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岫岩陨石撞击坑的速度结构和抗震性能分析
岫岩陨石撞击坑的速度结构和抗震性能分析
左莹* 赵成彬* 刘明军 杨宇东 季通宇
(中国地震局地球物理勘探中心,郑州 450002)
 [收稿日期]: 2015-01-30
摘要

岫岩陨石撞击坑位于辽东半岛北部低山丘陵地区,直径1.8km,保存完好。由于陨石的撞击和此后的沉积作用在坑内形成了特殊的地貌、地质和地球物理环境,使坑内与坑外的介质在速度方面存在差异,尤其是湖相沉积的软弱淤泥层使得坑底上建造的房屋就像躺在一张巨大的海绵垫上一样,使人们常常感到有微震发生,表明坑底的软弱地层对地面的震动产生了放大作用,严重地影响了地基的稳定性,从而影响到地面建筑物的抗震性能。本文采用高分辨折射探测方法,获得了陨石坑内的速度结构和软弱地层的分布,分析了陨石坑地基的抗震性能,为坑内地基和地面建筑物的地震危险性评价提供了可靠的基础资料。


引言

岫岩陨石撞击坑位于辽宁省岫岩满族自治区苏子沟乡,陨石坑呈圆环状,直径约1.8km,由垅岗状山脊围成,是我国第一个被系统深入研究和确认的陨石坑(覃功炯等,2001a;王心源等,2014;Chen等,2013)。多年来,经过覃功炯等(2001b)、陈鸣等(2007;2009)专家在地貌、地表地质、地球物理、地球化学和地质钻探等领域的工作(林文祝,1998),现已证实它是中国第一个被确认的陨石坑,它是大约5万年以前一颗直径小于100m的陨石以10—70km/s的宇宙速度撞击地球而形成的(金叶,2010)。

撞击构造在地球演化、矿产资源和环境灾害等方面具有重要的研究价值(马配学等,1995)。陨星撞击地球时可形成多种灾害,包括诱发气候变异、地震火山爆发、火灾、海啸等相关灾害。但值得注意的是,许多撞击构造也与成矿作用有关,在这些撞击构造中发现了被撞击构造控制的金属、非金属矿产及油气和地下水资源等。陨星撞击地球后由于坑体的不稳定性和撞击构造的后期作用也会形成多种自然灾害,多年来人们在岫岩陨石坑发现,在坑底地表以下为厚达数米的“黑土”,其下为10多米厚的黑色淤泥,在淤泥中曾挖出过一些大型脊椎动物的骨骼。松软的淤泥使得坑底上建造的房屋就像躺在一张巨大的海绵垫上一样,使人们常常感到有微震发生,这表明坑底的软弱地层对地面的震动产生了放大作用,严重地影响了地基的稳定性,从而会影响地面建筑物的抗震性能。本文采用人工地震高分辨折射探测方法,通过获得陨石坑内的速度结构,研究陨石坑内软弱地层的分布及其形态以及陨石坑地基的抗震性能,以便为坑内地基和地面建筑物的地震危险性评价提供可靠的基础资料。

1 研究区地貌和地质特征

岫岩陨石坑位于辽东半岛中部岫岩满族自治区苏子沟乡东南约6km处的罗圈沟,中心地理坐标:东径123°27′30",北纬40°21′55"。陨石坑呈圆环状,由垅岗状(堤埂)山脊围成。外径约1800m,内径800m左右,平均深度为140m。坑外缘坡度缓,内缘坡度陡,坑内的辐射状冲沟由撞击时产生的放射状裂隙形成。陨石坑形态保存良好,平面形状近似五边形或圆形,形态呈碗状,直径约为1800m(图1)。

图 1 研究区地质构造和高分辨折射测线位置图 Fig. 1Geological structure and the location of the high-resolution refraction profile within the studied area

陨石坑基岩为下元古界辽河群里尔峪组变质岩,由浅粒岩、片麻岩、角闪岩、大理岩和变质玄武岩等组成(陈鸣,2011)。坑唇大部分地区被厚度达数米的风化土壤、残积和坡积物覆盖,仅局部有零星基岩出露。坑底被第四系湖泊相沉积物充填,坑底上部为107m富含有机质的湖泊相沉积物,下覆一套厚度为188m松散的角砾状岩石碎屑及撞击角砾岩堆积,其中撞击角砾岩主要分布在底部厚度约35m范围。撞击角砾岩是一种多岩性角砾岩,主要由浅粒岩、片麻岩、角闪岩、玄武岩和大理岩碎屑、岩石熔体玻璃以及细粒矿物基质等混合组成。

2 探测方法和测线位置

本次探测采用高分辨折射方法和折射波层析成像方法,观测系统采用多重相遇和追逐观测系统。数据采集采用德国DMT公司生产的SUMMIT 高分辨率遥测数字地震仪,激发采用井中炸药爆炸震源。道间距分别为10m和5m,270道接收。

