（岩土工程专业论文）应用地脉动的城市地下三维速度结构建模的研究.pdf

中文摘要 摘要： 建立盆地的地下三维速度结构模型，无论是在地质学还是在强地面震动的数 值模拟计算中都是十分重要的，这些数据是也是进行地区性地震科学研究的基础。 根据国内外对地脉动研究的最新成果，利用观测地脉动和地下结构的相关关系， 可以推导出地下三维构造。本文以宁波盆地的地下三维构造建模为背景，提出了 应用地脉动进行地下三维构造建模的思路。首先利用地质图、钻孔资料及地震勘 探的结果建立初始的地下基本结构模型，再通过对宁波地区进行高密度的地脉动 观测和解析依据地脉动记录的h v 波谱比的卓越周期( 峰值) ，反演观测点位置 的地下结构的深度构造，最后综合利用波速测井得到的各物理层的参数，得到基 于地脉动数据所推导的地下三维速度结构模型。 为了论证通过地脉动观测对盆地的地下结构推导的可行性和准确性，对于已 知深度分布的地点，通过面波理论计算其地表的r a y l e i g h 波的h v 波谱比，综合 考察比较地脉动记录的h 脚波谱比和r a y l e i g h 波的理论h 波谱比等两种波谱 ( 比) 的基本周期( 峰值) 的一致性程度，确认地脉动在三维速度结构模型建模 方面的应用性。最后，通过以上研究成果，总结出应用地脉动进行城市地下三维 速度结构的建模思路。 该方法是在充分利用目标地区的既有地质和地理资料以及物探资料的同时， 结合地脉动观测数据，建立高精度的地下三维速度结构模型的崭新方法体系。 本文的基本研究内容包括以下三个方面： 1 地脉动应用于三维建模的可行性研究； 2 。应用地脉动对宁波城市进行地下三维建模实践 3 总结提出应用地脉动建立城市地下三维速度结构方法体系。 关键词：三维速度结构模型；地脉动；反演；h v 解析法；卓越周期 分类号：p 3 1 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h r e e - d i m e n s i o n a lu n d e r g r o u n dv e l o c i t ys t r u c t u r a lm o d e l i n gi sv e r y s i g n i f i c a n tb o t hi ng e o l o g ya n dg r o u n dq u a k ed i g i t a ls i m u l a t i o n ，a n dt h ed a t ai sa l s ot h e b a s eo fr e g i o ne a r t h q u a k er e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h en e wa c h i e v e m e n to ft h er e s e a r c h o nt h em i c r o t r e m o r si n l a n da n db r o a d ，w ec a no b t a i nt h eu n d e r g r o u n ds t r u c t u r eb yu s i n g t h em e t h o do fs p e c t r u mr a t i oo fh o f i z o n t a lt ov e r t i c a lm i c r o t r e m o r s ( h vr a t i o s ) t h e m e t h o di su s e dt oa n a l y s i st h em i c r o t r e r n o r ss i g n a l 1 1 1 i st h e s i sw i l lu s et h ea c h i e v e m e n t ， a n dt h e nb a s eo nt h eb u i l d i n go f t h en i n g b ob a s i n su n d e r g r o u n dv e l o c i t ys t r u c t u r e , a n d t h e no b s e r v et h em i c r o t r e m o r so fn i n g b od i s t r i c ta n dc o m p u t ee a c ho b s e r v e dp o i n t t h e b a s i cp e r i o do ft h eh vs p e c t r u mc a nb eo b t a i n e d s y n t h e t i c a l l yu s i n gt h ew a v ev e l o c i t y r e c o n n a i s s a n c ew ec a l lo b t a i nt h ep a r a m e t e ro fe a c hp h y s i c a ll a y e r , a n dt h e nw e c a l l p r e s u m et h ed e p t ho f e a c hu n d e r g r o u