長治市區淺部地層及剪切波速度結構特征

耿 偉 徐朝繁 劉 妍，3 馮 寧 石 磊

1 山西省地震局長治中心地震臺，長治市新營路135號，046000

2 中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號，450002

3 中國地震局蘭州地震研究所，蘭州市東崗西路450號，730000

4 山西省長治市地震局，長治市新營路135號，046000

長治市位于長治盆地東部，東依太行山脈的老頂山，整個區域可劃分為構造剝蝕低中山區和構造堆積平原區［1］，長治市城市建設工程勘探主要集中在構造堆積平原區的二級階地上（圖1）。在過去的近20a里，長治市地震局在市區組織實施的地震安評項目中，完成了大量的鉆探及剪切波速測井工作，利用這些較為密集的實測單孔資料對鉆孔空白區域的地層結構及巖土物性參數進行推測，對城市規劃、巖土工程勘探、地震安全性評價乃至盆地的構造演化研究等有十分重要的參考價值。對于地層結構橫向比較均勻的區域，可用統計回歸分析方法建立統一的剪切波速隨深度變化的線性或非線性回歸方程，進而實現對測井空白區域的巖土物性參數的推測［2－5］。而長治盆地位于黃土高原的東南部、老頂山構造剝蝕低中山區西側，淺部沉積建造除受構造堆積及斷裂的控制外，風積黃土分布十分廣泛。堆積成因較為復雜，加之長治盆地長期的垂直差異運動［6－7］，致使其地層并非均一的水平層狀結構，其巖土物性參數難以用統一的統計回歸方程來推測。為此，本文擬利用對非均勻離散分布參數具有無偏最優估計的克里金插值方法（Kriging）［8］構建長治市區地層及剪切波速度結構模型，為長治市區工程場地的類別劃分、地基土層液化判別及地震反應譜分析等提供參考。

圖1 長治市區及周邊地區地質構造略圖Fig.1 Simplified geological map of Changzhi and its adjacent areas

1 鉆孔及剪切波速測井資料

為確保資料的可靠性，首先對所收集到的鉆孔及剪切波速測井資料進行核查甄別，對沒有現場原始班報記錄的予以剔除，最終選取了43個工程場地的鉆孔及剪切波速測井數據。這些鉆孔及測井均位于長治市區構造堆積平原區二級階地上，地勢平坦，大致分布在東經113°3.78′～8.94′、北緯36°8.16′～14.1′約60km2的范圍內（圖2a）。井孔深度最淺65m，最深81m，大部分在70～80m，均穿過中更新統Q2地層底界，進入下更新統地層Q1，未穿過Q1底界（圖2b）。從鉆孔資料來看，下更新統Q1巖性有灰綠、紫紅、棕紅、黃褐色粘土夾亞砂土；中更新統Q2巖性為紅、褐紅色粘土、亞粘土，為沖積－洪積成因，區內有廣泛堆積物，最大厚度達30m；上更新統Q3分布廣泛，巖性為灰褐色亞砂土、黃褐色粘土，一般厚度為20～25m；全新統Q4為地表的雜填土、耕植土等，一般厚度約為1～5 m，巖性為粉紅、黃色土。土層剪切波速度的測定用單孔法，有22個測井的數據采集間隔為1m，14個測井間隔為2m，7個測井間隔為3m。

圖2 鉆孔位置（a）及k35孔柱狀圖（b）Fig.2 Drill distribution（a）and The drill column of k35（b）

2 地層結構模型的構建

從43個鉆孔及測井的原始資料中提取兩類數據用來構建長治市區地層結構模型，一類為各鉆孔不同地質年代（Q2、Q3、Q4）地層底界埋深，另一類為各測井不同深度的實測剪切波速度值。在建模之前，首先用0.001°×0.001°的網格把建模區域（圖2a）網格化，水平網格數為100×87個；再用克里金插值方法對鉆孔空白區網格點進行插值，得到三維空間數據體；最后用Surfer10 構建地層結構模型。

