和田市場地工程地質(zhì)條件空間分布規(guī)律分析*

阿里木江·亞力昆， 唐麗華， 劉志堅(jiān)

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

場地工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)是為計(jì)算工程場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)提供實(shí)際基礎(chǔ)資料的一種方法，是地震小區(qū)劃工作中重要環(huán)節(jié)，主要通過實(shí)地地質(zhì)地貌調(diào)查、鉆探、巖土物理與力學(xué)特性原位測試等方法，綜合確定場地類別，從而評(píng)價(jià)地震工程地質(zhì)條件。在地震小區(qū)劃工作中，由于小區(qū)劃范圍固定導(dǎo)致鉆孔數(shù)量有限，因此計(jì)算確定的場地覆蓋層厚度和等效剪切波速是在空間上呈點(diǎn)狀分布，若要得到研究區(qū)域的工程地質(zhì)條件空間分布規(guī)律，則需要研究有效的計(jì)算方法進(jìn)行分析。

許多學(xué)者[1-8]在整理土層剪切波速測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)土層剪切波速與埋深關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析獲得的擬合關(guān)系式可以用來計(jì)算統(tǒng)計(jì)埋深區(qū)間上的土層剪切波速值，從而可以計(jì)算場地覆蓋層厚度和等效剪切波速[9]。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是依賴于樣本頻率分布或均值方差關(guān)系及其相應(yīng)的判定準(zhǔn)則，確定空間分布格局與相關(guān)關(guān)系，忽視了樣本的空間位置和方向，難以區(qū)別不同空間格局的差異。而地統(tǒng)計(jì)學(xué)是一種既考慮樣本值又重視樣本空間位置及樣本之間距離的方法來研究要素的空間分布格局[10]。

本文中以和田市為研究區(qū)域，以和田市地震小區(qū)劃工作中的鉆孔數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)資料，以地統(tǒng)計(jì)學(xué)為研究方法，應(yīng)用ArcGIS軟件中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊，分析和田市場地工程地質(zhì)條件空間變異特征。

1 和田市工程地質(zhì)條件概述

和田市是新疆維吾爾自治區(qū)最南端的城市，位于昆侖山北側(cè)山前，塔里木盆地南緣地帶，地貌為山前沖洪積扇(裙)平原的中段，即發(fā)源于西昆侖山的玉龍喀什河出山后的沖洪積河谷平原地貌，大地構(gòu)造單元上處于西昆侖—帕米爾地震亞區(qū)和柴達(dá)木—阿爾金地震帶的交匯區(qū)附近，受印度板塊與歐亞板塊的擠壓、碰撞，其周圍構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，其周邊發(fā)育有活動(dòng)強(qiáng)烈、規(guī)模巨大的康西瓦斷裂、喀喇昆侖斷裂和阿爾金斷裂(1)新疆防御自然災(zāi)害研究所.和田市城市地震小區(qū)劃報(bào)告.2015.。

本文中分析范圍包括和田市現(xiàn)有城區(qū)和規(guī)劃城區(qū)，形狀為不規(guī)則的多邊形，面積約80 km2(圖1)。研究范圍地貌為山前沖洪積扇(裙)平原的中段，整體地勢南高北低，北寬南窄，南北向由海拔1 410 m降至1 325 m，地面南北向縱坡降為約6‰。場地大部分屬晚更新世-全新世河流相沉積，是喀拉喀什河和玉龍喀什河古沖積扇形成的河谷平原。場地西部及中部地段地層上部主要為淤?zèng)_積的粉砂層，下部為深厚的沖積相卵礫石層；東部地段地層主要為深厚的沖積卵礫石層。場地覆蓋層厚度10～24 m，在覆蓋層范圍內(nèi)土層等效剪切波速263～368 m/s，屬中硬場地土，由北至南地層上覆的粉砂層逐漸變厚，場地覆蓋層厚度也逐漸變厚，場地類別為Ⅱ類。