n dl a y e ro f t h eo b s e r v e dp o i n t a tl a s t ，w ec a n o b t a i nat h r e e d i m e n s i o nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r em o d e la c c o r d i n gt ot h em i c r o t r e m o r s o b s e r v a t i o n a tt h es a m et i m e , t h r o u g hu s i n gt h eg e o l o g i c a la n dt h eg e o g r a p h i c a ld a t a o f e a c hl a y e ri nn i n g b od i s t r i c ta n dc o m b i n i n gt h ed a t af r o mt h em i c r o t r e m o r s o b s e r v a t i o n ，w ec a nf i n a l l yb u i l dt h et h r e e d i m e n s i o nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r em o d e l i nt h ei n t e r e s to fd e m o n s t r a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo fb u i l d i n gt h eu n d e r g r o u n d s t r u c t u r eu s i n gt h ed a t ao f m i c r o t r e m o r s ，t h et h e s i sw i l la tl a s tu s et h em i c r o t r e m o r s i n v e r s i o nm e t h o dt oc h e c ki t t h a ti s ，t h r o u g ht h es e l e c t i o no fs e v e r a lp o i n t sa n dt h e c o m p a r et h eh vs p e c t r u mo f t h ec o m p u t a t i o nr e s u l ta n dt h eo b s e r v a t i o nr e s u l t w ec a n d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da c c o r d i n gt ot h ec o n s i s t e n c yo ft h et w o s p e c t r u m s p u t t i n gt o g e t h e r , t h er e s e a r c hc o n t e n to f t h et h e s i sw i l li n c l u d et h et w o p o i n t s ： 1 1 1 h er e s e a r c ho nt h ef e a s i b i l i t yo ft h et h r e e d i m e n s i o nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r em o d e l b u i l d i n gu s i n gm i c r o t r e r n o rd a t a 2 t h ep r a c t i c eo f b u i l d i n gt h et h r e e - d i m e n s i o nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r em o d e lo f n i n g b oc i t yu s i n gm i e r o t r e m o rd a t a 3 s u m m a r i s et h em e t h o do f b u i l d i n gt h et h r e e - d i m e n s i o nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e m o d e l k e y w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o nu n d e r g r o u n dv e l o c i t ys t r u c t u r a lm o d d ；m i c r o t r e m o r , h r a t i oo fm i c r o t r e m o r s c i a s s n o ：p 3 1 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：狮 签字同期：加 年6 月g 日 导师签名： 扮 仍觞 签字同期：枷g 年舌月g 同 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互柳 签字日期： 加g 年6 月g 日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师赵伯明教授的悉心指导下完成的，赵伯明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 赵伯明老师对我的关心和指导。 