【类型】期刊

【作者】周毅，田芳，杨艳（北京大学地球与空间科学学院；北京市水文地质工程地质大队）

【作者单位】北京大学地球与空间科学学院；北京市水文地质工程地质大队

【刊名】上海国土资源

【关键词】 地面沉降；地质结构；监测方法；标孔布设

【资助项】北京市科委项目“北京地区地面沉降防控与地下水资源合理开发研究”（z131100005613022）；中国地质调查局地质调查项目“基于北斗卫星的地面沉降监测信息实时传输技术研究”（1...

【ISSN号】2095-1329

【页码】P90-93，97

【年份】2019

【期号】第4期

【摘要】地面沉降是北京平原区最主要的地质灾害之一.本文从北京地区地质构造和第四纪地层沉积特点入手,分析平原区可压缩地层的特征与分布范围,寻找地面沉降与地质结构间的关系;并从第四系地质特征出发,合理选择地面沉降分层监测层位,系统地提出了适宜北京地区的地面沉降分层监测方法.

【全文】 文献传递

北京地区第四纪沉积特征与沉降监测标孔布设

周 毅1,2，田 芳2，杨 艳1,2

（1. 北京大学地球与空间科学学院，北京100187；2. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

摘 要：地面沉降是北京平原区最主要的地质灾害之一。本文从北京地区地质构造和第四纪地层沉积特点入手，分析平原区可压缩地层的特征与分布范围，寻找地面沉降与地质结构间的关系；并从第四系地质特征出发，合理选择地面沉降分层监测层位，系统地提出了适宜北京地区的地面沉降分层监测方法。

关键词：地面沉降；地质结构；监测方法；标孔布设

“蓝天难见，繁星无影，河水断流，地下水超采，地面沉降”是北京当前面临的几大生态环境问题。由于长期的开发建设，北京自然生态系统已经处于退化状态，资源环境已呈现明显超负荷，地面沉降就是由这些环境问题而形成的地质灾害之一。

截至2012年，北京市发生地面沉降面积为5944km2，占平原区面积的92.8%[1]。从沉降的分布情况来看，已经形成了南北两大沉降区及昌平沙河—八仙庄、东八里庄—大郊亭、大兴榆垡等多个沉降中心区。长期的地面沉降成因及机理研究结果揭示，地质条件与地面沉降的发育有着复杂的内在联系。地层中可压缩层的分布情况决定了地面沉降存在的可能，而地下水的超采诱发了地面沉降[2～4]。二者相互关联，缺一不可。以往的地面沉降研究对地下水与地面沉降的关系比较关注，但对不同时代地层的地质特征与地面沉降发展关系研究相对不足。因此，加强对地质特征与地面沉降的关系研究，结合现有的地面沉降分层监测数据，合理布设地面沉降监测设施，对指导北京今后地面沉降监测站点选择与监测层位划分有着十分重要的现实意义。

1 第四系沉积特征与压缩性层组划分

1.1 构造运动的控制作用

在漫长的地质历史发展过程中，北京平原区经历了多次构造运动和多阶段多旋回地质构造演化，主要有印支、燕山及喜马拉雅三个时期的构造运动。其中，喜马拉雅构造活动是平原区最大的构造活动，始新世初开始出现裂陷，到始新世中期强烈裂陷。除了老断裂继续活动外，在本区的东部产生夏垫断裂，南部产生了礼贤断裂，形成了大兴隆起、大厂断陷及固安—武清断陷，从而导致古构造解体，结束了太行山与华北原来统一的构造体系。在此同时，平原区的中部，黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、南苑—通县断裂继续活动，形成了北京凹陷，并与东南部的大兴隆起和西部的京西隆起共同构成了北京平原二隆一凹的构造格架。新近纪凹陷继续下陷，接受沉积，进入第四纪，黄庄—高丽营断裂活动强烈[5]，同时北西向的南口—孙河断裂构造活跃，形成了一系列第四纪凹陷中心：昌平马池口、顺义后沙峪、顺义俸伯以及平谷等若干第四纪凹陷中心（图1）。

