南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×10^(8)m^(3),改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明:①2015~2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。②第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。

北京平原西北部地壳浅部结构和隐伏活动断裂——由地震反射剖面揭示

已有地质和地球物理研究结果表明,北京平原区存在有多条第四纪隐伏活动断裂和隐伏盆地.为了研究该区的地壳浅部结构、断裂的空间展布、断裂活动性以及深浅构造关系,2006年,在北京平原的西北部地区完成了1条60次覆盖的中深层地震反射剖面和跨断裂的浅层地震反射剖面.结果表明,沿剖面结晶基底埋深约为3～6 km;在结晶基底以上,地震反射剖面揭示了一套连续性较好的强反射震相,应是新生代、中生代和古生代的沉积岩系;在结晶基底之下,为一系列横向连续性较差、能量较弱的短小反射事件,可能代表了变质程度较高的结晶变质岩系或不成层的其他岩体.中深层和浅层地震剖面揭示的断裂具有上下一致的对应关系和明显的第四纪活动,对本区地堑-地垒状盆岭构造和新生代地层厚度具有重要的控制作用.本项研究不仅可进一步提高对北京地区新构造活动的认识,而且研究中所采用的方法技术对其他地区的深浅构造探测研究也有借鉴意义.

北京平原顺义ZK12-2钻孔剖面第四纪磁性地层学研究

对北京平原顺义凹陷内的ZK12-2钻孔岩芯进行了详细的磁性地层学研究,结果表明,719m的岩芯记录了布容正向极性时(Brunhes)、贾拉米洛(Jaramillo)极性亚时、奥尔都维(Olduvai)极性亚时和高斯正极性时(Gauss)。在系统古地磁样品采集、处理和测试的基础上,应用古地磁法、光释光法,结合岩芯特征,对ZK12-2钻孔剖面进行了详细地层划分,分别确定了下更新统、中更新统、上更新统和全新统的分布深度及地质年代,将Q/N定位于706m处,Q1/Q2、Q2/Q3、Q3/Q4分别定位于170m、66.5m、10m处。本项研究结果为该区第四纪地层划分对比、古地理环境、活动断裂相关研究提供了可靠的地层年代框架。

北京平原夏垫断裂齐心庄探槽古地震事件分析

齐心庄探槽位于 1679年三河 -平谷 8级地震夏垫地表地震破裂带东段。探槽内出露的断错地层、崩积楔、堰塞塘堆积、张裂楔及微细地层层理的揉皱现象 ,显示夏垫断裂全新世以来曾发生 4次强震事件。这 4次强震分别发生在距今 ( 10 85～ 9 71)ka、( 7 39～ 6 68)ka、( 5 4 16～ 2 2 33)ka及 1679年 (即三河 -平谷 8级地震 )。这 4次强震的时间间隔分别为 ( 3 2 4 5± 0 336)ka、( 3 2 11±0 815)ka及 ( 3 553± 0 796)ka ,平均强震间隔为 ( 3 336± 0 396)ka。 4次强震的平均同震垂直位移为 ( 1 4± 0 5)m。在齐心庄实施的探槽工程 ,除邻近断面开挖的探槽外 ,还在探槽南北 4 0 0m范围内开挖了 4个探坑 ,对认识断层下降盘地层的展布形态及确定断面堰塞塘的分布提供了帮助。在这些野外工作基础上 ,对齐心庄探槽研究结果与前人沿夏垫断裂其它地点的探槽及钻孔资料进行了对比 ,在古地震事件认识上大部分是一致的。

