天津?yàn)I海地區(qū)淺層剪切波速與基底構(gòu)造關(guān)系研究1

高武平 陳宇坤 任 峰 閆成國 王志勝 楊 菲

（天津市地震局，天津 300201）

天津?yàn)I海地區(qū)淺層剪切波速與基底構(gòu)造關(guān)系研究1

高武平 陳宇坤 任 峰 閆成國 王志勝 楊 菲

（天津市地震局，天津 300201）

剪切波速是反映土體動(dòng)力學(xué)特性的重要物理量之一，在土木工程抗震中有廣泛的應(yīng)用。本文收集整理了天津?yàn)I海地區(qū)500余口橫波測(cè)井資料，在經(jīng)緯向與垂直向以0.01°×0.01°×1m的三維網(wǎng)格進(jìn)行線性插值，獲得了天津?yàn)I海地區(qū)近地表剪切波速空間分布的精細(xì)圖像。根據(jù)資料分布與地質(zhì)構(gòu)造背景，選取 2個(gè)代表性波速剖面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，濱海地區(qū)淺部剪切波速結(jié)構(gòu)具有明顯的分層特征與橫向不均勻性，進(jìn)一步的分析認(rèn)為，不同地質(zhì)構(gòu)造單元的速度結(jié)構(gòu)具有明顯差異，在大型區(qū)域或邊界斷裂兩側(cè)波速結(jié)構(gòu)或受到擾動(dòng)或受到明顯影響，充分顯示了天津?yàn)I海地區(qū)基底構(gòu)造與斷裂活動(dòng)對(duì)晚第四紀(jì)沉積發(fā)展和地層發(fā)育的控制以及對(duì)工程地震地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的影響。

剪切波速 橫波測(cè)井 天津?yàn)I海地區(qū) 波速結(jié)構(gòu) 構(gòu)造單元 斷層 第四系

引言

剪切波速是反映土體動(dòng)力學(xué)特性的重要物理量之一，在土木抗震工程中的場(chǎng)地類別劃分、液化判別、場(chǎng)地地震反應(yīng)分析等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，獲取場(chǎng)地剪切波速的方法有多種，波速測(cè)井是其中最直接、有效的方法之一，但鑒于需要開拓鉆孔，經(jīng)費(fèi)昂貴，波速測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)量及覆蓋都很有限，這也使對(duì)測(cè)井波速數(shù)據(jù)的應(yīng)用多集中在了對(duì)剪切波速、深度、巖性等關(guān)系的研究（高飛等，2005；陳國興等，1998；詹晨曦，2004）。隨著各個(gè)地區(qū)特別是經(jīng)濟(jì)新區(qū)的大規(guī)模發(fā)展以及大量基礎(chǔ)工程的開展，波速測(cè)井資料也在長期的積累中不斷得到豐富。天津?yàn)I海地區(qū)就是波速測(cè)井資料較為豐富的地區(qū)之一，特別是近年來重大工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和大量地震鉆孔的開展，積累了數(shù)量眾多且覆蓋較好的測(cè)井資料。這些資料的獲得為利用波速測(cè)井資料開展更廣泛的研究創(chuàng)造了有利條件。

近幾十年來，研究波速結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系得到了廣泛開展并取得了許多有影響的成果。特別是深地震反射探測(cè)，在研究中、深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和探索大震孕震環(huán)境與發(fā)震構(gòu)造等方面有其獨(dú)到之處（王椿鏞等，1993）；淺層人工地震勘探在當(dāng)前的隱伏斷層探測(cè)中占有重要一席(何正勤等，2007a；2010)；面波勘探在淺部波速結(jié)構(gòu)探測(cè)（何正勤等，2007b）、場(chǎng)地勘察中也取得了很好的效果（王振東，2006；崔建文等，1996）。但這些探測(cè)都是間接的，獲得直接有效的波速結(jié)構(gòu)一直是眾多學(xué)者努力的方向。本文以最直接、有效的橫波測(cè)井資料為基礎(chǔ)，建立了天津?yàn)I海地區(qū)精度較高的淺層剪切波速三維結(jié)構(gòu)，對(duì)其典型特征的構(gòu)造意義進(jìn)行了分析，以期獲得對(duì)該地區(qū)波速結(jié)構(gòu)與淺部構(gòu)造關(guān)系的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在橫波測(cè)井資料的應(yīng)用中也進(jìn)行了一次有意義的嘗試。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

