北京市淺層剪切波速與隱伏構(gòu)造關(guān)系研究

玄月，吳 濤，劉 軒，李偉華，王金萍

（1.中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049；2.北京吉奧星地震工程勘測(cè)研究院，北京 100049）

0 引言

土層剪切波速是剪切波在土中的的傳播速度，是區(qū)別土動(dòng)力學(xué)與土靜力學(xué)的一個(gè)主要物理量，它反映了土層的剛度特征和土在動(dòng)力響應(yīng)下的慣性作用和波傳行為，因此也是反映土體在地震作用下動(dòng)力反應(yīng)的一個(gè)重要物理量［1－2］。可為了解場(chǎng)地土質(zhì)動(dòng)力參數(shù)和評(píng)估場(chǎng)地土動(dòng)力性質(zhì)提供重要的定量依據(jù)。到目前為止，剪切波速主要應(yīng)用于場(chǎng)地類別劃分、土力學(xué)參數(shù)確定［3］、砂土液化判別、地震反應(yīng)分析及估算場(chǎng)地卓越周期等。

近些年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)始研究淺層剪切波速與斷裂構(gòu)造的關(guān)系，但是研究還不夠深入，僅是在個(gè)別地區(qū)做了一些工作。根據(jù)前人研究成果，斷層造成了地層的不連續(xù)性，不同時(shí)代的地層以斷層接觸，越過(guò)斷層線，地層巖性可能發(fā)生極大變化，在同時(shí)代地層內(nèi)的斷層，雖然兩側(cè)的巖性變化較小，但地層層位和產(chǎn)狀會(huì)有明顯差異［4］。因此，斷裂斷錯(cuò)對(duì)剪切波速能夠產(chǎn)生一定的影響。本文充分吸收了前人在不同地區(qū)的研究方法，以北京平原區(qū)剪切波速資料為基礎(chǔ)，建立三維剪切波速度模型，獲取有代表性速度剖面，分析其與隱伏構(gòu)造之間的關(guān)系，對(duì)于隱伏構(gòu)造的研究，是一種直觀、可行和有效的方法。

1 大地構(gòu)造背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

研究區(qū)屬于華北地塊的一部分，北部屬于燕山褶皺帶，南部屬于冀中凹陷，其構(gòu)造格局在中生代末期形成。北京斷陷以西八寶山斷裂和黃莊－高麗營(yíng)斷裂與燕山褶皺帶相鄰，以東南苑—通縣斷裂與冀中凹陷相接，呈北北東走向、狹長(zhǎng)條形的中新生代斷陷盆地。其本身又被北西至近東西向南口－孫河斷裂分割為豐臺(tái)凹陷和順義凹陷，構(gòu)成若干次一級(jí)凹凸相間排列的構(gòu)造格局。第四紀(jì)以來(lái)，北京斷陷的豐臺(tái)凹陷的斷陷活動(dòng)逐漸停止，第四紀(jì)的沉積厚度一般為數(shù)十米。在新構(gòu)造時(shí)期由于北西向南口－孫河斷裂和北東向黃莊－高麗營(yíng)斷裂北段、順義－良鄉(xiāng)斷裂北段第四紀(jì)的活動(dòng)，形成了新的第四紀(jì)斷陷，其中以馬池口和順義斷陷盆地的形成為主要代表。研究區(qū)自南而北有大興凸起、豐臺(tái)凹陷、來(lái)廣營(yíng)凸起、沙河凹陷和順義凹陷（圖1）。

1.2 地貌及地層分布特征

研究區(qū)地表平坦，微向東南傾斜，平均坡降1‰左右。區(qū)內(nèi)河流較多，呈樹(shù)枝狀分布，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，特別是全新世以來(lái)，頻繁變遷，不斷侵蝕和堆積，塑造了現(xiàn)今的地貌景觀和地貌特征。

北京平原地區(qū)第四系主要為流水堆積物質(zhì)，除山麓地帶分布有殘坡積層和平原區(qū)零星分布的湖沼相沉積外，區(qū)內(nèi)廣泛分布有很厚的粘類土與砂類土互層沉積。在河流及其兩岸地勢(shì)低平的階地，河漫灘和湖沼洼地多為全新世的沉積。在河流出山后的河段上，沉積物以砂卵石為主，愈向下游顆粒愈細(xì)，多為粘類土與砂類土，表現(xiàn)出從上游到下游顆粒由粗到細(xì)的遞變規(guī)律［5］。

