山東萊蕪侯家溝—西泉河地區(qū)巖溶塌陷成因淺析

鄒連慶 呂媛媛 王振濤 秦鵬 蒙永輝 高峰 劉妍芬 崔吉瑞 武靖雯

收稿日期：20231102；修訂日期：20240228；編輯：王敏

基金項(xiàng)目：萊蕪市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“山東省萊蕪市牛泉—泉河地區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評(píng)估”

作者簡介：鄒連慶（1985—），男，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)、生態(tài)地質(zhì)研究工作；Email：zoulianqing2010@163.com? *通訊作者：呂媛媛（1981—），女，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師，主要從事自然資源規(guī)劃研究工作；Emaii：42648150@qq.com

摘要：萊蕪侯家溝—西泉河地區(qū)斷裂構(gòu)造、裂隙巖溶水水文地質(zhì)條件復(fù)雜。該文在系統(tǒng)分析侯家溝—西泉河地區(qū)水文地質(zhì)條件、巖溶塌陷發(fā)生歷史及規(guī)模的基礎(chǔ)上，總結(jié)了區(qū)內(nèi)巖溶塌陷成因。研究表明：區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生在淺部巖溶發(fā)育的侯家溝和泉河地區(qū)，發(fā)生時(shí)間多為每年汛期雨中或雨后的一段時(shí)期內(nèi)，主要是巖溶地下水的頻繁大幅度波動(dòng)（波動(dòng)范圍16～40m）造成的淺部溶洞上覆厚度約4～15m的黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土遭到破壞，進(jìn)而產(chǎn)生塌陷。

關(guān)鍵詞：巖溶塌陷；第四系；巖溶水位動(dòng)態(tài)；機(jī)理；山東萊蕪

中圖分類號(hào)：P642.26??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.003

引文格式：鄒連慶，呂媛媛，王振濤，等.山東萊蕪侯家溝—西泉河地區(qū)巖溶塌陷成因淺析［J］.山東國土資源，2024，40（5）：1723.ZHOU Lianqing，LV Yuanyuan，WANG Zhentao， et al. Analysis on the Causes of Karst Collapse in Houjiagou—Xiquanhe Area in Laiwu City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：1723.

0? 引言

巖溶塌陷作為山東省主要的地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)種之一，分布較廣，泰安、臨沂、棗莊、萊蕪等地相繼多次發(fā)生，許多學(xué)者對(duì)巖溶塌陷的土體變形、巖溶發(fā)育程度、誘發(fā)因素等進(jìn)行了研究并提出了相應(yīng)治理對(duì)策［16］，一些工程技術(shù)人員也通過誘發(fā)因素監(jiān)測、地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)方法對(duì)巖溶塌陷成因開展了探索［79］。也有學(xué)者對(duì)萊蕪及其他地區(qū)巖溶塌陷特征、巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、災(zāi)害防治等方面進(jìn)行了研究［1012］。上述研究成果對(duì)相關(guān)區(qū)域巖溶塌陷防治發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。

本文以侯家溝—西泉河地區(qū)第四系松散層厚度較薄，類似“天窗”構(gòu)造地區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)其水文地質(zhì)條件、塌陷現(xiàn)狀、塌陷規(guī)律及誘發(fā)因素進(jìn)行分析研究［13］，提出了侯家溝—西泉河地區(qū)巖溶塌陷主要受巖溶水位變幅和頂部巖溶發(fā)育程度控制。

1? 研究區(qū)概況

1.1? 自然地理

研究區(qū)位于萊蕪區(qū)西南部，地勢(shì)南高北低，地形標(biāo)高160～220m，除南部為低山丘陵外，大部分地形平坦。地貌上為山前傾斜平原和沖積平原。區(qū)內(nèi)多年平均降水量697.3mm，最大降水量1236.9mm，最小降水量263.1mm，降水多集中在6—9月份，占全年的75%左右。主要河流為牟汶河，由東向西流經(jīng)本區(qū)北部，汛期在7—9月份。

