羅丹芩，李世杰，羅祎浩，紀(jì)星星，邱 鵬

（1.貴州省工程防震研究院，貴陽(yáng) 550001；2.貴州省地震局，貴陽(yáng) 550001）

0 引言

場(chǎng)地分類可以提高地震地質(zhì)災(zāi)害和地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精確度[1]，近年來，中國(guó)學(xué)者致力于研究如何獲得場(chǎng)地類別圖：史大成[2]等利用場(chǎng)地土的地質(zhì)年代以及巖石類別進(jìn)行場(chǎng)地分類，建立了基于地質(zhì)特征的場(chǎng)地類別劃分關(guān)系表，應(yīng)用GIS 軟件的空間數(shù)據(jù)庫(kù)分析工具，整合了地質(zhì)成因類型與圖層屬性，繪制了全國(guó)1∶250 萬場(chǎng)地分類圖；亢川川[3]等采用Wills 提出的地質(zhì)單元與VS30 之間的相關(guān)關(guān)系，以四川省1∶50 萬地質(zhì)圖地質(zhì)單元推測(cè)估計(jì)全省范圍的VS30 分布，從而獲得場(chǎng)地類別分類圖；李昕蕾[4]等將鉆孔勘測(cè)結(jié)果與大比例尺地質(zhì)圖相結(jié)合，獲得了相對(duì)更精細(xì)的新疆場(chǎng)地分類圖。本文收集了比例尺為1∶50 萬的地質(zhì)圖資料，借助Arcgis 建立了遵義市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)[5]，結(jié)合地層年代和巖石堅(jiān)硬程度等地質(zhì)因素，完成了遵義場(chǎng)地區(qū)域類別劃分，并根據(jù)實(shí)測(cè)鉆孔對(duì)場(chǎng)地分類進(jìn)行驗(yàn)證，分類結(jié)果大致正確；獲取了30 m 精度的DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行坡度分析，并建立了坡度與場(chǎng)地分類之間的關(guān)系，完成了遵義場(chǎng)地區(qū)域類別劃分，并根據(jù)實(shí)測(cè)鉆孔對(duì)場(chǎng)地分類進(jìn)行驗(yàn)證，分類結(jié)果大致正確。最后疊加兩種方法獲得的場(chǎng)地類別劃分圖，進(jìn)行修正，得到最終的遵義市場(chǎng)地類別劃分結(jié)果。

1 方法介紹

1.1 基于地質(zhì)成因的場(chǎng)地類別劃分

地質(zhì)圖中含有豐富的地質(zhì)要素信息，如年代地層、地質(zhì)界線、斷層、成因類型、巖石類型、鉆孔等；地理內(nèi)容信息，如居民地、河流、湖泊等。通過地質(zhì)圖中相關(guān)信息，建立地質(zhì)單元與等效剪切波速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以推測(cè)得到區(qū)域面的剪切波速分布，進(jìn)而得到區(qū)域面的場(chǎng)地類別分類圖。結(jié)合地質(zhì)年代及覆蓋層巖土堅(jiān)硬程度[6]，形成基于地質(zhì)成因的場(chǎng)地分類關(guān)系矩陣，完成場(chǎng)地類別劃分。

1.2 基于地形坡度的場(chǎng)地類別劃分

利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域性場(chǎng)地做坡度分析，提取區(qū)域坡度，根據(jù)坡度推測(cè)地表形態(tài)和巖性變化，建立地形坡度與場(chǎng)地類別之間的關(guān)系[6-7]。

坡度計(jì)算一般采用擬合曲面法[8]。擬合曲面一般采用二次曲面，即3×3 的窗口，如圖1 所示。每個(gè)窗口的中心為一個(gè)高程點(diǎn)。圖1 中中心點(diǎn)e 的坡度的計(jì)算公式如下：

式（1）中：Slope 為坡度， Slopewe為X 方向的坡度，Slopesn為Y方向的坡度。

圖1 3*3的窗口Fig.1 3*3 window

關(guān)于Slopewe、Slopesn的計(jì)算可以采用一下幾種常用的方法：

上式中的cellsize 為格網(wǎng)DEM 的間隔長(zhǎng)度。算法1的精度最高，計(jì)算效率也最高，其次是算法2。ArcMap采用的是算法2。

不同的地形坡度對(duì)應(yīng)不同范圍的VS30 值，根據(jù)得到的坡度建立與VS30 的關(guān)系，進(jìn)一步得到場(chǎng)地類別劃分結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)情況

2.1 鉆孔情況

本文共收集到遵義市場(chǎng)地鉆孔資料24 組，具體分布如圖2 所示，從圖2 看出，鉆孔分布比較均勻，平均每個(gè)縣至少有一個(gè)鉆孔，在播州區(qū)仁懷市分布較多，從地形角度看，主要分布于較平坦地區(qū)。

