邢 雪,周 丹,羅 躍
(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì),江蘇徐州 221004)
徐州位于江蘇省西北部,地處蘇、魯、豫、皖交界,地理位置特殊,交通發(fā)達(dá),城區(qū)及城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)鐵路、高速鐵路、公路、高速公路縱橫交錯(cuò)。徐州的快速發(fā)展和城市擴(kuò)展及重點(diǎn)工程建設(shè)等帶來對預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的緊迫感,特別是即將實(shí)施的徐州市軌道交通工程,對預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生猶為重要。
徐州地質(zhì)災(zāi)害主要有采空地面塌陷、崩塌滑坡和巖溶地面塌陷及沙土液化坍塌等。其中地下巖溶所引起的地面塌陷災(zāi)害具有突發(fā)性、隱伏性和塌陷規(guī)模的不確定性等。
徐州巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害主要是由地下巖溶發(fā)育引起的。徐州地質(zhì)構(gòu)造屬華北地臺南緣,東部緊鄰郯廬深大斷裂帶。其中具有繼發(fā)性活動的廢黃河斷裂和不牢河斷裂呈近東西向橫穿徐州市區(qū)和市區(qū)北部。斷裂帶內(nèi)巖溶、裂隙極為發(fā)育,是徐州市地下水富集地帶,由于常年地下水超采,形成的地下巖溶空洞、斷裂空隙較為密集,積聚成為城市建設(shè)的隱形殺手。1986年以來,徐州市先后發(fā)生過多起巖溶地面塌陷災(zāi)害,造成鐵路路基變形、陷落、樓房斷裂,許多民房陷落、倒塌等嚴(yán)重后果[1]。
眾所周知,巖溶發(fā)育的主要因素要有水源、可溶性巖和水流的運(yùn)動空間。徐州地貌特征為低山丘陵和黃河泛濫沖積平原,匯水條件較好,古生代和太古代碳酸鹽巖地層具有可溶性,NW-NWW向構(gòu)造斷裂較為發(fā)育為本區(qū)巖溶發(fā)育提供了良好條件[2]。
區(qū)內(nèi)低山丘陵約占本區(qū)總面積的三分之一,山體走向呈NNE向,形成徐州特有的山中有城和城中有山的地貌特征。徐州丘陵區(qū)標(biāo)高多在50~300m之間,其中大洞山海拔361m,為群峰之最。黃河泛濫沖積平原標(biāo)高多在30~40m之間,地勢由北向南緩傾。黃河故道由北西向南東斜貫全區(qū),河床高出地面4~7m,形成區(qū)內(nèi)天然地表分水嶺。區(qū)內(nèi)地表水系主要有黃河故道(已廢),除雨季排洪行水,常年基本斷流;京杭運(yùn)河自西向東流經(jīng)本區(qū)北部,水量隨季節(jié)變化明顯。微山湖、駱馬湖是區(qū)內(nèi)最主要的地表水體,其它中、小型水庫、塘壩多個(gè)。本區(qū)屬溫暖帶半濕潤氣候,多年平均降水量850mm。
本區(qū)地下水賦存特征主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。其中碳酸鹽巖裂隙溶洞水是本區(qū)主要地下水源,水量豐富是地下巖溶、裂隙溶蝕發(fā)育的主要水動力條件。
徐州主要分布有古生界和上元古界碳酸巖地層(表1),巖性多為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等,酸不溶物含量低,約1% ~2%之間,最大面溶蝕率可達(dá)30%以上,為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。
本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要由弧形復(fù)式背、向斜為主體的一系列平行褶皺和與之相伴生的平行于褶皺的縱向壓(壓扭)性斷層及垂直褶皺的橫向斷裂組成。其中發(fā)育于本區(qū)的垂直褶皺的橫向斷裂,廢黃河斷裂和不牢河斷裂(圖1),斷裂帶裂隙極為發(fā)育,是徐州市地下水富集地帶,為地下水溶蝕提供水流運(yùn)動空間[4]。
表1 徐州地區(qū)碳酸鹽巖類地層巖性特征表Table 1 Lithologic characters of carbonate rock strata in Xuzhou area
圖1 構(gòu)造體系略圖Fig.1 Schematic map of tectonic system
本區(qū)可溶巖分布面積較廣,巖溶較為發(fā)育[5]。在可溶巖地層分布的低山丘陵區(qū)可見溶痕、溶溝、溶槽、溶丘、溶柱、溶孔、溶穴和不規(guī)則的溶洞等巖溶現(xiàn)象。地下巖溶類型主要有溶隙、溶孔、溶洞三種。
地下水沿可溶巖的節(jié)理、裂隙作水平或垂直運(yùn)動,水蝕作用使原有的空間稍有擴(kuò)大、連通,并基本保持原節(jié)理、裂隙形態(tài)的幾何空間。在裸露區(qū),溶隙是大氣降水或地表水滲入補(bǔ)劑地下水的通道;在地下則是巖溶水運(yùn)移的有利空間。
