玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的關(guān)系研究*

李鐵飛 陳學(xué)良 高孟潭

(中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所)

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玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的關(guān)系研究*

李鐵飛 陳學(xué)良*高孟潭

(中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所)

以玉溪盆地16個(gè)鉆孔的柱狀圖和波速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 統(tǒng)計(jì)分析了具有不同顆粒特征的土層埋深與剪切波速之間的關(guān)系， 給出了玉溪盆地內(nèi)角礫、 礫石、 圓礫、 礫砂、 細(xì)砂和淤泥質(zhì)黏土等土層在80 m深度范圍內(nèi)深度與剪切波速的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系． 通過(guò)分析不同顆粒大小、 不同磨圓程度土層剪切波速特征， 認(rèn)為土層的波速特征與其形成時(shí)所處的沉積環(huán)境有一定的關(guān)系， 并以玉溪盆地淺層土層為例， 給出了一種根據(jù)具有明顯顆粒特征土層估算未測(cè)波速鉆孔的等效剪切波速的方法．

顆粒特征 剪切波速 沉積環(huán)境 統(tǒng)計(jì)分析

引言

沉積環(huán)境和沉積作用的各種特點(diǎn)會(huì)在沉積產(chǎn)物中留下某些記錄, 對(duì)于土壤而言， 主要表現(xiàn)為土層顆粒的來(lái)源、 幾何形態(tài)、 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等方面的差異(王良忱， 張金亮， 1996)． 例如， 水動(dòng)力環(huán)境會(huì)影響沉積物顆粒的大小和磨圓度等性狀， 從而影響其形成的沉積層的物理性質(zhì)． 沉積土層的物理性質(zhì)及其分層結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了地下的速度結(jié)構(gòu)， 從而對(duì)地震動(dòng)產(chǎn)生了一定程度的影響； 尤其對(duì)于局部地質(zhì)條件， 如地表幾十米以內(nèi)的土壤沉積層， 這種影響更為顯著． 局部地質(zhì)條件在地震工程學(xué)中一般稱為場(chǎng)地條件． 國(guó)內(nèi)外的震害經(jīng)驗(yàn)一致表明， 場(chǎng)地條件是引起地表震害和地震動(dòng)局部變化的主要因素， 而場(chǎng)地土層對(duì)震害的影響在場(chǎng)地條件中占首要地位(薄景山等， 2003； 胡聿賢， 2006)， 其中土層剪切波速及其在空間上的速度結(jié)構(gòu)是對(duì)地面運(yùn)動(dòng)影響最大的因素． 因此， 對(duì)土層顆粒特征與土層剪切波速的關(guān)系進(jìn)行研究， 有助于認(rèn)識(shí)、 驗(yàn)證、 預(yù)估不同地區(qū)土層的物理力學(xué)特性及其對(duì)地震動(dòng)的影響．

云南地區(qū)多山， 其城市和人口多分布于山間盆地， 而沉積盆地是一種典型的復(fù)雜場(chǎng)地條件． 在很多情況下， 沉積盆地會(huì)加重地表震害， 盆地效應(yīng)的研究在工程抗震驗(yàn)算的地震動(dòng)定量估計(jì)、 重大工程與重要建筑物的建筑選址與抗震設(shè)計(jì)、 地震小區(qū)化等領(lǐng)域具有重要意義． 玉溪盆地是云南地區(qū)具有代表性的山間沉積盆地之一， 處于該盆地的玉溪市經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)、 人口密度較大， 且歷史上發(fā)生過(guò)1970年通海MS7.8地震， 死亡人數(shù)超過(guò)1萬(wàn)5000人， 震害嚴(yán)重， 地震風(fēng)險(xiǎn)較高． 因此， 本文將對(duì)玉溪盆地淺層土層顆粒特征與土層剪切波速的關(guān)系進(jìn)行分析．

建立高精度速度結(jié)構(gòu)模型是研究場(chǎng)地效應(yīng)、 盆地效應(yīng)的有效方法， 該方法需要以大量的地球物理勘探資料為基礎(chǔ)． 然而， 地球物理勘探的成本較高， 且對(duì)于人口、 建筑密集的地區(qū)進(jìn)行地球物理勘探， 尤其是鉆孔鉆探， 具有很大的難度． 本文嘗試?yán)锰囟ㄍ翆拥念w粒特征估計(jì)其等效剪切波速的方法， 將未進(jìn)行波速測(cè)井的鉆孔數(shù)據(jù)應(yīng)用于場(chǎng)地模型的構(gòu)建， 以增加場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性； 同時(shí)將受沉積環(huán)境影響的土層顆粒特征與剪切波速建立一定的聯(lián)系， 這樣就可以在地球物理勘探資料有限的情況下， 利用地質(zhì)資料對(duì)場(chǎng)地條件特征進(jìn)行更深入的認(rèn)識(shí)．

