岫巖隕石撞擊坑的速度結(jié)構(gòu)和抗震性能分析1

左 瑩 趙成彬 劉明軍 楊宇東 季通宇

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002）

岫巖隕石撞擊坑的速度結(jié)構(gòu)和抗震性能分析1

左 瑩 趙成彬 劉明軍 楊宇東 季通宇

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002）

岫巖隕石撞擊坑位于遼東半島北部低山丘陵地區(qū)，直徑1.8km，保存完好。由于隕石的撞擊和此后的沉積作用在坑內(nèi)形成了特殊的地貌、地質(zhì)和地球物理環(huán)境，使坑內(nèi)與坑外的介質(zhì)在速度方面存在差異，尤其是湖相沉積的軟弱淤泥層使得坑底上建造的房屋就像躺在一張巨大的海綿墊上一樣，使人們常常感到有微震發(fā)生，表明坑底的軟弱地層對地面的震動產(chǎn)生了放大作用，嚴(yán)重地影響了地基的穩(wěn)定性，從而影響到地面建筑物的抗震性能。本文采用高分辨折射探測方法，獲得了隕石坑內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)和軟弱地層的分布，分析了隕石坑地基的抗震性能，為坑內(nèi)地基和地面建筑物的地震危險性評價提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

隕石撞擊坑 地球物理場 岫巖 高分辨折射探測 層析成像

左瑩，趙成彬，劉明軍，楊宇東，季通宇，2015.岫巖隕石撞擊坑的速度結(jié)構(gòu)和抗震性能分析.震災(zāi)防御技術(shù)，10（4）：831—839. doi：10.11899/zzfy20150402

引言

岫巖隕石撞擊坑位于遼寧省岫巖滿族自治區(qū)蘇子溝鄉(xiāng)，隕石坑呈圓環(huán)狀，直徑約1.8km，由垅崗狀山脊圍成，是我國第一個被系統(tǒng)深入研究和確認(rèn)的隕石坑（覃功炯等，2001a；王心源等，2014；Chen等，2013）。多年來，經(jīng)過覃功炯等（2001b）、陳鳴等（2007；2009）專家在地貌、地表地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和地質(zhì)鉆探等領(lǐng)域的工作（林文祝，1998），現(xiàn)已證實它是中國第一個被確認(rèn)的隕石坑，它是大約5萬年以前一顆直徑小于100m的隕石以10—70km/s的宇宙速度撞擊地球而形成的（金葉，2010）。

撞擊構(gòu)造在地球演化、礦產(chǎn)資源和環(huán)境災(zāi)害等方面具有重要的研究價值（馬配學(xué)等，1995）。隕星撞擊地球時可形成多種災(zāi)害，包括誘發(fā)氣候變異、地震火山爆發(fā)、火災(zāi)、海嘯等相關(guān)災(zāi)害。但值得注意的是，許多撞擊構(gòu)造也與成礦作用有關(guān)，在這些撞擊構(gòu)造中發(fā)現(xiàn)了被撞擊構(gòu)造控制的金屬、非金屬礦產(chǎn)及油氣和地下水資源等。隕星撞擊地球后由于坑體的不穩(wěn)定性和撞擊構(gòu)造的后期作用也會形成多種自然災(zāi)害，多年來人們在岫巖隕石坑發(fā)現(xiàn)，在坑底地表以下為厚達(dá)數(shù)米的“黑土”，其下為10多米厚的黑色淤泥，在淤泥中曾挖出過一些大型脊椎動物的骨骼。松軟的淤泥使得坑底上建造的房屋就像躺在一張巨大的海綿墊上一樣，使人們常常感到有微震發(fā)生，這表明坑底的軟弱地層對地面的震動產(chǎn)生了放大作用，嚴(yán)重地影響了地基的穩(wěn)定性，從而會影響地面建筑物的抗震性能。本文采用人工地震高分辨折射探測方法，通過獲得隕石坑內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)，研究隕石坑內(nèi)軟弱地層的分布及其形態(tài)以及隕石坑地基的抗震性能，以便為坑內(nèi)地基和地面建筑物的地震危險性評價提供可靠的基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)地貌和地質(zhì)特征

