廣東省英德市九龍鎮(zhèn)巖溶地面塌陷成因分析

■何宏偉

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇 隊 廣東 清遠511520）

廣東省英德市九龍鎮(zhèn)巖溶地面塌陷成因分析

■何宏偉

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇 隊 廣東 清遠511520）

九龍鎮(zhèn)位于廣東省英德市西部，距英德市區(qū)直線距離46.5km，四面環(huán)山，且處于粵北巖溶發(fā)育地區(qū)，以其“英西峰林”巖溶地貌景觀著名。本文揭示了九龍鎮(zhèn)巖溶地面塌陷的成因，歸納了各種致塌因素，總結(jié)了該區(qū)潛蝕致塌機制。

九龍鎮(zhèn)巖溶地面塌陷潛蝕地下水

1 地質(zhì)概況

圖1 可溶巖分布圖

區(qū)域構(gòu)造位置處于南嶺緯向佛岡—豐良構(gòu)造帶北側(cè)；吳川—四會構(gòu)造帶東段；粵北山字型構(gòu)造前弧西翼外緣。本區(qū)具有典型的地臺雙層結(jié)構(gòu)，褶皺基底為上元古界變質(zhì)巖，蓋層主要為海西－印支期未變質(zhì)的碎屑巖和碳酸鹽巖，與基底地層呈角度不整合接觸。研究區(qū)構(gòu)造線以北東向為主，形成了多條北東向的褶皺及斷裂構(gòu)造。區(qū)內(nèi)出露的地層主要為古生界泥盆系、石炭系和新生界第四系。燕山中期花崗巖體侵入于研究區(qū)西北邊部。區(qū)內(nèi)第四系大面積分布在山間凹地、山前斜坡及河流兩側(cè)，主要為礫石、砂和粘土等河流沖積物，厚數(shù)米，覆蓋于碳酸鹽巖之上，成為覆蓋型巖溶區(qū)。研究區(qū)總面積36km2，其中裸露型巖溶區(qū)面積約7.6km2，覆蓋型巖溶區(qū)面積約22km2（見圖1）。

2 九龍鎮(zhèn)巖溶發(fā)育及地面塌陷情況簡介

區(qū)內(nèi)地表溶蝕地貌以峰叢、孤峰、峰叢谷地為主，地下巖溶地貌主要是溶洞及地下河。山腳地帶常見有小型暗河的進出水口，地下暗河系統(tǒng)已經(jīng)形成。沿結(jié)構(gòu)面（構(gòu)造面）發(fā)育的溶洞（溶隙）與落水洞、暗河等構(gòu)成了本區(qū)巖溶發(fā)育的通道，地下水沿著這些通道不斷侵蝕可溶巖最終形成地下巖溶洞穴系統(tǒng)。

九龍鎮(zhèn)轄區(qū)自上世紀(jì)70年代至今發(fā)生了多起的地面塌陷事件，已發(fā)地面塌陷24處，部分塌陷由于年代過于久遠，塌陷事實有待考證。研究區(qū)內(nèi)有時間記載的已發(fā)地面塌陷有19起，以十年作為一個周期統(tǒng)計該時間段內(nèi)發(fā)生的地面塌陷次數(shù)，發(fā)現(xiàn)21世紀(jì)是地面塌陷的高發(fā)期，調(diào)查認為該時間段內(nèi)由于人為抽取地下水、工程加載、地基開挖程度的加大誘發(fā)了地面塌陷，這種人為誘發(fā)因素在引起當(dāng)?shù)卣块T及居民的重視后，未來地面塌陷發(fā)生頻率可能呈現(xiàn)下降的趨勢。

3 地面塌陷成因分析

地面塌陷系地下水活動所致，按其產(chǎn)生的條件，有多種成因機制，其中以潛蝕機制最為普遍，此外尚有真空吸蝕和氣爆等機制[1]。通過對研究區(qū)內(nèi)的地面塌陷案例分析，形成地面塌陷的原因是第四系覆蓋層下的碳酸巖中存在巖溶空洞，且存在與覆蓋層相連的通道，在地下水的作用下，覆蓋層中的松散沉積物沿著巖溶通道漏失到巖溶空洞中，導(dǎo)致覆蓋層中形成土洞，引起上覆土體發(fā)生塌陷，最終在地表形成蝶形洼地或塌陷坑，為潛蝕機制作用的結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)地面塌陷的不均勻分布，是由于土洞形成受地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、土層性質(zhì)以及人類活動等諸多因素的影響。下面通過對研究區(qū)的地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情況進行綜合分析，探討該區(qū)地面塌陷的成因條件：

