江思義,吳 福,劉慶超,李海良,吳瑩瑩
(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,廣西 桂林 541004)
桂林市是桂湘黔粵交界區(qū)域中心城市,屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候型溶蝕侵蝕區(qū),是典型的喀斯特巖溶地貌。前人對區(qū)內(nèi)的研究多集中于巖溶塌陷的評價與研究,馮佐海等[1-2]對區(qū)內(nèi)巖溶塌陷成因類型與時空分布特征進行了研究,歸納了桂林市巖溶塌陷的成因類型,并分析出塌陷與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系;萬志清等[3]分析了桂林市巖溶地面塌陷的成因機制和分布規(guī)律,提出了對應(yīng)的防治措施;肖明貴[4]揭示了桂林巖溶發(fā)育規(guī)律和地面塌陷分布規(guī)律,并對巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險性進行了多目標(biāo)二級模糊綜合預(yù)測。而針對桂林巖溶的分布特征和發(fā)育規(guī)律的研究較少,僅吳枝坦[5]在1986年進行過初步探討,其時間相隔較遠,且研究成果精度相對較低。隨著全國3×104km21∶5萬巖溶地質(zhì)調(diào)查的完成[6],巖溶地質(zhì)調(diào)查及評價方法也得到了大家的廣泛探討。羅以達等[7]早在2009年已經(jīng)對城市巖溶地質(zhì)調(diào)查及評價方法進行了探討;夏日元等[8]在2017年總結(jié)了南方巖溶地區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)要點;繆世賢等[9]在2017年完成了徐州市的巖溶地質(zhì)調(diào)查并對其發(fā)育特征進行了分析。基于桂林市城市規(guī)劃建設(shè)對巖溶地質(zhì)調(diào)查的需求,充分利用前人資料,參考《1∶50 000巖溶地面調(diào)查規(guī)范(送審稿)》,開展了桂林城區(qū)相關(guān)地質(zhì)調(diào)查工作,有效提高了桂林市巖溶地質(zhì)特征與巖溶塌陷問題的研究程度。
系統(tǒng)收集巖溶區(qū)及周邊地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下河及溶洞分布、巖溶塌陷、巖溶水開采井等詳細資料,將其統(tǒng)一投在同一底圖上,編制巖溶地質(zhì)草圖,反映巖溶區(qū)的分布范圍、巖溶發(fā)育程度及巖溶水開采強度、分析存在的主要問題,為進一步的工作部署提供依據(jù)[10]。
先根據(jù)鉆孔資料的完整性及可靠程度,篩選出有效鉆孔,包括其孔號、坐標(biāo)、孔口高程、孔深、基巖埋深、分層描述、土工測試數(shù)據(jù)及抽水試驗等指標(biāo),優(yōu)先選擇見基巖較深,揭露到溶洞或土洞且地層巖性不盡相同的鉆孔。
再將篩選出來的鉆孔坐標(biāo)進行換算,投影到研究區(qū)的地理底圖上,并綜合考慮鉆孔分布密度和精度等因素,進一步取舍后形成研究區(qū)鉆孔平面分布圖,結(jié)合后期施工鉆孔,構(gòu)成了研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。
1.3.1裸露型巖溶地質(zhì)調(diào)查