圖1 和田市鉆孔空間分布示意圖

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 普通克里格插值

普通克里格插值是區(qū)域化變量的線性估計(jì)，它適合于：樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或者變化成正態(tài)分布；滿足一階平穩(wěn)假設(shè)；區(qū)域化變量的期望值是未知的。插值過程類似于加權(quán)滑動(dòng)平均，權(quán)重值的確定來自于空間數(shù)據(jù)分析[11-13]。

本文中應(yīng)用普通克里格法根據(jù)未知點(diǎn)與臨近實(shí)測點(diǎn)的空間位置，對(duì)未知點(diǎn)的覆蓋層厚度及等效剪切波速值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)，通過生成一個(gè)關(guān)于覆蓋層厚度及等效剪切波速值的克里格插值預(yù)測圖來表達(dá)研究區(qū)域的工程地質(zhì)條件空間分布規(guī)律。

插值的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)直方圖分析后不符合正態(tài)分布，經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；且插值數(shù)據(jù)經(jīng)趨勢分析后均呈現(xiàn)明顯的趨勢，即在東西向上符合一定的一階趨勢，則需要去除趨勢,用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換和去除趨勢后的數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值分析[14]。

2.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理

針對(duì)和田市地震小區(qū)劃工作中實(shí)測75個(gè)鉆孔(圖1)的地層巖性資料和剪切波速資料進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，分析之前首先建立鉆孔信息數(shù)據(jù)庫，將75個(gè)鉆孔空間信息、物理和力學(xué)特性、地層巖性等多種基本信息錄入到屬性信息表。此次屬性表中共設(shè)15個(gè)字段，分別為鉆孔編號(hào)、經(jīng)度、緯度、鉆孔深度、軟土層厚度、硬土層厚度、巖性描述、覆蓋層厚度值、等效剪切波速值、場地類別、加速度峰值和特征周期值等。建立完鉆孔信息數(shù)據(jù)庫后可以用其屬性做出各屬性空間分布，如圖1中鉆孔圖標(biāo)圓直徑越大、顏色越深，該點(diǎn)的覆蓋層厚度越深。

2.3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布規(guī)律

大多數(shù)的地統(tǒng)計(jì)分析中，克里格插值方法建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上。普通克里格法、簡單克里格法和泛克里格法等均假設(shè)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。如果數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)變換，使其服從正態(tài)分布。正態(tài)分布的檢驗(yàn)可以通過直方圖和正態(tài)QQ圖完成[9]。因此首先來分析75個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)特征及其分布規(guī)律。為了對(duì)最終的空間模擬結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，首先要從這75個(gè)樣本中隨機(jī)取出10個(gè)樣本作為測試樣本，然后對(duì)剩下的65個(gè)樣本進(jìn)行探索性分析。為了驗(yàn)證該樣本是否符合正態(tài)分布，繪制這65個(gè)樣本的直方圖和正態(tài)QQ圖，直接用數(shù)據(jù)繪制直方圖和正態(tài)QQ圖發(fā)現(xiàn)沒有顯示出明顯的正態(tài)分布，所以對(duì)原始數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再生成直方圖和正態(tài)QQ圖(圖2、3)。從正態(tài)QQ圖可見轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)非常接近于直線，說明對(duì)數(shù)變換數(shù)據(jù)近似符合正態(tài)分布。從數(shù)據(jù)分布來看，存在個(gè)別的離群值。

2.4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)趨勢分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的前提假設(shè)有：(1) 隨機(jī)性；(2) 正態(tài)分布；(3) 平穩(wěn)性。平穩(wěn)性的第1種是均值平穩(wěn)，即假設(shè)均值是不變的且與位置無關(guān)。下面通過進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)的趨勢分析來確定其是滿足一階平穩(wěn)性假設(shè)，還是存在漂移[9]。樣本的空間趨勢反映了在空間區(qū)域上變化的主體特征。

