用塑膠杯重現地震！土壤液化現象由「顆粒大小」決定
我是科學訓練師桑子研。每天都在做實驗。
你有沒有在地震新聞裡看過這樣的畫面：原本應該很堅固的建築物竟然歪掉了，甚至只有人孔蓋從地面上「噴」了出來？ 這背後的原因，就是一種讓地面變得像液體一樣的現象——「液狀化現象」。這一次，我們就用身邊常見的塑膠杯，在教室裡重現這個有趣的現象。
這次的液狀化實驗使用塑膠杯來進行。我們準備了砂、顆粒比砂更細的土，以及顆粒比砂更大的礫石。先把砂裝滿一個100ml燒杯，再倒入塑膠杯中，總共準備了20個塑膠杯。
實驗準備，以及如何製造「地震」
在塑膠杯中的砂裡慢慢加水，讓整體充分濕潤。如果表面出現積水，就用衛生紙輕輕把表面的水吸掉，讓表面恢復乾燥。接著，只要左右搖晃塑膠杯，就可以模擬地震。
我們有10個小組，所以每組分到兩個塑膠杯，並且只搖晃其中一個。
搖晃前
搖晃後
你可以看到，搖晃前後，水會慢慢從砂的表面冒出來。不過，這裡有一個非常重要的重點：搖晃前和搖晃後，高度幾乎一樣。
「看起來高度一樣，為什麼只有水跑出來？」
其實，這個「高度沒有改變」的特徵，正好揭示了液狀化現象的本質。
砂粒與砂粒之間原本就存在許多空隙，而這些空隙中也充滿了水。沒有受到搖晃時，砂粒彼此緊密排列、互相支撐，水就被困在砂粒之間的空隙中。
但是，當受到左右搖晃時，砂粒之間原本穩定的排列會在瞬間被打亂，砂粒變得容易彼此錯動。這時，原本被困在砂粒之間的水，就會像被擠出來一樣，慢慢往地表滲出。
也就是說，雖然整體的體積，也就是高度，幾乎沒有改變，但原本被砂粒支撐住的水卻被擠了出來——這就是液狀化現象的巧妙機制。
「顆粒大小」才是關鍵
換成土來做，液狀化現象就不太明顯了……。
換成礫石來做，幾乎也不會發生液狀化。
有趣的是，顆粒比砂細很多的土不容易液狀化，顆粒比砂粗很多的礫石也不容易液狀化。原來其中還藏著這麼多學問，真是有意思！
這個結果告訴我們，液狀化並不是隨便什麼地面都容易發生，而是特別容易發生在「大小剛剛好」的顆粒材料中。這也是地質學上相當重要的一個特性。
顆粒很細的土，也就是泥質土，顆粒之間容易受到電性等力量而互相黏附，而且顆粒之間的空隙非常小。因此，水不容易在這些細小的空隙中移動，即使受到搖晃，也不容易滲出。
相反地，顆粒較粗的礫石雖然空隙很大，但礫石顆粒彼此之間會凹凸不平地互相卡住，形成非常穩固的結構，因此只靠一般程度的搖晃，很難讓它崩散。
而位在兩者之間的「砂」，剛好同時具備容易重新排列，以及水容易移動這兩個條件，因此最容易發生液狀化。
實際的地震災害中，填海造地區域以及河川沿岸的砂質地盤，經常傳出液狀化災情，這也和顆粒大小等條件有著密切的關係。
另外，這是使用水槽進行的實驗。和塑膠杯相比，可以更有魄力地觀察液狀化現象，不過如果每個小組都要準備一個水槽，實在會稍微麻煩一些。
搖晃前。
搖晃後。
砂與泥，同樣是「地面」，差異卻如此巨大
另外，我們把砂換成泥，按照同樣的方法進行實驗，結果發現，和砂相比，泥的液狀化現象明顯不容易發生。
這是泥在搖晃前的狀態。
搖晃後。
砂和泥，從外觀看起來都很像我們腳下的「地面」，但因為顆粒大小和組成完全不同，所以面對地震時的脆弱程度也大不相同。
只要換一個塑膠杯，甚至只要換掉其中的顆粒種類，實驗結果就可能大幅改變。這個簡單的小實驗讓我們發現，平常每天毫不在意地踩在腳下的「地面」，其實是建立在非常微妙的平衡之上。
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