北京山前平原区第四系三维结构调查方法研究.docx

第 8 3 卷第 7 期 2 0 0 9 年 7 月地质学报ACTA GEOLO GICA SIN ICAVol. 83 No. 7J uly2 0 0 9北京山前平原区第四系三维结构 调查方法研究蔡向民1 ,2) ,郭高轩3) ,栾英波1 ,4) ,梁亚楠2)1) 北京市地质矿产勘查开发局 ,北京 , 100050 ;2) 北京市地质调查研究院 , 北京 ,102206 ;3) 北京市水文地质工程地质大队 ,北京 , 100037 ; 4) 中国地质大学 ,北京 ,100083内容提要 :随着我国城市化进程的加快 ,城市供水、地下空间资源利用、建筑物地基处理、垃圾安全处置等工 作 ,越来越与地质工作紧密相关 ,特别是许多在第四纪沉积物基础上建设的大都市 ,都面临着地震、活动断裂、地面 沉降、水资源紧缺、建设空间不足、环境恶化等方面的威胁北京市作为世界上少数几个著名的巨型城市之一 ,也 面临着同样的问题 这些城市的生存和发展与第四纪松散沉积物关系密切 ,为了预防或减少上述问题的发生 ,需 要详细了解第四系的三维地质结构 ,提供地质体空间详实的展布资料 。

本文在详细地介绍了北京平原区第四系的 分布 、类型和特点的基础上 ,对北京市平原区第四纪松散沉积物开展三维地质结构调查的方法进行了深入研究 ,提 出了建立三维地质结构模型的步骤和程序 在此基础上建立了北京平原区三维立体地质结构数字模型 为在城 市地区开展第四纪地质调查工作进行了新探索 ,并取得了较好的效果关键词 : 第四纪沉积物; 三维地质结构; 冲洪积扇北京的城市规划、城市建设和经济发展与城市 地质工作有着十分密切的联系随着城市规模的迅 速扩大和经济的快速发展 ,出现了地下水资源紧缺、 土壤和地下水污染、活动断裂、地裂缝、地面塌陷和 地面沉降等多种城市地质问题城市地质问题的日 渐突出 ,已经成为影响和制约首都城市建设和经济 发展的重要因素同时北京城市建设和经济发展对 地质工作的需求有所变化 ,主要在城市规划、城市建 设和政府管理三个方面对地质工作的要求变得越来 越高虽然经过50 多年的积累 ,北京市的地质工作 程度相对较高 ,但面对需求的变化不论是工作内容 还是工作精度都远远不能满足需求为了满足首都 建设和可持续发展对城市地质信息的需求 ,2004 年 北京市政府与国土资源部联合开展了我国首个大规 模城市地质综合调查工作。

此次调查工作调查内容 之全面,技术方法之复杂,调查规模之庞大在北京历 史上都是空前的调查工作根据需求共设置: 城市 三维地质结构调查、活动断裂和地壳稳定性调查、 表 层岩土体地球化学和环境调查、地下水和地热资源 潜力评价、奥运场馆专项地质调查、城市地质信息管 理与服务系统建设和综合研究 7 个专题Ο 其中三 维地质结构调查是对新生代沉积物及下伏基岩的分布 、空间形态 、 岩 性 、厚度和与构造的关系进行立体 地质调查(调查深度达1000m) 第四系三维结构调 查是三维地质结构调查的重点 ,与城市规划和建设 关系最密切 像城市规划和建设 、地下水资源 、 活 动 断裂 、地下空间资源开发利用 、生活垃圾地质安全处 置等工作都与第四系三维结构有关 同时第四系三 维结构调查又为本次工作其他专题提供基本资料 , 是最基础的工作 北京市座落在永定河山前冲洪积扇群之上 ,由 于河流和冲洪积扇的多次迁移(图 1) ,冲洪积扇相 互叠压 ,沉积物横向相变迅速 ,纵向很不稳定 ,结构 十分复杂 在这样的地区建立第四系三维结构十分 困难,一般沉积岩区的工作方法并不适用 北京地 区的地质调查研究工作已有百余年历史 ,取得了详 实的地质资料 ,对第四纪地层划分(李鼎容等 ,1979 ; 李长安 ,1994 ;李龙吟等 ,1992 ,1994) 、第四纪古气候 的变迁 、动植物的发展演化和古地理环境的演变(周 昆叔等 ,1978 ;赵希涛等 ,1984 ;单青生等 ,1994 ;李华 章 ,1995 ; 魏兰英等 , 1997 ; 郭高轩等 , 2008 ; 郝守刚 等 ,2002 ; 孔昭宸等 , 1980 ; 栾英波等 , 2008 ; 姚轶锋 等 ,2007 ; 赵淑君等 , 2008 ; 袁宝印等 , 2002 ; 张子斌 等 ,1981) 取得了众多的成果。

