玉溪盆地浅层土层颗粒特征与剪切波速的关系研究*

李铁飞 陈学良 高孟潭

(中国北京100081中国地震局地球物理研究所)



玉溪盆地浅层土层颗粒特征与剪切波速的关系研究*

李铁飞 陈学良*高孟潭

(中国北京100081中国地震局地球物理研究所)

以玉溪盆地16个钻孔的柱状图和波速数据为基础， 统计分析了具有不同颗粒特征的土层埋深与剪切波速之间的关系， 给出了玉溪盆地内角砾、 砾石、 圆砾、 砾砂、 细砂和淤泥质黏土等土层在80 m深度范围内深度与剪切波速的经验关系． 通过分析不同颗粒大小、 不同磨圆程度土层剪切波速特征， 认为土层的波速特征与其形成时所处的沉积环境有一定的关系， 并以玉溪盆地浅层土层为例， 给出了一种根据具有明显颗粒特征土层估算未测波速钻孔的等效剪切波速的方法．

颗粒特征 剪切波速 沉积环境 统计分析

引言

沉积环境和沉积作用的各种特点会在沉积产物中留下某些记录, 对于土壤而言， 主要表现为土层颗粒的来源、 几何形态、 结构和构造等方面的差异(王良忱， 张金亮， 1996)． 例如， 水动力环境会影响沉积物颗粒的大小和磨圆度等性状， 从而影响其形成的沉积层的物理性质． 沉积土层的物理性质及其分层结构共同构成了地下的速度结构， 从而对地震动产生了一定程度的影响； 尤其对于局部地质条件， 如地表几十米以内的土壤沉积层， 这种影响更为显著． 局部地质条件在地震工程学中一般称为场地条件． 国内外的震害经验一致表明， 场地条件是引起地表震害和地震动局部变化的主要因素， 而场地土层对震害的影响在场地条件中占首要地位(薄景山等， 2003； 胡聿贤， 2006)， 其中土层剪切波速及其在空间上的速度结构是对地面运动影响最大的因素． 因此， 对土层颗粒特征与土层剪切波速的关系进行研究， 有助于认识、 验证、 预估不同地区土层的物理力学特性及其对地震动的影响．

云南地区多山， 其城市和人口多分布于山间盆地， 而沉积盆地是一种典型的复杂场地条件． 在很多情况下， 沉积盆地会加重地表震害， 盆地效应的研究在工程抗震验算的地震动定量估计、 重大工程与重要建筑物的建筑选址与抗震设计、 地震小区化等领域具有重要意义． 玉溪盆地是云南地区具有代表性的山间沉积盆地之一， 处于该盆地的玉溪市经济比较发达、 人口密度较大， 且历史上发生过1970年通海MS7.8地震， 死亡人数超过1万5000人， 震害严重， 地震风险较高． 因此， 本文将对玉溪盆地浅层土层颗粒特征与土层剪切波速的关系进行分析．

建立高精度速度结构模型是研究场地效应、 盆地效应的有效方法， 该方法需要以大量的地球物理勘探资料为基础． 然而， 地球物理勘探的成本较高， 且对于人口、 建筑密集的地区进行地球物理勘探， 尤其是钻孔钻探， 具有很大的难度． 本文尝试利用特定土层的颗粒特征估计其等效剪切波速的方法， 将未进行波速测井的钻孔数据应用于场地模型的构建， 以增加场地速度结构模型的准确性； 同时将受沉积环境影响的土层颗粒特征与剪切波速建立一定的联系， 这样就可以在地球物理勘探资料有限的情况下， 利用地质资料对场地条件特征进行更深入的认识．

1 土层剪切波速与埋深关系的统计分析

玉溪盆地地处云贵高原西南部的盆岭分布区， 是发育于NS走向的普渡河断裂带南端的一个较大的沉积盆地， 其浅层沉积土层主要为冲洪积成因(朱炎铭， 1997)． 本文所使用的资料来自中国地震科学台阵探测项目在玉溪盆地进行的16个钻孔的钻探及剪切波测井工作， 钻孔深度均大于80 m， 地层均为第四系沉积土层．