岫巖隕石坑位于遼東半島中部岫巖滿族自治區(qū)蘇子溝鄉(xiāng)東南約6km處的羅圈溝，中心地理坐標(biāo)：東徑123°27′30"，北緯40°21′55"。隕石坑呈圓環(huán)狀，由垅崗狀（堤?。┥郊箛?。外徑約1800m，內(nèi)徑800m左右，平均深度為140m?？油饩壠露染?，內(nèi)緣坡度陡，坑內(nèi)的輻射狀沖溝由撞擊時產(chǎn)生的放射狀裂隙形成。隕石坑形態(tài)保存良好，平面形狀近似五邊形或圓形，形態(tài)呈碗狀，直徑約為1800m（圖1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和高分辨折射測線位置圖Fig.1 Geological structure and the location of the high-resolution refraction profile within the studied area

隕石坑基巖為下元古界遼河群里爾峪組變質(zhì)巖，由淺粒巖、片麻巖、角閃巖、大理巖和變質(zhì)玄武巖等組成（陳鳴，2011）?？哟酱蟛糠值貐^(qū)被厚度達(dá)數(shù)米的風(fēng)化土壤、殘積和坡積物覆蓋，僅局部有零星基巖出露。坑底被第四系湖泊相沉積物充填，坑底上部為107m富含有機質(zhì)的湖泊相沉積物，下覆一套厚度為188m松散的角礫狀巖石碎屑及撞擊角礫巖堆積，其中撞擊角礫巖主要分布在底部厚度約35m范圍。撞擊角礫巖是一種多巖性角礫巖，主要由淺粒巖、片麻巖、角閃巖、玄武巖和大理巖碎屑、巖石熔體玻璃以及細(xì)粒礦物基質(zhì)等混合組成。

2 探測方法和測線位置

本次探測采用高分辨折射方法和折射波層析成像方法，觀測系統(tǒng)采用多重相遇和追逐觀測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集采用德國DMT公司生產(chǎn)的SUMMIT 高分辨率遙測數(shù)字地震儀，激發(fā)采用井中炸藥爆炸震源。道間距分別為10m和5m，270道接收。

根據(jù)隕石坑形態(tài)在平面上似園形、呈碗狀，為了探明隕石坑的速度結(jié)構(gòu)及坑體形態(tài)，橫穿撞擊坑布設(shè)2條相互垂直的淺層地震測線（圖1）。L1測線方向北東-南西，東北端起自羅圈里村東北羅圈溝口，坐標(biāo)為：東經(jīng)123°28′10.0″，北緯40°22′19.7″；西南端止于羅圈里村西南部山頂，坐標(biāo)為：東經(jīng)123°27′17.4″，北緯40°21′26.9″，全長2.1km。L2測線方向北西-南東，東南端起自羅圈里村東南的山頂，坐標(biāo)為：東經(jīng)123°28′14.0″，北緯40°21′40.9″；西北端止于雙山子村西北，坐標(biāo)為：東經(jīng)123°26′32.1″，北緯40°22′13.6″，全長2.7km。

3 岫巖隕石坑的速度結(jié)構(gòu)特征

圖2 折射波走時曲線和速度結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Time-travel curve and velocity of refracted earthquake wave