根据陨石坑形态在平面上似园形、呈碗状,为了探明陨石坑的速度结构及坑体形态,横穿撞击坑布设2条相互垂直的浅层地震测线(图1)。L1测线方向北东-南西,东北端起自罗圈里村东北罗圈沟口,坐标为:东经123°28′10.0″,北纬40°22′19.7″;西南端止于罗圈里村西南部山顶,坐标为:东经123°27′17.4″,北纬40°21′26.9″,全长2.1km。L2测线方向北西-南东,东南端起自罗圈里村东南的山顶,坐标为:东经123°28′14.0″,北纬40°21′40.9″;西北端止于双山子村西北,坐标为:东经123°26′32.1″,北纬40°22′13.6″,全长2.7km。

3 岫岩陨石坑的速度结构特征

图2为高分辨折射法2条折射剖面的走时曲线(上图)和采用射线追踪方法反演解释获得的射线图(中图)以及速度结构图(下图)。从图中可以看出,浅部地表介质性质横向变化较大,导致浅部地震波速度横向变化较大。这从图2中2条测线各炮的走时曲线可以看出,炮点在坑内的走时曲线(如L2测线SP4炮点)的视速度明显低于炮点在坑边的走时曲线(如L1测线SP2炮点)的视速度。而炮点在坑侧的2支走时曲线(如L1测线SP1炮点)也表现为坑内侧一支走时曲线的视速度明显低于坑外侧一支走时曲线的视速度,这反映了坑内的速度比坑周边低的特点。另外,根据2条折射剖面走时曲线的形态还可以看出,各炮的走时曲线在远离炮点的位置视速度都较高,其中SP1炮点的1050—2000m、SP2炮点的0—800m、SP3炮点的1200—2700m、SP4炮点的0—400m和1400—2700m以及SP5炮点的0—1200m走时曲线的视速度都高达7.0km/s,均为来自坑底界面的折射,表明坑底界面的速度达到了7.0km/s。

图 2 折射波走时曲线和速度结构图 Fig. 2Time-travel curve and velocity of refracted earthquake wave

图2中的速度剖面是由各炮的走时曲线采用射线追踪方法获得的。根据图2中的射线分布,在剖面的中部各炮点之间射线较密,所得速度结果精度较高,速度等值线以实线表示。在剖面两端的下部射线相对较稀,因此所得速度结果的精度相对偏低,速度等值线以虚线表示。图2的速度剖面不仅反映了速度的横向变化而且也反映了速度的纵向变化。横向上浅部坑中间速度较低,最低约为1.4km/s,坑边缘速度较高,最高达到4.3km/s。在纵向上,剖面中部的速度变化范围较大,从1.4—7.0km/s;两端速度变化范围较小,从4.3—7.0km/s。由图中3.0km/s、5.5km/s和7.0km/s的速度等值线的形态可以看出,反演所得陨石坑的深度剖面形态为一坑形,最深点约在海拔高程-773m左右,坑底速度达到7.0km/s左右。

图3为折射波层析成像法2条折射剖面的地震波速度层析成像图。由图3可以看出,2条速度剖面的速度在横向上和纵向上变化都较大,都表现为两端速度高、中间速度低的形态。对比图3(a)和图3(b)可以看出,在2条剖面的中部低速体的形态非常相似,在L2剖面上低速体位于剖面中部桩号450—1500m的位置,边界清晰;在L1剖面上低速体也位于剖面中部桩号450—1500m的位置,但边界没有L2剖面清晰,在低速体外仍存在相对低速的现象。两条测线低速体的速度在纵向上的变化非常相似,在低速体内速度纵向变化不大,低速体的底界都位于深度200m左右。由于坑内地表存在淤泥层,地表速度小于1000m/s。低速体的速度在1000—2000m/s之间,而低速体周围岩石的速度在3500—4000m/s之间,速度差异较大。由2条剖面速度的形态可以看出,陨石坑浅部的形态基本呈碗型,仅西南方向稍微偏大,这可能是由于坑体周边后期遭到不均衡的风化、剥蚀作用,造成了沿西南-东北方向的低速带范围大于沿西北-东南方向的范围;这一形态也可能与陨石撞击地球时的来向有关,在不同方向上岩石受力不同破坏程度不同所造成。

图4为折射波速度层析成像解释图,从图中可以看出坑内和坑边速度差别较大,坑内沉积地层的低速和坑边围岩的高速分界明显,边界清晰。低速体的形态规则,呈“碗”型,“碗”口的直径北西-南东向小,约为1200m,北东-南西向大,约为1500m。“碗”底的形态呈波浪起伏状,“碗”内(低速体)的速度也存在轻微的高低变化现象,速度大约在1000—2000m/s之间,低速体周围岩石的速度大约在3500—4000m/s之间。

图5为坑内钻孔柱状图,107m以上为湖泊沉积,107—204m为角闪岩、浅粒岩、片麻岩、玄武岩和大理岩角砾堆积,204—307m为浅粒岩和片麻岩角砾堆积、石质角砾岩、含熔体角砾岩和破碎透闪岩等。对比图3和图5可以看出,速度层析成像图上位于深度200m左右的低速体的底界对应于钻孔柱状图上角闪岩角砾堆积层的底界,这表明陨石坑内除了107m以上的湖泊沉积较软弱、速度较低外,107—204m之间的各种岩石的角砾堆积的速度也较低,这反映了该段地层岩石角砾胶结或固结较差,含有较多的松散沉积物或淤泥质介质,因此速度较低。204m以下介质固结较好、较致密,因此速度较高。