对钻孔柱状图和波速测试结果进行整理， 得到了黏土层、 角砾层、 砾石层、 圆砾层、 砾砂层、 细砂层以及淤泥质黏土层的深度、 层厚度、 层平均波速以及钻孔柱状图所给出的土层颗粒大小、 颗粒磨圆度等土层颗粒特征， 分别采用线性拟合(y=a+bx)、 多项式拟合(y=a+bx+cx2)及指数拟合(y=axb)等3种常用的经验公式(刘红帅等， 2010； 邱志刚等， 2011)统计了不同类型土层的埋深与剪切波速的拟合关系， 拟合结果列于表1． 可以看出： 除黏土层以外， 其余各层较所有土层的校正决定系数更接近于1， 平均方差更小， 这表明玉溪盆地中的角砾层、 砾石层、 圆砾层、 砾砂层和细砂层的埋深与剪切波速的相关性较高； 角砾层、 砾砂层和细砂层采用多项式拟合的结果最好， 砾石层、 圆砾层和淤泥质黏土层采用线性拟合的结果最好； 黏土层的拟合度较差， 离散性较大； 指数拟合的结果较差， 表明该方法不适用．

表1 玉溪盆地浅层土层深度-波速拟合结果

玉溪盆地浅层土层的拟合结果表明， 具有明显颗粒特征的土层的埋深与剪切波速的相关性较高， 其主要原因是具有相同颗粒特征的土层具有相似的沉积物源， 形成于相似的沉积环境中， 并分布于盆地内地质条件相似、 地理位置相近的区域内， 具有相似的物理性质． 对于玉溪盆地内的黏土层， 难以从柱状图的描述中获得明显的颗粒特征， 故无法对其作进一步分类， 这是由黏土本身颗粒较小的特点所决定的； 同时， 黏土层广泛分布于盆地内各个位置， 在所有钻孔内均可见， 因此将其作为一个整体进行统计分析的离散性较大．

图1 玉溪盆地浅层土层的深度-剪切波速线性拟合(a)与多项式拟合(b)结果对比

另外， 玉溪盆地浅层土层的剪切波速与其颗粒特征也有一定的关系． 主要由洪积物、 坡积物形成的土层， 如角砾层、 砾石层， 其颗粒较大， 磨圆度低， 剪切波速较高； 主要由河流冲积物形成的土层， 如细砂层、 圆砾层， 其颗粒较小， 磨圆度高， 剪切波速较低； 主要由河滩沉积形成的淤泥质黏土层， 其剪切波速最低．

2 沉积环境与剪切波速的关系

为了研究玉溪盆地浅层土层颗粒特征与剪切波速的关系， 将钻孔数据按沉积物的磨圆度和颗粒大小进行重新分类． 其中， 角砾层和砾石层的磨圆度低， 圆砾层和砾砂层的磨圆度中等， 细砂层的磨圆度高； 直径φ为2—20 mm及以上为颗粒大，φ为2—10 mm为颗粒中，φ<2 mm为颗粒小．

由表1和图1可知: 线性拟合方法在拟合度上与多项式拟合方法相近， 能更清晰地体现出不同土层的剪切波速特征； 对于样本点较少的情况， 多项式拟合结果可能出现误差(图1b中的淤泥质黏土层)．

按照土层颗粒磨圆度分类的深度与剪切波速的拟合结果见表2和图2． 可以看出， 玉溪盆地中颗粒特征明显的土层的剪切波速与颗粒的磨圆程度有一定的关系， 即磨圆程度越低， 其剪切波速越高． 按照土层颗粒大小分类的深度与剪切波速的拟合结果见表3和图3． 可以看出， 土层剪切波速与沉积物的颗粒大小也有明显的关系， 即沉积物的颗粒越大， 其剪切波速越高．