首先形成以65個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)中需要分析的屬性值(覆蓋層厚度、等效剪切波速)為高度的三維透視圖(圖4)，將這些點(diǎn)分別投影到北向和東向2個(gè)與水平面正交的平面上，觀察其分布趨勢。如果以這個(gè)方向投影所得的為水平直線，表明該方向不存在漂移。繞Z軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系從而變換投影角度，尋找漂移存在且最明顯的方向。

圖2 65個(gè)樣本的覆蓋層厚度值直方圖(a)和正態(tài)QQ圖(b)

圖3 65個(gè)樣本的等效剪切波速值直方圖(a)和正態(tài)QQ圖(b)

圖4 65個(gè)樣本的趨勢面分析示意圖

從圖4a可見在東西方向，覆蓋層厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為分散，擬合曲線(綠線)傾斜，顯示出較強(qiáng)的線性趨勢，這個(gè)趨勢是覆蓋層厚度變化的全局趨勢，即經(jīng)度增加，覆蓋層厚度值減小。在南北方向，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布也較為分散，擬合曲線(藍(lán)線)接近水平，沒有明顯的趨勢?？梢娫摌颖靖采w層厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足一階平穩(wěn)性假設(shè)，能用傳統(tǒng)的普通克里格插值算法。

從圖4b可見在東西方向，等效剪切波速數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為分散，擬合曲線(綠線)傾斜，顯示出較強(qiáng)的線性趨勢，這個(gè)趨勢是等效剪切波速變化的全局趨勢，即經(jīng)度增加，等效剪切波速值增大。在南北方向，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布也較為分散，擬合曲線(藍(lán)線)接近水平，沒有明顯的趨勢?？梢娫摌颖靖采w層厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足一階平穩(wěn)性假設(shè)，能用傳統(tǒng)的普通克里格插值算法。

3 空間模擬結(jié)果與檢驗(yàn)

3.1 和田市場地覆蓋層厚度空間分布規(guī)律

為了更準(zhǔn)確的描述和田市場地覆蓋層厚度空間分布狀況，對(duì)其進(jìn)行普通克里格插值，得到和田市場地覆蓋層厚度空間變化圖(圖5a)。從圖5a可以看出和田市場地覆蓋層厚度總體空間分布呈現(xiàn)出西北、西南部厚，東部淺的趨勢，最厚值出現(xiàn)在場地西南部，這跟場地地層巖性分布有關(guān)，在和田市小區(qū)劃工作中通過實(shí)地地質(zhì)調(diào)查和巖土勘察工作知道場地西南部上覆粉砂層較厚；最淺值出現(xiàn)在玉龍喀什河河床，河床下20 m深度范圍內(nèi)全部為含漂石卵石層，剪切波速較高，相應(yīng)的覆蓋層厚度也較淺，這比較符合實(shí)際情況。圖中覆蓋層大概14 m處能看出明顯的南北向分界線，把整個(gè)和田市場地分成2個(gè)工程地質(zhì)單元，這個(gè)跟和田市小區(qū)劃工作中根據(jù)地層巖性及覆蓋層厚度等因素，由西向東，將場地分為沖、洪積平原區(qū)和沖、洪積河谷平原區(qū)等2種工程地質(zhì)地貌單元的結(jié)果比較吻合(圖1)。總之場地覆蓋層厚度有明顯的地理規(guī)律性，這說明其空間分布主要受地層巖性及各類土層厚度影響。

3.2 和田市場地等效剪切波速空間分布規(guī)律

為了更準(zhǔn)確的描述和田市場地等效剪切波速空間分布狀況，對(duì)其進(jìn)行普通克里格插值，得到和田市場地等效剪切波速空間變化圖(圖5b)。從圖5b可以看出和田市場地等效剪切波速總體空間分布呈現(xiàn)東邊中部高，向西北方向逐步減小的趨勢，最高值出現(xiàn)在東邊中部，這跟場地卵石層卵石含量、密實(shí)程度等多個(gè)因素有關(guān)；低值出現(xiàn)在西北部和西南部，這跟沉積環(huán)境、覆蓋層厚度等因素有關(guān)?？傊畧龅氐刃Ъ羟胁ㄋ僖灿忻黠@的地理規(guī)律性，這說明其空間分布主要受地層巖性、土層密實(shí)程度、覆蓋層厚度等多種因素影響。