裸露型巖溶地質(zhì)調(diào)查以1∶50 000環(huán)境地質(zhì)調(diào)查為主,以劃分巖溶層組類型為重點,選擇構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)段,分析不同巖組類型與巖溶發(fā)育特征,對典型喀斯特地貌,如溶洞、溶溝、漏斗等進行形態(tài)特征、成因等研究,基本查明研究區(qū)巖溶地質(zhì)背景條件、巖溶地貌類型、分布特征及發(fā)育程度等。進而分析、判斷相鄰覆蓋巖溶區(qū)的構(gòu)造格架與碳酸鹽巖地層的空間展布格局。
1.3.2覆蓋型巖溶地質(zhì)調(diào)查
對于覆蓋型巖溶區(qū),根據(jù)巖溶發(fā)育程度、人口密度、研究程度以及城市功能規(guī)劃等,將研究區(qū)分為一般研究區(qū)和重點研究區(qū)。一般研究區(qū),主要通過相關(guān)可利用資料進行分析,并配合一定量的實物工作進行調(diào)查評價;對于地面塌陷較多、人口密集、地下空間規(guī)劃的重點研究區(qū)(主要為桂林市城區(qū)及臨桂新區(qū)),在收集利用各類資料的基礎(chǔ)上,還需采取遙感解譯、地面調(diào)查、物探及鉆探等相結(jié)合的方法進行調(diào)查評價。而對于新發(fā)生、具有代表性的巖溶塌陷點,需進行專項剖析。
物探是開展覆蓋型巖溶調(diào)查的重要手段[11],研究區(qū)采用物探的高密度電阻率法與鉆探相結(jié)合的勘探手段,旨在查明隱伏巖溶區(qū)分布范圍、覆蓋層結(jié)構(gòu)和厚度、基巖面起伏情況、裂隙及溶(土)洞等發(fā)育情況,揭露桂林規(guī)劃中心城區(qū)巖溶地質(zhì)情況。
高密度電阻率法以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)。對于巖溶地區(qū),第四系覆蓋層與基巖之間﹑完整基巖與不良地質(zhì)體(溶洞、溶槽、斷層破碎帶、裂隙帶等)之間存在明顯的電性差異(如介電常數(shù)、電阻率等),第四系(Q4)覆蓋層電阻率(一般小于100 Ω·m,若覆蓋層干燥或含有砂礫石其電阻率可達n×102Ω·m)﹑基巖裂隙和巖溶發(fā)育帶的電阻率(n×10~n×102Ω·m)比完整基巖電阻率(n×102~n×103Ω·m)低,從而形成了不同的電性界面,具備了開展高密度電法勘探的良好地球物理前提。
在地質(zhì)調(diào)查和綜合分析的基礎(chǔ)上,用高密度電阻率法進行探測,對電阻率探測異常輔以鉆探驗證。
圖1為桂林市象山區(qū)萬福路沿路一條高密度電阻率物探線,測線分七段,總計長4 600 m,其中B1段長1 460 m,B2段長580 m,B3段長560 m,B4段長410 m,B5段長580 m,B6段長730 m,B7段長280 m,測線方向大體由西向東,最小電極距5 m。
其中B4段測線的第一電性層深度較有起伏,埋深4~16 m不等,電阻率值在10~70 Ω.m,為相對低阻層,推斷為黏土層,B4測線125 m附近地層厚度最大,可達16 m左右;第二電性層深度在4 m以下,電阻率值在100~5 300 Ω.m,為相對高阻層,推斷地層為泥盆系(D),巖性為灰?guī)r。據(jù)此測線推測有1處斷裂破碎區(qū),即位于B4線的100~330 m段,電阻率值相對完整圍巖較低,說明該區(qū)域含水率高,為富水區(qū)域。另外,推測有3處溶洞發(fā)育,R4、R5、R6在視電阻率斷面圖上呈低阻圈閉狀,說明為含水溶洞,其中,推測溶洞R4、R5、R6頂板厚度分別為10 m、33 m、8 m。
水文地質(zhì)鉆孔BZK13位于B4測線210 m樁號附近,鉆孔深度為40 m。根據(jù)鉆孔資料顯示:0~1.0 m為人工填土,1~6.5 m為第四系黃褐色黏土,6.5~40 m下伏基巖巖性為灰?guī)r,節(jié)理裂隙十分發(fā)育,其中在10.8~15.0 m處揭露溶洞。物探推測成果與鉆探揭露地層結(jié)構(gòu)和巖溶發(fā)育情況基本吻合。