圖3 長治市區地層底界埋深Fig.3 The strata bottom boundary depth of different geological ages in Changzhi urban district

2.1 地層底界埋深圖

基于43個鉆孔（圖2a）給出的Q2、Q3、Q4地層的底界埋深，用克里金插值方法可得到網格化后建模區域每個格點的值。由于建模區域地勢起伏很小，各孔同一埋深近似在同一平面上，將地表作為0km 埋深點。圖3為利用Surfer10構建的各地質年代（Q2、Q3、Q4）地層埋深變化等值線圖。

2.2 剪切波速度模型構建

為了獲取建模區域內三維空間任意一點的剪切波速度值，首先對各鉆孔剪切波速測井數據利用冪函數關系式Vs＝a×hb（Vs為剪切波速度，h為深度，a、b為系數）進行非線性統計回歸分析，建立43個測井剪切波速度隨深度變化的回歸方程。表1給出各測井回歸方程的統計系數a、b及擬合優度R2。由表1可以看出，各測井的擬合優度大多在0.9以上，說明對于單孔所在的局部小區域來說，剪切波速隨深度的變化分布符合冪函數關系式，其系數a、b的變化較大，分別在45.54～136.90和0.307 4～0.590 1之間，說明長治市區剪切波速度具有較強的非均勻性結構特征。利用回歸方程，可求得每個井孔任意深度的剪切波速度值，然后用克里金插值方法得到建模區任意空間點上的剪切波速度值。圖4 為利用Surfer10 軟件制作的2、8、30m 深度剪切波速度分布圖，這3個深度基本上分別位于Q4、Q3、Q2地層內，反映了Q4、Q3、Q2地層內該深度的剪切波速度結構特征。

3 分析與討論

基于收集到的剪切波測井資料，用克里金插值方法給出建模區0.001°×0.001°×1m 網格尺度的3D 剪切波速度結構模型。比較圖3、圖4看出，2、8、30m 深度基本上分別位于Q4、Q3、Q2地層內，反映了這些深度上剪切波速度較強的橫向非均勻性結構特征。43 個鉆孔剪切波測井資料的非線性統計回歸分析結果（表1）顯示，雖然單孔測井剪切波速度Vs隨深度h的變化用冪函數（Vs＝a×hb）能很好地擬合，但系數a、b的取值范圍變化較大，該統計分析結果也顯示了Vs的橫向非均勻結構特征。系數a、b的空間展布形態與地層底界及Vs的分布形態有一定的相關性，大體上，低a、b值及其平緩變化區對應的各地層埋深及層內Vs變化也較平緩，高a、b值及其變化較大區域對應的各地層埋深及層內Vs變化也較劇烈，反映了建模區地層小區域結構特征的差異。

表1 各測井回歸方程的統計系數a、b及擬合優度R2Tab.1 Statistical coefficient a，band the aptness of fit R2 of regression equations for each wall

圖4 不同深度地層的剪切波速度結構特征Fig.4 Shear wave velocity structure characteristics of different depths

從圖3、圖4可以發現，全新統地層Q4較薄，大部分區域的底界埋深在2.5～3.5m，總體形態表現為近北西走向的隆起帶，在鄰近長治正斷層及二崗山地壘南側正斷層下盤一側存在厚度陡變帶，層內2m 深度的剪切波速度主要分布在174～204m／s，在石子河及黑水河流經區域速度明顯偏低；晚更新統Q3地層的底界深度主要分布在12～22 m，為一向東北微傾斜的斜坡帶，大部分區域厚度在9～19m，從西南向東北其埋深及厚度均逐漸增加。東北區域均存在走向近北西的陡變帶，陡變帶下方的厚度及埋深變化不大。該層內8m 深度處的剪切波速度結構顯示，在河流流經區域，剪切波速度偏低，約為199～215m／s，其他區域相對較高，大于215m／s，且表現為較強速度梯度帶結構特征；大部分區域的Q2底界深度及其厚度分布分別在19～39m、16～24m，靠近長治斷裂區域深度快速增加，其埋深和厚度均為一條走向為北北西的梯度結構帶。該層內剪切波速度等值線表現為頂部向東的扇形分布特征，在鄰近濁漳河南源西部區域的扇形頂部速度值最低，約290m／s，向東逐漸增加，顯示了濁漳河南源對該區域沉降建造的影響。