北京平原区南部PGZ01孔第四纪地层划分及其环境意义

对北京平原区南部大兴榆垡镇420 m深的PGZ01孔岩心进行了岩石地层、磁性地层、14C测年、介形类组合和孢粉组合研究。结果表明:(1)Matuyama(松山)/Gauss(高斯)和Brunhes(布容)/Matuyama(松山)极性界线分别位于280 m和78.35 m处,钻孔底部已经进入Gauss正极性带;取280 m处Matuyama/Gauss极性界线作为第四系下限,显示可能的永定河泥石流—冲积扇在第四纪之前即到达了北京平原南部,但是华北平原上新统标志岩石地层单元——厚层棕红色黏土在Olduvai(奥尔都维)极性亚带之上即已出现。(2)结合AMS14C测年,尝试将约60 m以上地层的氧化—还原状况,与对古季风影响反映灵敏的沿海平原钻孔同样深度地层进行对比,继而确定上更新统和全新统的底界深度分别位于56.60 m和18.95 m。(3)MIS5(海洋同位素阶段)以来的特征沉积物,与沿海平原钻孔地层有很好的可比性,同时也有8~4 ka期间史前大洪水的影响。本研究为廊(坊)固(安)凹陷西北边缘区第四纪地层划分对比、古地理环境演化、活动断裂以及区域差异构造沉降研究,提供了重要的年代地层格架,对理解晚更新世以来古季风变化的环境效应有重要的启迪。

北京平原晚第四纪堆积期与史前大洪水

通过北京平原地区东方广场剖面和小红门剖面第四纪地层、年代学、环境变迁、沉积相及孢粉分析等方面的研究发现 ,从大约 0 .1MaB .P .～ 2 2 0 0 0aB .P .,北京平原地区形成以砂砾石沉积为主的洪积扇 ,此后开始进入北京平原形成时期。 2 2 0 0 0～ 1 2 0 0 0aB .P .,气候干冷 ,永定河水量减少 ,平原沉积速率较低。进入冰后期以来 ,气候逐渐温暖湿润 ,永定河水量增加 ,山区风化物质被搬运至北京平原堆积下来。沉积以天然堤相、决口扇相为主 ,沉积速率大增。 80 0 0～ 40 0 0aB .P .,沉积速率达到最大 ,出现晚第四纪堆积期 ,同时洪水频繁 ,恰好与传说中的史前大洪水时期相当。 3 0 0 0aB .P .以后 ,气候向干冷转化 ,永定河水量减少 ,人类生产力提高 ,抵御洪水能力增强 。

北京平原第四系的三维结构

北京平原地处山区与华北平原的结合部位,是山前第四纪冲洪积扇发育区。由于山前冲洪积扇内部结构复杂,相变迅速,海相、湖相的工作方法不能满足要求。本文通过对北京平原第四纪沉积特征的分析,提出北京平原由第四纪冲洪积扇群和沉积凹陷几个地质单元组合而成。在此基础上总结了近几年在山前冲洪积扇区的工作经验,提出了以冲洪积扇和沉积凹陷为地质单元,以建立基准孔网,结合钻孔和物探资料,并通过绘制剖面组进而构建第四系三维结构的方法。利用该方法建立了北京平原第四系的三维结构模型。了解北京平原第四系的三维结构对研究水文地质、工程地质和环境地质都有重要意义,可以为城市规划、城市建设提供重要的资料。

北京平原地下水可持续开采方案分析

地下水过量开采已经引起北京平原地下水位持续下降,降落漏斗逐年扩大以及一系列环境问题。控制地下水开采,增加地下水补给以达到地下水可持续开采应当成为北京市水资源管理的重要任务。本文根据北京市中长期供水规划、水资源特点和地下水开采现状设计了4种地下水开发利用开采方案:即维持现状开采、增加补给量、减少开采量以及联合方案。运用已建北京平原地下水数值模拟模型对4个方案进行了模拟,分析了地下水系统水均衡量变化,地下水流场变化以及地下水动态变化,以此确定可能的可持续开发方案。结果表明,维持现状开采必将使含水层地下水疏干;增补和减开单独实施虽能改善现状,但难以实现。只有应用增补和减开的联合方案,才有可能实现地下水可持续开发。其为北京平原地下水资源的合理开发提供重要的依据。