圖2為高分辨折射法2條折射剖面的走時曲線（上圖）和采用射線追蹤方法反演解釋獲得的射線圖（中圖）以及速度結(jié)構(gòu)圖（下圖）。從圖中可以看出，淺部地表介質(zhì)性質(zhì)橫向變化較大，導(dǎo)致淺部地震波速度橫向變化較大。這從圖2中2條測線各炮的走時曲線可以看出，炮點在坑內(nèi)的走時曲線（如L2測線SP4炮點）的視速度明顯低于炮點在坑邊的走時曲線（如L1測線SP2炮點）的視速度。而炮點在坑側(cè)的2支走時曲線（如L1測線SP1炮點）也表現(xiàn)為坑內(nèi)側(cè)一支走時曲線的視速度明顯低于坑外側(cè)一支走時曲線的視速度，這反映了坑內(nèi)的速度比坑周邊低的特點。另外，根據(jù)2條折射剖面走時曲線的形態(tài)還可以看出，各炮的走時曲線在遠(yuǎn)離炮點的位置視速度都較高，其中SP1炮點的1050—2000m、SP2炮點的0—800m、SP3炮點的1200—2700m、SP4炮點的0—400m和1400—2700m以及SP5炮點的0—1200m走時曲線的視速度都高達(dá)7.0km/s，均為來自坑底界面的折射，表明坑底界面的速度達(dá)到了7.0km/s。

圖2中的速度剖面是由各炮的走時曲線采用射線追蹤方法獲得的。根據(jù)圖2中的射線分布，在剖面的中部各炮點之間射線較密，所得速度結(jié)果精度較高，速度等值線以實線表示。在剖面兩端的下部射線相對較稀，因此所得速度結(jié)果的精度相對偏低，速度等值線以虛線表示。圖2的速度剖面不僅反映了速度的橫向變化而且也反映了速度的縱向變化。橫向上淺部坑中間速度較低，最低約為1.4km/s，坑邊緣速度較高，最高達(dá)到4.3km/s。在縱向上，剖面中部的速度變化范圍較大，從1.4—7.0km/s；兩端速度變化范圍較小，從4.3—7.0km/s。由圖中3.0km/s、5.5km/s和7.0km/s的速度等值線的形態(tài)可以看出，反演所得隕石坑的深度剖面形態(tài)為一坑形，最深點約在海拔高程-773m左右，坑底速度達(dá)到7.0km/s左右。

圖3為折射波層析成像法2條折射剖面的地震波速度層析成像圖。由圖3可以看出，2條速度剖面的速度在橫向上和縱向上變化都較大，都表現(xiàn)為兩端速度高、中間速度低的形態(tài)。對比圖3（a）和圖3（b）可以看出，在2條剖面的中部低速體的形態(tài)非常相似，在L2剖面上低速體位于剖面中部樁號450—1500m的位置，邊界清晰；在L1剖面上低速體也位于剖面中部樁號450—1500m的位置，但邊界沒有L2剖面清晰，在低速體外仍存在相對低速的現(xiàn)象。兩條測線低速體的速度在縱向上的變化非常相似，在低速體內(nèi)速度縱向變化不大，低速體的底界都位于深度200m左右。由于坑內(nèi)地表存在淤泥層，地表速度小于1000m/s。低速體的速度在1000—2000m/s之間，而低速體周圍巖石的速度在3500—4000m/s之間，速度差異較大。由2條剖面速度的形態(tài)可以看出，隕石坑淺部的形態(tài)基本呈碗型，僅西南方向稍微偏大，這可能是由于坑體周邊后期遭到不均衡的風(fēng)化、剝蝕作用，造成了沿西南-東北方向的低速帶范圍大于沿西北-東南方向的范圍；這一形態(tài)也可能與隕石撞擊地球時的來向有關(guān)，在不同方向上巖石受力不同破壞程度不同所造成。

圖4為折射波速度層析成像解釋圖，從圖中可以看出坑內(nèi)和坑邊速度差別較大，坑內(nèi)沉積地層的低速和坑邊圍巖的高速分界明顯，邊界清晰。低速體的形態(tài)規(guī)則，呈“碗”型，“碗”口的直徑北西-南東向小，約為1200m，北東-南西向大，約為1500m?！巴搿钡椎男螒B(tài)呈波浪起伏狀，“碗”內(nèi)（低速體）的速度也存在輕微的高低變化現(xiàn)象，速度大約在1000—2000m/s之間，低速體周圍巖石的速度大約在3500—4000m/s之間。