赵伯明教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向赵伯明老师表示衷心的谢意。 赵伯明教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李彩霞、马跃、王挺、刘洋等同学对我论文 中的地脉动部分的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人董岫，他的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 论文的研究背景 1 1 1 地震灾害的概述 地震是危及人民生命财产的突发性自然灾害。从古到今，人们都没能摆脱这 一自然灾害的魔爪。在科学高度发展的今天，人们已经可以通过各种地震的台网 技术对地壳活动的变化进行实时观测，从而对某些地震的发生进行成功的预测和 设防。然而地震一旦发生对城市的破坏性是不可避免的，尤其是特大型地震对城 市的这些生命线工程的摧毁又是巨大的。 以往的地震灾害统计资料表明，城市直下型地震对城市造成的破坏比其他类 型地震更为严重。特别是位于地震地表破裂带附近的城市区域地表破坏最为严重。 地震带来的大量的人员伤亡、巨大的经济损失、基础设施的毁灭性破坏都是史无 前例的。在此，分别以国内外比较具有代表性的中国唐山地震、日本阪神地震和 美国洛杉矾等地震为例，分析不同等级的地震对于不同性质的城市，带来的不同 性质的破坏情况。 2 0 0 8 年5 月1 2 日1 4 时2 8 分，中国汶川发生了里氏8 0 级特大地震。地震至今( 本 论文完成) 死亡人数已接近6 万，另有3 万多入失踪，直接经济损失接近2 0 0 0 亿( 如 图1 1 ) ；1 9 7 6 年7 月2 8 日0 3 时4 2 分，中国唐山发生了7 8 级城市直下型地震，是本 世纪人口伤亡最多的城市地震。约有2 4 2 万生灵涂炭，其中7 2 1 8 个家庭断门绝户； 1 9 9 5 年1 月1 7 h 日本阪神7 2 级地震，是本世纪经济损失最重的城市直下型地震，使 约3 7 0 0 座建筑物倒塌，约2 0 万幢各类建筑及民居严重破坏，各种生命线工程严重 损毁，引发5 0 0 余处火灾，地震造成的经济损失达1 0 0 0 亿美元，据1 9 9 5 年3 月日本 朝日新闻社报道，1 9 9 5 年日本阪神地震的重灾带集中在会下山一西宫断层沿线， 9 0 以上的震亡人数都集中在该断层2 - - 3 k m 的宽度范围内；1 9 9 4 年1 月1 7 日美国洛 杉矶6 7 级地震虽然只比唐山地震小1 1 级，能量只有唐山地震的三十几分之一，但 直接经济损失大大超过唐山地震，唐山地震损失1 0 0 亿元，而洛杉矶地震带来的损 失达1 5 0 - - 1 7 0 亿美元，是美国近代损失最严重的一次城市地震。1 9 9 5 年土耳其伊 兹米特地震的重灾带集中在北安那托里亚断层西段的北分支上，建在该断层上的 建筑物基本上全部倒塌，而在距断层两侧仅十几米的建筑物的破坏就轻很多；1 9 9 9 年台湾集集地震中，几乎所有建在车龙埔断层及其两侧十几米范围内的建筑物被 夷为平地，而十几米以外的建筑物基本完好。 鉴于近年来世界各地发生的城市直下型地震造成的损失，尤其是在大城市及 其邻近地区隐伏活断层对大城市存在巨大破坏的潜在威胁，开展活断层与隐伏活 断层研究，进行多途径、多学科的探测、监测与研究已经非常有必要。正如温家 宝总理在讲话中所说：“从土耳其、台湾地震造成的损失分析来看，科学规划城 市建设、保证城市安全、抗御地震灾害迫在眉睫，首先要加强探明城市地下活动 断层的分布及其危害性评估工作。” 图1 1 汶川地震震害图 图1 2 唐山大地震的灾害图片 2 图1 3 日本阪神大地震灾害图片 1 1 2 地下三维速度模型概念的提出 随着经济的发展和城市日新月异的建设，城市的防震意识日益加强。我国的 “十五”计划就将“大城市活断层探测与地震危险性评价项目”列入其重要项目 之一。在对城市的地震危险性评价中，地震的震级和烈度已经不能足以预测到地 震对的城市的破坏性大小，因为地震对城市带来的破坏性直接取决于对人的伤害 和建筑物的损害。从台湾集集地震中可以看到，城市的建设应该远离断层以及可 能的高烈度地区。因此，为了预见地震的危害性，必须对城市的活断层进行探测 以及对可能发生的地震烈度的分布进行实际的数值模拟。 然而，对地震动进行实际的数值模拟的前提就是具备一个良好的地下结构模 型。因此，在进行地震研究的工程中，建立一个好的盆地地下三维速度结构模型 尤为重要。