研究區(qū)位于渤海灣西岸，地勢(shì)平坦，覆蓋濱海新區(qū)—天津市市區(qū)一線及周邊地區(qū)，范圍為：北緯38.6°—39.3°，東經(jīng)117°—117.9°。在大地構(gòu)造上，主要跨越滄縣隆起與黃驊坳陷兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，在其西北包含部分冀中坳陷（圖1）。滄縣隆起是一北北東向的狹長隆起，夾于黃驊坳陷與冀中坳陷之間，東西兩邊分別被滄東斷裂和大城東斷裂圍割，西北呈緩坡狀向冀中坳陷過渡。該隆起東陡西緩，平行軸間斷裂發(fā)育，并伴生有近于直交的張性斷裂，如海河斷裂等。受這些斷裂的圍割，發(fā)育了相間排列的凹陷和凸起，如潘莊凸起、白塘口凹陷等。黃驊坳陷是一個(gè)與滄縣隆起近平行的坳陷，以滄東斷裂與之相鄰，東部進(jìn)入渤海灣，呈逐漸向渤海坳陷過渡。坳陷軸向?yàn)楸北睎|向，向北轉(zhuǎn)為北東向，受北西西—北西向斷裂交叉分割，區(qū)內(nèi)凹陷和凸起相間排列，如板橋凹陷、塘沽鼻狀凸起、北塘凹陷等。

圖1 天津?yàn)I海地區(qū)大地構(gòu)造與速度剖面位置圖Fig. 1 Tectonic background of Tianjin coastal area and location of velocity profiles

區(qū)內(nèi)發(fā)育隱伏斷裂多條，其中滄東斷裂、海河斷裂為兩條區(qū)域性斷裂，對(duì)研究區(qū)的整體構(gòu)造演化具有一定的控制作用，天津斷裂、漢沽斷裂等構(gòu)造單元邊界斷裂進(jìn)一步交錯(cuò)圍割，形成了研究區(qū)多凹、多凸，凹凸相間的構(gòu)造格局。

有資料表明，新生代以來黃驊坳陷與滄縣隆起這兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元的沉積發(fā)育歷史和構(gòu)造活動(dòng)狀況都有明顯差異（陳宇坤等，2004）。

1.2 第四紀(jì)沉積條件

第四紀(jì)以來，渤海灣地區(qū)相對(duì)沉降，接受了廣泛的沉積。從早更新世至中更新世，古渤海曾多次出現(xiàn)海面變動(dòng)，幾次海水西侵到北京及京漢鐵路以東的較大地區(qū)(黃福林等，1993)。晚更新世開始，發(fā)生了多次大規(guī)模的海侵與海退，形成了海、陸相地層相互交替和相互疊置的第四系。

研究區(qū)第四系覆蓋廣泛，以沖積、湖積和海積為主，是一起伏很小的沖積—海積平原。區(qū)內(nèi)第四系層位相對(duì)穩(wěn)定，其巖性特征和厚度變化都嚴(yán)格受基底構(gòu)造和氣候變化的控制（圖1）。根據(jù)天津?yàn)I海平原的第四紀(jì)地層剖面，研究區(qū)內(nèi)第四系巖性變化復(fù)雜，多薄層、互層，為松軟海陸交互相沉積。主要地層底板埋深大致為：全新統(tǒng)在-20m左右；更新世上段為-70—-80m；更新世中段為-180—-210m；更新世下段為-400m（王強(qiáng)等，1986；天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1992）。地層特征如下：①全新統(tǒng)多為海相的灰綠色粘土和等亞粘、亞砂土。中段為灰綠-淺灰色淤泥質(zhì)亞砂-亞粘土。主要為海相、河道相、三角洲相及瀉湖相，含海相化石。底部含有泥炭層，為海侵前的濱海沼澤相沉積，見咸淡水生物化石。②上更新統(tǒng)以灰黃色、土黃、棕黃色亞砂-亞粘土為主，間有黃棕、灰綠色亞粘土和黑色泥炭。為河流相，海相，潮汐相，汊河-河流相，瀉湖相、湖濱相夾海相等，含旋螺、沼螺、麗蚌等陸相生物化石。③中更新統(tǒng)土層顏色灰黃，砂性增強(qiáng)，以亞粘，亞砂為主，粘土少量。鈣核和鐵核極為發(fā)育，屬湖相為主的類河流相沉積；下部以河口外壩、河口壩、汊河相和淺湖相，瀉湖相沉積為主，含淡水生物化石組合為主，有海水侵入的海陸交互相。④下更新統(tǒng)為紅棕色夾棕黃，灰黃，灰綠色亞粘土和粘土，局部夾亞砂中細(xì)砂。以湖相為主，夾有河流沖擊相；與下伏第三系是不整合接觸，其間有一含泥砂礫層。

