李鐵飛 陳學良 高孟潭

(中國北京100081中國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系研究*

李鐵飛 陳學良*高孟潭

(中國北京100081中國地震局地球物理研究所)

以玉溪盆地16個鉆孔的柱狀圖和波速數(shù)據(jù)為基礎， 統(tǒng)計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系， 給出了玉溪盆地內(nèi)角礫、 礫石、 圓礫、 礫砂、 細砂和淤泥質(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)驗關系． 通過分析不同顆粒大小、 不同磨圓程度土層剪切波速特征， 認為土層的波速特征與其形成時所處的沉積環(huán)境有一定的關系， 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)計分析

引言

沉積環(huán)境和沉積作用的各種特點會在沉積產(chǎn)物中留下某些記錄, 對于土壤而言， 主要表現(xiàn)為土層顆粒的來源、 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， 水動力環(huán)境會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)， 從而對地震動產(chǎn)生了一定程度的影響； 尤其對于局部地質(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)條件在地震工程學中一般稱為場地條件． 國內(nèi)外的震害經(jīng)驗一致表明， 場地條件是引起地表震害和地震動局部變化的主要因素， 而場地土層對震害的影響在場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)是對地面運動影響最大的因素． 因此， 對土層顆粒特征與土層剪切波速的關系進行研究， 有助于認識、 驗證、 預估不同地區(qū)土層的物理力學特性及其對地震動的影響．

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雜場地條件． 在很多情況下， 沉積盆地會加重地表震害， 盆地效應的研究在工程抗震驗算的地震動定量估計、 重大工程與重要建筑物的建筑選址與抗震設計、 地震小區(qū)化等領域具有重要意義． 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)濟比較發(fā)達、 人口密度較大， 且歷史上發(fā)生過1970年通海MS7.8地震， 死亡人數(shù)超過1萬5000人， 震害嚴重， 地震風險較高． 因此， 本文將對玉溪盆地淺層土層顆粒特征與土層剪切波速的關系進行分析．

建立高精度速度結(jié)構(gòu)模型是研究場地效應、 盆地效應的有效方法， 該方法需要以大量的地球物理勘探資料為基礎． 然而， 地球物理勘探的成本較高， 且對于人口、 建筑密集的地區(qū)進行地球物理勘探， 尤其是鉆孔鉆探， 具有很大的難度． 本文嘗試利用特定土層的顆粒特征估計其等效剪切波速的方法， 將未進行波速測井的鉆孔數(shù)據(jù)應用于場地模型的構(gòu)建， 以增加場地速度結(jié)構(gòu)模型的準確性； 同時將受沉積環(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)資料對場地條件特征進行更深入的認識．

1 土層剪切波速與埋深關系的統(tǒng)計分析

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自中國地震科學臺陣探測項目在玉溪盆地進行的16個鉆孔的鉆探及剪切波測井工作， 鉆孔深度均大于80 m， 地層均為第四系沉積土層．

對鉆孔柱狀圖和波速測試結(jié)果進行整理， 得到了黏土層、 角礫層、 礫石層、 圓礫層、 礫砂層、 細砂層以及淤泥質(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)、 多項式擬合(y=a+bx+cx2)及指數(shù)擬合(y=axb)等3種常用的經(jīng)驗公式(劉紅帥等， 2010； 邱志剛等， 2011)統(tǒng)計了不同類型土層的埋深與剪切波速的擬合關系， 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、 礫砂層和細砂層的埋深與剪切波速的相關性較高； 角礫層、 礫砂層和細砂層采用多項式擬合的結(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， 故無法對其作進一步分類， 這是由黏土本身顆粒較小的特點所決定的； 同時， 黏土層廣泛分布于盆地內(nèi)各個位置， 在所有鉆孔內(nèi)均可見， 因此將其作為一個整體進行統(tǒng)計分析的離散性較大．