好的三维模型不仅仅要与真实的地理地质模型相匹配，而且还需要具 有一定的平滑度( 用于大量的科学计算的要求) 。 然而，随着城市化的发展，城市中建筑物和工程设施越来越密集，城市中的 天然地表越来越少，可供地质地貌调查、钻槽探工程、物化探的施工场地少。而 且，大城市对勘探过程中带来的噪音、振动、交通阻塞等有着诸多的限制。这从 客观上阻碍了很多地质和地球物理方法在城市区域进行详细科学研究和工程应 用。 那么如何才能在不影响现有城市建筑和人们的正常生活秩序的前提下，高效有 序地完成对城市地下结构的探测和研究工作呢? 显然，单纯依靠一种方法一种技 术是难于做到的。在此，本文提出一种新的建模方法，即利用地脉动来推测地下 速度结构模型。 3 1 2 地下三维建模方法的国内外研究状况 盆地的地下三维速度结构模型简称为三维模型，建立盆地的地下三维速度结 构模型无论是在地质学还是在强地面震动的数值模拟计算中都是十分重要的，这 些数据是也是开展进行地震科研的基础，模型的精度数据的好坏直接影响到科研 成果的好坏。目前国内外的研究人员借助丰富的探测资料，尝试了复杂结构三维 速度模型的建立并取得了一定的成就，建模的各种方法也一直在探索和完善中。 在日本，已经对一些大城市如大阪、东京等大城市完成了大地震的模拟计算，对 于大城市的地下建模工作已经基本完成。建模理论和方法也日趋成熟和完善。，其 建模水平处于世界领先水平。在中国，对于大城市的地震数值模拟还刚刚起步， 城市的三维建模的技巧和方法还在探索和研究中。因此，在国内的三维建模的研 究中，本论文属于探索性( 前沿性) 的研究，具有原创性。 根据现有国外的建模成果，建立地下三维速度结构模型有一套常规的方法。 首先需要搜集目标区的地形数据和大量的地球物理和地质勘测数据。所搜集的建 模数据越多，所建的模型就越接近实际的地质情况。这些数据包括：选择性地对 城市不同地点进行钻孔、浅勘、深勘、振动测试等。然后，对搜集的数据进行整 理，运用a r c g i s 等软件对搜集的地下深度的资料进行数字化，也就是对某一深度的 地下结构进行地理定位；利用波速测井等物理方法得到各层的物理信息，在得到 了各个物理层所对应的各个点的地理信息以后，用建模软件分别对各个物理层进 行三维建模。 建模时出现的数据异常现象是不可避免的，通过对模型上某些突兀的数据进 行适当的调整，使模型满足基本的连续性，或者符合一定的数理统计规律。最后 再利用b s p l i n e i 垂i 数进行模型的平滑化处理，就可以得到完好城市的三维速度结构 模型。这样建立起来的三维速度结构模型具有良好的平滑性可以运用于各种地震 模拟数值计算。 建模具体步骤因不同地区的地质地理条件而大同小异。现有的国外的建模方 法都离不开大量的物探和地质地理勘测，需要耗费大量的人力、物力和财力。且 由客观原因引起的数据采集的地理位置不均匀造成了建立的模型不均匀。相较而 言，地脉动的测量方便快捷，而且不会带来环境、噪音等有扰城市的污染，数据 易于均匀的采集。而且，可以在目标区内进行均匀的和高密度的观测，使模型更 为准确。 因此，本文所提出的新的建模方法，即利用地脉动推测地下三维结构模型的 方法，是一种突破性的方法。 4 近几年，日本地震学家在京都盆地展开了大城市地震探测各种方法的适应性、 局限性试验研究。其中，利用地脉动观测和数据解析来推断地下构造一直被作为 一种可靠有效、方便快捷的方法广泛应用于日本各个城市的抗震减灾工作中。 我国将“大城市的活断层探测与地震危险性评价项目 列入“十五计划”重 要项目之一，对我国各个大城市进行大规模的地震模拟计算，正需要去研究和运 用科学的方法进行大城市的地下三维结构建模。因此，本文的研究成果能够为我 国大城市的大规模的地下三维结构建模提供理论依据和技术支持。 5 匕塞窒堕厶堂亟：堂照迨塞建= 垫地e 逵廑缕丝撞型的直i 叁绽姿 2 建立地下速度结构模型的方法综述 衙地的地下三维速度结构模型简称为三维模型，是反映地下物理层构造的 种模型。确定瓮地的地下三维速度结构，就是按照地震剪切波的波速在地f 层传 播的速度的差异来对地下层进行物理划分，每一个不同范围的波速对应着一个物 理层，而不同的物理层恰好也对应着不同的地质层。囚此，建模的关键在于确定 目标区内各控制点所对应的各物理层或地质层的深度。另外，也需要确定划分的 物理层的对应的密度。图2 1 为在彳 模型是否能够真实地反映地下三维结构。 模型是否够满足科学计算的要求所需的平滑性。 为满足前一个原则，就需要搜集尽可能准确、详尽和均匀的地形、地质等数 据；后一个原则，则需要将建好的模型进行平滑化处理。在本章以下的小节中， 主要围绕了第一个原则进行说明。 2 1 建模资料的介绍 按照建模资料的性质进行分类，建模资料分为三类。第一类为地质资料，主 要包括各地质层的等厚线图，如目标区内的地形图、第四纪等厚线图等；第二类 为物探资料，包括进行各种物理勘测，如深勘、浅勘以及钻孔所得到的各种数据； 7 第三类为地理资料，如目标区地图等，主要用于目标区的确定，在此不做详细说 明。三种不同的资料都分别有多种不同的给出形式，见图2 3 。 图2 3 建模资料分类 2 1 1 地质资料 建立的三维空间模型若要反映地面以上特征则需要地表地貌数据。那么地表 地貌数据有哪些数据形式昵? 