區(qū)內(nèi)第四系受基底構(gòu)造影響十分明顯，坳陷區(qū)與隆起區(qū)的第四紀(jì)地層在巖性、顏色、厚度、生物特征與沉積結(jié)構(gòu)、類型、體系等方面都有較明顯不同（王強(qiáng)等，1983，天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1992）。徐杰等（2004）通過對(duì)第四系厚度分布與盆地構(gòu)造的關(guān)系研究表明，隆起的上第四系較薄，而坳陷內(nèi)的第四系較厚。

2 波速測(cè)井資料

2.1 資料來源

波速測(cè)井資料主要來源于天津市地震災(zāi)害防御中心承擔(dān)的地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目。本文共收集整理了2004—2011年期間在天津市及濱海地區(qū)開展的500多個(gè)地震安全性評(píng)價(jià)鉆孔波速測(cè)井資料（圖1）。這些波速測(cè)井鉆孔均超過80m，絕大多數(shù)集中在100—120m范圍，部分超過120m至150m，穿透了中晚第四紀(jì)地層。測(cè)試儀器為XG-I型懸掛式波速測(cè)井儀（圖2）。采用了單孔檢層法，以井液做耦合劑，探頭無需貼壁，振源與探頭距離固定為2m，2個(gè)探頭間距1.0m。利用互相關(guān)分析法直接計(jì)算2個(gè)探頭間的時(shí)間差，消除了儀器系統(tǒng)延時(shí)人工讀取初至?xí)r間可能產(chǎn)生的誤差，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示波速值，測(cè)試精度比較高，其基本原理如圖2所示。測(cè)試時(shí)，自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)間距1.0m。該方法簡(jiǎn)單有效，測(cè)試精度較高。對(duì)于天津?yàn)I海地區(qū)海陸交互相互層、薄層、夾層發(fā)育較多地層尤其實(shí)用，據(jù)張棟等（2005）與陳哲等（2010）的研究，單孔檢層法對(duì)地層中的薄層、互層非常靈敏，能夠有效識(shí)別巖土層中的薄夾層。

圖2 XG－I型懸掛式波速測(cè)井儀工作示意圖Fig. 2 The schematic drawing of principle of XG-I type suspended logger

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)量比較大，獲取時(shí)間不一，為保證數(shù)據(jù)的精度，進(jìn)行了三方面的工作：①對(duì)每一孔的原始記錄波形進(jìn)行了重新校核，獲取了每一孔的1m間隔的剪切波速數(shù)據(jù)；②將每個(gè)孔的高程都統(tǒng)一到大沽高程，由于高程對(duì)后續(xù)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大影響，因此必須對(duì)高程進(jìn)行統(tǒng)一，這里選用了在天津地區(qū)廣泛使用的大沽高程系統(tǒng)；③對(duì)部分異常較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，特別是早期獲得的數(shù)據(jù)及其他單位測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)存在這樣的問題。

然后將研究區(qū)范圍經(jīng)緯向按0.01度間隔，深度方向按1m間隔，劃分為0.01°×0.01°× 1m三維網(wǎng)格，進(jìn)行線性插值，形成研究區(qū)0— -120m深度范圍的剪切波速三維圖像。在求取波速剖面時(shí)，進(jìn)行了相應(yīng)的坐標(biāo)變換。

3 波速結(jié)構(gòu)特征與基底構(gòu)造關(guān)系

本文根據(jù)鉆孔分布及大地構(gòu)造單元位置情況，選取了2個(gè)典型的剪切波速剖面開展研究，剖面位置見圖1。AA’剖面為北北東向，跨越了黃驊坳陷內(nèi)港西低凸起、板橋凹陷、塘沽鼻狀凸起、北塘凹陷及寧河凸起等四級(jí)地質(zhì)構(gòu)造單元，與海河斷裂、漢沽斷裂等邊界性斷裂近垂直相交；BB’剖面為北西向，橫跨黃驊坳陷與滄縣隆起，并向西北延伸到冀中坳陷，穿過其中的多個(gè)凹陷與凸起，與滄東斷裂、天津斷裂等近垂直相交。圖3顯示了各剖面的剪切波速結(jié)構(gòu)。