1.2? 地質(zhì)背景及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)大面積被第四紀(jì)沉積物覆蓋，南部少量基巖裸露。地層由老至新依次為寒武奧陶紀(jì)三山子組、奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭紀(jì)本溪組、二疊紀(jì)石盒子組、古近紀(jì)大汶口組及第四系。主要構(gòu)造為塔子石門官莊斷層、牛王泉杜官莊斷層、牛泉茂盛堂斷層、侯家溝東斷層。燕山期巖漿巖在南部山前呈小型侵入體沿塔子石門官莊斷層斷續(xù)出露，其余隱伏第四系之下。根據(jù)地層巖性組合、含水介質(zhì)的賦水狀況等特征，研究區(qū)地下水可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和基巖裂隙水（圖1）。

1.2.1? 松散巖類孔隙水

主要沿牟汶河兩岸階地分布，其寬度受地形控制。第四系厚度0～20m，巖性主要為砂、礫石等。含水層透水性強(qiáng)，大氣降水和地表水是其主要補(bǔ)給來源，在牛王泉、泉河及杜官莊等“天窗”地段與巖溶水互補(bǔ)，富水性強(qiáng)，單井涌水量2000m3/d。地下水徑流方向與地形坡向基本一致，總體趨勢(shì)由河流兩側(cè)向河流下游運(yùn)動(dòng)，水位埋深1～5m，年變幅1～3m。

1.2.2? 碳酸鹽巖裂隙巖溶水

裂隙巖溶水主要賦存于奧陶紀(jì)石灰?guī)r，石門官莊塔子斷層以南廣泛出露地表，其余地段隱伏地下，由南向北隨古近系厚度增大而變深。含水巖性為青灰色、棕灰色厚層灰?guī)r。大氣降水為主要補(bǔ)給來源。研究區(qū)南部地表巖溶發(fā)育，可直接接受大氣降水入滲補(bǔ)給。受巖層傾向控制，地下水基本上順巖層傾向，由南東或南向北西或北徑流。在灰?guī)r隱伏區(qū)，巨厚的古近系砂巖阻斷了巖溶水與孔隙水的水力聯(lián)系，但在地形低洼處灰?guī)r隆起，古近系地層缺失的杜官莊、牛王泉及泉河附近（圖2），第四系松散層與灰?guī)r直接接觸，巖溶水與孔隙水具有密切的水力聯(lián)系，在牛泉和泉河“天窗”以泉的方式溢出地表，如牛王泉、郭娘泉。牛泉茂盛堂斷裂以東地區(qū)巖溶發(fā)育，富水性中等—強(qiáng)，單井涌水量630.7～2808m3/d。牛泉茂盛堂斷裂至西部邊界石炭系附近，巖溶裂隙不發(fā)育，單井涌水量小于50m3/d。另根據(jù)當(dāng)年調(diào)查資料［14］進(jìn)一步分析研究發(fā)現(xiàn)，牛王泉杜官莊斷層的阻水作用，使得其北部和南部的水文地質(zhì)情況存在一定差異，北部與顧家臺(tái)礦區(qū)水力聯(lián)系密切，南部與萊新鐵礦水力聯(lián)系密切。南部區(qū)內(nèi)的F1斷層和侯家溝東斷層附近巖石破碎，透水性較好。20世紀(jì)80年代后，區(qū)內(nèi)工礦業(yè)的開采，巖溶水水位大幅度下降，泉水枯竭，大氣降水在牛王泉、杜官莊、泉河等松散層與灰?guī)r直接接觸地區(qū)可通過第四系直接補(bǔ)給裂隙巖溶水。巖溶水主要排泄途徑為人工開采。巖溶水位受降水影響明顯，水位上升與降水基本同步，但最高水位出現(xiàn)時(shí)間明顯滯后于降水量一段時(shí)間，最高水位一般出現(xiàn)在9—11月份，最低水位一般在5—6月份，年變幅30m左右。

1—第四系松散物；2—古近系砂頁巖；3—奧陶系灰?guī)r；4—閃長巖；5—巖溶水位。圖2? 西泉河附件水文地質(zhì)剖面略圖

裂隙水賦存于古近系砂巖、燕山期閃長巖風(fēng)化裂隙中。其含水層主要為構(gòu)造裂隙及淺部的風(fēng)化裂隙，由于裂隙發(fā)育細(xì)微，僅有降水滲入補(bǔ)給，含水微弱，賦水性較弱，單井涌水量一般小于10m3/d。