一般搜集到的有：地形数据、航测数据、地表地质 图等等。 ( 1 ) 地形数据 地形图指的是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的投影图。地形数 据是描述地表相对于海平面的等高线数据。地形图的比例尺越大，描述地表的特 征越精确，数据的重要程度就越重要。比例尺为1 ：l 万的地形数据为国家机密数据。 常见的地形图比例尺有：1 ：1 万，1 ：5 万，1 ：2 5 万等等。在工作中，一般有可能用 到这些比例的地形数据。 在建模时，将地表高程及各层的深度数据全部换算成以计算深度为参考的相 对高程。根据该工作区的地形，将大面积平坦地区的海拔高度定义为地表零平面， 高于零平面的相对高程为正值，低于地表的为负值。 那么采集的数据参数为：坐标及海拔高度，地表零平面海拔高度。如图2 4 所 示，此图为某城市1 ：2 5 万地形图数据，( a ) 为地形平图面，( b ) 为地形的立体图。在 提取地形数据时，首先要根据工作区的大小进行地形数据范围的确定。 地形数据的坐标系统要统一为大地坐标系。提取地形数据时需要注意以下三 条： 8 1 】在城区部位的地形数据要进行加密，突出城市城区的重要性。 2 )观察地形图，估计出地表零平面的海拔高度。 3 )通过上述方法求出目标区相对平坦区的高度。 鬣 隧雾警 图2 4 ( a ) 工作区内的地形平面图 ( 2 ) 航测数据 ，一 图2 4 ( b ) 工作区内地形三维图 航空像片含有大量的、丰富的地表信息，从航片上采集数据可直观地观察地 表形态，获得可靠的地形数据。航测方法的采用，把繁重的外业工作变成室内作 业，节省人力、物力，不但可以大幅度降低劳动强度，提高工效，而且可以保证 数据采集质量，特别是由于航测方法的发展，先进航测设备如解析测图仪的应用， 给航测数据采集带来极大的方便。所以，利用航测方法获取数据是目前最理想、 最有前途的地形数据采集方法。 9 随着测绘科学技术的发展和进步，现代地形图的大量艰巨的测绘工作也己由 传统的野外白纸测图转向室内的航空摄影测绘和航天遥感测绘，并已逐渐迈向全 数字化、自动化测图。地形图是根据地形测量或航摄资料绘制的，误差和投影变 形都极小。 ( 3 ) 区域地质图 地质图是指以一定的符号、颜色和花纹将某一地区各种地质体和地质现象( 如 各种地层，岩体，构造等的产状、分布、形成时代及相互关系) 按一定比例尺综 合概括地投影到地形图上的一种图件。除了综合表示各基本地质现象的地质图外， 还有着重表示某一方面地质现象的专门地质图件，如反映第四系底层的成因类型、 岩性和生成时代以及地貌成因类型和形状特征的地貌及第四系地质图；反映地下 水的类型、埋藏深度和含水层厚度、渗流方向等的水温地质图以及综合表示各种 工程地质条件的工程地质图。 图2 5 某区域地质图 选用收集到的地质图，提取可用的模型数据。利用这些信息可以验证模型与 修正模型。如图2 5 所示，此图为某区域地质图。 l o 2 1 2 物探资料 在三维建模时，首先需要知道地形数据，地形数据中最重要的部分是高出地 面以上的基岩，在地面以下的基岩深度情况，则需要利用物探资料来补充。常规 的地下地质资料形式一般有：( 1 ) 地质层等值线图，如第四系等值线图；( 2 ) i 程勘 探数据，比如钻孔数据；( 3 ) 人工浅源地震测线数据；( 4 ) 深部勘探数据。 ( 1 ) 地质层等值线图 在工程勘测资料中，第四系等值线图是最为常见的数据表现形式，也是地质调查 的重要数据形式。等值线是表示地理事物空间分布的重要手段，而其物理意义是： 基于地表面，特定地质层相对于地表面在地下空间的埋深值，即数值相同的点连 接在一起所构成的曲线。 在地质工程学中，第四系( q ) 的形成是占有重要地位；在地震工程学中，土的形 成也是在第四系时期，尤其是冲积土的形成，场地效应非常明显。因此对地震动 的数值模拟，第四系资料是相当宝贵，相当重要的。 在搜集资料时，等值线资料可能出现其他地质层，比如上第三系( r ) 等值线图， 白垩系等值线图，古生代等值线图，中元古代等值线图，深层磁性体深度图，地 区布格重力异常图等等。 一般通过运用a r c 酉s 软件将等值线图进行数字化来进行建模。在数字化的过程 中，可以得到某一地质层深度的很多数据，据了解，在精确数字化的过程中，最 多可以得到十万个或更多的数据，但是，由于这些数据的精确性不够，需要通过 筛选，有选择性地应用于建模中。一般来说，在其它的物探资料比较齐全的情况 下，等值线的图的数据是可以最后考虑的。 由于各个物理层在风化的过程都受到了同样的作用，各个沉积岩所受到的搬 运力是一样的，所以可以近似地认为，每一个物理层的大致走向是平行的，可以 运用一个公式来表示其规律： z j 口2 c 宰k 1 其中，乙。为基岩的深度，乙口为某一物理层的深度，c 为小于的系数。 