Role of the confined aquifer in the mechanism of soil liquefaction due to the 7.5 Mw earthquake in Palu (Indonesia) on 28 September 2018

Abstract

Soil liquefaction on 28 September 2018 in Palu, Indonesia, included one of the largest soil movements ever, where objects on the ground surface moved hundreds of meters away and settlements sank into the mud. Some preliminary studies show that in addition to a strong earthquake, there are strong indications that a confined aquifer in the Palu valley worsened the liquefaction. The role of the confined aquifer can be recognized early on from one of various signs, namely the presence of massive surface inundations suspected due to groundwater expulsion which is thought to originate mostly from the confined aquifer. This paper describes the mechanism of the soil liquefaction in Palu from the perspective of earthquake hydrogeology, focusing on the groundwater expelled from an unconfined aquifer and especially from the underlying confined aquifer through hydraulic inter-connection between the two, which is possible due to simultaneous interaction of excess pore pressure dissipation and enhanced permeability driven by an earthquake in the near field. If this hypothesis proves to be strong, there are implications for engineering practices because the evaluation of potential soil liquefaction carried out currently in the geotechnical engineering field generally only involves the role of shallow groundwater and/or the unconfined aquifer and the role of soil layers not deeper than 30 m from the ground surface. It may be necessary to complement current evaluation practice with an evaluation of the deep groundwater response to earthquakes, especially if the deep groundwater is artesian and productive, with a relatively thin confining layer.

Resume

La liquéfaction du sol survenue le 28 septembre 2018 à Palu, en Indonésie, comprenait l'un des plus grands mouvements de sol jamais observés, où des objets à la surface du sol se sont éloignés de plusieurs centaines de mètres et où des établissements se sont enfoncés dans la boue. Certaines études préliminaires montrent qu'en plus d'un fort séisme, il y a de fortes indications qu'un aquifère captif dans la vallée de Palu a aggravé la liquéfaction. Le rôle de l'aquifère captif peut être reconnu très tôt à partir de l'un des différents signes, à savoir la présence d'inondations massives en surface, soupçonnées d'être dues à l'expulsion des eaux souterraines qui proviendraient principalement de l'aquifère captif. Cet article décrit le mécanisme de liquéfaction du sol à Palu du point de vue de l'hydrogéologie des tremblements de terre, en se concentrant sur l'eau souterraine expulsée d'un aquifère libre et surtout de l'aquifère captif sous-jacent par une connexion hydraulique entre les deux, ce qui est possible en raison de l'interaction simultanée de la dissipation de l'excès de pression interstitielle et de la perméabilité accrue provoquée par un tremblement de terre dans le champ proche. Si cette hypothèse s'avère forte, il y a des implications pour les pratiques d'ingénierie car l'évaluation de la liquéfaction potentielle des sols effectuée actuellement dans le domaine de l'ingénierie géotechnique ne concerne généralement que le rôle des eaux souterraines peu profondes et/ou de l'aquifère libre et le rôle des couches de sol situées dans les premiers 30 m sous la surface du sol. Il peut être nécessaire d’apporter des compléments à la pratique actuelle d'évaluation par une évaluation de la réponse des eaux souterraines profondes aux séismes, en particulier si ces eaux sont artésiennes et productives, avec une couche de confinement relativement mince.

Resumen

La licuefacción del suelo el 28 de septiembre de 2018 en Palu (Indonesia) incluyó uno de los mayores movimientos de tierra que se hayan producido, en el que los objetos de la superficie del suelo se desplazaron cientos de metros y los asentamientos se hundieron en el barro. Algunos estudios preliminares muestran que, además de un fuerte terremoto, hay fuertes indicios de que un acuífero confinado en el valle de Palu agravó la licuefacción. El papel del acuífero confinado puede reconocerse desde el principio a partir de uno de los diversos indicios, a saber, la presencia de inundaciones masivas en la superficie que se sospecha que se deben a la expulsión de aguas subterráneas que se considera que se originan principalmente en el acuífero confinado. Este artículo describe el mecanismo de la licuefacción del suelo en Palu desde la perspectiva de la hidrogeología sísmica, centrándose en el agua subterránea expulsada de un acuífero no confinado y especialmente del acuífero confinado subyacente a través de la interconexión hidráulica entre ambos, lo que es posible debido a la interacción simultánea de la disipación del exceso de presión de poros y el aumento de la permeabilidad impulsado por un terremoto en el campo cercano. Si esta hipótesis resulta ser sólida, existen implicaciones para las prácticas de ingeniería, ya que la evaluación de la licuefacción potencial del suelo que se realiza actualmente en el campo de la ingeniería geotécnica generalmente sólo implica el papel de las aguas subterráneas poco profundas y/o el acuífero no confinado y el papel de las capas del suelo que no están a más de 30 m de la superficie del suelo. Puede ser necesario complementar la práctica de evaluación actual con una evaluación de la respuesta a los terremotos de las aguas subterráneas profundas, especialmente si éstas son artesianas y productivas, con una capa de confinamiento relativamente fina.