溶孔的發(fā)育與組成可溶巖的物質(zhì)成分及所處的構(gòu)造部位有關(guān),前者多形成星散狀、蜂窩狀;后者則以串珠狀、樹枝狀、似層狀為主,且連通性好,是地下水的徑流通道。
溶洞是在構(gòu)造運(yùn)動的同時(shí),使可溶巖溶蝕動力加劇,連通溶隙、溶孔,形成較大的溶蝕空間。溶洞的發(fā)育與所處的構(gòu)造部位及地下水交替強(qiáng)弱有關(guān),一般多發(fā)育于構(gòu)造接觸帶及侵蝕基準(zhǔn)面以上。地下溶洞的發(fā)育受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制,一般沿構(gòu)造斷裂帶及其附近發(fā)育,發(fā)育深度多在150m以淺。如1976年徐州人防工程在市區(qū)廢黃河斷裂帶中勘探見一溶洞深達(dá)40m;茅村地質(zhì)勘探孔標(biāo)高負(fù)100m標(biāo)高處揭露溶洞,鉆具掉落6m。
本區(qū)巖溶發(fā)育程度主要與巖石性質(zhì)、巖層結(jié)構(gòu)特征及地質(zhì)構(gòu)造、地貌條件等因素有關(guān)[6],并且具有在同等條件下受另一種條件所控制的規(guī)律。下面從平面分布、垂向變化和局部性發(fā)育特征來闡述本區(qū)地下巖溶發(fā)育規(guī)律。
巖石性質(zhì)、巖層結(jié)構(gòu)對巖溶發(fā)育程度起著主導(dǎo)作用,質(zhì)純、厚層的碳酸鹽巖巖溶發(fā)育最強(qiáng),含泥質(zhì)或夾層、互層狀發(fā)育相對為弱。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示本區(qū)地下巖溶平面分布和可溶巖地層分布相吻合。發(fā)育程度與區(qū)域可溶性鹽巖巖性密切相關(guān)(表2)。
地下巖溶平面分布在地質(zhì)構(gòu)造上明顯沿褶皺軸部,張扭性斷裂帶及其附近發(fā)育。如,本區(qū)規(guī)模較大的廢黃河斷裂和不老河斷裂,屬NWW向張扭性正斷層,斷裂帶內(nèi)及其兩側(cè)巖溶特別發(fā)育;在徐州復(fù)式褶皺背、向斜的核部巖溶也較發(fā)育;地貌上,則山前緩坡地帶巖溶發(fā)育較好。
表2 可溶巖類地層溶蝕情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of stratum dissolution
本區(qū)巖溶發(fā)育在垂向上與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切,根據(jù)有關(guān)資料顯示本區(qū)溶洞發(fā)育多在標(biāo)高150m~-150m之間,向上或向下漸弱。地下巖溶發(fā)育深度又與所處構(gòu)造部位有關(guān),沿褶皺帶發(fā)育的巖溶,一般以表面為好,深度較淺,溶蝕作用較弱。沿構(gòu)造斷裂帶,巖溶發(fā)育深度較深,溶蝕作用較強(qiáng)烈。根據(jù)有關(guān)資料和區(qū)域勘探顯示,本區(qū)可溶巖在廢黃河斷裂和不老河斷裂帶中巖溶遇洞率達(dá)47% ~81%,線溶蝕率10% ~26%。
(1)沿?cái)嗔鸦驍嗔褟?fù)合部位巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,特別是低序次的斷裂與主干斷裂的交匯部位更甚。本區(qū)較大的溶洞多發(fā)育在該部位。
(2)強(qiáng)烈褶皺帶及其轉(zhuǎn)折端巖溶也較發(fā)育。如,徐州復(fù)式背斜的兩翼及其次級褶皺背斜核部、向斜核部轉(zhuǎn)折部位巖溶較為發(fā)育。
(3)可溶巖與難溶巖體的接觸帶及可溶巖組成的壓扭性斷層旁側(cè)巖溶較為發(fā)育。
(4)可溶鹽巖與上覆第四系松散土層的接觸部位巖溶也較發(fā)育,特別是砂性土層。
巖溶地面塌陷主要是指可溶巖在特定的條件下受自然風(fēng)化、降雨、地下水侵蝕、構(gòu)造運(yùn)動等因素形成的隱伏于地下的空洞或充填巖洞、裂隙經(jīng)人為或構(gòu)造運(yùn)動等動力條件使其失衡發(fā)生的地面坍塌現(xiàn)象。
4.1.1 自然因素
地下水交替作用引發(fā)巖溶地面塌陷。巖溶在發(fā)育過成中,由于溶蝕作用的不斷的加劇,使溶蝕空間不斷加大,破壞了原有的平衡條件引起的塌陷現(xiàn)象。如本區(qū)第四系厚度15~35m,以粉砂、粉土為主,底部老粘性土厚度小于5m,土層結(jié)構(gòu)以砂性土單層結(jié)構(gòu)和砂性土—粘性土雙層結(jié)構(gòu)為主;下伏寒武、奧陶系純碳酸鹽巖,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。碳酸鹽巖地層與上覆松散土層接觸部位,粉砂、粉土中的空隙潛水與下伏巖溶水水利聯(lián)系密切,孔隙水常年越流補(bǔ)給巖溶水,巖溶水水位多年來在土層底板作上下升降波動,由此造成地區(qū)諸多的地面塌坑、陷落等[6]。