lz h a o ，b m ，mh o r i k e ，a n dyt a k c u c h i w h i c hs i t e s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c se s t i m a t e df r o m m i c r o t r e m o r sa r eu s e f u l ，j o u r n a lo fs t r u c t c o n s t r e n g a r c h i t e c t u r a li n s t j a p a n ( a d ) 19 9 8 ，5 0 9 ， 6 9 - 7 5 ( i nj a p 锄部ew i 廿le n g l i s ha b s t r a c o ( 2 ) 工程勘探数据- 钻孔数据 在某区域中为了进行必要的控制数据收集时利用特定设备钻取一定深度分析 样品得到的数据便是钻孔数据。 钻孔的功用：获取第一手地下地质实物资料，即从钻孔取出岩心、矿心、 岩屑或液、气态样品，必要时从孔壁补取侧壁岩样矿样；作为地球物理测井的 通道，获取岩矿层各种地球物理信息；作为人工通道观测地下水层水文地质动 态；有的钻孔可探采结合，开采地下水、地热、油气等。 钻探工程已广泛用于国民经济许多部门，按用途，钻孔可分为如下几类：地 质普查或勘探钻孔，用于了解地质构造、找矿或探明矿产储量：水文地质钻孔， 勘察地下水文地质情况；水井，为工业、农业、国防及生活而开发利用或补给 地下水资源并有充实水文地质资料作用；工程地质钻孔，勘察或为建筑厂基、 坝址、水库、桥梁及道路等探明工程基础状况；石油钻井，勘查和开发石油、 天然气：地热钻孔，勘探和开发地下热水和蒸汽资源；工程基础施工钻孔， 为加固处理建筑工程基础而应用的基础桩或管桩所施工的钻孔；开发钻孔，开 采地下卤水、溶解岩盐、硫磺、燃烧气化地下煤炭等；采矿或隧道等工程的辅 助钻孔，采矿或隧道施工时为通风、排水、探水、探气、冻结、运输以及建筑和 通讯安装管线、爆破、取样、灌浆等所施工的钻孔。 在搜集的资料中，钻孔数据的用途主要是用来地质调查。由于钻孔数据的目 的不同，所以收集到的钻孔数据有部分是不能利用的。不被采用的原因有：a ) 层序 的命名不同，地质名称对应不上；b ) 钻孔的坐标不明确，或者是相对某点的坐标， 很难定位钻孔位置；c ) 钻孔的深度上的限制，比如建筑钻孔主要控制在十几米或三 四十米的范围内，而我们需要的往往是深层的钻孔数据，如石油、天然气勘探时 的钻孔。虽存在以上困难，但为了还要尽最大努力吸收这些数据。 在所有的物探数据中，钻孔数据是最为精确的，应该尽有所能地全部用上。 然而，由于中心城市对施工、噪音强度等诸多因素的限制，考虑到钻孔的高成本， 对路面及周围建筑物的破坏性，而且钻孔的数量以及所能达到的深度是有限的， 远远不能满足建模所需的数据要求。为了最大限度地利用钻孔数据，可以通过以 上所述的系数法得到其它物理层的估计的深度值，也通常通过钻孔的己知层的各 个数据，得到已知层之间的系数大小。 ( 3 ) 人工浅层地震资料 1 2 ：i 匕盛窑迫厶：丝亟三堂僮途塞建地e 速廑结丝撞型的丛选绫述 近年米我困高速公路建发发展迅速，公路工程质量检测技术也随之发展。传 统的钻探取芯、j f ：挖取样检测手段不但效率低，代表性差，成本高，而且具有破 坏性。目前世界各国都在发展快速、高效、经济、简便的工程无损检测技术。为 此在高速公路建设中进行了浅层地震反射法、瑞雷( l r a y l c i g h ) 面波法及地质雷达 法的联合检测试验，旨在检测地下异常体( 如：软基、洞穴等) 、路基十碾压密 度等。为进行现场实时质量监控寻找有效地无损检测手段，经具体实施和验证， 取得了比较满意的效果。 1 ) 浅层地震反射法 浅层地震反射法是根据地下介质的波组抗差异，利用纵波勘探的1 种人工地 震探测方法。回填土与原状土，洞穴与围土等之问均存在明显的物性差异，具有 较好地震地质条件。该法主要用于检测地下异常体( 如：洞穴、回填土疏松体) 、 浅层土质纵横向变化与分层等。 在浅层地震勘探中，s h 波反射波法勘探具有分辩率高的特点，尤其是在软土 地层中，它能详细地划分地层。对浅部软土地层而言( 3 0 m 以内) ，其横波速度 较低，仅为8 0 一1 5 0 m s ，图2 6 为其频谱图，能量主要集中在1 2 - 5 0 h z ，因此，对 大十l m 的薄层也能划分。 匿 - _ _ _ _ - * _ - _ - - _ 毒 ， i 蹈磅；谚髯 獗 图2 6s h 波频谱图 2 ) 瑞雷面波法 瑞雷面波法是根据地下介质的物性差异，利用瑞雷面波勘探的一种人工地震 勘探方法，瑞雷面波具有能量大、衰减慢、存不同介质巾其传播速度差异较大的 特l i 。瑞雷面波在传播过程中遇到密度变化或介质异常体时，就会出现频散现象， 速度突然变化，在频散曲线上出现突变。该法可用于检测地下异常体及路基碾压 密度的变化情况。 瞬态瑞雷波法勘探具有快速且受场地条件限制较少的特点，另外，它获得的 浅部土层的瑞雷波传播速度又接近土层的剪切波速度，这样，我们可以研究沿测 线方向浅部土层的横波速度的大小与变化规律，来圈定浅部土体的扰动状况及范 围。 3 ) 地质雷达 地质雷达是根据地下介质的电性差异，利用电磁波检测地下异常体或路基分 层的一种快速无损检测方法。天线中心频率不同，其探测深度及分辨率也不同， 可根据实际需要选择不同频率天线。地下异常体与围土、路基土碾压前后电性差 异变化，为地质雷达检测提供了前提条件。