摘要

2018 年 9 月 28 日在印度尼西亚帕卢发生的土壤液化包括有史以来最大的土壤运动之一, 其中地表上的物体移动了数百米, 居住点沉入泥土中。一些初步研究表明, 除了强烈地震外, 还有强烈迹象表明帕卢河谷的承压含水层加剧了液化。承压含水层的作用可以从各种迹象中早期识别出来, 即存在大量地表淹没, 怀疑是由于地下水排泄而被认为主要来自承压含水层。本文从地震水文地质学的角度描述了帕卢地区土壤液化的机理, 重点是从非承压含水层, 特别是从下伏承压含水层中通过两者之间的水力相互联系排泄的地下水, 这可能是由于同时相互作用近场地震驱动的超孔隙压力消散和渗透率增强。如果这个假设被证明是可信服的, 那么对工程实践就会产生影响, 因为目前在岩土工程领域进行的潜在土壤液化评估通常只涉及浅层地下水和/或非承压含水层的作用, 而土层的作用不深于地表地下30 m。可能有必要通过评估深层地下水对地震的响应来补充当前的评估实践, 特别是如果深层地下水具有相对薄的承压层, 是自流的和产水型的。

Abstrak

Likuifaksi tanah pada 28 September 2018 di Palu, Indonesia, termasuk salah satu pergerakan tanah terbesar yang pernah terjadi, padamana obyek-obyek di permukaan tanah bergerak beberapa ratus meter dan pemukiman tenggelam dalam lumpur. Beberapa studi pendahuluan menunjukkan, bahwa selain akibat gempa yang kuat, ada indikasi yang kuat, bahwa akuifer tertekan di lembah Palu memperparah likuifaksi tanah tersebut. Peran akuifer tertekan ini dapat dikenali secara awal dari beberapa tandanya, misalnya kehadiran genangan-genangan permukaan yang diduga berasal dari airtanah dalam, terutama dari akuifer tertekan. Makalah ini mendiskripsikan mekanisme likuifaksi tanah di Palu dari perspektif hidrogeologi kegempaan, yang berfokus pada airtanah yang dikeluarkan dari dalam akuifer tak tertekan dan terutama dari akuifer tertekan di bawahnya, melalui inter-koneksi hidraulik antar keduanya, yang dimungkinkan akibat interaksi simultan antara desipasi tekanan pori dan peningkatan permeability yang diakibatkan oleh sumber gempa di dalam daerah yang dekat. Jika hipotesis ini benar, maka terdapat implikasi untuk praktek kerekayasaan, karena evaluasi potensi likuifaksi tanah selama ini dilakukan di dalam rekayasa geoteknik umumnya hanya meninjau peran airtanah dangkal atau akuifer tak tertekan dari lapisan tanah yang tidak lebih dalam dari 30 meter dari permukaan tanah. Hasil-hasil yang disampaikan di dalam paper ini perlu menjadi komplementer pada evaluasi potensi likuifaksi tanah, padamana airtanah dalam berperan di dalam memperparah likuifaksi tanah, khususnya bila airtanah dalam tersebut bersifat artesian dan sangat produktif dengan lapisan akuitard atau akuiklud yang relatif tipis.

Resumo

A liquefação do solo em 28 de setembro de 2018 em Palu, Indonésia, incluiu um dos maiores movimentos de massa da história, onde objetos na superfície do solo se deslocaram centenas de metros de distância e assentamentos afundaram na lama. Alguns estudos preliminares indicam que, para além de um forte terremoto, há fortes indícios de que um aquífero confinado no vale do Palu agravou a liquefação. O papel do aquífero confinado pode ser identificado precocemente por um de seus vários sinais, a saber, a presença de inundações maciças em superfície suspeitas devido à descarga de águas subterrâneas que se pensa terem origem, na sua maioria, no aquífero confinado. Este artigo descreve o mecanismo de liquefação do solo em Palu a partir da perspectiva da hidrogeologia sísmica, concentrando-se nas águas subterrâneas expelidas de um aquífero não confinado e especialmente do aquífero confinado subjacente através da interconexão hidráulica entre os dois, o que é possível devido à interação simultânea da dissipação do excesso de pressão dos poros e do aumento da permeabilidade impulsionada por um terremoto no campo próximo. Se esta hipótese se revelar forte, há implicações para as práticas de engenharia pois a avaliação do potencial liquefação do solo realizada atualmente no campo da engenharia geotécnica geralmente envolve apenas o papel das águas subterrâneas rasas e/ou do aquífero não confinado e o papel das camadas do solo não mais profundas do que 30 m da superfície do solo. Poderá ser necessário complementar a prática atual de avaliação com uma avaliação da resposta das águas subterrâneas profundas aos terremotos, especialmente se as águas subterrâneas profundas forem artesianas e produtivas, com uma camada de confinamento relativamente fina.