但是第四系三维结构注:本文为国土资源部与北京市政府合作的北京市多参数立体地质调查项目(编号 基[ 2004 ]011201) 部分资助的成果 收稿日期:2008212220 ;改回日期:2009205210 ;责任编辑:郝梓国 作者简介:蔡向民 ,男 ,1958 年生高级工程师主要从事区域地质、第四系地质、城市地质等工作现任北京市地质矿产勘查开发局副 总工 、北京市地质调查研究院院长通讯地址:100050 ,北京市宣武区南纬路 4 号; Email :lybdkch @126 . com1048地 质 学 报2009 年并未建立起来 因此需要研究一套适合在山前冲洪 积扇地区建立三维结构的方法 经过四年的研究和 实践 ,目前北京平原区第四系三维地质结构已经基 本清楚,三维结构模型已经建立完成,同时研究摸索 出了一套基本符合本地区情况的研究工作方法 实 践表明这套调查研究方法基本可行 本文试图将此 次工作的程序和主要方法作简要阐述 ,供今后从事 相同工作的同仁参考1 北京平原区第四纪地质基本特征北京地区第四纪地质研究历史较长Ο ,以周口 店洞穴堆积研究程度最高并取得了丰富的成果(程 捷等 ,2002. 刘泽纯等 ,2003) 。

而平原地区第四纪地质的研究程度相对较低,特别是在地层划分,岩石 地层单位建立方面存在很多问题 主要是第四纪三 维地质结构不十分清楚 ,用研究湖相或海相沉积的 方法研究冲洪积扇 ,由此建立的岩石地层单位缺乏 代表性 因此了解第四纪沉积物的三维结构是同类 地区开展研究的前提和基础北京平原由永定河 、潮白河等河流的冲洪积物 堆积塑造而成,第四纪沉积物分布广泛,厚度变化很 大,从山前到平原一般由几十米到数百米,在沉积中 心最厚达 1000 余米(图 2) 基底起伏较大 ,存在较 多断裂(图 3) 第四纪沉积物成因类型主要有: 冲 积相 、洪积相 、湖沼相 ,有些地区发现有海相层 近 年来人类活动的堆积也逐渐引起重视卫星像片显图 1 北京平原区冲洪积扇群示意图Fig. 1 Diagram of alluvial proluvial fan group s in the Beijing plain area1 —残山;2 —山区平原区界线;3 —北京市界线;4 —主要河流;5 —冲积扇;6 —山口洪积扇1 —Mo nadnock ;2 —bo undary of mountain and plain area ;3 —administ rative boundary of Beijing City ;4 —main river ; 5 —alluvial fan ;6 —p roluvial fan at mountain gap第 7 期蔡向民等 :北京山前平原区第四系三维结构调查方法研究1049图 2 北京平原区第四系等厚图Fig. 2 Isopach map of the Quaternary Beijing plain area1 —第四系厚度( m) 等值线;2 —山区平原区界线;3 —北京市界线1 —Co ntour of quaternary ( m) ;2 —bo undary of mountain and plain area ;3 —administ rative boundary of Beijing City示 ,北京平原存在数个巨大的冲洪积扇 ,相互交错、 叠压关系复杂。