2? 巖溶塌陷情況

2.1? 巖溶發(fā)育現(xiàn)狀

研究區(qū)巖溶塌陷主要發(fā)生在西泉河和侯家溝村地段，牛王泉和杜官莊地段未發(fā)生塌陷。

2.1.1? 西泉河地段

該地段塌陷自1975年葉莊礦放水實(shí)驗(yàn)始發(fā)，進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，塌陷時(shí)有發(fā)生，即有重復(fù)塌陷，也有新的塌陷。塌陷位于西泉河村東側(cè)及東南沖溝附近，侯家溝東斷層?xùn)|南，呈NNW向，南北長1000m，東西寬100～300m（圖3）。塌坑呈筒狀，坑口以圓形、橢圓形為主，直徑多2～7m，深度1～6m（圖4）。塌陷多在塌陷范圍內(nèi)重復(fù)塌陷，初步統(tǒng)計(jì)共塌陷60余處。

2.1.2? 侯家溝地段

該地段自20世紀(jì)80年代發(fā)生塌陷以來，近年塌陷時(shí)有發(fā)生。塌陷位于侯家溝村東部，F(xiàn)1斷層和侯家溝斷層之間（圖5），呈NW向，南北長210m，東西寬150m，塌坑口以圓形、橢圓形為主，最深可達(dá)11.7m（圖6），初步統(tǒng)計(jì)塌陷10余處。

2.2? 巖溶塌陷分布規(guī)律

水平方向受地質(zhì)構(gòu)造影響，多沿?cái)嗔褞Х植?。已發(fā)生的塌陷主要分布F1斷層以東，侯家溝東斷層之間以及侯家溝東斷層以東、泉河斷層以東區(qū)域，其余的地段未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷坑及其引發(fā)的房屋斑裂現(xiàn)象。斷裂構(gòu)造發(fā)育地段巖石破碎，裂隙發(fā)育，成為地下水的良好賦存空間和運(yùn)移通道［15］，地表水和地下水對(duì)基巖作用強(qiáng)烈，巖溶裂隙、溶孔、溶洞發(fā)育，非構(gòu)造發(fā)育帶巖溶發(fā)育程度明顯減弱。垂直方向上，巖溶塌陷多分布在4～15m厚度的黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土雙層結(jié)構(gòu)蓋層區(qū)，下部古近系紅色砂巖相對(duì)較薄，蓋層下伏奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r。如2005年7月2日發(fā)生在西泉河村東南的塌陷，塌坑直徑8m左右，深6m左右，從上至下為第四系松散層約4m，古近系砂巖厚約1m（圖7）。2009年7月發(fā)生在侯家溝村樹林中的塌陷，塌坑底部可見薄層古近系砂巖，厚約0.5m（圖8）。

3? 成因分析

3.1? 巖溶塌陷的物質(zhì)基礎(chǔ)

研究區(qū)巖溶塌陷主要受第四系松散蓋層及下伏巖溶發(fā)育特征控制，其中研究區(qū)第四系厚度0～20m。在牛王泉、杜官莊、泉河地段古近系缺失，第四系直接覆蓋灰?guī)r之上，巖性多為褐色黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土等。在地下水位強(qiáng)烈波動(dòng)之下易被沖刷破壞。在古近系厚度較薄，膠結(jié)程度較差地區(qū)，古近系砂巖在地下水位強(qiáng)烈且反復(fù)波動(dòng)之下，亦可能被沖刷破壞，繼而上覆第四系松散蓋層被破壞產(chǎn)生巖溶塌陷［16］?？扇軒r是巖溶發(fā)育物質(zhì)基礎(chǔ)［17］，區(qū)內(nèi)巖溶地層主要為奧陶紀(jì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r組成，巖溶裂隙發(fā)育。巖溶發(fā)育程度自上而下呈遞減趨勢(shì)，滲透系數(shù)K介于1.484～4.661m/d之間。區(qū)內(nèi)牛王泉—南宮地區(qū)巖溶發(fā)育最強(qiáng)，依次為馬家莊—?jiǎng)⒓仪f地區(qū)，侯家溝—西泉河地區(qū)。許多鉆孔皆揭露大小不等的溶洞，但因巖性、結(jié)晶程度不同，巖溶發(fā)育不均勻。一般溶洞高20～30cm，少部分大于50cm，也有的鉆孔未見溶洞。裂隙巖溶垂向隨深度增加發(fā)育程度減弱，主要發(fā)育10～150m。據(jù)鉆孔資料，牛王泉村東北部A1孔，80.49～87.00m巖石破碎，溶蝕現(xiàn)象普遍；牛王泉A15孔，48.9m處揭露直徑2.6m溶洞，在126.2m處發(fā)育直徑約1.62m溶洞；東泉河ZK0901孔，20.26～21.34m與85.74～86.54m均見有溶洞；西泉河村ZK0701號(hào)孔，19.84～21.84m揭露直徑2m溶洞；杜官莊北部ZK12號(hào)鉆孔，136.62～146.45m發(fā)育直徑9.83m溶洞。溶洞之間多被方解石分割成網(wǎng)格狀，多數(shù)被充填，充填物多為紅褐色砂質(zhì)黏土。