磁性地层年代对北京平原顺义断裂第四纪活动性的约束

顺义断裂是位于北京平原东北部的一条第四纪活动断裂,其活动性对北京市城市安全具有潜在的地质灾害威胁。为了解顺义断裂第四纪以来的活动性,对该断裂下盘的一个钻孔剖面ZK12-1的岩心样品开展磁性地层学研究。通过逐步热退磁,大部分样品可成功分离出两个剩磁分量,其中低温分量具有正的、高倾角特征,可解释为由钻杆旋转引起的重磁化分量;高温分量为中等倾角且具有倒转特征,为原生剩磁。据此建立了ZK12-1钻孔的磁性地层年代格架。结合断裂上盘ZK12-2钻孔的磁性地层年代格架结果,并根据这两个钻孔在第四纪不同时期的地层落差,计算出顺义断裂上、下两盘在早更新世、中更新世、晚更新世和全新世的相对垂直活动速率分别为0.023 mm/a、0.001 7 mm/a、0.033mm/a和0.051 mm/a。这一结果表明顺义断裂在早更新世活动较强,中更新世活动最弱,晚更新世断裂开始活化,活动性增强,全新世活动性最强。

北京平原区紫花苜蓿最佳秋季刈割时期研究

研究了秋季刈割时期对北京平原区中苜1号紫花苜蓿Medicago sativa当茬产草量、牧草含水量、茎叶比、越冬前再生高度、越冬率和越冬后头茬产草量的影响。结果表明：杀霜前随着秋季刈割时期延后当茬产草量呈逐渐升高趋势（P〈0.05）,而杀霜后呈降低趋势;初霜前含水量处于恒定状态,初霜后逐渐降低,杀霜后大幅度下降（P〈0.05）;杀霜后茎叶比升高明显（P〈0.05）;杀霜前随着刈割时期延后越冬前再生高度逐渐降低,杀霜后不再变化;增加1次秋季刈割及秋季不同时期刈割对北京平原区中苜1号紫花苜蓿越冬率没有显著影响;杀霜前随着秋季刈割时期延后越冬后头茬产草量呈逐渐升高趋势（P〈0.05）,秋季刈割最早处理组的越冬后头茬产草量显著低于对照组（P〈0.05）,其他各杀霜前刈割处理组均与对照差异不显著。初步结论为：北京平原区可以进行紫花苜蓿秋季刈割;北京平原区紫花苜蓿秋季刈割的最敏感时期大致为与前次刈割间隔〈8周、≥5℃有效积温〈720℃,与杀霜日间隔〉3周,≥5℃有效积温〉90℃;北京平原区紫花苜蓿秋季刈割的最佳时期大致为与前次刈割间隔8-11周、≥5℃有效积温760-800℃,与杀霜日间隔0-3周,≥5℃有效积温0-40℃。

北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究

本文在大量钻孔测温资料的基础上,系统分析了平原区浅层地温场分布特征,对影响浅层地温场的多种因素进行了系统研究。该区20～300 m深度内平均地温梯度为7.2℃/100 m,高于北京深部（基岩）地温梯度2.5~3.0℃/100m,大地热流值为66.35~84.14 mW/m2,较高的热流值显示岩石圈相对较薄且存在隐伏断裂。该区现今浅层地温场与深部地温场联系密切,形态分布与平原区重要隐伏活动断裂走向基本一致,主要受新构造运动控制,地下水、岩土体岩性及结构是浅层地温场分布的重要影响因素。

北京平原构造断块划分及微断块第四纪活动性探讨

在对北京平原地区地质构造特征综合分析的基础上,依据近年来在活动断裂研究中遇到的问题,本文提出对北京平原区进行构造断块划分的方案。将北京平原区划分为7个"断块",即马池口—沙河、小汤山、顺义、平谷、丰台—来广营、大兴—通州及房山断块。据断块内次一级活动断裂和第四纪地层沉降发育情况,进一步可划出活动微断块,把以研究单一活动断裂重点转变为以控制微断块边界的交汇活动断裂组相互作用为中心。从而揭示出第四纪以来微断块边界交汇活动断裂组的特征、活动方式及其规律等,可为首都城市建设规划和减轻地质灾害等提供有价值的参考,为保障城市地质安全提供地质依据。