由于玉溪盆地的浅层土层主要为冲积、 洪积成因， 故推测浅层土层的剪切波速与其形成时所处的水动力沉积环境有一定的关系． 沉积物的颗粒大小与水流的搬运能力有关， 水流量越大、 流速越快， 则其能够搬运的沉积物颗粒越大， 较大的颗粒往往会沉积在水系的上游， 而较小的颗粒往往会沉积在水系的下游． 与此同时， 在搬运过程中， 颗粒被水流侵蚀、 互相碰撞， 其磨圆程度会增高． 因此， 玉溪盆地浅层土层的剪切波速与其形成时所处的水动力环境有关， 具体表现为： 颗粒较小的沉积物在水流中搬运的距离较长， 其磨圆度较高， 所形成的沉积层波速较低； 颗粒较大的沉积物在水流中搬运的距离较短， 其磨圆度较低， 所形成的沉积层波速较高． 这一方面是由于不同大小和磨圆度的颗粒对沉积土层的密实程度、 孔隙率、 含水率等特征具有影响， 另一方面是由于不同颗粒大小的沉积物的沉积物源不同， 其本身的弹性模量也不同． 较小颗粒可能来自风化程度较高的软弱岩石， 其本身的弹性模量较低； 而较大颗粒可能来自风化程度较低的坚硬岩石， 其本身的弹性模量较高．

表2 玉溪盆地不同磨圆度的土层深度-波速线性拟合结果

表3 玉溪盆地不同颗粒大小的土层深度-波速线性拟合结果

注：φ表示直径， 单位为mm.

图2 玉溪盆地不同磨圆度的土层

总体而言， 对于玉溪盆地中沉积物颗粒特征明显的土层， 距其碎屑物源供给区越远， 其剪切波速越低．

3 钻孔的等效剪切波速估计

对于一些地质或工程中的钻孔资料， 通常其柱状图中只有土层分层及性质描述， 而无波速测试资料． 利用前文得到的玉溪盆地颗粒特征明显的土层的深度-波速拟合结果， 可以给出一种由该类土层估计玉溪盆地钻孔80 m深度范围内等效波速的方法， 从而利用只有地层分层及性质的钻孔资料， 在地震地面运动分析时作为有波速测井的钻孔资料的补充．

对目标钻孔的土层分类与埋深进行整理， 由前文给出的拟合经验公式即可得到目标钻孔中若干个颗粒特征明显的土层的剪切波速． 考虑到离散性较大的黏土层的影响， 本文使用颗粒特征明显的土层的数据对黏土层的剪切波速进行修正．

在母语磨蚀研究中，研究者们提出了各种假说来解释母语磨蚀的发生机制。大部分假说后来都被运用到二语磨蚀研究中。本节拟讨论其中的六种假说，即“退化假说”“门槛假说”“干扰假说”“简化假说”“标记性假说”和“语言休眠假说”。

假设黏土层的剪切波速与其所在钻孔的其它土层的颗粒特征有一定关系， 即在形成较大颗粒的沉积土层的环境中， 其形成的黏土层剪切波速也较大． 依据上述假设， 本文将玉溪盆地的黏土层按照其所处钻孔土层的颗粒大小进行分类， 直径φ为2—20 mm及以上为颗粒大，φ为2—10 mm为颗粒中，φ<2 mm为颗粒小， 分别对其进行深度-波速关系的拟合， 结果列于表4． 可以看出， 按照假设分类后黏土层的拟合度明显提高， 表明这种假设在一定程度上反映了玉溪盆地黏土层的剪切波速特性． 同时， 处于土层颗粒较大钻孔的黏土层的剪切波速较高， 这一方面表明黏土层的剪切波速受到沉积环境因素的影响， 且与颗粒特征明显的土层具有相似的规律； 另一方面， 可能是由于黏土层混有少量的上覆、 下覆地层的颗粒， 但在柱状图描述中未体现．

表4 玉溪盆地不同颗粒大小的黏土层的深度-波速线性拟合结果

注：φ表示直径, 单位为mm.