这些第四系沉积凹陷中心与北京的地面沉降分布有着极大关系。地面沉降发育的严重地区与第四纪沉积凹陷盆地有着重要联系，在丰台—良乡—琉璃河一带为近山前

地区，第四纪沉积物为粗颗粒的砂卵砾石层，可压缩的黏性土层很薄，缺乏地面沉降产生的地层条件。而在顺义地区、海淀山后、平谷地区形成的沉降中心均在对应的东坝—天竺新近纪盆地、南口第四纪盆地、后沙峪第四纪盆地、俸伯第四纪盆地及平谷第四纪盆地中形成。这也说明了地质结构是影响地面沉降分布与发育程度的重要因素。

1.2 不同河流的沉积特点

北京的第四系主要是在永定河、潮白河、温榆河、大石河、泃河等几大河流的冲、洪（湖）积作用下形成的，沉积环境复杂。不仅具有山前洪积、冲积相堆积物，而且在扇中多条河流互相交叠，到了扇缘地带由于河流的坡度降低，散流和漫流严重，许多地区形成牛轭湖，构成湖相堆积。除此以外，许多地区存在一定规模的风成堆积物。这些来自不同物源区、不同搬运营力沉积作用下形成了不同成因的第四纪沉积[6]。总体上，第四系厚度由西北的山前，向东南的平原逐渐增大，层次增多，颗粒物由粗变细。在西、北部山前地区，第四系厚度约20～40m，上部位薄层黏性土，下部为单一砂卵砾石层。由山前向平原过渡及平原地区，由于受新构造运动，新近纪、第四纪沉积凹陷的形成，沉积物厚度变大，岩性也由单一砂卵砾石变为砂砾石层与黏性土互层。

1.3 第四系压缩层组划分

第四纪地层是地面沉降产生的地层条件。北京平原区第四纪地层分布有下更新统（Q1）、中更新统（Q2）、上更新统（Q3）及全新统（Q4），不同时代地层的分布范围、厚度、压缩性共同决定了地面沉降产生的地质条件。

平原区下更新统地层埋深180～511m，岩性以粉砂质黏土与细砂或黏性土夹砾石为主。在凹陷区沉积厚度大，而隆起区薄，受古地貌影响大，300m以下地层自然固结程度较高，地层压缩性小，300m以上地层，受深层地下水开采影响，为地面沉降的主要贡献层之一。中更新统地层埋深80～164m，岩性主要为黏性土与砂层、砾石层。在凹陷区河湖相沉积地层中厚度较大，山前厚度小。中更新统是地面沉降的主要贡献层，沉降量主要发生在黏性土中，对地下水动态变化敏感度高，沉降贡献率约在50%～60%。上更新统与全新统埋深在30m以浅，岩性黏性土、细砂及砂砾石层，局部含沼泽相泥炭层或有机质淤泥层。上更新统和其上的全新统，地下水类型主要为潜水和微承压水，是主要的农业开采层，对地面沉降的贡献也较大，贡献率在20%以内[7,8]。

根据北京地层时代和物理力学性质，对北京地区的第四纪地层进行了压缩层组划分[9]，共分为三个大压缩层组及两个小压缩层，其具体特征如下：

（1）第一压缩层组（I）：主要地层时代为全新世和上更新世，可塑，压缩性中等，厚度相对较小，对应层位的地下水开采量很小，年平均水位基本不变。土体的压缩变形与地下水位变化相关性较差，表现为小而恒定应力作用下的蠕变变形。

（2）第二压缩层组（II）：主要地层时代为中更新统，可塑，压缩性中等—低，总厚度较大。对应的含水层是平原区农业、生活及工业用水的主要开采层之一，大部分地区的水位整体上持续下降，部分地区水位近两年有所回升。土体的压缩变形与地下水位变化的相关性较好，以较快的速度持续压缩，土体以塑性变形为主，水位回升时，压缩速率有所减小。

（3）第三压缩层组（III）：下更新统上段（III1），可塑—硬塑，压缩性低，总厚度较大。对应的含水层已经成为部分地区生活及工业用水的主要开采层，地下水位变化因地而异。下更新统下段（III2），硬塑—坚硬，压缩性相对最低，总厚度也较大。对应的含水层开采程度不高，但受到上部含水层集中开采的影响，水位整体呈持续下降。

2 沉降监测标布设原则

地面沉降分层监测是研究沉降机理建立模型的重要手段，也是地面沉降防治的基础[10～12]，如何建立适宜不同地区的地面沉降分层监测模式显得十分重要。经过对北京地区第四系沉降特征和含水层组的研究，认为在北京地区进行地面沉降分层监测主要从区域构造、地层时代及特征、含水层组分布三方面考虑：