圖1 北京平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與波速剖面位置圖

第四紀(jì)以來(lái)，由于受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，山區(qū)不斷抬升，平原強(qiáng)烈下降，接受了巨厚的沉積物。但在不同地區(qū)，由于受斷裂活動(dòng)的影響和地理環(huán)境限制，沉積厚度有明顯的差異，形成幾個(gè)不同的沉積中心，如沙河凹陷、順義凹陷等。地層特征［6］如下：①全新統(tǒng)（Q4）以沖積為主，次為洪積及殘積等各種成因類型。全新世地層比較多地分布在北京平原的局部洪泛區(qū)以及切割上更新統(tǒng)沖積扇和臺(tái)地的現(xiàn)代河道與古河道中，構(gòu)成I級(jí)階地或高漫灘，另在山間洼地、低臺(tái)地等處亦有全新統(tǒng)分布，厚度一般為5～10m，最厚可達(dá)20m。②上更新統(tǒng)（Q3）在北京平原區(qū)及山前地帶分布很廣，成因?yàn)闆_積、洪積和坡洪積，主要巖性為褐黃、黃褐色砂質(zhì)粘土，粒度均勻，多孔隙，含礫石層。砂質(zhì)粘土在山前常形成黃土臺(tái)地，由山區(qū)向平原礫石粒度由粗變細(xì)。平原區(qū)厚度一般為20～30m，斷陷區(qū)厚可達(dá)30～50m，局部地區(qū)可達(dá)100m。③中更新統(tǒng)（Q2）地層多屬洪積、沖積、殘積等成因類型。主要巖性為棕紅色粘土、砂質(zhì)粘土及亞砂土，內(nèi)含少量白云巖角礫，主要分布在盆地中及山前局部隆起地帶或基巖殘山邊部，在平原相對(duì)沉降區(qū)厚度一般為60～200m。④下更新統(tǒng)（Q1）主要分布于北京斷陷區(qū)，地表分布面積和厚度極小。據(jù)李鼎容的研究［7］，該套地層以絳紅色砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂為主，夾砂土及砂礫石層，在順義孫河一帶沉積厚度較大。

2 剪切波速資料

2.1 資料來(lái)源

本文資料主要來(lái)源于中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心北京吉奧星地震工程勘測(cè)研究院完成的地震安全性評(píng)價(jià)項(xiàng)目，搜集并整理了部分勘察單位在本地區(qū)的巖土工程勘察成果，共整理了300多個(gè)鉆孔的剪切波速資料（圖1）。這些波速資料均到達(dá)了500m／s的層位，鉆孔深度主要集中在80～100 m 范圍內(nèi)，穿透了中晚第四紀(jì)地層。波速測(cè)試采用單孔測(cè)試法，采用廊坊大地公司的XG－1型懸掛式測(cè)井儀，采用井下自激自發(fā)方式，自下而上逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)距1.0m。該方法簡(jiǎn)單易行，測(cè)試精度高，在北京地區(qū)已經(jīng)廣泛采用，能夠有效識(shí)別土層中的薄層。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)已經(jīng)得到的鉆孔資料進(jìn)行初步對(duì)比分析，剔除有數(shù)據(jù)異常的鉆孔，根據(jù)鉆孔地層分布情況，按照原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)每1 m 的間隔進(jìn)行整理并錄入。以北京市城建坐標(biāo)高程為依據(jù)，進(jìn)行每一個(gè)鉆孔的高程校正。

數(shù)據(jù)整理和錄入后，按照經(jīng)緯度0.01°、深度1 m 間隔，劃分為0.01°×0.01°×1m 的三維網(wǎng)格，進(jìn)行線性插值，繪制成0～－100m 深度范圍內(nèi)的剪切波速三維圖像，截取了代表性的2個(gè)波速剖面［8］。

3 剪切波速結(jié)構(gòu)與隱伏構(gòu)造關(guān)系

根據(jù)隱伏構(gòu)造位置和鉆孔分布情況，選取了2個(gè)典型的剪切波速剖面，分析其與隱伏構(gòu)造之間的關(guān)系，剖面位置見(jiàn)圖1。Ⅰ－Ⅰ′剖面為北西西向，跨越了沙河凹陷和豐臺(tái)凹陷，止于大興凸起，與黃莊－高麗營(yíng)斷裂中段、順義－良鄉(xiāng)斷裂南段和南苑－通縣斷裂北段相交；Ⅱ－Ⅱ′剖面近南北向，起于沙河凹陷，橫跨了來(lái)廣營(yíng)凸起和豐臺(tái)凹陷，止于大興凸起，與黃莊－高麗營(yíng)斷裂北段、南口－孫河斷裂中段、順義－良鄉(xiāng)斷裂南段和南苑－通縣斷裂南段相交。圖2為剪切波速速度結(jié)構(gòu)與隱伏構(gòu)造的關(guān)系。