圖5 和田市場地工程地質(zhì)條件空間分布圖

3.3 空間模擬結(jié)果驗(yàn)證

得到和田市場地覆蓋層厚度及等效剪切波速值空間分布柵格數(shù)據(jù)模型后，用前面隨機(jī)預(yù)留的10個(gè)測試樣本對(duì)空間模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過對(duì)比這10個(gè)鉆孔的實(shí)際值和空間模擬所得的預(yù)測值，得出這10個(gè)鉆孔覆蓋層厚度預(yù)測值誤差平均值為1.46，標(biāo)準(zhǔn)誤差平均值為1.53，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.94(表1)；這10個(gè)鉆孔等效剪切波速預(yù)測值誤差平均值為11.98，標(biāo)準(zhǔn)誤差平均值為16.93，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.69(表2)。測試樣本源數(shù)據(jù)本身也存在一些測量誤差，因此本次驗(yàn)證結(jié)果基本滿足誤差要求，驗(yàn)證結(jié)果比較理想。

表1 測試樣本覆蓋層厚度預(yù)測值誤差表

表2 測試樣本等效剪切波速預(yù)測值誤差表

4 結(jié)語

(1) 本文中得到的和田市場地工程地質(zhì)條件(覆蓋層厚度、等效剪切波速)空間分布柵格數(shù)據(jù)模型比較好的反映了其空間分布規(guī)律。和田市場地覆蓋層厚度總體空間分布呈現(xiàn)出西北、西南部厚，東部淺的趨勢，最厚值出現(xiàn)在場地西南部，最淺值出現(xiàn)在南北向穿過和田市的玉龍喀什河河床，覆蓋層厚度大概14 m處能看出明顯的南北向分界線，把整個(gè)和田市場地分成兩個(gè)工程地質(zhì)單元，這個(gè)也跟和田市小區(qū)劃工作中分的工程地質(zhì)地貌單元結(jié)果比較吻合。和田市場地等效剪切波速總體空間分布呈現(xiàn)東邊中部高，向西北方向逐步減小的趨勢，最高值出現(xiàn)在東邊中部，低值出現(xiàn)在西北部和西南部。如果本次統(tǒng)計(jì)分析中使用的樣本數(shù)目能夠更多、空間分布更均勻、源數(shù)據(jù)的實(shí)測誤差更小，本文中所得到的結(jié)果誤差也會(huì)更小，模擬結(jié)果會(huì)更接近實(shí)際。今后在和田市區(qū)建設(shè)工程工作中，可以在該柵格數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要快速、有效得到和田市研究范圍內(nèi)任何地點(diǎn)的覆蓋層厚度和等效剪切波速值。該柵格數(shù)據(jù)模型可以為一般建設(shè)工程提供較為可靠的場地覆蓋層厚度及等效剪切波速值預(yù)測值，能滿足一般建設(shè)工程建筑的場地類別劃分需要。

(2) 基于地統(tǒng)計(jì)的空間插值方法，以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為基本工具來進(jìn)行空間插值，能夠很好地模擬區(qū)域化變量的空間連續(xù)分布格局。地震小區(qū)劃、區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)工作是對(duì)某一特定區(qū)域范圍內(nèi)地震安全環(huán)境進(jìn)行劃分，預(yù)測這一范圍內(nèi)可能遭遇到的地震影響，包括場地地震工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)和地震地質(zhì)災(zāi)害的差異分布[15]。因此在今后的地震小區(qū)劃、區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)等區(qū)域性工作中可以應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)分析方法來分析場地地震工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)和地震地質(zhì)災(zāi)害等區(qū)域化變量的空間分布規(guī)律。