暴雨或連續(xù)降雨、過度積水可誘發(fā)巖溶地面塌陷。如新生里1997年7月17日、24日發(fā)生的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害就是暴雨誘發(fā)造成。
地震因素誘發(fā)巖溶地面塌陷。測區(qū)位于華北斷塊南緣,膠遼斷塊與冀魯斷塊結(jié)合帶西側(cè)。根據(jù)有關(guān)資料顯示,本區(qū)地震背景為:測區(qū)北西豐縣—沛縣、南部符離集和北東韓莊—臺兒莊為5級地震危險(xiǎn)區(qū);東部郯城—宿遷為7.5~8.0級地震危險(xiǎn)區(qū)。其中東部郯城—宿遷地震危險(xiǎn)區(qū)對本區(qū)影響最大,并控制本區(qū)地震烈度為7度。據(jù)江蘇地震局編制的《江蘇地震歷史資料匯編》統(tǒng)計(jì),記錄測區(qū)及外圍豐、沛、邳等縣地震54次,震中皆位于鄰區(qū)。其中超過5級以上地震有15次,對徐州市造成不同程度震害的有4次。盡管由地震引起本區(qū)巖溶地面塌陷尚未有記載,但從地下巖溶機(jī)理分析和巖溶地下水過量開采所形成的地下巖溶隱患上分析,本區(qū)受地震因素引起巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生率極大。
4.1.2 人為因素
影響巖溶塌陷的人為因素主要有巖溶地下水過量開采[7]和城市建設(shè)產(chǎn)生重載、震動等。
巖溶發(fā)育地段也是地下水最富集地段,人工取水會使水位下降,帶來地下水交替作用加強(qiáng),促使巖溶作用加速,導(dǎo)致上覆土層失重,砂質(zhì)土流失形成空洞。當(dāng)?shù)叵滤唤抵翈r溶含水層頂板時(shí),土層與可溶巖接觸帶地下水循環(huán)、交替作用更強(qiáng),使原已填充或半填充的裂隙、溶洞中充填物流失,上覆土層失重產(chǎn)生塌陷,因此,巖溶水超采是引起巖溶塌陷的主要因素。如1986年5月27日發(fā)生的京滬和隴海線交匯處鐵路路基塌陷,就是位于七里溝巖溶水源地開采中心的漏斗部位。
另外城市建設(shè)進(jìn)行地基開挖和打樁震動使巖溶上覆沙土液化或溶洞內(nèi)充填物流失產(chǎn)生失重也是引起本區(qū)巖溶塌陷造成地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。
4.2.1 隱伏性
巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害與區(qū)內(nèi)其它地質(zhì)災(zāi)害相比,具有隱伏性。采煤塌陷和采石、工程建設(shè)切坡造成的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害都有利益驅(qū)使的人為因素,對它的預(yù)防和防治措施都有較明確的地點(diǎn)、位置、規(guī)模等。而巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防難度較大。
4.2.2 突發(fā)性
巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害都是在特定的地質(zhì)環(huán)境下誘發(fā)引起。特別是巖溶地面塌陷是隱伏于地下洞穴受內(nèi)、外動力因素,破壞了原有的平衡條件產(chǎn)生的,具有突發(fā)性。因而,造成應(yīng)對及時(shí)性受到限制,使受災(zāi)損失加大。
4.2.3 規(guī)模的不確定性
造成巖溶地面塌陷是隱伏于地下的巖溶空間在內(nèi)、外動力作用下造成的。隱伏于地下的巖溶空間的大小、充填物的質(zhì)地及內(nèi)、外動力條件決定了地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模和破壞程度。由于目前人類技術(shù)手段的限制,很難對地下巖溶進(jìn)行定量分析,也帶來了對地下巖溶易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的范圍和繼發(fā)性預(yù)測的難度。故對產(chǎn)生巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的規(guī)模具有不確定性。當(dāng)然由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科技手段不斷的更新,一定會在巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害中有較大的突破。
4.3.1 影響巖溶塌陷因素[8]