3.2? 地下水動(dòng)力特征

研究區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)受人為開采及大氣降水影響，地下水垂向和水平徑流在不停的轉(zhuǎn)換，地下水水位亦在周而復(fù)始的升降變化。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖溶水水位監(jiān)測資料，巖溶水水位埋深3.55～144.18m，位于第四系底板、灰?guī)r頂板之下。與此同時(shí)，地下水對(duì)第四系直接與奧陶系接觸地帶蓋層不停的進(jìn)行侵蝕溶蝕。

3.3? 研究區(qū)巖溶塌陷成因分析

塌陷區(qū)開口溶洞早已存在，發(fā)育深度多在20m左右（前已論述），區(qū)內(nèi)第四系松散物厚度4～15m，基本相當(dāng)于直接覆蓋于開口溶洞上方，塌陷是隨著地下水位的頻繁波動(dòng)多次發(fā)生。根據(jù)1997—2001年塌陷區(qū)發(fā)生塌陷時(shí)間和水位波動(dòng)數(shù)據(jù)分析可知，區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生在汛期6—9月份，發(fā)生塌陷月份前后兩個(gè)月地下水位波動(dòng)在16～40m。尤其是2000年，侯家溝—西泉河汛期發(fā)生塌陷48處，其中8月份42處，占塌陷總量的87.5%，期間降水量達(dá)326mm，西泉河巖溶水位波動(dòng)幅度高達(dá)40.7m。

究其塌陷理論可簡單歸結(jié)為“水位波動(dòng)溶洞充填物潛蝕流動(dòng)氣壓差蓋層失托”［18］（圖9）。區(qū)內(nèi)巖溶水水位長期穩(wěn)定在灰?guī)r頂界面以下某個(gè)水平面時(shí)，溶洞內(nèi)蓋層物質(zhì)及大氣的補(bǔ)充進(jìn)入，使溶腔和溶洞內(nèi)外處于相對(duì)平衡狀態(tài)（圖9a）。當(dāng)遭到強(qiáng)降雨、強(qiáng)抽水后，地下水位上下波動(dòng)，溶洞內(nèi)部氣壓隨之升高或降低，形成氣壓差，溶洞空腔充填物中的松散物質(zhì)受潛蝕作用（研究區(qū)內(nèi)松散物滲透系數(shù)K為50～300m/d，透水性強(qiáng)，易在地下水入滲過程中形成滲流液化），遭到破壞（圖9b）。充填物不斷破壞和隨水流走，溶洞空腔逐漸增大，孔隙水水力坡度和滲流速度增大，使溶洞上覆蓋層遭受更嚴(yán)重的潛蝕作用（圖9c）。