（1）第一方面，区域构造及沉降条件决定站点位置，从区域上考虑地质构造背景。由于沉降多发生于第四纪凹陷中心与冲洪积扇交接部位。因此，站点应选择在新生代以来的沉积（凹陷）盆地中心位置具有显著的代表性。以北京目前有的七个地面沉降监测站为例（表1），站点的位置都选择与冲洪积扇与地质构造交接部位，该处不仅第四系沉积厚度大，且含水层组和压缩层组都能代表该地区的典型地质特征。

（2）第二大方面，从垂向地层上应虑地层年代的压缩性特征。北京地区70%～80%的沉降发生在中更新统到全新统的地层中，而下更新统地层较深，且固结程度相对较高，可压缩性较小，故其在地层沉降中占比较小。分层监

测的成本很高，故在有限的经费条件下，应将分层监测标孔重点布置在中更新统—全新统地层中。结合北京的地下水开采层位分布情况，一般分层标孔布置在250m以浅位置。250～300m以深地层由于其地层性质为硬塑—坚硬，且其沉降量占比较小，据北京地面沉降监测站统计，近三年250m以下地层沉降量仅占总沉降量的一般在1%～6%左右。

（3）第三大方面，地下水开采是北京地面沉降的主要因素。因此，对地下水含水层组的划分，是地面沉降分层监测的重要依据。目前北京地区开采深度达到300m左右。以顺义天竺地区为例，由于农业和工业的大量开采，70年代以来承压水水头持续下降，引发了地面沉降。1966～1983年累计地面沉降量100mm左右，平均年沉降速率5.6mm/a。1987～1997年累计沉降量达到150～200mm，平均年沉降速率13.6～18.2mm/a。2005～2010年累计地面沉降量到达225mm，平均年沉降速率45mm/a，地面沉降速率逐渐增大。因此，在分层监测标孔布设时，含水层组分布是标孔布设层位选择的重要依据之一。

3 顺义天竺站分层标孔布设实例

以北京顺义地区某地面沉降分层监测站点为例。该站位于顺义区后沙峪镇。在区域地质构造上属于后沙峪沉陷中心。基岩为侏罗系砂岩，埋深830m。

（1）该站选址：地质构造属于中朝准地台（I）华北断拗（II2）西北隅的北京迭断陷（III6）中的顺义迭凹陷（IV13）之后沙峪沉陷中心。同时，该站位于温榆河和潮白河联合冲洪积扇的叠合地带，新生代接受了巨厚沉积。第三系厚度300m左右，岩性为半胶结的泥岩、砂岩、砾岩。第四系厚度逾500m，沉积物颗粒较细，岩性以黏性土、粉土、粉砂、中细砂为主，占总厚度70%以上，是主要的压缩层。该区第四系含水层具有层多、颗粒细、层位稳定的特点。

（2）含水层组概化：由区域地下水及地层资料，可以对该站处的含水层组进行简要划分。以300m以上为地下水开采界线，一共划分三个含水岩组，六个含水层组（表3）。

（3）不同时代地层的压缩性：该区域全新统和上更新统埋深在31m左右，其中，地层厚度较小，压缩性中等，年均水位变化小，土体以蠕变变形为主。中更新统埋深31～175m，地层厚度较大，压缩性中等—低，年均水位下降明显，土体以塑性变形为主。下更新统175～511m，其中175～300m为下更新统上段，地层厚度大，压缩性中等—低，年均水位以下降为主，土体以塑性变形为主。300～511m以下为中更新统下段，压缩性低，不是主要开采层，但受上部含水层开采影响，水位呈下降趋势，土体以塑性变形为主。

综合考虑该监测站分层标埋设深度分别为2m、35m、49m、65m、83m、102m、117m、149m、218m和238m，分别对其编号为F10～F1（图2）。

4 分层监测成果分析

利用顺义地面沉降监测站2004～2012年的上序列监测数据，可以对不同时代地层压缩性、沉降速率以及沉降特点进行分析。

由监测站部分标孔的监测曲线（图3）可以看出，浅部标孔F10监测的地层沉降持续发展，该监测层位地层为全新统和上更新统，岩性为粉土、粉砂，为正常固结土，通过黏性土的物理力学指标标测试，该压缩层地层可塑，压缩模量7～12MPa，压缩性中等。2004～2012年累计沉降24.995mm，年沉降速率2.272mm/a。占总沉降量的7.4%。