圖1 桂林市萬福路隱伏巖溶區(qū)高密度電阻率法綜合解譯Fig.1 Comprehensive interpretation of high-density resistivity forhidden karst in Wanfu Road of Guilin
根據(jù)區(qū)內(nèi)巖溶出露情況,將巖溶發(fā)育類型劃分為裸露型、覆蓋型及埋藏型三類(圖2)。其中裸露型主要分布于漓東一帶和西部大皇山、大風(fēng)山一帶,東南部的大山頭一帶。上覆第四系覆蓋層厚度小于5 m,分布地層泥盆統(tǒng)至石炭統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,其主要表現(xiàn)為溶洞(隙)、溶蝕裂隙、洞口巖溶堆積物鈣華、鐘乳石等,組成了桂林山水的主要巖溶形態(tài)。覆蓋型主要分布于桂林市區(qū)北自烏石村南至雁山之間的地帶,北自廟嶺南至橫山一帶,上覆第四系松散沉積層地勢較平坦。上覆第四系厚度1~55 m,矮山塘、瓦窯、坪山一帶覆蓋層厚度最大,達50 m以上,由漓江沖洪積層組成。覆蓋層厚度一般在1~15 m,翻山底一帶覆蓋層厚度最大,最深達15 m,由第四系溶余堆積黏土層構(gòu)成。
圖2 桂林市中心城區(qū)可溶巖分布及水文地質(zhì)單元劃分圖Fig.2 Karst distribution and hydrogeological unit partition map of central city in Guilin.
研究區(qū)其他地段由殘坡積成因的黏性土、含碎石黏性土組成,下伏地層石炭系下統(tǒng)-泥盆系可溶性碳酸鹽巖地層均有分布,受構(gòu)造斷裂的影響,該地層節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石受地下水活動影響,巖體中沿裂隙方向或構(gòu)造斷裂帶方向地下巖溶發(fā)育,剖面上表現(xiàn)為巖體中的溶槽、溶溝、巖溶地下河等發(fā)育明顯。其地面多以巖溶洼地、巖溶塌陷等形式出現(xiàn)。埋藏型主要分布在桂林市區(qū)北部大河鄉(xiāng)以東至堯山地區(qū),以及臨桂縣城以西大部分地區(qū)。上部蓋層為白堊系綠灰色頁巖夾砂質(zhì)頁巖及少許粉砂巖,以及泥盆統(tǒng)砂巖、頁巖,底部灰?guī)r。地表表現(xiàn)主要為巖溶塌陷、巖溶洼地、巖溶漏斗等;地下表現(xiàn)形態(tài)主要為地下洞穴系統(tǒng)、地下溶潭、地下河、溶槽等現(xiàn)象。
研究區(qū)巖溶形態(tài)類型多樣,從典型的亞熱帶灰?guī)r巖溶地貌—峰叢洼地、峰林谷地及伴生的大型洞穴、地下河,到分布最廣的孤峰平原,及其具有典型意義的溶孔、溶隙,在研究區(qū)具有十分重要的水文地質(zhì)意義。它們的形成,揭示了研究區(qū)特定的自然地理、地質(zhì)背景、水文地質(zhì)條件與巖溶發(fā)育的相互關(guān)系。巖溶發(fā)育的主要因素有以下三點:
(1)巖性及巖性組合因素
研究區(qū)碳酸鹽巖分為純碳酸鹽巖(灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖)和不純碳酸鹽巖。它們在礦物、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)等方面,存在較大差異。其具體的巖溶層組見表1,不同碳酸鹽巖巖性的組合和碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的組合對巖溶發(fā)育影響較大。
