长治市区浅部地层及剪切波速度结构特征

耿 伟 徐朝繁 刘 妍，3 冯 宁 石 磊

1 山西省地震局长治中心地震台，长治市新营路135号，046000

2 中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002

3 中国地震局兰州地震研究所，兰州市东岗西路450号，730000

4 山西省长治市地震局，长治市新营路135号，046000

长治市位于长治盆地东部，东依太行山脉的老顶山，整个区域可划分为构造剥蚀低中山区和构造堆积平原区［1］，长治市城市建设工程勘探主要集中在构造堆积平原区的二级阶地上（图1）。在过去的近20a里，长治市地震局在市区组织实施的地震安评项目中，完成了大量的钻探及剪切波速测井工作，利用这些较为密集的实测单孔资料对钻孔空白区域的地层结构及岩土物性参数进行推测，对城市规划、岩土工程勘探、地震安全性评价乃至盆地的构造演化研究等有十分重要的参考价值。对于地层结构横向比较均匀的区域，可用统计回归分析方法建立统一的剪切波速随深度变化的线性或非线性回归方程，进而实现对测井空白区域的岩土物性参数的推测［2－5］。而长治盆地位于黄土高原的东南部、老顶山构造剥蚀低中山区西侧，浅部沉积建造除受构造堆积及断裂的控制外，风积黄土分布十分广泛。堆积成因较为复杂，加之长治盆地长期的垂直差异运动［6－7］，致使其地层并非均一的水平层状结构，其岩土物性参数难以用统一的统计回归方程来推测。为此，本文拟利用对非均匀离散分布参数具有无偏最优估计的克里金插值方法（Kriging）［8］构建长治市区地层及剪切波速度结构模型，为长治市区工程场地的类别划分、地基土层液化判别及地震反应谱分析等提供参考。

图1 长治市区及周边地区地质构造略图Fig.1 Simplified geological map of Changzhi and its adjacent areas

1 钻孔及剪切波速测井资料

为确保资料的可靠性，首先对所收集到的钻孔及剪切波速测井资料进行核查甄别，对没有现场原始班报记录的予以剔除，最终选取了43个工程场地的钻孔及剪切波速测井数据。这些钻孔及测井均位于长治市区构造堆积平原区二级阶地上，地势平坦，大致分布在东经113°3.78′～8.94′、北纬36°8.16′～14.1′约60km2的范围内（图2a）。井孔深度最浅65m，最深81m，大部分在70～80m，均穿过中更新统Q2地层底界，进入下更新统地层Q1，未穿过Q1底界（图2b）。从钻孔资料来看，下更新统Q1岩性有灰绿、紫红、棕红、黄褐色粘土夹亚砂土；中更新统Q2岩性为红、褐红色粘土、亚粘土，为冲积－洪积成因，区内有广泛堆积物，最大厚度达30m；上更新统Q3分布广泛，岩性为灰褐色亚砂土、黄褐色粘土，一般厚度为20～25m；全新统Q4为地表的杂填土、耕植土等，一般厚度约为1～5 m，岩性为粉红、黄色土。土层剪切波速度的测定用单孔法，有22个测井的数据采集间隔为1m，14个测井间隔为2m，7个测井间隔为3m。

图2 钻孔位置（a）及k35孔柱状图（b）Fig.2 Drill distribution（a）and The drill column of k35（b）

2 地层结构模型的构建

从43个钻孔及测井的原始资料中提取两类数据用来构建长治市区地层结构模型，一类为各钻孔不同地质年代（Q2、Q3、Q4）地层底界埋深，另一类为各测井不同深度的实测剪切波速度值。在建模之前，首先用0.001°×0.001°的网格把建模区域（图2a）网格化，水平网格数为100×87个；再用克里金插值方法对钻孔空白区网格点进行插值，得到三维空间数据体；最后用Surfer10 构建地层结构模型。

图3 长治市区地层底界埋深Fig.3 The strata bottom boundary depth of different geological ages in Changzhi urban district

2.1 地层底界埋深图

基于43个钻孔（图2a）给出的Q2、Q3、Q4地层的底界埋深，用克里金插值方法可得到网格化后建模区域每个格点的值。由于建模区域地势起伏很小，各孔同一埋深近似在同一平面上，将地表作为0km 埋深点。图3为利用Surfer10构建的各地质年代（Q2、Q3、Q4）地层埋深变化等值线图。

2.2 剪切波速度模型构建

为了获取建模区域内三维空间任意一点的剪切波速度值，首先对各钻孔剪切波速测井数据利用幂函数关系式Vs＝a×hb（Vs为剪切波速度，h为深度，a、b为系数）进行非线性统计回归分析，建立43个测井剪切波速度随深度变化的回归方程。表1给出各测井回归方程的统计系数a、b及拟合优度R2。由表1可以看出，各测井的拟合优度大多在0.9以上，说明对于单孔所在的局部小区域来说，剪切波速随深度的变化分布符合幂函数关系式，其系数a、b的变化较大，分别在45.54～136.90和0.307 4～0.590 1之间，说明长治市区剪切波速度具有较强的非均匀性结构特征。利用回归方程，可求得每个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区任意空间点上的剪切波速度值。图4 为利用Surfer10 软件制作的2、8、30m 深度剪切波速度分布图，这3个深度基本上分别位于Q4、Q3、Q2地层内，反映了Q4、Q3、Q2地层内该深度的剪切波速度结构特征。