3.1 地層巖性

研究區(qū)覆蓋型巖溶區(qū)面積約22km2，覆蓋層為第四系河流沖積層，東北部分區(qū)域為二元結(jié)構(gòu)沖積層，下部為厚>7m礫石層，其厚度往西南方向逐漸變薄至尖滅，上部主要為粉質(zhì)粘土層。其它地區(qū)主要為一元結(jié)構(gòu)沖積粉質(zhì)粘土層，平均厚度約6m，局部區(qū)域粉質(zhì)粘土下伏砂質(zhì)粘土層。調(diào)查表明地面塌陷多發(fā)生在厚度較?。?10m）的一元結(jié)構(gòu)沖積層覆蓋區(qū)，而二元結(jié)構(gòu)沖積層覆蓋區(qū)較少發(fā)生（僅2處塌陷）。分析認為一元結(jié)構(gòu)沖積粉質(zhì)粘土層直接蓋在基巖面上，而當(dāng)粉質(zhì)粘土層中的孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙水發(fā)生直接水力聯(lián)系，形成統(tǒng)一運動情況下，由于水位不斷升降變化，尤其是巖溶地下水位低于孔隙水位時，發(fā)生垂直滲流，先是在粉質(zhì)粘土層中發(fā)生潛蝕作用形成“漏斗狀疏松體”，進而因垂直滲流加劇，局部水力梯度加大，粉質(zhì)粘土液化流入巖溶空洞[2]，地面出現(xiàn)塌陷坑。二元結(jié)構(gòu)下部礫石層的礫石之間由于充填有粘土，導(dǎo)致其透水性減弱，上部粉質(zhì)粘土受到粘土礫石層的阻擋，無法靠垂直滲流流失。一元結(jié)構(gòu)沖積粉質(zhì)粘土層下伏基巖多為厚層泥晶灰?guī)r。區(qū)內(nèi)統(tǒng)計的地表溶洞有70%分布在泥晶灰?guī)r地層中，且該巖性地層中石牙、溶溝、溶隙、洼地常見。巖礦鑒定結(jié)果顯示：泥晶方解石粒度小于4um，晶體大小不均勻，含量達到85~90%，常常重結(jié)晶成為微晶方解石。而晶粒越小，相對溶解速度越大。厚層的可溶巖隔水層較少，巖性均一，往往形成深而寬的裂隙，有利于地下水的流通[3]。因此厚層泥晶灰?guī)r巖溶發(fā)育，當(dāng)上覆蓋層為粉質(zhì)粘土層時易被潛蝕。

綜上所述，該區(qū)具備了形成土洞和地面塌陷的地層條件。

3.2 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造

3.2.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)主要溶蝕地貌類型由北東（北西）走向的峰叢、峰叢谷地以及零星分布的孤峰組成，石峰呈錐形聳立，溶洞發(fā)育。峰叢谷地呈U形，谷底海拔高程90米左右，峰頂至谷地高差150m左右，主要分布河流沖積粉質(zhì)粘土，厚3～12m，覆蓋于灰?guī)r之上。該地貌類型分布的塌陷點有8個，塌陷坑平面形態(tài)大多呈近圓形，次為近橢圓形，直徑0.8～3m，剖面形態(tài)為桶狀、柱狀。峰林谷地作為研究區(qū)內(nèi)的負地形地帶，峰叢與谷地地形高差懸殊，大氣降水通過山體的各種裂隙、溶隙、溶洞及落水洞滲入地下，形成厚度較大的垂直循環(huán)帶，在山腳處以泉水和地下暗河溢出地面或補給谷地的地下水，補給量隨大氣降水量的大小增減[4]。谷地中地下水位埋深0.7～3m，據(jù)動態(tài)觀測顯示水位及水量變幅顯著，表明了地下水活動頻繁，促進了地下巖溶空洞及巖溶通道的發(fā)育，在潛蝕作用的影響下，導(dǎo)致上覆土層形成土洞，進而引發(fā)地面塌陷。