可溶鹽巖是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)條件,巖溶發(fā)育程度又與可溶鹽巖性和巖層結(jié)構(gòu)有關(guān),一般情況巖溶發(fā)育強(qiáng)度為由灰?guī)r-泥質(zhì)灰?guī)r-白云質(zhì)灰?guī)r-泥質(zhì)白云巖-白云巖和厚層-中厚層-薄層-互層-夾層的規(guī)律由強(qiáng)變?nèi)酢?/p>
地質(zhì)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的內(nèi)在因素,張性斷裂和張扭性斷裂是巖溶發(fā)育的有利部位,背、向斜核部和背、向斜側(cè)部巖溶較為發(fā)育。
巖溶地下水的開采是誘導(dǎo)巖溶塌陷的外在條件,一般巖溶地下水過量開采的漏斗部位最易造成巖溶地面塌陷。
另外,可溶鹽巖上覆松散層巖性對巖溶塌陷也有漸接的誘導(dǎo)作用,一般為粘土-粉質(zhì)粘土-淤泥質(zhì)粉土-粉砂土-粉土、粉細(xì)砂的誘導(dǎo)作用由弱到強(qiáng)。
4.3.2 預(yù)測方法和指標(biāo)的判別
綜合本區(qū)巖溶發(fā)育特征和影響巖溶塌陷的因素,本文采用模糊評判的方法對本區(qū)可能引起巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了預(yù)測。將影響巖溶發(fā)育的可溶巖巖性、巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水開采和上覆松散土層性質(zhì)5種條件和每項(xiàng)影響因素,按影響程度分別賦于一定的分值如表3:
表3 影響巖溶塌陷因素及分值表Table 3 Factors influencing karst collapse and its values
將產(chǎn)生巖溶塌陷影響條件各因素分值之和作為進(jìn)行預(yù)測巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的指數(shù)I。即:
巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害指數(shù)I=影響因素分值之和。
當(dāng)I大于30為極易發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū);
當(dāng)I小于30大于20為易發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū);
當(dāng)I小于20為不易發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害區(qū)。
4.3.3 預(yù)測結(jié)果評述
根據(jù)上述方法可以進(jìn)行本區(qū)點(diǎn)上或面上巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性預(yù)測,本區(qū)可分極易塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)、易塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)和不易塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)(圖2)。
(1)極易塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū),主要分布于可溶鹽巖發(fā)育的近東西向廢黃河斷裂帶、不牢河斷裂帶和巖溶地下水過量開采的漏斗區(qū);
(2)易塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū),主要分布于可溶鹽巖淺埋型的山間和山前地帶;
(3)不易塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū),主要為可溶鹽巖分布的裸露區(qū)和深埋區(qū)。
圖2 巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測圖Fig.2 Prediction chart of Karst collapse hazards
徐州近年來雖然由巖溶塌陷引起的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),但造成的災(zāi)害性較小,尚未引起人們的重視。根據(jù)已造成巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)和徐州地區(qū)地下巖溶發(fā)育強(qiáng)度分析,推測本區(qū)巖溶塌陷仍有造成重大地質(zhì)災(zāi)害的條件。特別是由巖溶地下水的超采所形成的地下水降落漏斗未得到完全恢復(fù),構(gòu)造斷裂中溶孔、溶蝕裂隙形成的地下巖溶空洞,尚未經(jīng)由地震環(huán)境地質(zhì)的考驗(yàn)。因此,加強(qiáng)徐州巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害研究很有必要。