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

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)境與剪切波速的關系

為了研究玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的關系， 將鉆孔數(shù)據(jù)按沉積物的磨圓度和顆粒大小進行重新分類． 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； 對于樣本點較少的情況， 多項式擬合結(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， 故推測淺層土層的剪切波速與其形成時所處的水動力沉積環(huán)境有一定的關系． 沉積物的顆粒大小與水流的搬運能力有關， 水流量越大、 流速越快， 則其能夠搬運的沉積物顆粒越大， 較大的顆粒往往會沉積在水系的上游， 而較小的顆粒往往會沉積在水系的下游． 與此同時， 在搬運過程中， 顆粒被水流侵蝕、 互相碰撞， 其磨圓程度會增高． 因此， 玉溪盆地淺層土層的剪切波速與其形成時所處的水動力環(huán)境有關， 具體表現(xiàn)為： 顆粒較小的沉積物在水流中搬運的距離較長， 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沉積土層的密實程度、 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?？赡軄碜燥L化程度較高的軟弱巖石， 其本身的彈性模量較低； 而較大顆?？赡軄碜燥L化程度較低的堅硬巖石， 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， 其剪切波速越低．

3 鉆孔的等效剪切波速估計

對于一些地質(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， 而無波速測試資料． 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， 在地震地面運動分析時作為有波速測井的鉆孔資料的補充．

對目標鉆孔的土層分類與埋深進行整理， 由前文給出的擬合經(jīng)驗公式即可得到目標鉆孔中若干個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)對黏土層的剪切波速進行修正．

在母語磨蝕研究中，研究者們提出了各種假說來解釋母語磨蝕的發(fā)生機制。大部分假說后來都被運用到二語磨蝕研究中。本節(jié)擬討論其中的六種假說，即“退化假說”“門檻假說”“干擾假說”“簡化假說”“標記性假說”和“語言休眠假說”。

假設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， 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， 分別對其進行深度-波速關系的擬合， 結(jié)果列于表4． 可以看出， 按照假設分類后黏土層的擬合度明顯提高， 表明這種假設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， 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值． 對目標鉆孔所有土層的估計剪切波速進行深度-速度關系擬合， 即可得到目標鉆孔在一定深度內(nèi)的等效剪切波速． 為了驗證該估計方法的準確性， 對玉溪盆地鉆孔在80 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速進行估計， 結(jié)果列于表5． 可以看出： 該方法在對所使用的鉆孔數(shù)據(jù)進行自估計時， 其平均誤差約為15 m/s； 而如果不按照顆粒特征對黏土層的估計值進行修正， 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．

為了進一步驗證該方法的可靠性和誤差范圍， 隨機去掉3個鉆孔的資料， 使用剩余13個鉆孔的資料外推另外3個鉆孔的等效剪切波速， 并重復3次， 結(jié)果列于表6． 可以看出， 估計剪切波速結(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180 m/s左右(表5)， 故上述估計鉆孔等效剪切波速的方法具有一定的應用價值．

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

注： 由于鉆孔BH14絕大部分為黏土層， 無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

通過對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經(jīng)驗關系進行估計， 其中角礫層、 礫砂層和細砂層采用多項式關系， 礫石層、 圓礫層、 淤泥質(zhì)黏土層采用線性關系． 玉溪盆地淺層土層的剪切波速與其形成時所處的沉積環(huán)境有關， 具體表現(xiàn)為： 顆粒較小的沉積物在水流中搬運的距離較長， 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， 其剪切波速越低． 此外， 沉積土層的波速還可能與沉積過程中的化學作用、 生物作用等其它因素有關， 尚待進一步研究．

本文給出了一種利用顆粒特征明顯的鉆孔數(shù)據(jù)對鉆孔等效波速進行估計的方法， 可用于玉溪盆地未測波速鉆孔的剪切波速估計． 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)量的具有波速測試結(jié)果的鉆孔資料為基礎， 使顆粒特征明顯的土層樣本達到一定數(shù)量； 其次， 估計目標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)驗公式以及估計鉆孔場地等效剪切波速的方法， 在場地地震動反應分析的模型構(gòu)建等研究中具有一定的應用價值， 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， 應用于場地效應和盆地效應的研究中．

本文主要對于與沉積環(huán)境、 沉積相相關的土層顆粒特征與場地條件中的關鍵因素剪切波速的關系進行研究， 是使用地質(zhì)資料對地球物理模型參數(shù)進行完善的一種嘗試． 在地震地面運動的研究中， 可以利用豐富的地質(zhì)資料對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)進行一定程度的補充， 具有較為廣泛的應用前景． 對于沉積環(huán)境、 沉積相與場地速度結(jié)構(gòu)模型的關系， 尚待進一步研究．

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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

中國地震局地球物理研究所基本業(yè)務專項(DQJB14B02)和國家公益性行業(yè)專項(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, 陳學良, 高孟潭. 2016. 玉溪盆地淺層土層顆粒特征與剪切波速的關系研究. 地震學報, 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