山前崩坡積帶與河流沖積層覆蓋區(qū)的過渡帶是地面塌陷多發(fā)地帶，區(qū)內(nèi)60%的地面塌陷發(fā)生在山前居住密集區(qū)，分析認為造成這種情況發(fā)生的主要原因是山前與河流沖積層過渡帶高差較大，產(chǎn)生了較強的水動力梯度，地下水交替頻繁，對過渡帶地下可溶巖產(chǎn)生了較強的溶蝕，形成巖溶空洞。降雨對山前地下水位變幅影響較大，突發(fā)的強降雨導(dǎo)致地下水位急劇抬升至最高巖溶水位，連續(xù)的干旱使得地下水位回落至最低巖溶水位。且該區(qū)域居民密度大，大量打井抽取地下水作為生產(chǎn)生活用水導(dǎo)致地下水位反復(fù)變化，形成了對上覆土體不斷潛蝕的地下水條件，故導(dǎo)致了地面塌陷的發(fā)生。

3.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線方向為北東向，沿北東向形成了三條主要褶皺構(gòu)造。北西向斷裂構(gòu)造與北東向褶皺構(gòu)造形成的網(wǎng)格狀的構(gòu)造格局控制了塌陷的分布（見圖1）。斷裂破碎帶和節(jié)理裂隙密集帶是地下水運移的主要通道，北東向或近東西向斷裂主要為壓（扭）性斷裂，斷裂面平直光滑，呈舒緩波狀，裂隙較緊閉或被斷層泥所充填，不利于地下水的運移。北西向或近南北向斷裂主要為張（扭）性斷裂，斷裂面較粗糙，裂隙張開性較好，角礫巖多為由方解石膠結(jié)的棱角狀灰?guī)r，膠結(jié)性差，有利于地下水的侵蝕運移，控制了巖溶空間分布和發(fā)育速度[5]。區(qū)內(nèi)向斜較為平緩開闊，巖溶發(fā)育分布也較為廣泛，其坳陷深度較淺，可溶巖埋深小于侵蝕基準(zhǔn)面。由于核部地勢較低，地下水匯集在褶皺核部，并沿著褶皺作用形成的縱張節(jié)理部位運移并與斷裂破碎帶及節(jié)理裂隙密集帶相互溝通，形成了錯綜復(fù)雜的地下巖溶洞穴系統(tǒng)，而這些巖溶洞穴也成為了促使土洞形成的潛在源頭。

3.3 水文地質(zhì)

蘇坑河由北西至南東流經(jīng)九龍鎮(zhèn)轄區(qū)，河道兩側(cè)為砂土層，遠離河道變?yōu)闆_積粉質(zhì)粘土層，富水性較強，水位埋深0.7～3m，水量較豐富，局部地下水流通性較強。地下水具有較好補給來源，除大氣降雨滲入補給外，尚有蘇坑河及其他地表水體（魚塘、水庫等）側(cè)向補給。地下水水位變化幅度與降雨強度基本一致，雨季水位上升，旱季水位下降。動態(tài)觀測顯示該區(qū)地下水位及水量具有季節(jié)性變化的特點，這也解釋了為什么塌陷多發(fā)生于夏季及冬季。夏季降雨量大，水位急劇上升水量加大，地下水侵蝕能力增強，而冬季降雨量小，地下水位下降，加之居民生產(chǎn)生活抽取地下水造成水位持續(xù)下降，這種季節(jié)性變幅加上潛蝕機制的作用，最終導(dǎo)致地面塌陷的發(fā)生。

4 結(jié)語

通過上述的分析探討九龍鎮(zhèn)巖溶地面塌陷的成因，我們知道巖溶塌陷主要受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、土層性質(zhì)及地下水的控制，是諸多因素綜合作用的結(jié)果。對此將這些因素匯總?cè)缦卤恚ū?）。通過對致塌因素的分析總結(jié)了該區(qū)潛蝕致塌機制為：可溶巖地層中存在空洞→與蓋層連通→地下水?dāng)y走覆蓋層物質(zhì)→土洞的形成與發(fā)展→應(yīng)力平衡遭到破壞→地面塌陷發(fā)生。

表1 巖溶地面塌陷致塌因素匯總表

[1]唐輝明,項偉.巖土工程勘察[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2012.

[2]范士凱.武漢地區(qū)巖溶地面塌陷類型及其發(fā)生、分布規(guī)律和防治對策[OL]. 2016-03-20.

[3]曹伯勛.地貌學(xué)及第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)[M].中國地質(zhì)大學(xué)出版社.1995.

[4]肖明貴.桂林市巖溶塌陷形成機制與危險性預(yù)測[D].吉林大學(xué)博士學(xué)位論文.2005: 45-46,66-67.

[5]王浩.宿縣礦區(qū)太原組灰?guī)r巖溶發(fā)育特征與控溶機理研究[D].安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2013:45-48.

[6]陳國亮.巖溶與塌陷[M].中國鐵道出版社.1994.

P694[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-418-2