和介质的位移在几十公里范围内大体按距离的2次方衰减，振荡周期多数从0.1秒到数秒，越出这个范围，衰减也变慢。地下核爆炸的地震参量(位移、速度、加速度)不仅与爆炸强度、爆源附近的岩土性质有关，还与进行参量测量的地震台所在地的地质条件有关，远区的地震参量更是如此。核爆地震会造成地面建筑物的破坏。通常取地震波传播速度值5.08厘米／秒为安全阈值，速度小于该值的地区属于地震安全区。对于花岗岩中万吨当量的封闭式爆炸，地面上离爆心投影点约3～4公里以外是安全区。

爆炸当量 Q可用地震震级Μ来估算。西方国家多取Μ＝0.93lgQ＋3.8；苏联取Μ＝0.5lgQ＋4.6。由此可见，估算结果会相差好几倍。为了不让别国通过地震测量手段探知地下核爆炸的情报，可以采用增大爆室体积的办法。当爆室半径足够大，爆炸产生的冲击波到达室壁时，其压力若小于岩土介质的弹性极限，则远处难以测出地震信号。这种爆炸称为解耦爆炸。

参考书目 Peaceful Nuclear Explosions， Proceedinas of α Panel on the Practical Applications of the Peaceful Uses of Nuclear Explosions，International Atomic Energy Agency，Vienna，1970. S. Glasstone and P. J. Dolan，The Effects of Nuclear Weapons，3rd ed.，U. S. Department of Defence and Energy Research and Development Administration，1977.