不同巖性的巖石組合,影響巖溶發(fā)育程度,如東崗嶺組和桂林組下段,是以白云巖為主與灰?guī)r的組合,巖溶發(fā)育強度中等。桂林組上段和東村組、融縣組為純灰?guī)r的組合,巖溶發(fā)育程度強烈;英塘組和堯云嶺組,灰?guī)r中常含燧石條帶或結(jié)核,且在中段夾有硅質(zhì)巖、泥巖,巖溶發(fā)育較弱。碳酸鹽巖酸不溶物含量不同,洞穴發(fā)育程度也不一樣。如下石炭統(tǒng)堯云嶺組含酸不溶物較多,巖性不純。次為上泥盆統(tǒng)桂林組灰?guī)r,含有少量酸不溶物,但氧化鈣含量較英塘組高。中泥盆統(tǒng)東崗嶺組主要是白云巖。以上泥盆統(tǒng)融縣組灰?guī)r質(zhì)量純,含雜質(zhì)最少。
分析可知,東崗嶺組遇洞率較高,說明平面分布密度高,遇洞孔的平均洞高雖低,但垂向上的密度同其他地層相近,而平均洞高,遇洞孔的平均總洞高及線洞率均是最低的。這說明,在白云巖中洞穴分布較均勻,而洞穴規(guī)模較小。
除巖性影響巖溶發(fā)育程度和形態(tài)特征外,碳酸鹽巖與非可溶巖的沉積組合亦有很大的影響。研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖與碎屑巖的沉積組合,按地質(zhì)產(chǎn)狀可分為兩類,一類為厚度小而不純的碳酸鹽巖,夾于厚度大的碎屑巖地層中,且分布區(qū)域不同,形成的地貌不同。如分布于勘查區(qū)北部、東部的堯云嶺組和英塘組,組成低山丘陵地貌,巖溶發(fā)育程度較弱。分布于東區(qū)北部的英塘組灰?guī)r,夾有泥巖或炭質(zhì)灰?guī)r,形成溶丘平原地貌,僅見小泉水出露,鉆孔未遇溶洞;分布于中部及南部的堯云嶺組和英塘組,地貌上為溶嶺谷地或峰林、孤峰平原,由于地層中含炭、泥雜質(zhì)和硅質(zhì)結(jié)合或夾有硅質(zhì)巖、泥巖夾層,巖溶發(fā)育較弱,鉆孔遇洞率及線洞率較低,但溶潭較多。另一類為沉積連續(xù)、厚度大、巖性純、分布廣的碳酸鹽巖,大面積分布于研究區(qū)中部及南部的東崗嶺組、桂林組、東村組、融縣組、堯云嶺組及英塘組中。峰叢聳立,峰林羅列,山中溶洞發(fā)育,平地泉潭出露,呈典型的巖溶景觀。巖性及巖性組合的影響見表2。
表1 桂林市城市規(guī)劃中心城區(qū)巖溶層組分類
(2)地下水因素
巖溶發(fā)育離不開水,且水要具有一定的侵蝕性和循環(huán)運動條件,即由構(gòu)造運動產(chǎn)生的斷層、裂隙、節(jié)理提供水運移的通道。同時,巖溶的發(fā)育應(yīng)具有一定的氣候、地形、土壤等自然地理背景。
研究區(qū)多年平均氣溫為19.52 ℃,多年平均降雨量達2 182 mm,這種自然氣候條件對巖溶發(fā)育十分有利[4]。研究區(qū)為一向斜構(gòu)造盆地,盆地周邊為中下泥盆統(tǒng)及下石炭統(tǒng)的碎屑巖組成的低山丘陵地形,構(gòu)成一向斜匯水盆地,盆地中為東崗嶺組至下石炭統(tǒng)大塘組連續(xù)沉積的碳酸鹽巖,巖性主要為生物灰?guī)r和灰?guī)r、次為白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。其酸不溶物小于3%,比溶解度0.8~1.2。該向斜盆地又可分為4個小構(gòu)造盆地,即桂林向斜盆地、臨桂-太平單斜盆地、二塘-白芬單斜盆地和奇峰-楓林向斜盆地。這種特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)場,為巖溶作用提供了極為有利的條件。
