0 引言

地质钻孔资料是地质勘察工作中形成的重要基础地质资料之一，也是用于科学研究的重要数据，直接反映了勘察地区的地质情况，可以给地质工作者提供直观了解地下介质的观测手段。地质钻孔资料是国家的宝贵财富，具有可被重复开发利用并长期提供服务的特点。充分利用地质钻孔资料，能有效降低地质工作风险，避免重复投资造成的资金浪费，对国民经济和社会发展具有重大的经济效益和社会效益 (王斌等，2013)。

在工程地质勘探过程中，钻孔资料是反映生产和研究工作区地质特征的重要信息之一，应用钻孔资料分析地质环境、地层岩性，也是地质勘探工作中重要的直接手段 (赵宇等，2005)。但是，中国当前对地质钻孔资料重要性的认识不足，钻孔资料的巨大潜能未得到充分发挥 (王斌等，2013)，就资料保管、使用情况而言，存在保管分散、共享力不足、数字化信息化程度不高、服务渠道不畅、纸质资料破损严重等问题，大量钻孔资料失去使用价值。本着充分利用，节约成本，充分发挥地质钻孔资料功能的目的，搜集整理河北省工程地震勘察研究院地震安评报告中的钻孔资料，为今后该省地质工作打好基础。笔者对搜集整理的资料进行二次开发，对河北地区地质钻孔分布、场地类别划分、各市等厚线处理等进行分析；利用钻孔信息中的剪切波速对土层液化进行判别研究；以邯郸地区为例，利用当地钻孔资料进行三维地层架构研究，并将磁县断裂与地层结合起来，直观分析断裂在地下的构造状态。

1 资料整理

地质钻孔资料是在钻探过程中记录下来的，是地质勘探中的主要数据，也是反映地质现象的主要依据。收集整理河北省工程地震勘察研究院地震安评报告及工程勘察报告中的钻孔资料，得到1 064条记录。

钻孔信息包括：空间位置、分层岩性和深度、波速数据、覆盖层厚度、场地类别和其他相关参数。依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，场地类别根据土层等效剪切波速 (由GB50011-2010规范中等效剪切波速公式计算得到) 和场地覆盖层厚度划分为4类 (详细划分原则见规范中的“各类建筑场地的覆盖层厚度”一览表)，分别为：Ⅰ(岩石、坚硬土)、Ⅱ(中硬土)、Ⅲ(中软土)、Ⅳ(软弱土)。根据收集的地质钻孔数据中经纬度数值，结合计算得出的场地类别数据，编制河北地区钻孔分布及场地类别划分图，见图 1，可知该省钻孔场地以Ⅱ、Ⅲ类居多，多为中硬土和中软土。

2 钻孔资料应用 2.1 等厚线绘制

对于搜集的地质钻孔资料，结合河北地区地质地貌特征，按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010) 要求，确定该省场地覆盖层厚度。一般，建筑场地覆盖层厚度应按地面至剪切波速大于500 m/s且地面下各层岩土剪切波速不小于500 m/s的土层顶面的距离确定。

利用插值方法绘制河北地区覆盖层厚度分布图 (图 2)。以河北11个市管辖区内地质钻孔资料中覆盖层厚度数据为基础，采用Surfer软件进行插值，绘制各市三维等厚线图，见图 3。从图 2和图 3可以明显看出河北省各地区覆盖层厚度情况。图 2中颜色由深入浅，代表覆盖层厚度从深入浅；图 3以地表为界限，数值为0，地下覆盖层厚度以负数标注，色标柱数值越小，表示覆盖层越厚。

2.2 土层液化判别

近年来，全球进入地震活跃期，地震灾害损失显而易见，而地震后的次生灾害也不容忽视，其中因土层液化引起的大规模地面塌陷、滑坡、喷水冒砂等危害，给人民生命财产带来重大损失。1975年邢台地震和1976年唐山地震发生后，地震后的土层液化问题引起一些研究者重视，并逐渐受到广泛关注 (邱亚兵等，2014)。

在中国，大多数粉土、砂土的液化判别均基于现场实验参数的经验法来判断，常用方法有：标准贯入锤击数法、静力触探法、剪切波速法。其中，剪切波速法是以土层在地震作用下的剪应变量作为液化判别因子，利用虎克定律推导临界值--临界剪切波速，作为土层是否液化的判定依据 (邱亚兵等，2014)。由于该判别量稳定性较好，可在土层原位状态下测试得到，近年来剪切波速法在相关工程中得到广泛应用，也逐渐成为液化判别的一种基本指标 (曹振中，2015)，并被纳入《天津市建筑地基基础设计规程 (TBJ1-1988)》(张荣祥，1996) 和《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)。

以秦皇岛地区为例，采用剪切波速法对地震后土层液化趋势进行判别。张丽 (2015)研究发现，剪切波速液化判别的双曲线模型综合判别成功率较高，且双曲线模型是非线性模型，是土工试验中常见模型形式，具有形式简单、参数少、物理含义明确、参数容易确定等优点。用此方法判别秦皇岛地区10个钻孔所在地的液化趋势，并与标准贯入锤击数判别法进行比较。

根据地震安评报告及其他水文资料，秦皇岛市区地质钻孔周围地下水位最高-2 m，昌黎地区地区钻孔周围地下水位最高-3 m。张丽 (2015)给出土层液化判别公式

$ {v_{{\rm{scr}}}} = {v_{{\rm{s}}0}} \times \left({\frac{{{d_{\rm{s}}}}}{{{d_{\rm{s}}} + 12.08}} + 0.49} \right) \times (1 - 0.0005{d_{\rm{w}}}) $