图 3 折射波速度层析成像图 Fig. 3Velocity structure from refraction wave tomography
图 4 折射波速度层析成像解释图 Fig. 4Interpreted structure from refraction wave velocity tomography
图 5 钻孔柱状图 Fig. 5Drill column log
4 陨石坑的形成机制和抗震性能分析

根据反射地震等探测结果(樊计昌等,2010;赵成彬等,2011),岫岩陨石撞击坑为碗型坑。由反射地震深度剖面(图6)可知,陨石坑主要结构为3层,其中深度500m(T1)以上为慢速沉积区,500—900m(T1和T2之间)为快速沉积区,900—1400m(T2和T3之间)为影响区。根据坑体的地层结构特征,上部慢速沉积区又可以分为5层,其中第2层底界T02的埋深约为180—200m,对应于折射层析成像剖面(图3)低速体的底界以及折射波速度结构图(图2)3.0km/s等值线的位置,也即钻孔柱状图中角闪岩角砾堆积的底界。图6中慢速沉积区的底界T1对应于图2中5.5km/s的速度等值线的位置。图6中快速沉积区的底界T2对应于图2中7.0km/s的速度等值线的位置。在深度900m左右岩石的速度达到7.0km/s,认为是陨石撞击坑的底部,由于陨石撞击地球时所产生的高温高压环境使撞击坑底的表层岩石达到熔融状态,改变了围岩的性质,致使围岩速度升高,达到了7.0km/s,这是在这一深度一般岩石难以达到的速度。在陨石撞击之后,坑体周围岩石快速坍塌堆积形成了深度500—900m范围的快速沉积区,因堆积块体较大、颗粒较粗、胶结较差,形成的反射较弱。后来又经过漫长的慢速沉积,由坑体围岩风化、剥蚀、搬运而沉积,颗粒较细、胶结较好,在深度500m以上形成了较强的反射(赵成彬等,2011)。在慢速沉积的后期,由于坑内积水和坑体周围植被的沉积,在坑内形成了湖泊沉积,形成了一些软弱的泥炭土和淤泥沉积,从而造成了深度200m以上的低速体的存在。

通过以上分析可知,陨石坑体内之所以不稳定,抗震性能较差,致使人们常常感到有微震发生,这是由于陨石坑的结构所决定的。第一,由于在陨石撞击坑底部的影响区内所造成的岩石的破碎和裂隙,影响了陨石坑深部岩石的抗震性能。第二,陨石撞击之后和陨石坑形成初期由坑体周围岩石快速坍塌堆积、风化沉积形成的快速沉积区,堆积块体较大、颗粒较粗、胶结较差,造成坑体下部稳定性较差。第三,在慢速沉积区上部的湖泊相沉积区内,由于坑体岩石的风化剥蚀和周围植被的沉积,形成的一些泥炭土和淤泥等湖泊相沉积,土质较软,速度较低(1000—2000m/s),松软的泥炭土和淤泥使得坑底上建造的房屋就像躺在一张巨大的海绵垫上一样,严重地影响了地基和地面建筑物的抗震性能,一旦遇到地震将会造成地面建筑物的严重破坏。因此,鉴于陨石坑内低速体的位置、形态和抗震性能,未来坑内的建筑物应避开低速体,应建在坑体周边低速体以外区域或低速体边缘区域,并对地基(低速软弱地层)做适当处理,以保证建筑物基础的抗震性能。

图 6 反射地震深度剖面图 Fig. 6Cross-section of reflection seismic depth
参考文献
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Analysis on the Velocity Structure and Seismic Performance of Xiuyan Impact Crater
Zuo Ying*, Zhao Chengbin*, Liu Mingjun, Yang Yudong and Ji Tongyu
(Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China)
Abstract

The Xiuyan impact crater with a diameter of 1.8km is located at northern hills of the Liaodong peninsula, Liaoning province, China and reserved well. A special geomorphological, geological and geophysical environment after the meteorite impact and subsequent deposit at the crater makes different in medium velocity between inside and outside the crater. Especially the soft mud from lacustrine deposits makes the buildings built at the bottom like lying on a huge sponge pad, that often makes people feel the micro earthquakes occurred, which suggests that the soft stratum on the bottom has played an amplification role in the vibration of the ground and seriously affects the stability of the foundation and the seismic performance of the buildings on the ground. In the project, the velocity structure and the distribution of weak stratum in the crater are obtained by using high resolution refraction detection method, and the seismic performance of the foundation of the crater is analyzed in order to provide reliable basic data for the evaluation of seismic risk of pit foundation and ground buildings.



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岫岩陨石撞击坑的速度结构和抗震性能分析
左莹* 赵成彬* 刘明军 杨宇东 季通宇
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20150402