郑州西部地区地震地质灾害研究

张 军，张 炜，胡凤英，罗守占

（1.郑州市地震工程勘察事务所，郑州 450000；2.河南省地震局，郑州 450016；3.郑州市地震工程勘察事务所技术部，郑州 450000）

0 引言

随着河南省郑州市经济的发展和城市规模的扩大，城区建设范围逐步向外围扩展，区域基础性地震地质特征的研究对城市规划和大规模基础设施的建设具有重要的意义和价值。近年来，郑州市相继开展郑州新区等新建城市区地震安全探测工作，主要包括：郑州市活断层探测与地震危险性评价、郑州市地震安全基础探测工程、郑州新区城镇规划建设区域抗震防灾规划等，获得了大量重要的城市规划与建设的基础性数据资料。我们在此基础上，通过收集补充其它建设项目的场地工程地质资料，重点对郑州市西部地区的地震地质环境进行调查，对该区域可能存在的地震地质灾害进行了较为深入的研究。主要工作内容包括：收集区域地质、工程地质、水文地质、地震构造、断层探测等方面资料；对区内浅层地下水的埋藏与分布条件、水动力特征进行研究；对区内地层岩性特征、岩土体结构类型及其展布规律进行研究；研究区内断裂的分布、活动性及与地震的潜在关系；研究区内古河道的埋藏条件、分布规律；对区内软土、液化土层、湿陷性土层的埋藏、分布及其土体的工程地质特征进行分析判别。

1 区域基础资料

研究区域位于郑州市西部，北临科学大道，南至陇海铁路，东到西三环，西至西四环（图1），面积约20km2，是郑州市重要的工业和高新技术产业基地。前人在本区域做了大量基础性工作，获得了丰富、翔实的基础资料［1］。通过以上研究工作，对研究区域可能存在的地震断裂、地基土液化、软土震陷、古河道等地震地质灾害进行科学的分析判断，得到各类灾害的分布情况和严重程度，为城市土地利用和防灾规划提供科学可靠的依据。但部分资料时间跨度较大，不连续，不系统，需要进行深入的分析、研究、整理后再加以利用。

图1 研究区工程地质简图

研究区地貌单元根据地貌成因及形态特征不同分为2个地貌亚区，如表1所示。

表1 地貌分区说明

研究区水系较发育，均由西（南）向东（北）径流，径流量较小，属季节性河流。地下水位受地形地貌条件和人工开采的控制。随着近年来气候干旱和人工强力开采，区内地下水位急剧下降，水位埋深13.2～21.3m，浅层地下水位年变幅1.0～2.0m。浅层地下水主要为大气降水补给，区内地下水流向由西南、南向东北、北径流，水力坡度2.2‰。

市区地层属华北地层区－华北平原开封小区。区内出露地层主要为第四系，基岩出露较少，地面广泛分布第四系堆积物，沉积环境复杂，沉积物岩相、结构变化较大，沉积厚度为60.0～300.0 m。根据收集到的建设工程场地钻孔资料，研究区内100.0 m 深度内分布有新近系（N）、第四系上更新统（Q3）、中更新统（Q2）、第四系全新统（Q4）地层，且各地层在研究区内分布广泛。

地质环境方面［2］，郑州位于秦岭东西向构造带北缘与新华夏系第二沉降带——太行隆起南端、北西向构造带及晋东南“山”字形构造带的复合部位。区内新构造活动以块体的差异升降为特征。根据其活动强度的不同，大致以邙山北缘和京广铁路为界，将市区分为2个一级构造区：嵩山隆起区和郑汴凹陷区，市区处于其过渡地带。

市区范围内的主要断层有老鸦陈断裂、上街断裂、花园口断裂、中牟北断裂、中牟断裂、古荥断裂、须水断裂、郭小寨断裂等。后2条断层为早－中更新世断层，其余断层均为前第四纪断层。

郑州市区内历史上发生过2 次M≥4.7 级地震。1970年全国地震台网建立以来，共记录到ML≥2.0级地震16次，最大地震为2002年11月7日郑州与原阳交界地区的ML4.5级地震。总体上看，区内地震活动水平相对较低，但存在发生中强地震的背景［3］。

2 潜在地震地质灾害研究

相关震害研究表明［4－5］，地震地质灾害主要表现为：地震断层，砂土液化，软土震陷、古河道淤泥质土地基震害等。下面结合我们的研究工作进行介绍。

2.1 地震断层

研究区内发育有2条断层：上街断层和古荥断层［6］（图2）。

上街断层分布于研究区中南部，区内展布长度5.5km，西自上街，经郑州市区向东延至中牟县境内，止于白沙一带。走向近东西，倾向北，倾角70°，为一正断层，总长120.0km。