通過對研究區(qū)的水文地質(zhì)調(diào)查,并結(jié)合前人資料對區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)進行研究,確定地下分水嶺,將區(qū)內(nèi)分為四個水文地質(zhì)單元,如圖2所示,包括桃花江水文地質(zhì)單元、漓江東岸水文地質(zhì)單元、太平河水文地質(zhì)單元和相思江水文地質(zhì)單元。由于古水文網(wǎng)的影響,在低平谷地中的分水嶺處巖溶發(fā)育亦較強烈,如臨桂縣城一帶,為漓江與柳江的分水嶺,巖溶發(fā)育比較強烈,遇洞率52.17%,線洞率7.03%,大于7 m的洞穴占洞穴總數(shù)的10.53%。對各水文地質(zhì)單元地下不同標(biāo)高巖溶發(fā)育程度進行統(tǒng)計,得到地下不同標(biāo)高巖溶發(fā)育程度曲線圖見圖3。
(3)地質(zhì)構(gòu)造因素
斷層、裂隙及褶皺軸部破碎帶,改變了地下水的徑流條件,使巖溶水流形成后,就受到一定邊界條件的約束,水動力作用加強。桂林的斷裂系統(tǒng)較為復(fù)雜,有南北向、北東向及北西向三組。南北向斷裂多產(chǎn)出于背斜軸部,呈壓性或壓扭性,分布于分水嶺附近。北東向斷裂發(fā)育于西部,控制了峰林谷地的走向。北西向斷裂多分布于東部及南部,??刂浦恿骷跋鞯淖呦颉|西向的構(gòu)造裂隙也較發(fā)育,控制了峰林的排列方向。
表2 巖溶發(fā)育特征表
圖3 地下不同標(biāo)高巖溶發(fā)育程度曲線圖Fig.3 Karst development of different elevation in underground
特別是向斜盆地中緩傾斜的層面裂隙和垂直節(jié)理裂隙系統(tǒng)構(gòu)成的水循環(huán)系統(tǒng),為水系密度的增大和地層滲透性的增強,為溶蝕水與可溶巖的接觸時間和接觸面積,為山體的沿節(jié)理的溶離和崩塌,均創(chuàng)造了良好的環(huán)境。
研究區(qū)內(nèi),巖層褶皺寬緩,垂直節(jié)理發(fā)育,層面裂隙和垂直節(jié)理所結(jié)合的導(dǎo)水系統(tǒng),易于接受大氣降水的滲入,同時使水對層面裂隙有充分的溶蝕時間,故研究區(qū)層面溶洞甚為發(fā)育,如象鼻山洞穴。洞穴延伸方向,多追蹤當(dāng)?shù)氐膬山M節(jié)理,如穿山洞穴。典型的峰林地貌,常見于碳酸鹽巖地層產(chǎn)狀平緩的地區(qū),研究區(qū)內(nèi),峰林區(qū)的地層傾角多在15°以內(nèi),峰叢山區(qū)多在20°以上。斷層所造成的兩側(cè)巖石原生結(jié)構(gòu)的破壞,使裂隙增多,裂隙面粗糙,導(dǎo)致了可溶巖的易溶,研究區(qū)內(nèi)的溶洞多分布在斷層帶上。串珠狀洼地或落水洞的分布,條形谷地的長軸方向,都和當(dāng)?shù)氐臄鄬踊虮承陛S部的裂隙發(fā)育有關(guān),如長海谷地。以蘆笛巖斷裂為界,將研究區(qū)分為東、西兩個區(qū),得到地表溶洞發(fā)育方向與構(gòu)造裂隙發(fā)育方向關(guān)系圖如圖4所示。
由于區(qū)內(nèi)水的溶蝕能力和水動力條件在三維空間上的差異、巖溶發(fā)育強度在垂直方向上(圖3)和平面上(圖5)也具有明顯的變化規(guī)律。在垂向上巖溶發(fā)育強度由淺部向深度逐漸減弱;巖溶充填程度也由高到低,巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)接觸帶巖溶發(fā)育強度大,據(jù)鉆孔資料,垂直方向上可劃分出3個不同巖溶發(fā)育帶,即標(biāo)高(基巖面標(biāo)高)140~90 m強烈?guī)r溶發(fā)育帶,90~50 m中等巖溶發(fā)育帶,50 m以下弱巖溶發(fā)育帶。從平面上看,桂林中心城區(qū)及臨桂中心縣城巖溶發(fā)育強度最大,中部峰叢洼地次之,東西兩側(cè)最弱,鉆孔遇洞率分別為80.21%、58.93%、38.84%,線巖溶率分別為8.58%、6.75%、4.00%。從地下水補給區(qū)到排泄區(qū),排泄區(qū)的水循環(huán)交替最頻繁和強烈,巖溶發(fā)育強度最大,補給區(qū)巖溶發(fā)育強度較弱。
