地下爆炸:簡介,淺埋爆炸,成坑過程,彈坑參數,封閉式地下爆炸,爆炸過程,衝擊波傳播

地下爆炸 (underground explosion) 炸藥、炸彈、鑽地彈或核地雷等在地面以下有一定埋設深度（簡稱埋深）處的爆炸。爆源爆炸後，爆心周圍土石介質的壓力和溫度均很高。在核爆炸的情況下，爆炸能量足以使彈殼或裝置以及爆源附近的岩土介質迅速熔化和氣化而形成高壓氣球。

基本介紹

中文名：地下爆炸
外文名：underground explosion
定義：地面以下有一定埋設深度處的爆炸
特點：壓力和溫度均很高
對象：炸藥、炸彈、鑽地彈

簡介,淺埋爆炸,成坑過程,彈坑參數,封閉式地下爆炸,爆炸過程,衝擊波傳播規律,地震效應,參考書目,

簡介

炸藥、炸彈、鑽地彈或核地雷等在地面以下有一定埋設深度(簡稱埋深)處的爆炸。爆源爆炸後，爆心周圍土石介質的壓力和溫度均很高。在核爆炸的情況下，爆炸能量足以使彈殼或裝置以及爆源附近的岩土介質迅速熔化和氣化而形成高壓氣球。

氣球向外膨脹，推動周圍介質，從而在介質中形成向外擴展的衝擊波（即激波）。衝擊波壓縮介質並推動它向外運動。根據埋深的不同，地下爆炸可分為淺埋和封閉式兩類。前者以形成彈坑為主要特徵；後者不形成地面彈坑，多見於核爆炸。爆炸產生的衝擊波效應是主要研究對象。

淺埋爆炸

這種爆炸能形成彈坑以達到軍事及其他目的。它既可以通過人工埋設，也可以通過炸彈的侵徹效應（見終點彈道學）來實現。

成坑過程

地下爆炸成坑的主要因素是衝擊波和由爆炸產物組成的高溫高壓氣團。在具有一定埋深的條件下，衝擊波傳播到地面經反射後產生拉伸波，使爆心上方的土石介質剝離破壞並向上方拋射。高溫高壓氣體隨之進一步破壞岩石並使破碎的岩石加速拋出地表，形成彈坑。最後,一部分拋擲的碎石回降,形成比真實彈坑略小的外觀彈坑,堆積在坑邊的碎石形成彈坑的唇緣（見圖1）。

對於觸地爆炸（爆源位於地面或地表層的爆炸）,大約只有6%～10%的能量用於成坑和產生地下衝擊波。向地下傳播的衝擊波壓碎（或壓裂）地表的土石介質，向上傳播的空氣衝擊波的抽吸作用使碎石向上拋射，再加上高溫高壓氣體的加速作用而形成彈坑。因此，在爆炸能量相同的條件下淺埋爆炸形成的彈坑比觸地爆炸形成的彈坑大。

D_s唇緣直徑 D_L破裂區直徑 D_r真實彈坑直徑 D_A表觀彈坑直徑 H_L唇緣高度 H_r真實彈坑深度 H_A表觀彈坑深度 D_s≈2D_A DL≈1.5D_A

彈坑參數

描述彈坑的參數除了同爆炸能量、埋深有關外，還同爆心附近介質的性質有密切關係。即使是同一介質,由於含水量不同,彈坑參數也有很大差異。大量實驗結果表明:彈坑參數近似符合與爆炸能量1/3.4次方成比例的規律。圖2給出濕土(濕軟岩)和乾土（乾軟岩）中 1千噸當量炸藥爆炸的表觀彈坑半徑RA、深度HA隨埋深的變化；並且給出在地面上一定高度的爆炸形成的彈坑的參數（用負埋深表示離地高度）。對於給定埋深H（米）、不同藥量Q（千噸）的爆炸只需將圖2所得數據乘上Q即得所需參數。一般稱為比例埋深。觸地爆炸的彈坑參數由下式表示：

1、3分別為濕土（或濕軟岩）中的彈坑半徑和深度曲線；2、4分別為乾土（或乾軟岩）中的彈坑半徑和深度曲線

在硬岩中，爆炸彈坑尺寸有所減小。在乾濕兩種條件下，其半徑應分別乘上因子0.8和0.7，而深度應分別乘上因子0.8和0.9。由圖2可見,最初彈坑尺寸隨埋深增大而增加,尺寸最大時的埋深為最佳埋深；例如乾土，與半徑、深度相對應的最佳比例埋深約為52和36米/（千噸）。埋深再增加,彈坑尺寸反而減小。當比例埋深達90～100米/(千噸) 以上時，不再形成彈坑。化學爆炸和核爆炸在成坑機理上是相似的，但成坑效率不同,核爆炸效率低,僅及化學爆炸的60%～100%。