圖2 遵義市場(chǎng)地鉆孔數(shù)據(jù)分布Fig.2 Distribution of site drilling data in Zunyi City

從場(chǎng)地類別來看，鉆孔場(chǎng)地主要以Ⅱ類為主，共計(jì)14 組，占鉆孔總數(shù)的58.33%；Ⅰ類場(chǎng)地上的鉆孔共計(jì)10組，占鉆孔總數(shù)的41.67%。

2.2 地形數(shù)據(jù)

本文使用的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云下載的GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，如圖3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于地質(zhì)成因的場(chǎng)地類別劃分結(jié)果

遵義市位于貴州北部，與渝、川、黔三省市接壤，晚元古代以來的地層發(fā)育齊全。本文搜集到遵義市1：50 萬比例尺地質(zhì)圖，提取了其中的地層年代信息和巖性相關(guān)信息。

由地質(zhì)圖提取地層年代信息，繪制了不同地質(zhì)年代地層分布圖（圖4）?？v觀遵義市地層的構(gòu)成及分布具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）地層主要由沉積巖組成。其中以碳酸鹽巖最為發(fā)育。分布面積約9231 km2，占遵義市地層面積的50%。

（2）各時(shí)代地層空間分布具有一定的規(guī)律性，主要表現(xiàn)為：①震旦系主要分布于遵義市南部，寒武系、奧陶系主要呈條帶狀分布于中部東部習(xí)水縣、仁懷市、湄潭縣等地，志留系少量分布于全區(qū)，石炭系少量分布于南部，二疊系、三疊系較廣泛分布于全區(qū)，侏羅系、白堊系較集中分布于西部赤水縣，第四系零散分布在遵義市中部、南部。總體呈現(xiàn)背斜形態(tài)，由中部向東西部出露的地層時(shí)代由老變新的趨勢(shì)。②大致以習(xí)水縣為界，西北、東南的地層發(fā)育存在著明顯的差異：西北地區(qū)主要出露白堊系侏羅系，未見其余時(shí)代地層；東南地區(qū)地層發(fā)育較全。

圖3 遵義市GDEMV2數(shù)據(jù)Fig.3 Data of GDEMV2 in Zunyi City

圖4 不同地質(zhì)年代地層分布圖Fig.4 Stratigraphic distribution map of different geological ages

1：50 萬比例尺地質(zhì)圖根據(jù)巖性、巖性組合及結(jié)構(gòu)面等性質(zhì)，遵義市巖體按照?qǐng)?jiān)硬程度將巖土體劃分為4個(gè)基本大類[9-10]：

（1）堅(jiān)硬巖，主要包括：流紋巖、玄武巖、石英砂巖等；

（2）較堅(jiān)硬巖，主要包括：白云巖、礫巖、砂巖、石英砂巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖等；

（3）較軟巖，主要包括：頁(yè)巖、粉砂巖、粘土巖夾粉砂-細(xì)砂巖、泥灰?guī)r、泥灰?guī)r夾粘土巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)夾粉砂質(zhì)黏土巖、板巖等；

（4）軟巖類，主要包括第四紀(jì)堆積物：泥巖、砂、砂礫石等。

根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度繪制了分布圖（圖5），并統(tǒng)計(jì)了各類巖石分布面積（表1）。根據(jù)圖可以看出，遵義市較軟巖分布較廣，占比50%，較堅(jiān)硬巖次之，占比43%，堅(jiān)硬巖占比6.6%，主要分布于赤水市和余慶縣，遵義市還有少數(shù)區(qū)域分布有軟巖，如綏陽(yáng)縣附近等。從巖體堅(jiān)硬程度分布圖可以得出初步結(jié)論，遵義市地貌以山地丘陵為主。

圖5 巖石堅(jiān)硬程度分布圖Fig.5 Distribution of rock hardness

表1 巖石堅(jiān)硬程度分類面積及占比Table 1 Classification area and proportion of rock hardness

我國(guó)場(chǎng)地類別劃分的標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)Vse及覆蓋層厚度的雙參數(shù)，但也規(guī)定了無波速測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)土的類型也可以作為建筑場(chǎng)地類別劃分的一個(gè)參考依據(jù)[11]。

根據(jù)中國(guó)場(chǎng)地分類指標(biāo)以及遵義市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合年代與巖性信息，建立適用于本文的基于地質(zhì)成因的場(chǎng)地分類標(biāo)準(zhǔn)，得出基于地質(zhì)成因的場(chǎng)地分類圖（圖6）。堅(jiān)硬巖劃分為Ⅰ類場(chǎng)地，較堅(jiān)硬巖根據(jù)其覆蓋層厚度進(jìn)行劃分，覆蓋層厚度小于5米時(shí)，劃分為Ⅰ類場(chǎng)地，其余劃分為Ⅱ類場(chǎng)地，較軟巖劃分為Ⅱ類場(chǎng)地，覆蓋第四紀(jì)沉積物地區(qū)劃分為Ⅲ類場(chǎng)地。