圖5為坑內(nèi)鉆孔柱狀圖，107m以上為湖泊沉積，107—204m為角閃巖、淺粒巖、片麻巖、玄武巖和大理巖角礫堆積，204—307m為淺粒巖和片麻巖角礫堆積、石質(zhì)角礫巖、含熔體角礫巖和破碎透閃巖等。對比圖3和圖5可以看出，速度層析成像圖上位于深度200m左右的低速體的底界對應(yīng)于鉆孔柱狀圖上角閃巖角礫堆積層的底界，這表明隕石坑內(nèi)除了107m以上的湖泊沉積較軟弱、速度較低外，107—204m之間的各種巖石的角礫堆積的速度也較低，這反映了該段地層巖石角礫膠結(jié)或固結(jié)較差，含有較多的松散沉積物或淤泥質(zhì)介質(zhì)，因此速度較低。204m以下介質(zhì)固結(jié)較好、較致密，因此速度較高。

圖3 折射波速度層析成像圖Fig.3 Velocity structure from refraction wave tomography

圖4 折射波速度層析成像解釋圖Fig.4 Interpreted structure from refraction wave velocity tomography

圖5 鉆孔柱狀圖Fig.5 Drill column log

4 隕石坑的形成機制和抗震性能分析

根據(jù)反射地震等探測結(jié)果（樊計昌等，2010；趙成彬等，2011），岫巖隕石撞擊坑為碗型坑。由反射地震深度剖面（圖6）可知，隕石坑主要結(jié)構(gòu)為3層，其中深度500m（T1）以上為慢速沉積區(qū)，500—900m（T1和T2之間）為快速沉積區(qū)，900—1400m（T2和T3之間）為影響區(qū)。根據(jù)坑體的地層結(jié)構(gòu)特征，上部慢速沉積區(qū)又可以分為5層，其中第2層底界T02的埋深約為180—200m，對應(yīng)于折射層析成像剖面（圖3）低速體的底界以及折射波速度結(jié)構(gòu)圖（圖2）3.0km/s等值線的位置，也即鉆孔柱狀圖中角閃巖角礫堆積的底界。圖6中慢速沉積區(qū)的底界T1對應(yīng)于圖2中5.5km/s的速度等值線的位置。圖6中快速沉積區(qū)的底界T2對應(yīng)于圖2中7.0km/s的速度等值線的位置。在深度900m左右?guī)r石的速度達(dá)到7.0km/s，認(rèn)為是隕石撞擊坑的底部，由于隕石撞擊地球時所產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境使撞擊坑底的表層巖石達(dá)到熔融狀態(tài)，改變了圍巖的性質(zhì)，致使圍巖速度升高，達(dá)到了7.0km/s，這是在這一深度一般巖石難以達(dá)到的速度。在隕石撞擊之后，坑體周圍巖石快速坍塌堆積形成了深度500—900m范圍的快速沉積區(qū)，因堆積塊體較大、顆粒較粗、膠結(jié)較差，形成的反射較弱。后來又經(jīng)過漫長的慢速沉積，由坑體圍巖風(fēng)化、剝蝕、搬運而沉積，顆粒較細(xì)、膠結(jié)較好，在深度500m以上形成了較強的反射（趙成彬等，2011）。在慢速沉積的后期，由于坑內(nèi)積水和坑體周圍植被的沉積，在坑內(nèi)形成了湖泊沉積，形成了一些軟弱的泥炭土和淤泥沉積，從而造成了深度200m以上的低速體的存在。