1 土層剪切波速與埋深關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析

玉溪盆地地處云貴高原西南部的盆嶺分布區(qū)， 是發(fā)育于NS走向的普渡河斷裂帶南端的一個(gè)較大的沉積盆地， 其淺層沉積土層主要為沖洪積成因(朱炎銘， 1997)． 本文所使用的資料來(lái)自中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣探測(cè)項(xiàng)目在玉溪盆地進(jìn)行的16個(gè)鉆孔的鉆探及剪切波測(cè)井工作， 鉆孔深度均大于80 m， 地層均為第四系沉積土層．

對(duì)鉆孔柱狀圖和波速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理， 得到了黏土層、 角礫層、 礫石層、 圓礫層、 礫砂層、 細(xì)砂層以及淤泥質(zhì)黏土層的深度、 層厚度、 層平均波速以及鉆孔柱狀圖所給出的土層顆粒大小、 顆粒磨圓度等土層顆粒特征， 分別采用線性擬合(y=a+bx)、 多項(xiàng)式擬合(y=a+bx+cx2)及指數(shù)擬合(y=axb)等3種常用的經(jīng)驗(yàn)公式(劉紅帥等， 2010； 邱志剛等， 2011)統(tǒng)計(jì)了不同類型土層的埋深與剪切波速的擬合關(guān)系， 擬合結(jié)果列于表1． 可以看出： 除黏土層以外， 其余各層較所有土層的校正決定系數(shù)更接近于1， 平均方差更小， 這表明玉溪盆地中的角礫層、 礫石層、 圓礫層、 礫砂層和細(xì)砂層的埋深與剪切波速的相關(guān)性較高； 角礫層、 礫砂層和細(xì)砂層采用多項(xiàng)式擬合的結(jié)果最好， 礫石層、 圓礫層和淤泥質(zhì)黏土層采用線性擬合的結(jié)果最好； 黏土層的擬合度較差， 離散性較大； 指數(shù)擬合的結(jié)果較差， 表明該方法不適用．

表1 玉溪盆地淺層土層深度-波速擬合結(jié)果

玉溪盆地淺層土層的擬合結(jié)果表明， 具有明顯顆粒特征的土層的埋深與剪切波速的相關(guān)性較高， 其主要原因是具有相同顆粒特征的土層具有相似的沉積物源， 形成于相似的沉積環(huán)境中， 并分布于盆地內(nèi)地質(zhì)條件相似、 地理位置相近的區(qū)域內(nèi)， 具有相似的物理性質(zhì)． 對(duì)于玉溪盆地內(nèi)的黏土層， 難以從柱狀圖的描述中獲得明顯的顆粒特征， 故無(wú)法對(duì)其作進(jìn)一步分類， 這是由黏土本身顆粒較小的特點(diǎn)所決定的； 同時(shí)， 黏土層廣泛分布于盆地內(nèi)各個(gè)位置， 在所有鉆孔內(nèi)均可見， 因此將其作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的離散性較大．

圖1 玉溪盆地淺層土層的深度-剪切波速線性擬合(a)與多項(xiàng)式擬合(b)結(jié)果對(duì)比

另外， 玉溪盆地淺層土層的剪切波速與其顆粒特征也有一定的關(guān)系． 主要由洪積物、 坡積物形成的土層， 如角礫層、 礫石層， 其顆粒較大， 磨圓度低， 剪切波速較高； 主要由河流沖積物形成的土層， 如細(xì)砂層、 圓礫層， 其顆粒較小， 磨圓度高， 剪切波速較低； 主要由河灘沉積形成的淤泥質(zhì)黏土層， 其剪切波速最低．

2 沉積環(huán)境與剪切波速的關(guān)系

為了研究玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的關(guān)系， 將鉆孔數(shù)據(jù)按沉積物的磨圓度和顆粒大小進(jìn)行重新分類． 其中， 角礫層和礫石層的磨圓度低， 圓礫層和礫砂層的磨圓度中等， 細(xì)砂層的磨圓度高； 直徑φ為2—20 mm及以上為顆粒大，φ為2—10 mm為顆粒中，φ<2 mm為顆粒?。?/p>