將實(shí)測(cè)鉆孔對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地類別投到場(chǎng)地類別劃分圖上，紅色三角形為Ⅱ類場(chǎng)地鉆孔，黃色三角形為Ⅰ類場(chǎng)地鉆孔，據(jù)圖7可以看到，實(shí)測(cè)鉆孔場(chǎng)地類別劃分與場(chǎng)地類別劃分圖大致相對(duì)應(yīng)，在個(gè)別地方會(huì)有出入，判斷可能是因?yàn)榈刭|(zhì)圖年代巖性等數(shù)據(jù)精度太低，得出的場(chǎng)地類別劃分圖結(jié)果粗略。

圖6 場(chǎng)地分類圖Fig.6 Site classification diagram

圖7 鉆孔實(shí)測(cè)場(chǎng)地圖Fig.7 Field map of borehole measurement

3.2 基于地形坡度的場(chǎng)地類別劃分結(jié)果

本文采用遵義市30 m 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，通過GIS的坡度分析計(jì)算得到區(qū)域的坡度值，參照美國(guó)場(chǎng)地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)，以Vs30 為橋梁建立坡度值與場(chǎng)地類別劃分的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表2），得到基于地形坡度的場(chǎng)地類別劃分圖（圖8）。

將實(shí)測(cè)鉆孔對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地類別投到場(chǎng)地類別劃分圖上，紅色圓形為B 類場(chǎng)地鉆孔，綠色圓形形為C類場(chǎng)地鉆孔，據(jù)圖9可以看到，實(shí)測(cè)鉆孔場(chǎng)地類別劃分與場(chǎng)地類別劃分圖大致相對(duì)應(yīng)，在個(gè)別地方會(huì)有出入，判斷可能是因?yàn)?0 m 數(shù)字高程數(shù)據(jù)精度不夠，只能得出區(qū)域類大致場(chǎng)地類別劃分結(jié)果。

表2 NEHRP VS30分類指標(biāo)、VS30和坡度值之間的關(guān)系表[8]Table 2 The relationship between NEHRP VS30 classification index，VS30 and slope value

圖8 場(chǎng)地分類圖（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）Fig.8 Site classification chart（American standard）

圖9 鉆孔實(shí)測(cè)場(chǎng)地圖（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）Fig.9 Field map of borehole measurement（American standard）

4 結(jié)論與建議

本文主要通過研究基于地質(zhì)成因的場(chǎng)地類別劃分方法和基于地形坡度的場(chǎng)地類別劃分方法，將其應(yīng)用于遵義市地區(qū)，繪制得到遵義市場(chǎng)地類別劃分圖件，在研究過程中得出以下結(jié)論：

（1）通過收集遵義市相關(guān)地質(zhì)資料，建立了相對(duì)合理的基于地質(zhì)年代、巖石堅(jiān)硬程度等地質(zhì)因素與場(chǎng)地類別分類的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了遵義市場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的建立和場(chǎng)地類別劃分。

（2）通過下載拼接30 m 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，借助Arcgis 軟件處理DEM 數(shù)據(jù)后進(jìn)行坡度分析，并通過NEHRP 的場(chǎng)地類型劃分關(guān)系，得到美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的遵義場(chǎng)地類別劃分結(jié)果。

（3）通過對(duì)貴州省遵義市進(jìn)行場(chǎng)地類別劃分，為貴州省其他地區(qū)如六盤水市等進(jìn)行場(chǎng)地類別劃分提供了很好的方法借鑒。

在研究中盡管取得了一定的結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)了如下問題：

（1）基于地質(zhì)成因得到的場(chǎng)地類別劃分結(jié)果相對(duì)粗略，只能反映區(qū)域上的場(chǎng)地類別情況，與實(shí)測(cè)鉆孔場(chǎng)地類型疊加有部分出入，建議搜集更大比例尺地質(zhì)圖進(jìn)行分類，結(jié)果將更加精確。

（2）基于地形坡度得到的場(chǎng)地類別劃分結(jié)果也受到精度影響，劃分結(jié)果不夠精確，建議以后可以用更高精度的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

（3）收集到的遵義市的鉆孔較少，缺少VS20、VS30 等數(shù)據(jù)，故沒有很好地借助鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，下一步將繼續(xù)收集鉆孔資料，為進(jìn)一步建立精確的坡度-剪切波模型做準(zhǔn)備。