圖3顯示，天津?yàn)I海地區(qū)的剪切波速在淺部地層中變化比較平緩，具有明顯的分層性。20m深度以上地層剪切波速大部分在250m/s以下，局部在150m/s以下，結(jié)合天津?yàn)I海地區(qū)大部分地區(qū)覆蓋層厚度超過80m的情況，可初步判定天津?yàn)I海地區(qū)的場(chǎng)地類別以Ⅲ類為主，濱海地區(qū)局部場(chǎng)地類別達(dá)到Ⅳ類。在50—60m以下的中深部，剪切波速仍表現(xiàn)出較好的成層性，但明顯受到下部構(gòu)造單元和斷裂構(gòu)造的影響，在同一構(gòu)造單元內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性。由剪切波速反應(yīng)的假想基巖面埋深在隆起和坳陷區(qū)存在較大差異，受構(gòu)造單元和基底斷裂的影響很大。在滄東斷裂以西的滄縣隆起，假想基巖面埋深僅為80m左右，在滄縣隆起內(nèi)部的白塘口凹陷深度約 90m。然而在黃驊坳陷中覆蓋層深度一般達(dá)到了 100m，坳陷中心地區(qū)達(dá)到了110m深度。

從圖3中還可以明顯地看出，總體上天津地區(qū)的剪切波速結(jié)構(gòu)具有明顯的橫向不均勻性，不同構(gòu)造單元的波速結(jié)構(gòu)差異明顯，這種差異隨著埋深加深而更為顯現(xiàn)。圖3中20m以上的波速等值線變化不大，反映天津地區(qū)晚更新世晚期至全新世以來以穩(wěn)定的濱海相沉積為主。20m以下的等值線凹凸變化明顯加大，且與地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐只疽恢?。如北塘凹陷、白塘口凹陷、板橋凹陷、小韓莊凸起、塘沽鼻狀凸起等在波速剖面圖上都有明顯的顯示，這反映出基底構(gòu)造單元對(duì)更新世晚期的沉積狀態(tài)有較大影響。圖3（b）顯示，剪切波速等值線具有一定的向渤海傾斜的趨勢(shì)，這可能是新構(gòu)造時(shí)期以來以渤海灣盆地為沉積中心的指向性顯示。對(duì)渤海灣多次海侵與海退的研究顯示，第四紀(jì)以來，以渤海為中心的廣大地區(qū)一直在相對(duì)沉降，顯示了濱海地區(qū)第四系在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期的繼承性特點(diǎn)。

圖3 天津?yàn)I海地區(qū)剪切速度結(jié)構(gòu)Fig. 3 Shear wave velocity profiles in Tianjin coastal area

剪切波速剖面圖不僅對(duì)地質(zhì)構(gòu)造單元有清晰的顯示，如顯示出黃驊坳陷與滄縣隆起這一坳-隆明顯的波速結(jié)構(gòu)差異，還顯示了區(qū)域性斷裂及邊界斷裂的作用和影響。

在圖3（a）中，海河斷裂兩側(cè)的波速結(jié)構(gòu)有很明顯的擾動(dòng)，擾動(dòng)深度達(dá)到了20m左右，這與陳宇坤等（2004）對(duì)鄧善沽鉆孔地層對(duì)比剖面揭示的海河斷裂東段最淺上斷點(diǎn)埋深為16.9m比較接近，反映出海河斷裂晚更新世至全新世仍有活動(dòng)跡象。圖中顯示地層波速擾動(dòng)寬度達(dá)到數(shù)千米，這也與海河斷裂在上部地層中表現(xiàn)為發(fā)散狀的結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān)。漢沽斷裂兩側(cè)的波速結(jié)構(gòu)變化十分明顯，深度達(dá)到40m，與該斷層鉆孔地層對(duì)比結(jié)果顯示的47.7m的上斷點(diǎn)深度比較接近1天津市地震災(zāi)害防御中心，2010. 濱海新區(qū)主要斷裂及其活動(dòng)性探測(cè)與研究報(bào)告.。滄東斷裂與天津南斷裂的影響深度相對(duì)較深，在60m左右，反映了這兩條斷裂在晚第四紀(jì)以來活動(dòng)性較弱的特征2天津市地震局，2007. 天津市活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)技術(shù)報(bào)告.。在圖3中滄東斷裂是黃驊坳陷與滄縣隆起的明顯分界，漢沽斷裂是北塘凹陷與寧河凸起的分界斷裂，漢沽斷裂兩側(cè)，波速等值線深度差異達(dá)20多米以上。