北京平原区域地下水流模拟

为深入研究北京平原地下水资源的现状及未来的变化趋势,探讨地下水资源可持续开发方案,文章建立了北京平原三维地下水流非稳定流模型。在充分分析北京平原区水文地质条件的基础上,建立了三维数字水文地质概念模型。从区域上将北京平原含水层系统划分为5个含水层和4个弱透水层互层的多层系统。在此基础上利用GMS模型软件建立了三维地下水稳定流模拟模型和非稳定流模拟模型。首先利用1995年丰水年的地下水均衡量建立和校正了稳定流模型。之后在稳定流模型的基础上建立和校正了非稳定流模型,非稳定流模型的模拟期为1995～2005年。最后用模型分析了北京平原区地下水流场的变化趋势。与20世纪60年代天然流场相比,北京市平原区区域地下水流场发生了巨大变化。除了区域地下水位整体下降外,在不同深度的含水层形成了规模不等的地下水位降落漏斗。自1999年以来的连续干旱,导致河流基本干枯,地下水补给量减少,加之应急水源地的投入运行,使地下水贮存量被持续地大量消耗,地下水位快速下降。长期以往,必将造成含水层地下水疏干。控制和减少地下水开采势在必行。

北京平原区晚更新世以来有机碳同位素特征及其古环境意义

沉积物中的有机质稳定碳同位素已经广泛应用于重建古环境。本文通过对北京平原区昌平钻孔δ13Corg数值变化特征的分析,结合格陵兰冰芯和深海氧同位素曲线对比,揭示了北京平原区晚更新世以来古环境变化特征及千年尺度的气候变化事件,初步探讨了其驱动机制。该钻孔δ13Corg值变化范围为-17.10‰至-26.18‰,主要表现为暖期时偏正,冷期时则偏负。据此,北京平原区晚更新世以来的气候变化可划分出4个阶段:末次间冰期(MIS5)气候温暖;末次冰期早冰阶(MIS4)气候温和适度;末次冰期间冰阶(MIS3)气候出现多次急剧的冷暖波动;末次冰期盛冰期(MIS2)气候冷干,δ13Corg值偏负阶段出现了对应格陵兰冰芯记录的H1-H9冷事件,代表了北京平原区晚更新世以来千年尺度的气候波动,但不同地区的变化幅度有所不同,这些变化可能与微地形、气象、水文等区域基本控制因素有关。

北京平原周边基岩水和地表水的水化学及同位素分析

利用北京市平原周边基岩水和地表水样品中的T值和Cl-含量对大气降水的输入进行了定量估计。研究结果表明全部样品均为热核爆炸后的补给输入,Cl-≤6.8mg/L的水样为北京平原区近工业化前(距今约150～200a)的输入值,6.8～20mg/L为北京地区区域大气轻微污染条件下的Cl-输入值。通过对2H和18O同位素的关系研究,认为北京平原区的高程效应远比大陆效应显著,并且提供了一张北京平原区地下水研究用的比对样板。

北京平原沉积物稀土元素地球化学特征及物源意义

文中总结了北京平原永定河、潮白河流域钻孔沉积物中稀土元素分布特征,两流域沉积物稀土元素总量∑REE、轻重稀土比(LREE/HREE)及轻(La/Sm)N、重(Gd/Yb)N稀土分馏特征差异较为显著。粒度对沉积物稀土分布(总量、轻重稀土比及分馏特征)有一定影响;各流域沉积物均表现为轻稀土相对富集、弱Eu负异常的球粒陨石标准化曲线。细颗粒沉积物稀土分馏特征(La/Yb)N有较好的物源示踪意义。根据沉积物(La/Yb)N值对永定河、潮白河交互沉积区不同深度沉积物进行了物源示踪,不同深度上沉积物来源不同。此外,同一流域上、中、下游沉积物稀土分馏特征不同。常量元素Al2O3/Fe2O3与稀土元素(La/Yb)N划分结果相符,但精度低于稀土元素物源分析。