封閉式地下爆炸

主要用於核武器研究、觀察核爆炸效應和某些特定科學試驗項目。要求地面不形成陷落彈坑，向外泄漏的放射性一般不超過百居里量級，以確保地面以上不受污染。滿足這一要求的埋深稱為安全埋深。對千噸級以上當量,一般安全埋深為(110～120)Q(係數為比例埋深的大小)。對於千噸級以下的當量，安全埋深約為 180米左右。實際選擇要根據爆心上方的介質和地質情況。即使在安全埋深下爆炸，由於不掌握地下介質情況，介質含水太多或回填堵塞不當，也會造成大規模放射性泄漏。目前封閉式爆炸有豎井和平洞兩種類型，後者多用於核爆炸效應試驗。

爆炸過程

可以分為核反應、流體動力學運動、靜力學運動和熱擴散等四個階段。①核反應階段：置於一定體積爆室內的核裝置起爆後，核反應所釋放的能量在幾微秒內使爆室充滿比空氣密度高2～3個量級的高溫高壓氣體，它壓縮周圍岩石並在岩石中形成衝擊波。②流體動力學運動階段：岩石受到衝擊波的衝擊和壓縮向外運動,爆室膨脹,逐漸形成穩定的空腔。空腔的半徑一般與爆炸當量、介質性質和埋深等因素有關。例如花崗岩石中萬噸 TNT當量爆炸形成的空腔半徑約23～24米。如果介質破碎、裂隙發育、含水量大,則空腔半徑增大;如果埋深增大，則半徑減小。衝擊波在向四周擴展的過程中，強度不斷衰減，岩石受到不同程度的破壞。被超壓大於約2×10帕的強衝擊波作用過的岩石在卸載後發生氣化,氣化區半徑用比例半徑表示,約2米/(千噸);如果超壓更低一些（約大於5×10帕），岩石在卸載過程中被液化,液化區比例半徑約為5米/(千噸)。液化區外的岩石在衝擊波作用下先被壓碎，後被壓實，形成破碎區。

破碎區外面是岩石發生明顯塑性變形的剪下破壞區。再往外,衝擊波已減弱到不再能破壞岩石,而衰減為地震波繼續向遠方傳播。③靜力學運動階段：當空腔穩定一段時間後,隨著空腔內壓力下降，腔頂塌陷,岩石塌落向上方形成"煙囪",其高度約為空腔半徑的2.5倍。"煙囪"形成後靜力學階段即告結束。由於大量岩石落入空腔，腔內溫度、壓力急劇下降，但最高點的溫度仍然近千攝氏度。④熱擴散階段：通過多種傳熱方式，腔內溫度逐漸降低，這個階段可以延續幾年之久。在這階段中，非氣態裂變產物隨其他氣體滲入裂隙，進入被破壞的岩石內，少量泄漏出地表。封閉式地下爆炸起爆後不同時刻的情況見圖3。

衝擊波傳播規律

衝擊波在岩石中的衰減比在空氣中快，超壓衰減規律為Δp=(Q/R)，指數n與介質性質有關,其值在2左右。衝擊波傳到爆心垂直上方地表處發生反射，反射後的波為拉伸波（稀疏波），引起地表剝離破壞和可觀察到的地表運動。衝擊波傳出破碎區後即衰減為地震波，向遠方傳播。

地震效應

以震中(即爆炸中心)地動最為劇烈，其程度決定於埋深和岩石的性質。例如約 1.7千噸當量炸藥在埋深為 274米的凝灰岩中爆炸，震中處地表上升達0.3米，而後岩塊塌落，加速度達5.8g(g為重力加速度)。地震波在自由（無邊界）介質中傳播時,在距爆心100～200米範圍內，加速度、速度隨距離衰減比較快,與距離的2～4次方成反比，稍遠後衰減變慢。不同介質中測量結果也不盡相同，不能給也統一的經驗公式。在地表引起的地震加速度（介質運動的加速度）和介質的位移在幾十公里範圍內大體按距離的2次方衰減,振盪周期多數從0.1秒到數秒，越出這個範圍,衰減也變慢。地下核爆炸的地震參量（位移、速度、加速度）不僅與爆炸強度、爆源附近的岩土性質有關，還與進行參量測量的地震台所在地的地質條件有關，遠區的地震參量更是如此。核爆地震會造成地面建築物的破壞。通常取地震波傳播速度值5.08厘米/秒為安全閾值，速度小於該值的地區屬於地震安全區。對於花崗岩中萬噸當量的封閉式爆炸，地面上離爆心投影點約3～4公里以外是安全區。

爆炸當量Q可用地震震級Μ來估算。西方國家多取Μ=0.93lgQ+3.8；蘇聯取Μ=0.5lgQ+4.6。由此可見，估算結果會相差好幾倍。為了不讓別國通過地震測量手段探知地下核爆炸的情報，可以採用增大爆室體積的辦法。當爆室半徑足夠大，爆炸產生的衝擊波到達室壁時，其壓力若小於岩土介質的彈性極限，則遠處難以測出地震信號。這種爆炸稱為解耦爆炸。

參考書目

Peaceful Nuclear Explosions, Proceedings of a 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.

地下爆炸