李廷栋等［7］在郑州市西郊百炉屯附近完成了一条地震剖面，最大探测深度约3.0km，探测结果表明断层明显错断奥陶系和二叠系，但没有错断新近纪地层。

图3为横跨上街断层浅层地震勘探反射时间和深度剖面图，在图3（a）的时间剖面上存在13 组能够连续追踪的反射震相（T1～T13）。这些震相反映出一些地层结构特征：剖面上部T1～T4地层界面基本呈水平展布；中部T5～T10地层界面呈现出轻微的南高北低形态；下部T10～T13 地层界面呈现出明显的南高北低的倾斜形态，且倾斜幅度较大。从深度剖面的整体形态来看，下部地层与中上部地层表现出明显不同的特征。一是T11和T12两地层界面与T10地层界面存在明显的合并形态，表明T10地层界面下面的地层存在尖灭现象，它反映了新、古近系为角度不整合接触。二是T12 和T13地层界面存在明显的错断现象，分别在测线桩号1 785m、1 425m 和885m 处存在3个断点。其中1条视倾向南，另2条视倾向北，视倾角都较陡，都是正断层，断距约100 m。从深度剖面图可以看出它们向上都没有错断T10地层界面，即都没有错断新近系。从这3个断点的位置和性质来看，这些应该是上街断层的反映，表明上街断层也是由多个分支断层组成的断层带，并且在古近纪时期仍在活动，但新近纪以来已不再活动，判断该断层为前第四纪断层。

图2 研究区及周边地震构造图

古荥断层北起黄河北岸，向SE 方向延伸与上街断层交汇，断层总长30km。断层走向330°，倾向NE，倾角70°，为一正断层，地貌上没有显示。断层西盘上升，东盘下降，断距400 m 左右。古荥断层错断了新生界地层等厚线，新生界地层厚度在地层东盘突然增厚，资料显示其没有错断新近纪以来地层等厚线。表明新近纪以来没有活动，为前第四纪断层。断层在研究区的西部通过，区内展布长度2.5km，产状为NW－SE 走向。断层通过地段上部全新统及上更新统沉积物较厚。

综上所述，研究区内的断层均为非活动断层。从历史地震资料分析，区内未记录到与地震构造相关的中强地震，小震在空间分布上未发现明显的异常集中，故认为研究区内断层不具备发生破坏性地震的条件。

2.2 地基土液化

饱和砂土和粉土在循环荷载作用下，突然丧失其抗剪强度并变为接近流体的状态称为液化。地基土液化是引起工程建筑破坏的主要原因之一。

（1）研究内容

图3 上街断层浅层地震勘探反射时间和深度剖面图

为查清研究区饱和砂土和粉土的埋藏与分布规律，判别其液化性，开展了浅层地下水位统调、钻探、标准贯入试验、室内土工试验等工作。结果表明，区内地下水赋存条件及其类型比较单一，主要为松散岩类孔隙、裂隙潜水。含水层岩性主要为中下部中更新统粉细砂、中细砂、砂砾石、卵砾石（局部发育小溶洞）及新近系粉砂、中粗砂、卵砾石层、钙质砂卵砾石和黏土、粉质黏土孔隙、裂隙含水层。浅层地下水海拔高程94.10～117.33 m，西南高，东北低；地下水位埋藏深度9.5～20.1m。

在地表下20m 深度范围内分布的砂土与粉土层分别是第（1）层粉土、第（2）层粉土和第（3）层粉土。实验结果显示，第（1）层粉土的黏粒含量为10.2%～14.5%，第（2）层 粉 土 的 黏 粒 含 量 为12.1%，第（3）层粉土的黏粒含量为12.6%。

（2）液化判别

研究区地下水位埋藏深度为9.5～20.1m，地表20m 深度范围内不存在饱和砂土和粉土，不具有液化的必备条件。第（1）层粉土、第（2）层粉土和第（3）层粉土，各层的黏粒含量均大于10%，该区地震设防烈度为Ⅶ度。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）第4.3.3条规定，饱和的砂土或粉土（不含黄土），当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化影响：

①地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，Ⅶ度、Ⅷ度时可判为不液化。

②粉土的粘粒（粒径小于0.005 mm 的颗粒）含量百分率，Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度分别不小于10、13和16时，可判为不液化土。

③浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

式中：dw为地下水位深度，du为上覆盖非液化土层厚度，db为基础埋置深度，d0为液化土特征深度。

按照上述标准进行综合判别，认为本区域20m深度范围内各土层均为不液化。

2.3 软土震陷

据《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001），天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。软土强度小，承载力低，变形量大，处理不当对建筑物的安全影响极大。

在研究工作中，收集了以往在工作区内开展的建设项目地震安全性评价报告，结合本次探测工作结果，对软土区范围进行判断和划分。对地震安全性评价报告中相关内容进行统计得到的结果如表2所示：