破壞程度取決于巖溶水水位變幅及升降速度，水位升降速度愈快、變幅愈大形成的氣壓差相對(duì)愈大。尤其是巖溶水位在作大幅度頻繁升降變化時(shí)，溶洞頂板相當(dāng)于受到了“活塞運(yùn)動(dòng)”式的振動(dòng)荷載，從而加劇溶洞上覆蓋層結(jié)構(gòu)破壞［19］。另外強(qiáng)降雨后，松散蓋層中砂土、粉土、黏性土等遇水飽和，松散物變軟，大大降低了其相互間吸引力，因此，當(dāng)降水引發(fā)巖溶水位變化時(shí)，蓋層土體強(qiáng)度會(huì)迅速降低，當(dāng)大氣壓和土體自重壓力超過了蓋層土體的抗剪強(qiáng)度，蓋層失托，巖溶塌陷繼而發(fā)生（圖9d）。本區(qū)巖溶塌陷大多集中于汛期雨中或雨后便起因于此。

a—自然狀態(tài)下，蓋層在溶洞充填物及承壓水的支撐作用下處于相對(duì)平衡狀態(tài)；b—巖溶水位下降，溶洞充填物發(fā)生潛蝕破壞，土洞首先在充填物中形成和擴(kuò)展，溶洞逐漸形成較大空腔；c—巖溶水的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，真空機(jī)制形成，蓋層受潛蝕及氣壓差作用，應(yīng)力進(jìn)一步增加，蓋層開始局部破壞；d—巖溶水位快速下降，土體應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度，蓋層失托，形成塌陷。圖9? 溶洞充填物潛蝕流動(dòng)氣壓差蓋層失托效應(yīng)解釋巖溶塌陷成因示意圖

杜官莊、牛王泉地段所處水文地質(zhì)單元與北部聯(lián)系密切，受礦山排水影響更大，水位變幅比南部泉河地段更大，但至今這兩個(gè)地段尚未發(fā)生過巖溶塌陷，究其原因，筆者認(rèn)為這兩地段雖然灰?guī)r上覆第四系厚度較薄，巖溶水位動(dòng)態(tài)變幅較大，但區(qū)內(nèi)鉆探表明，這兩區(qū)域內(nèi)50m以淺巖溶不發(fā)育弱，巖溶發(fā)育段多在50～140m處（前已論述），雖受水位波動(dòng)、溶洞氣壓變化等原因影響，但溶洞上覆較厚的灰?guī)r減緩了上覆蓋層遭破壞的程度，故本區(qū)尚未有巖溶塌陷發(fā)生。

4? 結(jié)論

通過系統(tǒng)分析區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件及巖溶塌陷發(fā)生情況，區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要是發(fā)生在淺部巖溶發(fā)育的侯家溝和泉河地區(qū)，發(fā)生時(shí)間多為每年汛期的較大降雨中或雨后的一段時(shí)期內(nèi)，主要是巖溶地下水的頻繁大幅度波動(dòng)（波動(dòng)范圍16～40m）造成的淺部溶洞上覆厚度約4～15m的黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土受潛蝕溶蝕、氣壓變化等作用遭到破壞，進(jìn)而產(chǎn)生塌陷。牛王泉、杜官莊地區(qū)至今未有巖溶塌陷發(fā)生，與本區(qū)段淺部巖溶發(fā)育較弱，水位波動(dòng)引起的潛蝕流動(dòng)，真空吸蝕等作用弱存在較大關(guān)系。

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Analysis on the Causes of Karst Collapse in Houjiagou—Xiquanhe Area in Laiwu City in Shandong Province

ZOU Lianqing1，LV Yuanyuan2，WANG Zhentao1，QIN Peng1，MENG Yonghui1，GAO Feng1，LIU Yanfen1， CUI Jirui1， WU Jingwen3

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center，Shandong Ji'nan 250013， China；2. Jinan Urban and Rural Planning Compilation Research Center， Shandong Ji'nan 250098， China;3.Shandong Experimental High School， Shandong Ji'nan 250001， China）

Abstract：Hydrogeological conditions of fault structures and fissure karst water in Houjiagou-Xiquanhe area in Laiwu city are complicated. Based on systematic analysis of hydrogeological conditions， history and scale of karst collapse， the causes of karst collapse in the area have been analyzed systematically. It is showed that karst collapse mainly occurs in Houjiagou and Quanhe areas where shallow karst develops， and occurs during or after the rain in flood season every year. It is mainly caused by frequent and large fluctuation of karst groundwater （fluctuation range is 16～40m）， which results in the destruction of the clay and sandy clay with a thickness of 4～15m over the shallow karst caves， and then the collapse occurs.

Key words：Karst collapse； Quaternary system； karst water level dynamics；mechanism; Laiwu city in Shandong province