由上述拟合结果， 即可得到修正后的黏土层的波速估计值． 对目标钻孔所有土层的估计剪切波速进行深度-速度关系拟合， 即可得到目标钻孔在一定深度内的等效剪切波速． 为了验证该估计方法的准确性， 对玉溪盆地钻孔在80 m深度范围内的等效剪切波速进行估计， 结果列于表5． 可以看出： 该方法在对所使用的钻孔数据进行自估计时， 其平均误差约为15 m/s； 而如果不按照颗粒特征对黏土层的估计值进行修正， 直接使用全部黏土的拟合结果作为黏土层的经验公式， 则其平均误差约为30 m/s． 这表明玉溪盆地黏土层的剪切波速特征在一定程度上符合前文“在颗粒较大的钻孔中剪切波速较高”的假设．

为了进一步验证该方法的可靠性和误差范围， 随机去掉3个钻孔的资料， 使用剩余13个钻孔的资料外推另外3个钻孔的等效剪切波速， 并重复3次， 结果列于表6． 可以看出， 估计剪切波速结果的平均误差为13.1 m/s， 最大误差小于31 m/s． 由于玉溪盆地内部不同沉积环境中的土层在80 m深度范围内等效波速的最大值与最小值之差可达180 m/s左右(表5)， 故上述估计钻孔等效剪切波速的方法具有一定的应用价值．

表5 玉溪盆地颗粒特征明显的土层钻孔等效波速的自估计

注： 由于钻孔BH14绝大部分为黏土层， 无法获得钻孔颗粒特征， 故未列入.

表6 玉溪盆地颗粒特征明显的土层中钻孔等效波速的外推

4 讨论与结论

通过对玉溪盆地浅层土层颗粒特征与剪切波速的研究表明， 玉溪盆地浅层土层80 m深度范围内的埋深与剪切波速可以通过经验关系进行估计， 其中角砾层、 砾砂层和细砂层采用多项式关系， 砾石层、 圆砾层、 淤泥质黏土层采用线性关系． 玉溪盆地浅层土层的剪切波速与其形成时所处的沉积环境有关， 具体表现为： 颗粒较小的沉积物在水流中搬运的距离较长， 其磨圆度较高， 所形成的沉积层波速较低； 较大的沉积物颗粒在水流中搬运的距离较短， 其磨圆度较低， 所形成的沉积层波速较高． 玉溪盆地颗粒特征明显的土层的碎屑物源供给区距离越远， 其剪切波速越低． 此外， 沉积土层的波速还可能与沉积过程中的化学作用、 生物作用等其它因素有关， 尚待进一步研究．

本文给出了一种利用颗粒特征明显的钻孔数据对钻孔等效波速进行估计的方法， 可用于玉溪盆地未测波速钻孔的剪切波速估计． 玉溪盆地浅层土层80 m深度范围内的等效剪切波速的平均误差为13.1 m/s． 该方法存在一定的局限性： 首先， 要以一定数量的具有波速测试结果的钻孔资料为基础， 使颗粒特征明显的土层样本达到一定数量； 其次， 估计目标钻孔也必须有多层土层具备相同的特征．

本文采用的玉溪盆地浅层土层深度-剪切波速经验公式以及估计钻孔场地等效剪切波速的方法， 在场地地震动反应分析的模型构建等研究中具有一定的应用价值， 可以使玉溪盆地具有土层颗粒特征信息的资料， 如钻孔柱状图、 第四系沉积分布和沉积相等， 应用于场地效应和盆地效应的研究中．

本文主要对于与沉积环境、 沉积相相关的土层颗粒特征与场地条件中的关键因素剪切波速的关系进行研究， 是使用地质资料对地球物理模型参数进行完善的一种尝试． 在地震地面运动的研究中， 可以利用丰富的地质资料对地球物理勘探资料较少的地区， 或者难以开展地球物理勘探工作的地区进行一定程度的补充， 具有较为广泛的应用前景． 对于沉积环境、 沉积相与场地速度结构模型的关系， 尚待进一步研究．

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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

中国地震局地球物理研究所基本业务专项(DQJB14B02)和国家公益性行业专项(201008001)共同资助.

2016-03-18收到初稿， 2016-04-26决定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.06.013

P315.9

A

李铁飞, 陈学良, 高孟潭. 2016. 玉溪盆地浅层土层颗粒特征与剪切波速的关系研究. 地震学报, 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.

*通讯作者 e-mail: cxl@cea-igp.ac.cn