中浅部标孔F8，该标孔监测层位48.5～64.5m，监测地层为中更新统，岩性为粉土、细砂，中粗砂、砂卵砾

石。由于该层位岩性以细砂和中粗砂为主，从监测曲线来看，其沉降变化随水位周期上升和下降表现为同步的回弹和压缩。

中部标孔F6，该标孔监测层位82.3～102m，监测地层为中更新统，岩性为粉土、粉质黏土，细砂，中粗砂含砾。该层大部分为正常固结土，可塑，有部分硬塑，压缩模量20～40MPa，压缩性中等—低。从监测曲线来看，其沉降持续发展，从2004年到2012年，累计沉降19.512mm，年沉降速率2.168mm/a，占总沉降量的5.8%。

深部标孔F3，该标孔监测层位149～218m，监测地层为中更新统下段和下更新统上段，岩性为粉土、粉质黏土、细砂，中粗砂含砾。其中，粉土和粉质黏土层厚度占比80%。该层为超固结图，固结比最大约1.48，黏土以硬塑为主，粉质黏土以可塑为主，压缩模量40～80MPa，压缩性低，从监测曲线上看，该监测层位地层总体呈持续压缩趋势，随水位周期变化，土体压缩速率有所不同，水位回升阶段，土体压缩持续，但速率变缓，水位下降，土体压缩速率增大。

通过对北京地区区域构造、第四系沉积特征以及含水岩组的分析研究，正确地选择监测地点和监测层位，对研究典型地区地面沉降和不同时代地层的沉降特点有着至关重要的作用。它不仅能够很好地反映出地区的沉降规律，也能够为防治地面沉降提供基础研究资料。

5 总结

（1）北京地区第四系沉降特点：从地质构造上看，主要发生在新生界断陷盆地（凹陷）中，如后沙峪凹陷、顺义凹陷和马池口凹陷等第四系厚度较大的地区都形成了沉降中心区；沉积特点来看，沉降主要发生在沉降主要发生在永定河冲洪积扇和潮白河冲积扇交接地带黏性土层沉积厚度较大的地区。从沉积年代来看，沉降主要发生在中更新统和下更新统300m以上的地层。

（2）监测站点与标孔分层监测层位的选择，遵循区域构造、地层时代及特征、含水层组分布三大原则。其中，区域构造以及第四系沉积特点确定站点位置，不同时代地层压缩特征和含水层组缺点标孔的监测层位和数量。（3）从监测成果来看，不同深度地层的压缩特征与地层时代和土体特点密切相关。在研究地面沉降机理时，既要关注地下水与地面沉降的关系，也要注重不同时代地层特点对地面沉降发展的影响。

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Quaternary characteristics and layout of layered boreholes for land subsidence in Beijing

ZHOU Yi1,2, TIAN Fang2, YANG Yan1,2
(1. School of Earth and Space Sciences, Peking Uniνersity, Beijing 100871, China; 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China)

Abstract：Land subsidence is one of the most serious geological hazards in Beijing plain. Special geological conditions are the basis of land subsidence development. Based on the geological structure and Quaternary characteristics in Beijing plain area, this paper analyzed the characteristics and distribution of compressible stratum, and tried to find the relationship between land subsidence and geological structure. Then, the paper described how to make a reasonable arrangement of layered boreholes for land subsidence according to the Quaternary geological features, and proposed a layered monitoring method suitable for Beijing area.

Key words：land subsidence; geological structure; monitoring method; lagered boreholes lagout

中图分类号：P642.26

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2014)04-0090-04

收稿日期：2014-07-25

修订日期：2014-09-08

作者简介：周毅(1983-),男,硕士,工程师,主要从事地面沉降与地质灾害防治研究.

电子邮箱: zhouyi.123@163.com

联系电话: 010-51560323

基金项目：北京市科委项目“北京地区地面沉降防控与地下水资源合理开发研究”(Z131100005613022);中国地质调查局地质调查项目“基于北斗卫星的地面沉降监测信息实时传输技术研究”(1212011220184)

doi：10.3969/j.issn.2095-1329.2014.04.021