玄月，吳 濤，劉 軒，李偉華，王金萍

（1.中國地震應急搜救中心，北京 100049；2.北京吉奧星地震工程勘測研究院，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)別土動力學與土靜力學的一個主要物理量，它反映了土層的剛度特征和土在動力響應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力反應的一個重要物理量［1－2］。可為了解場地土質(zhì)動力參數(shù)和評估場地土動力性質(zhì)提供重要的定量依據(jù)。到目前為止，剪切波速主要應用于場地類別劃分、土力學參數(shù)確定［3］、砂土液化判別、地震反應分析及估算場地卓越周期等。

近些年來，人們已經(jīng)開始研究淺層剪切波速與斷裂構造的關系，但是研究還不夠深入，僅是在個別地區(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，不同時代的地層以斷層接觸，越過斷層線，地層巖性可能發(fā)生極大變化，在同時代地層內(nèi)的斷層，雖然兩側(cè)的巖性變化較小，但地層層位和產(chǎn)狀會有明顯差異［4］。因此，斷裂斷錯對剪切波速能夠產(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，建立三維剪切波速度模型，獲取有代表性速度剖面，分析其與隱伏構造之間的關系，對于隱伏構造的研究，是一種直觀、可行和有效的方法。

1 大地構造背景

1.1 地質(zhì)構造概況

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凹陷和順義凹陷，構成若干次一級凹凸相間排列的構造格局。第四紀以來，北京斷陷的豐臺凹陷的斷陷活動逐漸停止，第四紀的沉積厚度一般為數(shù)十米。在新構造時期由于北西向南口－孫河斷裂和北東向黃莊－高麗營斷裂北段、順義－良鄉(xiāng)斷裂北段第四紀的活動，形成了新的第四紀斷陷，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、豐臺凹陷、來廣營凸起、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，呈樹枝狀分布，在漫長的地質(zhì)歷史時期，特別是全新世以來，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，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的遞變規(guī)律［5］。

圖1 北京平原區(qū)地質(zhì)構造與波速剖面位置圖

第四紀以來，由于受新構造運動的影響，山區(qū)不斷抬升，平原強烈下降，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)沖積扇和臺地的現(xiàn)代河道與古河道中，構成I級階地或高漫灘，另在山間洼地、低臺地等處亦有全新統(tǒng)分布，厚度一般為5～10m，最厚可達20m。②上更新統(tǒng)（Q3）在北京平原區(qū)及山前地帶分布很廣，成因為沖積、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地，由山區(qū)向平原礫石粒度由粗變細。平原區(qū)厚度一般為20～30m，斷陷區(qū)厚可達30～50m，局部地區(qū)可達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 資料來源

本文資料主要來源于中國地震應急搜救中心北京吉奧星地震工程勘測研究院完成的地震安全性評價項目，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多個鉆孔的剪切波速資料（圖1）。這些波速資料均到達了500m／s的層位，鉆孔深度主要集中在80～100 m 范圍內(nèi)，穿透了中晚第四紀地層。波速測試采用單孔測試法，采用廊坊大地公司的XG－1型懸掛式測井儀，采用井下自激自發(fā)方式，自下而上逐點進行測試，測試點距1.0m。該方法簡單易行，測試精度高，在北京地區(qū)已經(jīng)廣泛采用，能夠有效識別土層中的薄層。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對已經(jīng)得到的鉆孔資料進行初步對比分析，剔除有數(shù)據(jù)異常的鉆孔，根據(jù)鉆孔地層分布情況，按照原始測井數(shù)據(jù)每1 m 的間隔進行整理并錄入。以北京市城建坐標高程為依據(jù)，進行每一個鉆孔的高程校正。

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個波速剖面［8］。

3 剪切波速結構與隱伏構造關系

根據(jù)隱伏構造位置和鉆孔分布情況，選取了2個典型的剪切波速剖面，分析其與隱伏構造之間的關系，剖面位置見圖1。Ⅰ－Ⅰ′剖面為北西西向，跨越了沙河凹陷和豐臺凹陷，止于大興凸起，與黃莊－高麗營斷裂中段、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，橫跨了來廣營凸起和豐臺凹陷，止于大興凸起，與黃莊－高麗營斷裂北段、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為剪切波速速度結構與隱伏構造的關系。

圖2 北京平原區(qū)剪切波速速度結構圖

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)。通過以上波速變化，表明該地區(qū)西部大部分地區(qū)場地類別以Ⅱ類為主，東部大部分地區(qū)場地類別為Ⅲ類。在中深部，波速明顯受到下部構造單元和斷裂構造的影響，同一構造單元內(nèi)波速具有較好的成層性。

同時還可以看到，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)單元波速結構差異明顯。波速等值線的變化與地質(zhì)構造單元劃分基本一致，如沙河凹陷、豐臺凹陷和大興凸起等在波速剖面上都有明顯的顯示，斷裂的斷錯對斷層兩側(cè)的波速變化產(chǎn)生明顯的影響。根據(jù)北京市新構造運動的特點，第四紀以來，山區(qū)不斷抬升，平原強烈下降，接受沉積。但在不同地區(qū)，由于受斷裂活動的影響，沉積厚度有明顯的差異，形成幾個不同的沉積中心，如沙河凹陷、豐臺凹陷等。

圖2中我們注意到，黃莊－高麗營斷裂和南苑－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線上發(fā)現(xiàn)的斷裂上斷點埋深是一致的，結合該剖面位置的地層年代，與前人研究給出的斷裂活動時代相符合。

綜上所述，北京市平原區(qū)地質(zhì)構造單元和隱伏構造活動對第四紀以來沉積及新構造活動具有明顯的控制作用，影響并控制了晚第四紀以來的沉積環(huán)境，從而對中淺部分的第四紀地層有一定影響。剪切波速的不均勻性對場地類別劃分和地震安評的地震動參數(shù)計算都有明顯影響。

4 結論

本文統(tǒng)計了多年以來積累的鉆孔剪切波速數(shù)據(jù)，獲得了2個典型的波速結構剖面，分析了淺層剪切波速與隱伏構造的關系，得出如下結論：

（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)構造單元和隱伏斷裂的活動影響，同一構造單元內(nèi)波速具有較好的成層性和穩(wěn)定性；斷裂活動對斷層兩側(cè)的剪切波速產(chǎn)生明顯的控制作用，黃莊－高麗營斷裂和南苑－通縣斷裂等兩側(cè)的地層波速結構明顯不同。

（3）淺層剪切波速能夠?qū)Φ刭|(zhì)構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)場地評價中的應用研究［J］.華南地震，1993，13（3）：37－44.

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

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

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

［6］ 劉志輝，陳建強.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，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，1979，（4）：342－349.

［8］ 高武平，陳宇坤，任峰，等.天津濱海地區(qū)淺層剪切波速與基底構造關系研究［J］.震災防御技術，2012，7（2）：130－136.