圖6 反射地震深度剖面圖Fig.6 Cross-section of reflection seismic depth

通過以上分析可知，隕石坑體內(nèi)之所以不穩(wěn)定，抗震性能較差，致使人們常常感到有微震發(fā)生，這是由于隕石坑的結(jié)構(gòu)所決定的。第一，由于在隕石撞擊坑底部的影響區(qū)內(nèi)所造成的巖石的破碎和裂隙，影響了隕石坑深部巖石的抗震性能。第二，隕石撞擊之后和隕石坑形成初期由坑體周圍巖石快速坍塌堆積、風(fēng)化沉積形成的快速沉積區(qū)，堆積塊體較大、顆粒較粗、膠結(jié)較差，造成坑體下部穩(wěn)定性較差。第三，在慢速沉積區(qū)上部的湖泊相沉積區(qū)內(nèi)，由于坑體巖石的風(fēng)化剝蝕和周圍植被的沉積，形成的一些泥炭土和淤泥等湖泊相沉積，土質(zhì)較軟，速度較低（1000—2000m/s），松軟的泥炭土和淤泥使得坑底上建造的房屋就像躺在一張巨大的海綿墊上一樣，嚴(yán)重地影響了地基和地面建筑物的抗震性能，一旦遇到地震將會造成地面建筑物的嚴(yán)重破壞。因此，鑒于隕石坑內(nèi)低速體的位置、形態(tài)和抗震性能，未來坑內(nèi)的建筑物應(yīng)避開低速體，應(yīng)建在坑體周邊低速體以外區(qū)域或低速體邊緣區(qū)域，并對地基（低速軟弱地層）做適當(dāng)處理，以保證建筑物基礎(chǔ)的抗震性能。

陳鳴，2007.岫巖隕石坑：撞擊起源的證據(jù).科學(xué)通報，52（22）：2777—2780.

陳鳴，肖萬生，謝先德等，2009.岫巖隕石撞擊坑的證實.科學(xué)通報，54（22）：3507—3511.

陳鳴，2011.岫巖隕石坑石英的沖擊變質(zhì)特征.礦物學(xué)報，31（2）：161—165.

樊計昌，劉明軍，趙成彬等，2010.岫巖隕石坑三維Q值層析成像.地球物理學(xué)報，53（10）：2367—2375.

金葉，2010.揭秘中國首個隕石坑村落.科學(xué)與文化，（4）：6—7.

林文祝，1998.應(yīng)用地球物理方法研究撞擊坑.地質(zhì)地球化學(xué)，（1）：63—68.

馬配學(xué)，柴之芳，毛雪瑛等，1995.地外撞擊作用和地球災(zāi)變環(huán)境.地質(zhì)論評，41（1）：20—27.

覃功炯，歐強，常旭，2001a.國內(nèi)外對天體撞擊地球的撞擊構(gòu)造研究的新進(jìn)展.地學(xué)前緣，8（2）：345—352.

覃功炯，盧登蓉，歐強等，2001b.羅圈里撞擊坑鉑族元素異常及粗鉑礦的發(fā)現(xiàn)及其意義.地學(xué)前緣，8（2）：333—338.

王心源，駱磊，郭華東等，2014.岫巖隕石坑的成坑過程與形貌特征研究.中國科學(xué)：地球科學(xué)，44（7）：1488—1497.

趙成彬，劉明軍，樊計昌等，2011.岫巖隕石撞擊坑結(jié)構(gòu)高精度地震探測研究.地球物理學(xué)報，54（6）：1559—1565.

Chen M.，Gu X.P.，Xie X.D. et al.， 2013. High-pressure polymorph of TiO2-II from the Xiuyan crater of China. Chinese Science Bulletin （in Chinese），58 （36）：4655—4662.

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）

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.

Meteorite impact crater； Geophysical field； Xiuyan； High resolution refraction； Tomography

國家自然科學(xué)基金項目（40774071和41174078）資助

2015-01-30

左瑩，女，生于1982年。工程師。長期從事活斷層探測研究。E-mail：Zuoying0124@126.com

趙成彬，男，生于1955年。研究員。長期從事活斷層探測與工程地震研究。E-mail：ZCB001001@sina.com