綜上所述，天津?yàn)I海地區(qū)的基底構(gòu)造與斷裂活動(dòng)雖然在晚第四紀(jì)以來活動(dòng)逐漸減弱，但仍然具有繼承性活動(dòng)特點(diǎn)，并影響和控制了其上的晚第四紀(jì)沉積環(huán)境變化和地層發(fā)育歷史，從而影響了中淺部晚第四紀(jì)地層的剪切波速特征，使中淺部剪切波速結(jié)構(gòu)和假想基巖面埋深出現(xiàn)了明顯的橫向不均性，這對(duì)本地區(qū)的場(chǎng)地類別劃分、工程地震地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與工程場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算都具有重要影響。

4 結(jié)論

（1）天津?yàn)I海地區(qū)的剪切波速在淺部地層中分布比較平緩，具有明顯的分層性。淺部地層剪切波速顯示天津地區(qū)的場(chǎng)地類別主要以Ⅲ類為主，濱海地區(qū)局部場(chǎng)地類別達(dá)到Ⅳ類。

（2）中深部地層波速明顯受下部構(gòu)造單元和斷裂構(gòu)造的影響，在同一構(gòu)造單元內(nèi)表現(xiàn)出較好的成層性和穩(wěn)定性，但構(gòu)造單元之間差異較大。由剪切波速反映的假想基巖面埋深受構(gòu)造單元和基底斷裂的影響很大。

（3）區(qū)域性斷裂及邊界斷裂對(duì)上部地層剪切波速結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了明顯的控制作用和影響，海河斷裂、滄東斷裂、漢沽斷裂等兩側(cè)的地層波速結(jié)構(gòu)明顯不同。地層波速影響深度的不同也反映了各斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)性的差異。

（4）天津?yàn)I海地區(qū)的基底構(gòu)造與斷裂活動(dòng)雖然在晚第四紀(jì)以來活動(dòng)逐漸減弱，但仍然影響和控制了其上的晚第四紀(jì)沉積環(huán)境變化和地層發(fā)育歷史，從而影響了中淺部晚第四紀(jì)地層的剪切波速特征，使中淺部剪切波速結(jié)構(gòu)和假想基巖面埋深出現(xiàn)了明顯的橫向不均勻性。

上述這些影響和控制作用，對(duì)本地區(qū)的場(chǎng)地類別劃分、工程地震地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與工程場(chǎng)地地震反應(yīng)分析都具有重要影響。

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Study of Relation between Shallow Shear Wave Velocity and Basement Structure in Tianjin Coastal Area

Gao Wuping, Chen Yukun, Ren Feng, Yan Chengguo, Wang Zhisheng and Yang Fei

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China)

Shear wave velocity is one of the important dynamic characters of soil layer and has been applied widely in anti-seismatic engineering. In this paper, we used drill logging data from 500 logs and made a linear interpolation based on 0.01°×0.01°×1m grid to obtain a shallow 3-D shear wave velocity structure of Tianjin coastal area. Two typical velocity profiles are selected based on the geological background to explain the relationship to the basement structure. The results show that the shear wave velocity structure is clearly characterized by stratification and lateral inhomogeneity. Moreover, the shear wave structure is significantly different in different tectonic units. Therefore, it is reasonable to believe that the basement structure and faults activity here in Tianjin coastal area have a good control of sedimentation development and strata formation in the Quaternary period, which will play an important role in seismic engineering and geological condition evaluation.

Shear wave velocity; Transverse wave well logging; Tianjin Coastal area; Velocity structure; Tectonic element; Fault; Quaternary

高武平，陳宇坤，任峰，閆成國，王志勝，楊菲，2012.天津?yàn)I海地區(qū)淺層剪切波速與基底構(gòu)造關(guān)系研究.震災(zāi)防御技術(shù)，7（2）：130—136.

天津市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目（合同編號(hào)：07FDZDSF02102）與天津市礦產(chǎn)資源補(bǔ)償費(fèi)地質(zhì)項(xiàng)目（合同編號(hào)：國土房任［2009］20號(hào)）聯(lián)合資助

2011-12-14

高武平，男，生于1981年。2003年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦專業(yè)；2006年在中國地震局地球物理研究所獲得地球信息與探測(cè)技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位；工程師。主要從事地震安全性評(píng)價(jià)、軟土場(chǎng)地頻譜特性等研究。E-mail: gwpp123@126.com