由表1和圖1可知: 線性擬合方法在擬合度上與多項(xiàng)式擬合方法相近， 能更清晰地體現(xiàn)出不同土層的剪切波速特征； 對(duì)于樣本點(diǎn)較少的情況， 多項(xiàng)式擬合結(jié)果可能出現(xiàn)誤差(圖1b中的淤泥質(zhì)黏土層)．

按照土層顆粒磨圓度分類的深度與剪切波速的擬合結(jié)果見表2和圖2． 可以看出， 玉溪盆地中顆粒特征明顯的土層的剪切波速與顆粒的磨圓程度有一定的關(guān)系， 即磨圓程度越低， 其剪切波速越高． 按照土層顆粒大小分類的深度與剪切波速的擬合結(jié)果見表3和圖3． 可以看出， 土層剪切波速與沉積物的顆粒大小也有明顯的關(guān)系， 即沉積物的顆粒越大， 其剪切波速越高．

由于玉溪盆地的淺層土層主要為沖積、 洪積成因， 故推測(cè)淺層土層的剪切波速與其形成時(shí)所處的水動(dòng)力沉積環(huán)境有一定的關(guān)系． 沉積物的顆粒大小與水流的搬運(yùn)能力有關(guān)， 水流量越大、 流速越快， 則其能夠搬運(yùn)的沉積物顆粒越大， 較大的顆粒往往會(huì)沉積在水系的上游， 而較小的顆粒往往會(huì)沉積在水系的下游． 與此同時(shí)， 在搬運(yùn)過(guò)程中， 顆粒被水流侵蝕、 互相碰撞， 其磨圓程度會(huì)增高． 因此， 玉溪盆地淺層土層的剪切波速與其形成時(shí)所處的水動(dòng)力環(huán)境有關(guān)， 具體表現(xiàn)為： 顆粒較小的沉積物在水流中搬運(yùn)的距離較長(zhǎng)， 其磨圓度較高， 所形成的沉積層波速較低； 顆粒較大的沉積物在水流中搬運(yùn)的距離較短， 其磨圓度較低， 所形成的沉積層波速較高． 這一方面是由于不同大小和磨圓度的顆粒對(duì)沉積土層的密實(shí)程度、 孔隙率、 含水率等特征具有影響， 另一方面是由于不同顆粒大小的沉積物的沉積物源不同， 其本身的彈性模量也不同． 較小顆?？赡軄?lái)自風(fēng)化程度較高的軟弱巖石， 其本身的彈性模量較低； 而較大顆粒可能來(lái)自風(fēng)化程度較低的堅(jiān)硬巖石， 其本身的彈性模量較高．

表2 玉溪盆地不同磨圓度的土層深度-波速線性擬合結(jié)果

表3 玉溪盆地不同顆粒大小的土層深度-波速線性擬合結(jié)果

注：φ表示直徑， 單位為mm.

圖2 玉溪盆地不同磨圓度的土層

總體而言， 對(duì)于玉溪盆地中沉積物顆粒特征明顯的土層， 距其碎屑物源供給區(qū)越遠(yuǎn)， 其剪切波速越低．

3 鉆孔的等效剪切波速估計(jì)

對(duì)于一些地質(zhì)或工程中的鉆孔資料， 通常其柱狀圖中只有土層分層及性質(zhì)描述， 而無(wú)波速測(cè)試資料． 利用前文得到的玉溪盆地顆粒特征明顯的土層的深度-波速擬合結(jié)果， 可以給出一種由該類土層估計(jì)玉溪盆地鉆孔80 m深度范圍內(nèi)等效波速的方法， 從而利用只有地層分層及性質(zhì)的鉆孔資料， 在地震地面運(yùn)動(dòng)分析時(shí)作為有波速測(cè)井的鉆孔資料的補(bǔ)充．

對(duì)目標(biāo)鉆孔的土層分類與埋深進(jìn)行整理， 由前文給出的擬合經(jīng)驗(yàn)公式即可得到目標(biāo)鉆孔中若干個(gè)顆粒特征明顯的土層的剪切波速． 考慮到離散性較大的黏土層的影響， 本文使用顆粒特征明顯的土層的數(shù)據(jù)對(duì)黏土層的剪切波速進(jìn)行修正．

