北京平原区剪切波速与地质构造的关系

北京平原区剪切波速与地质构造的关系

0断裂对地土动力特性的影响土层剪切波速是土壤中剪切波的传播速度。这是土壤振动和土壤肥力学之间的主要物理变量。它反映了土层的刚性特征、土壤肥力反应下的惯性作用和波的传播速度。因此，它也是反映土壤肥力在地震作用下的动态反应的重要变量。可为了解场地土质动力参数和评估场地土动力性质提供重要的定量依据。到目前为止,剪切波速主要应用于场地类别划分、土力学参数确定、砂土液化判别、地震反应分析及估算场地卓越周期等。近些年来,人们已经开始研究浅层剪切波速与断裂构造的关系,但是研究还不够深入,仅是在个别地区做了一些工作。根据前人研究成果,断层造成了地层的不连续性,不同时代的地层以断层接触,越过断层线,地层岩性可能发生极大变化,在同时代地层内的断层,虽然两侧的岩性变化较小,但地层层位和产状会有明显差异。因此,断裂断错对剪切波速能够产生一定的影响。本文充分吸收了前人在不同地区的研究方法,以北京平原区剪切波速资料为基础,建立三维剪切波速度模型,获取有代表性速度剖面,分析其与隐伏构造之间的关系,对于隐伏构造的研究,是一种直观、可行和有效的方法。1大地理结构1.1构造断陷盆地的构造属性研究区属于华北地块的一部分,北部属于燕山褶皱带,南部属于冀中凹陷,其构造格局在中生代末期形成。北京断陷以西八宝山断裂和黄庄-高丽营断裂与燕山褶皱带相邻,以东南苑—通县断裂与冀中凹陷相接,呈北北东走向、狭长条形的中新生代断陷盆地。其本身又被北西至近东西向南口-孙河断裂分割为丰台凹陷和顺义凹陷,构成若干次一级凹凸相间排列的构造格局。第四纪以来,北京断陷的丰台凹陷的断陷活动逐渐停止,第四纪的沉积厚度一般为数十米。在新构造时期由于北西向南口-孙河断裂和北东向黄庄-高丽营断裂北段、顺义-良乡断裂北段第四纪的活动,形成了新的第四纪断陷,其中以马池口和顺义断陷盆地的形成为主要代表。研究区自南而北有大兴凸起、丰台凹陷、来广营凸起、沙河凹陷和顺义凹陷(图1)。1.2地质特征及成因研究区地表平坦,微向东南倾斜,平均坡降1‰左右。区内河流较多,呈树枝状分布,在漫长的地质历史时期,特别是全新世以来,频繁变迁,不断侵蚀和堆积,塑造了现今的地貌景观和地貌特征。北京平原地区第四系主要为流水堆积物质,除山麓地带分布有残坡积层和平原区零星分布的湖沼相沉积外,区内广泛分布有很厚的粘类土与砂类土互层沉积。在河流及其两岸地势低平的阶地,河漫滩和湖沼洼地多为全新世的沉积。在河流出山后的河段上,沉积物以砂卵石为主,愈向下游颗粒愈细,多为粘类土与砂类土,表现出从上游到下游颗粒由粗到细的递变规律。第四纪以来,由于受新构造运动的影响,山区不断抬升,平原强烈下降,接受了巨厚的沉积物。但在不同地区,由于受断裂活动的影响和地理环境限制,沉积厚度有明显的差异,形成几个不同的沉积中心,如沙河凹陷、顺义凹陷等。地层特征如下:(1)全新统(Q4)以冲积为主,次为洪积及残积等各种成因类型。全新世地层比较多地分布在北京平原的局部洪泛区以及切割上更新统冲积扇和台地的现代河道与古河道中,构成I级阶地或高漫滩,另在山间洼地、低台地等处亦有全新统分布,厚度一般为5~10m,最厚可达20m。(2)上更新统(Q3)在北京平原区及山前地带分布很广,成因为冲积、洪积和坡洪积,主要岩性为褐黄、黄褐色砂质粘土,粒度均匀,多孔隙,含砾石层。砂质粘土在山前常形成黄土台地,由山区向平原砾石粒度由粗变细。平原区厚度一般为20~30m,断陷区厚可达30~50m,局部地区可达100m。(3)中更新统(Q2)地层多属洪积、冲积、残积等成因类型。