圖4 地表溶洞發(fā)育方向與構(gòu)造裂隙發(fā)育方向關(guān)系圖Fig.4 The development direction of karst caves and the development direction of structural fractures
圖5 桂林市規(guī)劃中心城區(qū)構(gòu)造綱要及巖溶發(fā)育分區(qū)圖Fig.5 Structure outline and karst development zoning of planning center in Guilin
碳酸鹽巖根據(jù)純度、厚度及夾層(非碳酸鹽巖)厚度,可分成純碳酸鹽巖和次純碳酸鹽巖兩大類型;而根據(jù)石峰洞穴化程度、面巖溶率、點巖溶率和鉆孔線巖溶率并結(jié)合其它巖溶現(xiàn)象,巖溶發(fā)育程度又分強烈、中等、弱三個級別,具體劃分見圖5、表2。
由圖5分析研究區(qū)平面上的變化規(guī)律:北西和北東向兩組斜交的張扭或張性斷裂和構(gòu)造裂隙控制著地下巖溶管道和溶槽的展布方向。褶皺軸部應(yīng)力集中,巖石破碎節(jié)理裂隙發(fā)育、有利于巖溶發(fā)育。漓江是區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面,它經(jīng)歷了溶蝕、下切、沉積、抬升和改道等一系列演變過程。漓江河道早期亦是地下水交替最頻繁地區(qū),巖溶發(fā)育強烈。根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計,遇洞率、有水孔命中率均在90%左右。
(1)桂林市規(guī)劃中心城區(qū)以往地質(zhì)調(diào)查及研究工作程度較高,充分收集整理前人研究資料,尤其是巖溶地質(zhì)資料和鉆孔資料,是開展桂林市規(guī)劃中心城區(qū)巖溶地質(zhì)調(diào)查研究工作的重要前提,以巖溶地質(zhì)背景、裸露型巖溶的形態(tài)特征為調(diào)查基礎(chǔ),掌握巖溶的的空間分布、形態(tài)特征、發(fā)育程度及形成原因等,在結(jié)合其他勘探手段進行驗證,利于進一步對覆蓋型巖溶區(qū)進行研究。
(2)明確巖溶分布平面及立面規(guī)律:由于區(qū)內(nèi)水的溶蝕能力和水動力條件在三維空間上的差異、巖溶發(fā)育強度在垂直方向上和平面上具有明顯的變化規(guī)律。在垂向上巖溶發(fā)育強度由淺部向深度逐漸減弱;巖溶充填程度也由高到低,巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)接觸帶巖溶發(fā)育強度大;從平面上看,桂林中心城區(qū)及臨桂中心縣城巖溶發(fā)育強度最大,中部峰叢洼地次之,東西兩側(cè)最弱。
(3)明確巖溶發(fā)育與巖性及巖性組合、水文地質(zhì)單元、埋藏深度及地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系及其巖溶發(fā)育特征。桂林市規(guī)劃中心城區(qū)巖溶發(fā)育主要以淺表的融縣組、桂林組為主,在褶皺軸部,或斷層影響帶內(nèi),在垂直節(jié)理裂隙和緩傾斜層面裂隙組成的裂隙系統(tǒng)中,巖溶發(fā)育較強;可溶巖與非可溶巖接觸地段巖溶發(fā)育強;在低平谷地中的分水嶺處巖溶發(fā)育亦較強烈;在水文網(wǎng)長期擺動的地段地面以上巖溶發(fā)育程度強烈。