式中，v_scr是临界剪切波速；d_s是土层埋深；d_w是地下水位值，v_s0是剪切波速基准值。v_s是实测剪切波速。当v_s < v_scr时，判定为土层液化，否则判定为土层不液化。

剪切波速法是一种现场实验方法，确定土层液化的剪切波速临界值是判别关键 (程国勇，2004)。确定临界值v_scr需选定基准值v_s0，而不同峰值加速度下v_s0不同，根据张丽 (2015)的研究结果，在此取峰值加速度对应的抗震设防烈度Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度区v_s0值，分别为：164 m/s、199 m/s、210 m/s。秦皇岛地区抗震设防烈度为Ⅶ度，对该区10个钻孔剪切波速进行计算，并将Ⅷ度、Ⅸ度区剪切波速计算结果列出，与标贯测试结果进行对比，具体数据见表 1。

从表 1可见，在抗震设防Ⅶ度区坏境下，标贯测试与剪切波速测试方法就土层不液化判断一致，但标贯实验测试液化的钻孔，剪切波速判断不液化。而剪切波速法在判断Ⅷ度、Ⅸ区时，有2个钻孔点是液化点。从表 1对比结果看，在秦皇岛地区土层液化判断上，二者存在差异，哪种方法更适合有待真实震例验证。

2.3 三维地层建立

近年来，三维地质建模在地质、采矿、岩土工程等领域得到重视，相对于传统的二维数据表示方法，三维模型能够完整表达复杂地质现象的边界条件及地质体内含的各种地质构造，可以直观反映地质单元的空间分布及关联，提高了地质资料分析的直观性和准确性 (陈学习等，2005)。

工程钻探法是获取地下三维空间信息的重要方法，通过钻孔可以直接获取详细的岩土分层情况。在三维地层建模中，地质钻孔数据是主要数据来源。地层界面基于钻孔数据插值而成，合理处理这些数据是构件三维地层的前提和基础 (夏艳华等，2012)。本文根据搜集的地质钻孔资料，以邯郸地区钻孔数据为例，建立三维地层模型。

众所周知，地层在地质空间应该是连续分布的，但是我们得到的钻孔信息是离散的，必须采用相关拟合方法，将离散的地层资料组织起来描述其空间分布规律。这些离散数据必须满足描述空间几何特征、含有属性数据、空间分析和三维显示4个方面的需要才可以建立三维地层 (沈峰等，2008)，然后采用插值方法拟合为连续数据。

GIS是对地理数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，也是空间分析的良好平台 (于书媛等，2016)，利用ArcGIS中的kriging (克里金) 插值法进行数据插值，考虑到数据点与点的空间相关性问题，比较适合钻孔数据特点。

建立三维地层模型，首先需对地层进行划分。地层在空间分布上是不均匀、不连续的，不同地层间可能出现交叉或者地层的缺失，归纳发现三维地层有以下性状：① 地层为层状分布；② 不同地层按分层顺序进行空间叠加；③ 某一地层可能分布在整个地区，也可能只分布在某一局部范围；④ 地层间有交叉部位。

基于邯郸地区地质钻孔资料，地层岩性为：杂填土、粉土、粉质粘土、砂 (细砂、中砂、粗砂)、卵石，从浅入深依次划分为6层，具体见表 2。

利用Kriging插值法对每个地层进行插值处理，由此得到不同层面的数字高程模型 (DEM)，各层DEM参照系一致，互相匹配，层面之间对应关系较好 (贺怀建等，2002)，将DEM进行叠加，构建几何拓扑关系，得到多层DEM模型，可以显示邯郸地区三维地层形态 (图 4)。本研究将NWW向的磁县-大名断裂与地层图配准，明显可见断裂贯穿地层 (图 4)。从图 4可见，第1层分布在局部地区，某些地方有地层缺失，各层间存在穿插现象，表明地层间有交叉。

根据华北盆地南部隐伏区地质资料揭示的盆地构造、地表活断层调查，隐伏区浅层地震探测及磁县-大名断层地震活动分布特征的研究，将磁县-大名断裂分为3段：东段为大名-临漳段，中段为磁县-峰峰段，西段为南山村-岔口段。西段活动性较强，断至地表，活动时期是Qh；中段断错Qp³以下地层，几米至120 m以上，活动时期是Pre-Qp³；东段活动较弱 (杨家亮等，2013)。磁县-大名断裂活动中段至西段两边钻孔分布见图 5，断裂两侧钻孔地层深度见图 6。

从图 6可见，钻孔3和钻孔4比钻孔1和钻孔2地层上升了，也就是说，断裂两侧的地层有了错动，可见断裂中段至西段是活动的，与断裂活动性状相符，说明断裂两侧的地质钻孔可以发挥其固有价值。但是，由于断裂两侧钻孔密度小，数量不够，断层错动表现不明显，无法采用三维形式给出错断地层的形状。

3 结论

对河北省地质钻孔资料进行整理，并对资料进行二次开发应用，分析认为：① 河北省多为Ⅱ、Ⅲ类场地，因数据量不足，该省11个行政区的等厚线图分布不均，有待后期工作补充；② 利用剪切波速法，对秦皇岛地区10个钻孔的土层液化问题进行判别，并与标贯实验法结果进行对比，发现2种方法在判别土层不液化上一致，而在液化判别上存在分歧，有待实际震例验证；③ 以邯郸地区为例，采用Kriging插值，利用当地地质钻孔资料建立三维地层模型，并将磁县-大名断裂与地层图配准，明显可见断裂贯穿地层，但因钻孔资料较少，无法给出断裂两侧地层错断的三维模型，在今后工作中有待补充资料进一步研究。