主要岩性为棕红色粘土、砂质粘土及亚砂土,内含少量白云岩角砾,主要分布在盆地中及山前局部隆起地带或基岩残山边部,在平原相对沉降区厚度一般为60~200m。(4)下更新统(Q1)主要分布于北京断陷区,地表分布面积和厚度极小。据李鼎容的研究,该套地层以绛红色砂质粘土、粘土质砂为主,夹砂土及砂砾石层,在顺义孙河一带沉积厚度较大。2切割波速数据2.1材料与测试方法本文资料主要来源于中国地震应急搜救中心北京吉奥星地震工程勘测研究院完成的地震安全性评价项目,搜集并整理了部分勘察单位在本地区的岩土工程勘察成果,共整理了300多个钻孔的剪切波速资料(图1)。这些波速资料均到达了500m/s的层位,钻孔深度主要集中在80~100m范围内,穿透了中晚第四纪地层。波速测试采用单孔测试法,采用廊坊大地公司的XG-1型悬挂式测井仪,采用井下自激自发方式,自下而上逐点进行测试,测试点距1.0m。该方法简单易行,测试精度高,在北京地区已经广泛采用,能够有效识别土层中的薄层。2.2井位高程校正对已经得到的钻孔资料进行初步对比分析,剔除有数据异常的钻孔,根据钻孔地层分布情况,按照原始测井数据每1m的间隔进行整理并录入。以北京市城建坐标高程为依据,进行每一个钻孔的高程校正。数据整理和录入后,按照经纬度0.01°、深度1m间隔,划分为0.01°×0.01°×1m的三维网格,进行线性插值,绘制成0~-100m深度范围内的剪切波速三维图像,截取了代表性的2个波速剖面。3北京市平原区波速特征根据隐伏构造位置和钻孔分布情况,选取了2个典型的剪切波速剖面,分析其与隐伏构造之间的关系,剖面位置见图1。Ⅰ-Ⅰ′剖面为北西西向,跨越了沙河凹陷和丰台凹陷,止于大兴凸起,与黄庄-高丽营断裂中段、顺义-良乡断裂南段和南苑-通县断裂北段相交;Ⅱ-Ⅱ′剖面近南北向,起于沙河凹陷,横跨了来广营凸起和丰台凹陷,止于大兴凸起,与黄庄-高丽营断裂北段、南口-孙河断裂中段、顺义-良乡断裂南段和南苑-通县断裂南段相交。图2为剪切波速速度结构与隐伏构造的关系。从图2中可以看出,北京市平原区的浅层剪切波速具有明显的分层性,且与地貌特征相符合。图2a自西向东,20~50m深度底面,剪切波速属于同一层位,波速在350m/s以内;图2b,45m深度以内属于同一层位,波速在400m/s以内。通过以上波速变化,表明该地区西部大部分地区场地类别以Ⅱ类为主,东部大部分地区场地类别为Ⅲ类。在中深部,波速明显受到下部构造单元和断裂构造的影响,同一构造单元内波速具有较好的成层性。同时还可以看到,北京平原区的剪切波速具有明显的不均匀性,不同地质单元波速结构差异明显。波速等值线的变化与地质构造单元划分基本一致,如沙河凹陷、丰台凹陷和大兴凸起等在波速剖面上都有明显的显示,断裂的断错对断层两侧的波速变化产生明显的影响。根据北京市新构造运动的特点,第四纪以来,山区不断抬升,平原强烈下降,接受沉积。但在不同地区,由于受断裂活动的影响,沉积厚度有明显的差异,形成几个不同的沉积中心,如沙河凹陷、丰台凹陷等。图2中我们注意到,黄庄-高丽营断裂和南苑-通县断裂两侧的波速具有明显的变化,在深度60~80m左右变化尤为明显,这与北京市地震局在物探测线上发现的断裂上断点埋深是一致的,结合该剖面位置的地层年代,与前人研究给出的断裂活动时代相符合。综上所述,北京市平原区地质构造单元和隐伏构造活动对第四纪以来沉积及新构造活动具有明显的控制作用,影响并控制了晚第四纪以来的沉积环境,从而对中浅部分的第四纪地层有一定影响。剪切波速的不均匀性对场地类别划分和地震安评的地震动参数计算都有明显影响。4北京市浅层剪切波速的特征本文统计了多年以来积累的钻孔剪切波速数据,获得了2个典型的波速结构剖面,分析了浅层剪切波速与隐伏构造的关系,得出如下结论:(1)北