该方法可用于公路建设的全过程质量 监控，具有快速、高效、准确、成本低、无破坏等优点。 在工程物探领域，地质雷达具有分辨率高、使用方便等优点。它是通过雷达 发射天线向地下发射高频的电磁波，当电磁波遇到电性差异分界面将产生反射( 或 有散射、绕射等) ，用另一( 或同一) 天线接收返回信息。它与单道接收的地震 记录类似，因此，可参考地震反射剖面的处理、解释方法，结合电磁波的特性对 波组的相位、振幅变化特征进行分析，推断地下异常体的形状、空间位置。 浅层地震反射法勘探能比较有效地寻找地下异常体的位置与埋深，勘探深度 较大，但比地质雷达分辨率低，勘探周期长且投资大，用于配合工程地质进行路 线天然地基勘查。瑞雷面波法能获取面波速度及物性参数，反演干容重和承载力 等，其成果直观可靠，是高速公路建设中值得研究推广的实时无损监测新技术。 地质雷达对浅层异常体、介质分层、含水性检测有较高的分辨率，且勘探周期短、 效率高、成本低、效果较好。 在收集到的资料中，以人工浅层地震反射法的资料成果居多。人工浅层地震 反射法在地震地质调查中采用的方式是最多的。所以在建立模型时，浅层地震资 料的用途，原理，及整理结果要了解、熟悉。如图2 7 所示，此图为常见的浅层人 工地震探测最终成果图。 1 4 ! ! 竺：竺! 竺：竺! ：竺! 竺! 翌! 竺! 型坐! ：型! 坐! 翌当! ! 翌! 坐! 竺! ! 芒! 竺! 竺! ! 竺! 登! 竺! 竺! 望! ! 竺竺芏竺竺! 翌坐竺上生壁坐：竺! 竺：芒 ，垒一一一 一k一 注：其中t o ，t i ，t 2 为波阻层，若要与地质层对应时，需要进一步进行研究 ( 4 ) 深部勘探数据 图2 7 浅层人工地震探测成果图 为了进一步了解较深层( 5 0 0 m 一6 0 0 0 m ) 的地层信息时，需要进行深部勘探。 在建模资料中，深部勘探数据不是常规的数据。深部勘探数据可以提供非常丰富 的信息，比如重要断层的剖面分布等等。只有充分了解断层的空间特征才能更好 的进行数值计算。 2 2 建模的坐标系统的确定准则 在收集不同的物探、地形资料的过程中，不同的资料皆由不同的部门分工勘 测提供，根据不同行业的标准，他们提供的坐标系统都不尽相同，所以，建立模 型时，确定统一的坐标是尤为重要的，它是建立一个良好模型的基础。 国家“十五 重大建设项目中【中国地震数字网络工程】已经全面启动，其中城 市活动断层探测与地震危险性评价项目的目的是首要查清大城市附近的具有发 震危险的活断层情况，进而进行基于多断层的地震危害性评价和震害预测，并且 首先对全国2 0 个城市开展了此项工程。在本文的撰写过程时，参考了多个大城市 的部分重要数据。 1 5 在我国的地震研究中，一般采用的是统一的西安8 0 的坐标系统。在收集到的 数据资料中，资料采用的坐标系可能各不相同。不同的坐标系统之间都有一定的 对应关系，可以根据需要相互进行转化。为了充分利用收集，首先需要了解坐标 系统的种类，以及坐标系统的识别方法。 2 3 建模目标区的选择方法 在进行模型资料的整理以后，就基本上可以确定目标区的地理位置，然后进 一步确定模型的范围。模型范围的大小一般根据研究对象的要求而确定的。当目 标区的范围选定后，为日后模型的修正和扩大需要对目标区的范围进行扩大，暂 定目标区被调整范围定义为工作区。为了保证目标区边缘的建模的准确性，数据 一般情况下，工作区的确定是在目标区的基础上上下左右四个方向向外延伸5 k m 得到的区域。在完成建模后可以根据工作的需要从工作区内切出计算需要的模型 区域，这样就可以保证范围内模型的准确度。 2 4 建模数据的提取过程 在对建模资料进行有序地整理之后，就可以广泛地提取数据了。提取数据的 对象为上述所提到的地形数据高出地表面的基岩部分以及物探资料中各物理层的 深度。需要定义数据的属性，统一数据格式。例如对于某一物探层埋深值数据格 式欲采用x ，y ，d e e p 的统一格式，其中x 为数据横坐标，y 为数据纵坐标，d e e p 为某物探层的埋深值。在地形上高于地面的部分，d e e p 为正值，当d e e p 为负值 时，则表示地面以下的部分对应的某物理层的深度。 根据钻孔资料，可以直接得出x ，y ，d e e p 格式的数据；而浅勘、深勘、地 形图、第四纪等厚线图等地图形式的资料，则需要通过a r c g i s9 0 等数字化软件 将现有的地图进行数字化，从中提出所需数据。 a r c g i s9 0 是美国环境系统研究所( e n v i r o n m e n ts y s t e mr e s e a r c hi n s t i t u t e , e s r i ) 开发的新一代g i s 软件，是世界上最广泛的g i s 软件之一。a r c g i s 是e s r i 在全面整合了g i s 与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计 算机主流技术之后，成功地推出了代表g i s 最高技术水平的全系列g i s 产品。 在进行数字化的过程中，首先需要对被数字化的地图进行配准，即需要输入已知 点的坐标。为了使数字化精确，配准点至少为四点，且分布整个地图的四周。然 后，在已知的等高线上描述提取数据的点，点描得越密，得到的数据就越多。