北京市就建在冲洪积扇之上在冲洪积扇之间的扇间洼地和冲洪积扇边缘存在湖泊和 沼泽沉积不难想象 ,冲洪积扇群、湖泊沼泽、不断 迁移的河流和多个沉降中心构成的北京平原 ,其沉 积环境的多样和沉积物的三维结构是多么的复杂在三维结构不清楚的情况下要想建立第四纪地层层 序、划分岩石地层单位和进行区域对比都是很困难 的2第四系三维地质结构调查工作的内 容和程序本次工作以实际需求和实用为目的 ,三维地质 结构调查主要是岩性结构调查 ,在垂向上划分为新 生界 、工程建设层和基岩三个层次 工作重点是第 新生界三维地质结构新生界三维地质结构调查的重点是第四系三维地质结构 ,目的是为地下水资源、工程地质、环境地 质以及地下空间资源的开发、利用和评价提供基础 资料调查以利用已有各种钻孔和地球物理资料为 主,适当补充钻探和地球物理勘查工作,查明第四系 的分布、空间形态、岩性等特征 ,建立三维地质结构 工作范围是平原区 6400km2 ,工作精度平面为 1 ∶ 100000 ,垂向表示精度 1 ∶200～5000 (具有特殊意 义的地质体扩大表示) 工程建设层重点查明0～30m (在地铁规划交叉 部位应达到100m) 的地层类别、厚度和空间展布、 持 力层和下卧层的工程特性、应力史和地下水条件等。

圈定影响工程建设的岩土体及其分布 ,开展工程地 质立体区划 ,评价重大工程基础的地质影响 基岩层主要调查断裂构造的空间分布和地热热 储(隔热层和储热层) 的空间结构及展布 调查主要 利用已有钻孔和地球物理资料工作精度 1 ∶25 万 ,六环路以内资料丰富的地区 1 ∶10 万 ,在有钻孔1050地 质 学 报2009 年图 3 北京平原区隐伏断裂分布示意图Fig. 3Hidden fault distribution map of the Beijing plain area1 — 山区平原区界线;2 — 北京市界线;3 — 隐伏断裂1 —Bo undary of mountain and plain area ;2 —administ rative boundary of Beijing City ;3 —buried f racture控制的地区调查深度应达到1000m 六环路工作区 以外不安排新工作,以整理现有资料为主 针对本地区第四纪地层的特点 ,调查研究工作 采取了以下程序(表 1) 2. 1遥感解译 北京平原区存在多个规模巨大的冲积扇 ,北京 城区建在永定河冲积扇上 。

冲积扇的位置规模 、 形 状以及迁移能够反映本地区新生代以来的地史变 迁 以冲洪积扇为地质单元搭建第四系结构 ,能够 真实反映本地区第四系的面貌利用遥感手段了解第四纪地质环境的变迁 ,并 以此为线索 ,以相应的冲洪积扇为地质单元开展调 查工作 ,特别是对全新世沉积物的研究显得特别重 要2. 2收集整理 、分析已有的钻孔 、物化探 、测井等各 种资料 收集整理已有的各种资料特别是钻孔、测井和 物探资料 ,重点对穿透第四系的钻孔资料进行整理 分析 ,做为调查工作的基本依据2. 3建立基准孔网 ,搭建三维结构 北京市平原区钻孔资料非常丰富 ,有各种钻孔数万个 但是这些钻孔的建设年代不同 ,目的不同 , 深浅不一,岩石分类方案多样,资料很难利用 其中 约有 30 个钻孔揭穿新生界或第四纪地层 ,进行过全 孔取芯,孢粉分析和古地磁等测试 少数钻孔做过 物探测井 ,大部分钻孔深度小于 200m ,仅有岩性编 录资料 ,缺少其他资料数据 为了使这些钻孔资料 能够被充分利用 ,需要建立基准孔 基准孔的主要 作用是统一岩石分类命名 、统一岩石分层标志 、 研 究 剖面岩层连接的方法以及为建立地层层序提供基准数据,同时作为建立三维地质结构的一把标尺,从而 使已。