在母語(yǔ)磨蝕研究中，研究者們提出了各種假說(shuō)來(lái)解釋母語(yǔ)磨蝕的發(fā)生機(jī)制。大部分假說(shuō)后來(lái)都被運(yùn)用到二語(yǔ)磨蝕研究中。本節(jié)擬討論其中的六種假說(shuō)，即“退化假說(shuō)”“門檻假說(shuō)”“干擾假說(shuō)”“簡(jiǎn)化假說(shuō)”“標(biāo)記性假說(shuō)”和“語(yǔ)言休眠假說(shuō)”。

假設(shè)黏土層的剪切波速與其所在鉆孔的其它土層的顆粒特征有一定關(guān)系， 即在形成較大顆粒的沉積土層的環(huán)境中， 其形成的黏土層剪切波速也較大． 依據(jù)上述假設(shè)， 本文將玉溪盆地的黏土層按照其所處鉆孔土層的顆粒大小進(jìn)行分類， 直徑φ為2—20 mm及以上為顆粒大，φ為2—10 mm為顆粒中，φ<2 mm為顆粒小， 分別對(duì)其進(jìn)行深度-波速關(guān)系的擬合， 結(jié)果列于表4． 可以看出， 按照假設(shè)分類后黏土層的擬合度明顯提高， 表明這種假設(shè)在一定程度上反映了玉溪盆地黏土層的剪切波速特性． 同時(shí)， 處于土層顆粒較大鉆孔的黏土層的剪切波速較高， 這一方面表明黏土層的剪切波速受到沉積環(huán)境因素的影響， 且與顆粒特征明顯的土層具有相似的規(guī)律； 另一方面， 可能是由于黏土層混有少量的上覆、 下覆地層的顆粒， 但在柱狀圖描述中未體現(xiàn)．

表4 玉溪盆地不同顆粒大小的黏土層的深度-波速線性擬合結(jié)果

注：φ表示直徑, 單位為mm.

由上述擬合結(jié)果， 即可得到修正后的黏土層的波速估計(jì)值． 對(duì)目標(biāo)鉆孔所有土層的估計(jì)剪切波速進(jìn)行深度-速度關(guān)系擬合， 即可得到目標(biāo)鉆孔在一定深度內(nèi)的等效剪切波速． 為了驗(yàn)證該估計(jì)方法的準(zhǔn)確性， 對(duì)玉溪盆地鉆孔在80 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速進(jìn)行估計(jì)， 結(jié)果列于表5． 可以看出： 該方法在對(duì)所使用的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行自估計(jì)時(shí)， 其平均誤差約為15 m/s； 而如果不按照顆粒特征對(duì)黏土層的估計(jì)值進(jìn)行修正， 直接使用全部黏土的擬合結(jié)果作為黏土層的經(jīng)驗(yàn)公式， 則其平均誤差約為30 m/s． 這表明玉溪盆地黏土層的剪切波速特征在一定程度上符合前文“在顆粒較大的鉆孔中剪切波速較高”的假設(shè)．

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可靠性和誤差范圍， 隨機(jī)去掉3個(gè)鉆孔的資料， 使用剩余13個(gè)鉆孔的資料外推另外3個(gè)鉆孔的等效剪切波速， 并重復(fù)3次， 結(jié)果列于表6． 可以看出， 估計(jì)剪切波速結(jié)果的平均誤差為13.1 m/s， 最大誤差小于31 m/s． 由于玉溪盆地內(nèi)部不同沉積環(huán)境中的土層在80 m深度范圍內(nèi)等效波速的最大值與最小值之差可達(dá)180 m/s左右(表5)， 故上述估計(jì)鉆孔等效剪切波速的方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值．

表5 玉溪盆地顆粒特征明顯的土層鉆孔等效波速的自估計(jì)

注： 由于鉆孔BH14絕大部分為黏土層， 無(wú)法獲得鉆孔顆粒特征， 故未列入.