根 据以往的建模经验，并不是描点越密，建模就越精确，建模的点过多会产生过多 的突兀点，影响模型的平滑性，除此以外，还需要考虑的目标区内已知数据点的 1 6 均匀性。一般来说，建立某一层的良好模型，均匀地知道目标区内一至五万个点 为最佳。 1 7 3 地脉动及用于建模的理论性研究 3 1 地脉动的基本概念 地脉动是由随机震源( 自然因素包括地震、风震、海洋风浪等；或人为因素 机动车辆的行驶、工地施工) 激发，并经过场地不同性质的岩层的层面经过多次 反射、折射后传播到场地地面的振动。 地脉动也称微动，是地球表面每时每刻都发生的一种比较规则的、周期性的 连续振动。其振幅通常只有十几分之一微米( 岬) 到几个微米( 岬) ，周期短到 几十分之一秒，长的能有1 分钟以上。日本早在上世纪初期就开始了有关地脉动 方面的研究工作，他们从地震动观测的角度把地面微动分为两类：一类是短周期 的微动，又称之为常时微动，周期小于l s 。主要由人类活动、交通运输、机械振 动等人工振动源产生；一类是长周期地脉动，又称之为地面脉动，周期大于l s 。 主要是由海浪、风、气候等自然现象的变化引起的微动。 图3 1 地脉动产生机理的示意图 3 2 地脉动研究的发展历史及现状 3 2 1 地脉动研究国外的发展历史 地脉动的发现和研究可以追溯到上世纪初，19 0 8 年o m o r i 在测震仪器上观测 到微弱的地基振动，称之为地脉动。二十世纪五十年代，k a n a i 在的研究中发现， 地基越坚硬，脉动周期越短，峰值越明显；而地基越松软，周期就相应变长，峰 顶平坦( 见图3 2 ) 。长期以来，k a n a i 及其合作者( k a n a i 和t a n a k a ，1 9 5 4 ，k a n a i ， 1 8 1 9 8 3 ；k a b a y a s h i 等) 对短周期地脉动应用于估计场地影响进行着研究。他们认为， 通过直接测量地脉动的卓越周期和它的最大振幅，有可能得到非岩性土场地上的 卓越周期和放大因子，因而可根据卓越周期对场地进行粗略分类。日本的金井清 提出了利用地脉动进行场地分类，其后，有关文章逐渐多了起来。主要集中在三 个方面：( 1 ) 地脉动源的性质。( 2 ) 地脉动传播的性质。( 3 ) 地脉动场地响应 的特性。 图3 2 不同场地的地脉动周期分布曲线 7 0 年代，美国研究者试图用地脉动频谱估计强震动谱，结果不一致。因此认 为地脉动的垂直分量不能用s h 波的多次反射解释，不能用地脉动观测数据来研究 场地对地震动的影响。使得地脉动研究一度处于低谷。1 9 8 5 年，墨西哥地震后， 日本学者k o b a y a s h i 在墨西哥盆地利用地脉动预测地震动特征取得较好结果。证明 用地脉动分析场地动力特性和用强震动观测法得到的结果有较好的对应关系。这 一结果使得地脉动的应用研究在许多国家迅速开展起来。8 0 年代开始了脉动台阵 观测，分析重点集中在长周期地脉动的场地影响的研究，受到国际地震工程界的 高度重视。在日本学者的努力推动下，地脉动研究在国际上再次成为热点。9 0 年 代后，地脉动用于场地动力特性分析和推测地下构造在日本受到越来越多的地震 工程研究者重视。其应用主要集中在用短周期地脉动观测结果估计场地卓越周期 和放大因子，用长周期地脉动观测结果分析推定地下构造。 1 9 3 2 2 我国地脉动研究的现状 我国地脉动的研究始于上世纪6 0 年代。在1 9 6 4 年由工程力学所制定的抗震 建筑设计规范( 草案) 中，曾将地脉动的卓越周期作为确定场地类别的参考指标， 并为重大工程抗震设计所需的场地烈度做了大量的测试工作。我国的地脉动应用 主要是以卓越周期为主的场地分类，卓越周期和震害关系的研究及应用，长周期 地脉动的研究则很少。8 0 年代至9 0 年代初，王振东、吴世明用自相关法确定地脉 动中瑞利波的相速度频散曲线，采用半波长法反演场地的剪切波速。在此前后， 李文艺等( 1 9 9 5 ) 通过脉动观测研究上海市区若干测点的场地卓越周期和土层深 度的关系；林学文( 1 9 8 6 ，1 9 9 1 ) 借助脉动观测评价场地，认为地脉动的功率谱 与地面水平运动峰值加速度及地面运动反应谱均有较好的对应关系；章在墉 ( 1 9 9 4 ) 利用竖向地脉动和强迫振动竖向分量综合测定剪切波速度；章文波( 1 9 9 5 ) 采用频率一波数滤波法求取面波平均速度代替场地表层速度进行场地反应分析。 简文彬等( 2 0 0 2 ) 研究了泉州市区的地脉动特征与场地有关参数之间的关系，认 为地脉动卓越周期的变化与场地土层构造有关。 目前，我国对地脉动的研究和应用以短周期的地脉动为主，地脉动的应用多 只停留在直接傅立叶谱分析上，对于长周期地脉动的研究不多。 谢晓峰在地脉动在银川城市活断层探测与地震危险性评价项目中的应用性 研究一文中，通过对地脉动的n a k a m u r a 方法进行解析，分析了地脉动的基本频 率值与第三系基底构造对应的关系，在推定s 波速平均值的基础上，计算出了每 一观测点位置的盆地深度值，并由此推测出了银川盆地基底构造的变化。在我国， 这是首次尝试性地将地脉动运用于推测盆地基底构造的变化。但是，他的成果仅 限于推测了基底的构造变化。而且，他并没