对各勘探孔岩土样品的原位测试和室内试验结果进行统计分析，与软土判定相关结果见表3。

表2 各工程场地地震安全性评价场地条件结论统计结果

表3 勘探孔土样软土分析结果

根据收集到的历史资料以及本次探测工作的结果，确定研究区软土区范围为银屏路、金梭路和梧桐街所包围的大部分区域，以及沿贾鲁河、西流湖两侧及其河漫滩及Ⅰ级阶地附近。

2.4 古河道

古河道顾名思义是历史上形成的河道，是由河流改道后保留下来的废弃河道。根据埋藏情况古河道可划分为裸露型古河道和埋藏型古河道。研究古河道可以了解一个地区的河流地貌演变历史，了解河床演变的特征与规律，有助于制订城市建设规划方案，在进行工程建设时采取避开或地基处理措施。研究区古河道分布见图1。

2.4.1 探测方法

对裸露型古河道采用野外调查法、遥感影像判读法；对埋藏型古河道采用钻探、物探等方法，从它的沉积物的分布形态和岩性来确定。

2.4.2 探测资料分析

根据区域地质资料和野外工程地质调查结果，在研究区内，分布的地层自上而下分别是全新统粉土、粉质黏土；上更新统粉土、粉质黏土、粉土夹细砂；中更新统粉质黏土、粉土、粉土夹卵砾石、黏土夹粉土；新近系黏土含砾、泥岩、黏土含砾、粉土。中更新统粉细砂、中细砂、卵砾石的分布呈现由南向北颗粒逐渐变细，厚度逐渐变薄，并很快尖灭的趋势。

根据区域历史地质资料和野外探测工作结果，研究区内贾鲁河与西流湖在区内为下切河流，河床下约8m 以下即为第四纪上更新世冲洪积的粉土层，所形成的阶地为内叠阶地，没有形成古河道。研究区位于冲洪积岗地与冲积平原的交接部位，地势南高北低，区内贾鲁河和西流湖自南向北径流，且西南部相对持续上升，东北部相对持续下降。北部的黄河是一条地上悬河，历史上多次发生改道。但由于南部的地势较高，北部黄河泛滥时主流难以到达研究区范围内，主要以扩散状的水流到达，因此黄河难以在该区形成古河道。

研究区内分布的全新世灰色淤泥质粉质黏土，其厚度为0.6～7.8m，呈面状分布，确定为冲积沼泽相沉积。分析认为，区内南部岗地地势较高，北部黄河为地上悬河，之间则是相对较低的储水洼地。南部岗地的地表水向北径流，黄河的间歇性泛滥，形成了冲积沼泽相沉积。上更新世、中更新世为冲洪积相沉积，其中没有分选磨圆好的砂砾石层分布，从岩相上分析没有古河道分布。

综上所述，研究区内没有发育第四纪的古河道，发育有全新世灰色冲积沼泽相淤泥质粉质粘土层。

3 结论

研究发现，在研究区内，不存在地震活动断层、地基土液化、古河道分布等潜在地震地质灾害。银屏路、金梭路和梧桐街所包围的区域，以及沿贾鲁河、西流湖两侧及其河漫滩及Ⅰ级阶地附近存在软土震陷危害，以后的土地利用和城市规划可以此为参考。

由于研究区面积小，野外钻孔等工作空间间隔大，勘探深度浅，某些探测与判定工作受到一定限制，其结果难以代表区域地震地质全貌，在进行工程建设时应进一步做好详细的勘察工作，结合局部地形地貌条件，合理布置建筑物布局，保证建筑物的安全性和抗震稳定性。

［1］ 郑州市政府，郑州市地震局 郑州市城市规划发展区抗震防灾规划，2010.

［2］ 河南省地质矿产局.河南省区域地质志［M］.北京：地质出版社，1989.

［3］ 赵景珍，刘永泉，张香荣.豫北地区中强地震构造背景的讨论［J］.地震地质，1984，6（2）：22－25.

［4］ 郑颖平，翟洪涛，李光，赵朋.郯庐断裂带江苏新沂－安徽宿松段地震危险性分析［J］.华北地震科学，2012，（2）：48－51.

［5］ 王超，钟以章，贾晓东.从海平面造成的影响预测下辽河平原区未来的砂土液化灾害［J］.华北地震科学，2012，（2）：8－12.

［6］ 魏文恭.郑州市区及其周围地震地质特征［C］／／郑州市地震小区划研究文集.北京：地震出版社，1992：35－41.

［7］ 李廷栋，祝乃仓.郑州市地震小区划地震勘探［C］／／郑州市地震小区划研究文集.北京：地震出版社，1992：56－60.