表6 玉溪盆地顆粒特征明顯的土層中鉆孔等效波速的外推

4 討論與結(jié)論

通過(guò)對(duì)玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的研究表明， 玉溪盆地淺層土層80 m深度范圍內(nèi)的埋深與剪切波速可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行估計(jì)， 其中角礫層、 礫砂層和細(xì)砂層采用多項(xiàng)式關(guān)系， 礫石層、 圓礫層、 淤泥質(zhì)黏土層采用線性關(guān)系． 玉溪盆地淺層土層的剪切波速與其形成時(shí)所處的沉積環(huán)境有關(guān)， 具體表現(xiàn)為： 顆粒較小的沉積物在水流中搬運(yùn)的距離較長(zhǎng)， 其磨圓度較高， 所形成的沉積層波速較低； 較大的沉積物顆粒在水流中搬運(yùn)的距離較短， 其磨圓度較低， 所形成的沉積層波速較高． 玉溪盆地顆粒特征明顯的土層的碎屑物源供給區(qū)距離越遠(yuǎn)， 其剪切波速越低． 此外， 沉積土層的波速還可能與沉積過(guò)程中的化學(xué)作用、 生物作用等其它因素有關(guān)， 尚待進(jìn)一步研究．

本文給出了一種利用顆粒特征明顯的鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔等效波速進(jìn)行估計(jì)的方法， 可用于玉溪盆地未測(cè)波速鉆孔的剪切波速估計(jì)． 玉溪盆地淺層土層80 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速的平均誤差為13.1 m/s． 該方法存在一定的局限性： 首先， 要以一定數(shù)量的具有波速測(cè)試結(jié)果的鉆孔資料為基礎(chǔ)， 使顆粒特征明顯的土層樣本達(dá)到一定數(shù)量； 其次， 估計(jì)目標(biāo)鉆孔也必須有多層土層具備相同的特征．

本文采用的玉溪盆地淺層土層深度-剪切波速經(jīng)驗(yàn)公式以及估計(jì)鉆孔場(chǎng)地等效剪切波速的方法， 在場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)分析的模型構(gòu)建等研究中具有一定的應(yīng)用價(jià)值， 可以使玉溪盆地具有土層顆粒特征信息的資料， 如鉆孔柱狀圖、 第四系沉積分布和沉積相等， 應(yīng)用于場(chǎng)地效應(yīng)和盆地效應(yīng)的研究中．

本文主要對(duì)于與沉積環(huán)境、 沉積相相關(guān)的土層顆粒特征與場(chǎng)地條件中的關(guān)鍵因素剪切波速的關(guān)系進(jìn)行研究， 是使用地質(zhì)資料對(duì)地球物理模型參數(shù)進(jìn)行完善的一種嘗試． 在地震地面運(yùn)動(dòng)的研究中， 可以利用豐富的地質(zhì)資料對(duì)地球物理勘探資料較少的地區(qū)， 或者難以開展地球物理勘探工作的地區(qū)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)充， 具有較為廣泛的應(yīng)用前景． 對(duì)于沉積環(huán)境、 沉積相與場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)模型的關(guān)系， 尚待進(jìn)一步研究．

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Relationship between particle characteristics and shear wave velocity of shallow soil in Yuxi basin

Li Tiefei Chen Xueliang*Gao Mengtan

(InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China)

Based on the 16 borehole histograms and velocity data in Yuxi basin， this paper statistically analyzes the relationship between the depth and shear wave velocity of the soils with different particle characteristics， and shows the empirical relationship between depth and shear wave velocity for soil breccia， gravel， round gravel， gravel sand， fine sand and silty clay within 80 m depth in Yuxi basin. It is considered that the velocity characteristics of the soil have a certain relationship with the sedimentary environment by analyzing the soil shear wave velocity of different particle size and psephicity. With shallow soil in Yuxi basin as an example， a method to estimate the shear wave velocity of boreholes is presented in this paper， which can be used in borehole without velocity data.

particle characteristic； shear wave velocity； sedimentary environment； statistical analysis

中國(guó)地震局地球物理研究所基本業(yè)務(wù)專項(xiàng)(DQJB14B02)和國(guó)家公益性行業(yè)專項(xiàng)(201008001)共同資助.

2016-03-18收到初稿， 2016-04-26決定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.06.013

P315.9

A

李鐵飛, 陳學(xué)良, 高孟潭. 2016. 玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的關(guān)系研究. 地震學(xué)報(bào), 38(6): 934--941. doi:10.11939/jass.2016.06.013.

Li T F, Chen X L, Gao M T. 2016. Relationship between particle characteristics and shear wave velocity of shallow soil in Yuxi basin.ActaSeismologicaSinica, 38(6): 934--941. doi:10.11939/jass.2016.06.013.

*通訊作者 e-mail: cxl@cea-igp.ac.cn