圖2 北京平原區(qū)剪切波速速度結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，北京市平原區(qū)的淺層剪切波速具有明顯的分層性，且與地貌特征相符合。圖2a自西向東，20～50m 深度底面，剪切波速屬于同一層位，波速在350m／s以內(nèi)；圖2b，45m 深度以內(nèi)屬于同一層位，波速在400m／s以內(nèi)。通過(guò)以上波速變化，表明該地區(qū)西部大部分地區(qū)場(chǎng)地類別以Ⅱ類為主，東部大部分地區(qū)場(chǎng)地類別為Ⅲ類。在中深部，波速明顯受到下部構(gòu)造單元和斷裂構(gòu)造的影響，同一構(gòu)造單元內(nèi)波速具有較好的成層性。

同時(shí)還可以看到，北京平原區(qū)的剪切波速具有明顯的不均勻性，不同地質(zhì)單元波速結(jié)構(gòu)差異明顯。波速等值線的變化與地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐只疽恢?，如沙河凹陷、豐臺(tái)凹陷和大興凸起等在波速剖面上都有明顯的顯示，斷裂的斷錯(cuò)對(duì)斷層兩側(cè)的波速變化產(chǎn)生明顯的影響。根據(jù)北京市新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，第四紀(jì)以來(lái)，山區(qū)不斷抬升，平原強(qiáng)烈下降，接受沉積。但在不同地區(qū)，由于受斷裂活動(dòng)的影響，沉積厚度有明顯的差異，形成幾個(gè)不同的沉積中心，如沙河凹陷、豐臺(tái)凹陷等。

圖2中我們注意到，黃莊－高麗營(yíng)斷裂和南苑－通縣斷裂兩側(cè)的波速具有明顯的變化，在深度60～80m 左右變化尤為明顯，這與北京市地震局在物探測(cè)線上發(fā)現(xiàn)的斷裂上斷點(diǎn)埋深是一致的，結(jié)合該剖面位置的地層年代，與前人研究給出的斷裂活動(dòng)時(shí)代相符合。

綜上所述，北京市平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元和隱伏構(gòu)造活動(dòng)對(duì)第四紀(jì)以來(lái)沉積及新構(gòu)造活動(dòng)具有明顯的控制作用，影響并控制了晚第四紀(jì)以來(lái)的沉積環(huán)境，從而對(duì)中淺部分的第四紀(jì)地層有一定影響。剪切波速的不均勻性對(duì)場(chǎng)地類別劃分和地震安評(píng)的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算都有明顯影響。

4 結(jié)論

本文統(tǒng)計(jì)了多年以來(lái)積累的鉆孔剪切波速數(shù)據(jù)，獲得了2個(gè)典型的波速結(jié)構(gòu)剖面，分析了淺層剪切波速與隱伏構(gòu)造的關(guān)系，得出如下結(jié)論：

（1）北京市淺層剪切波速具有明顯的成層性，其橫向不均勻性與地貌特征是相符合的。

（2）受到地質(zhì)構(gòu)造單元和隱伏斷裂的活動(dòng)影響，同一構(gòu)造單元內(nèi)波速具有較好的成層性和穩(wěn)定性；斷裂活動(dòng)對(duì)斷層兩側(cè)的剪切波速產(chǎn)生明顯的控制作用，黃莊－高麗營(yíng)斷裂和南苑－通縣斷裂等兩側(cè)的地層波速結(jié)構(gòu)明顯不同。

（3）淺層剪切波速能夠?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)造單元和斷裂的確定起到輔助作用。

［1］ 林建生.土層剪切波速在泉州市區(qū)場(chǎng)地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］.華南地震，1993，13（3）：37－44.

［2］ 汪聞韶.土工地震減災(zāi)工程中的一個(gè)重要參量——剪切波速［J］.水利學(xué)報(bào)，1994，（3）：80－84，89.

［3］ 呂國(guó)軍，田麗，張合，等.土層動(dòng)力參數(shù)變化對(duì)地表地震反應(yīng)影響的研究［J］.華北地震科學(xué)，2013，31（2）：18－22.

［4］ 溫瑞智，周正華，張平善，等.斷層場(chǎng)地地震動(dòng)分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2002，22（1）：21－27.

［5］ 焦青，邱澤華.北京平原地區(qū)主要活動(dòng)斷裂帶研究進(jìn)展［J］.地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集，2006，18：72－84.

［6］ 劉志輝，陳建強(qiáng).廊固凹陷冶煉廠孔孢粉組合及其地層意義［J］.華北地震科學(xué)，2013，31（2）：13－17.

［7］ 李鼎容，彭一民，劉清泗，等.北京平原區(qū)上新統(tǒng)－更新統(tǒng)的劃分［J］.地質(zhì)科學(xué)，1979，（4）：342－349.

［8］ 高武平，陳宇坤，任峰，等.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［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2012，7（2）：130－136.