3 分析与讨论

基于收集到的剪切波测井资料，用克里金插值方法给出建模区0.001°×0.001°×1m 网格尺度的3D 剪切波速度结构模型。比较图3、图4看出，2、8、30m 深度基本上分别位于Q4、Q3、Q2地层内，反映了这些深度上剪切波速度较强的横向非均匀性结构特征。43 个钻孔剪切波测井资料的非线性统计回归分析结果（表1）显示，虽然单孔测井剪切波速度Vs随深度h的变化用幂函数（Vs＝a×hb）能很好地拟合，但系数a、b的取值范围变化较大，该统计分析结果也显示了Vs的横向非均匀结构特征。系数a、b的空间展布形态与地层底界及Vs的分布形态有一定的相关性，大体上，低a、b值及其平缓变化区对应的各地层埋深及层内Vs变化也较平缓，高a、b值及其变化较大区域对应的各地层埋深及层内Vs变化也较剧烈，反映了建模区地层小区域结构特征的差异。

表1 各测井回归方程的统计系数a、b及拟合优度R2Tab.1 Statistical coefficient a，band the aptness of fit R2 of regression equations for each wall

图4 不同深度地层的剪切波速度结构特征Fig.4 Shear wave velocity structure characteristics of different depths

从图3、图4可以发现，全新统地层Q4较薄，大部分区域的底界埋深在2.5～3.5m，总体形态表现为近北西走向的隆起带，在邻近长治正断层及二岗山地垒南侧正断层下盘一侧存在厚度陡变带，层内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经区域速度明显偏低；晚更新统Q3地层的底界深度主要分布在12～22 m，为一向东北微倾斜的斜坡带，大部分区域厚度在9～19m，从西南向东北其埋深及厚度均逐渐增加。东北区域均存在走向近北西的陡变带，陡变带下方的厚度及埋深变化不大。该层内8m 深度处的剪切波速度结构显示，在河流流经区域，剪切波速度偏低，约为199～215m／s，其他区域相对较高，大于215m／s，且表现为较强速度梯度带结构特征；大部分区域的Q2底界深度及其厚度分布分别在19～39m、16～24m，靠近长治断裂区域深度快速增加，其埋深和厚度均为一条走向为北北西的梯度结构带。该层内剪切波速度等值线表现为顶部向东的扇形分布特征，在邻近浊漳河南源西部区域的扇形顶部速度值最低，约290m／s，向东逐渐增加，显示了浊漳河南源对该区域沉降建造的影响。

从以上分析可以看出，水文地质环境及主要断裂对长治市区的沉降建造影响较大，剪切波速度对地层的“软硬”反映比较敏感，在河流流经区域，土层中含水相对较高，致使土层变软，剪切波速度较低。长治市区东、北分别邻近长治正断层及二岗山南侧正断层的下盘，邻近两断层的地层下陷，底界深度及地层厚度加大，且表现为陡变带。

4 结 语

基于长治市区较为密集的钻孔及剪切波测井资料，给出了每个测井剪切波速度随深度变化的非线性统计回归分析方程。利用克里金插值方法，构建了长治市区0.001°×0.001°×1 m 网格尺度的3D 剪切波速度结构模型及0.001°×0.001°网格尺度的Q4、Q3、Q2地层埋深等值线图，其结构特征与水文地质环境及主要断裂的展布有明显的相关性，同时也说明该模型的可靠性和准确性及在地震安全性评价中的参考价值。

［1］马新胜.长治市区工程地质特征［J］.山西地质，1992，7（2）：245－252（Ma Xinsheng.Characteristics of Engineering Geology in Changzhi Urban District［J］.Shanxi Geology，1992，7（2）：245－252）

［2］刘艳春.山西大同市区剪切波速与土层岩性及深度关系的研究［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］张小平，马顺，金源，等.大连地区工程场地各类岩土剪切波速的变化特征分析［J］.防灾减灾学报，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］王帮圆，李世峰，王帮团，等.邯郸市区场地土剪切波速与埋深相关性分析［J］.河北工程大学学报：自然科学版，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，陈宇坤，任峰，等.天津滨海地区浅层剪切波速与基底构造［J］.震灾防御技术，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］马永明.潞安－长治矿区地质构造形成机制探讨［J］.中国煤田地质，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.长治盆地的形成历史及新构造运动特征浅析［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］靳国栋，刘衍聪，牛文杰.距离加权反比插值法和克里金插值法的比较［J］.长春工业大学学报，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）