基于PS-InSAR的2003—2009年北京平原区沉降控制因素分析

对融合PS与小基线In SAR技术提取的北京市583 129个观测点2003—2009年28个时序的实际数据进行了分析,结合北京市的第四系沉积物岩性与厚度分布情况、北京市地下水抽采地点与取水量等实际数据,分析了北京市平原地区2003—2009年的地面沉降的控制因素,得出了第四系沉积物岩性与厚度是控制地面沉降的地质内因,而人工抽采地下水是导致地面沉降的主要的人为外因的结论。

北京平原区中更新世以来的孢粉组合及其古气候意义

通过对北京平原区3个孔(顺义高丽营GZK1孔、昌平马池口CHZK1孔及大兴DZK1孔)的孢粉资料进行研究和对比,分析了北京平原区中更新世以来的气候变化,并将其划分为8个阶段:第1阶段气候较寒冷干旱,第2阶段气候温暖湿润,第3阶段气候温凉较湿,第4阶段气候温暖较干旱,第5阶段气候较寒冷干旱,第6阶段气候特征为早期暖湿,晚期温凉干旱,第7阶段气候较寒冷干旱,第8阶段气候温和湿润。

北京平原区新近沉积土基本工程地质特性分析

文章通过各种实验,分析了北京市新近沉积土的物质组成、化学成分、矿物成分及其基本的岩土工程特 性。结果表明,新近沉积土在总体上是工程地质性质较差的地层,一般来讲呈欠压密状态,具有较高的压缩性,强 度相对较低。但是对于新近沉积的砂质粉土而言,即当塑性指数Ip<7时,通过比较发现新近沉积土的实验数据则 接近于一般第四纪沉积土,并出现了交错,反映出新近沉积的砂质粉土与一般第四纪沉积的砂质粉土的力学性质 指标接近而不容易被区分。

北京平原区地下水位预警初步研究

借鉴美国地质调查局在宾夕法尼亚的地下水位预警方法,从统计学的角度,探索了北京平原区地下水预警方法。对监测井多年长期监测资料进行百分位统计分析,把同一时间(月平均、旬平均、日平均)地下水水位(头)标高值的最小值至百分位5、百分位5至百分位10、百分位10至百分位25、百分位25至百分位75范围内的地下水位分别定义为红色、橙色、黄色和蓝色预警,形成地下水位预警判据。根据地下水水位实时监测数据,实时判定监测井代表区域的地下水预警等级,同时修正和完善地下水位预警判据,称之为监测井单点预警,监测井代表的同一层位的区域的集合,构成不同含水层的地下水位区域预警。对北京平原区2009年12月的地下水位预警结果为:潮白河冲洪积扇顶部和中部潜水含水层地下水位为红色预警,前缘为黄色预警,冲洪积平原为蓝色预警区;城区以南地区为红色预警,海淀山后的西北部地区为红色预警,永定河冲积扇和冲积平原大部分地区黄色和蓝色预警,大石河冲洪积扇地区均为蓝色预警;承压水含水层在潮白河冲洪积扇的前缘为红色预警,冲洪积平原为蓝色预警,北运河山前地带均为橙色预警,城区东、东南地区为橙色和黄色预警,少数地区为橙色预警,除上述地区以外,承压水均为蓝色预警。北京市平原区主要地下水开采地区地下水位已经处于历史的较低水位处,特别是潮白河冲积扇中上部地区以及平谷盆地,地下水位几乎全部处于红色预警区。该预警方法原理明确,方法简便,有望在地下水主要开采区推广应用。