從以上分析可以看出，水文地質環境及主要斷裂對長治市區的沉降建造影響較大，剪切波速度對地層的“軟硬”反映比較敏感，在河流流經區域，土層中含水相對較高，致使土層變軟，剪切波速度較低。長治市區東、北分別鄰近長治正斷層及二崗山南側正斷層的下盤，鄰近兩斷層的地層下陷，底界深度及地層厚度加大，且表現為陡變帶。

4 結 語

基于長治市區較為密集的鉆孔及剪切波測井資料，給出了每個測井剪切波速度隨深度變化的非線性統計回歸分析方程。利用克里金插值方法，構建了長治市區0.001°×0.001°×1 m 網格尺度的3D 剪切波速度結構模型及0.001°×0.001°網格尺度的Q4、Q3、Q2地層埋深等值線圖，其結構特征與水文地質環境及主要斷裂的展布有明顯的相關性，同時也說明該模型的可靠性和準確性及在地震安全性評價中的參考價值。

［1］馬新勝.長治市區工程地質特征［J］.山西地質，1992，7（2）：245－252（Ma Xinsheng.Characteristics of Engineering Geology in Changzhi Urban District［J］.Shanxi Geology，1992，7（2）：245－252）

［2］劉艷春.山西大同市區剪切波速與土層巖性及深度關系的研究［J］.山西地震，2011，146（2）：39－41（Liu Yanchun，Study on the Relationship between Shear Wave Velocity and Soil Lithology and Depth in Datong City［J］.Earthquake Research in Shanxi，2011，146（2）：39－41）

［3］張小平，馬順，金源，等.大連地區工程場地各類巖土剪切波速的變化特征分析［J］.防災減災學報，2012，28（4）：7－11（Zhang Xiaoping，Ma Shun，Jin Yuan，et al.Variation Characteristics Analysis of Shear Wave Velocity by Various Types of Soil on Sites in Dalian Region［J］.Journal of Disaster Prevention and Reduction，2012，28（4）：7－11）

［4］王幫圓，李世峰，王幫團，等.邯鄲市區場地土剪切波速與埋深相關性分析［J］.河北工程大學學報：自然科學版，2013，30（3）：92－95（Wang Bangyuan，Li Shifeng，Wang Bangtuan，et al.Correlation Analysis between Shear Wave Velocity and Depth of Soil in Handan City［J］.Journal of Hebei University of Engineering：Natural Science Edition，2013，30（3）：92－95）

［5］高武平，陳宇坤，任峰，等.天津濱海地區淺層剪切波速與基底構造［J］.震災防御技術，2012，7（2）：130－137（Gao Wuping，Chen Yukun，Ren Feng，et al.Study of Relation between Shallow Shear Wave Velocity and Basement Structure in Tianjin Coastal Area［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2012，7（2）：130－137）

［6］馬永明.潞安－長治礦區地質構造形成機制探討［J］.中國煤田地質，2005，17（1）：1－3（Ma Yongming.Probe into Geological Structure Genetic Mechanism of Luan－Changzhi Mining Area［J］.Coal Geology of China，2005，17（1）：1－3）

［7］王京虎.長治盆地的形成歷史及新構造運動特征淺析［J］.煤，2005，14（4）：56－57（Wang Jinghu.Preliminary Analysis for the Formation and Neo－Tectonic Movement of Changzhi Basin［J］.Coal，2005，14（4）：56－57）

［8］靳國棟，劉衍聰，牛文杰.距離加權反比插值法和克里金插值法的比較［J］.長春工業大學學報，2003，24（3）：53－57（Jin Guodong，Liu Yancong，Niu Wenjie.Comparison between Inverse Distance Weighting Method and Kriging［J］.Journal of Changchun University of Technology，2003，24（3）：53－57）