結(jié)合徐州城市城鎮(zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)大力發(fā)展的需要,充分分析徐州已發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的歷史情況和產(chǎn)生原因,根據(jù)徐州區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育規(guī)律、巖溶地下水開采、人為和自然因素等,充分加強(qiáng)和氣象、地震監(jiān)測部門的溝通、聯(lián)網(wǎng),建立徐州巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害數(shù)學(xué)模型和預(yù)警系統(tǒng)。
徐州巖溶地下水資源較為豐富,開采歷史較早,開采程度較高。特別是隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市化工程建設(shè)和人口密度的增加對水資源的需求增大。徐州巖溶地下水的超采已導(dǎo)致巖溶地下水位下降,出現(xiàn)區(qū)域性或局部性巖溶地下水位降落漏斗,為引起巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生埋下了隱患。
因此建議有關(guān)部門制定合理的巖溶地下水開采方案,充分利用地面水來調(diào)節(jié)對巖溶地下水的開采[9],避免因巖溶地下水過量開采造成的災(zāi)害。
在城市建設(shè)規(guī)劃和重點(diǎn)或大型工程建設(shè)中,應(yīng)根據(jù)徐州地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律預(yù)測其影響程度。查明隱伏巖溶發(fā)育特征,采取相應(yīng)的設(shè)防措施。根據(jù)預(yù)測巖溶塌陷對工程的影響和巖溶發(fā)育特征,進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)、避讓和基礎(chǔ)處理[10]。
對極易發(fā)生巖溶地面塌陷易區(qū)域、地帶設(shè)立巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測站、點(diǎn),根據(jù)氣象條件做好日常地面沉降監(jiān)測工作。時(shí)時(shí)跟蹤可能發(fā)生巖溶塌陷的地質(zhì)跡象,對可能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)象及時(shí)做出預(yù)報(bào)和采取防護(hù)措施。
充分發(fā)動群眾,利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息,加強(qiáng)對地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情的動態(tài)監(jiān)測[10]。將防治地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生納入各級政府部門的議事日程,明確監(jiān)管單位和責(zé)任人,制定合理的巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害抗災(zāi)、救災(zāi)預(yù)案,使可能發(fā)生的巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失降為最低。
徐州地區(qū)可溶巖分布較廣,巖溶較為發(fā)育,具有形成巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的條件。由于徐州地區(qū)巖溶發(fā)育在平面上受可溶巖性控制,在垂向變化上受地質(zhì)構(gòu)造控制,以及巖溶地下水的過量開采等因素,在自然降雨、地下水交替和地震地質(zhì)環(huán)境及城市建設(shè)過程中可能會引起較為嚴(yán)重的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害。為避免由巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害造成損失,應(yīng)加強(qiáng)對本區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的研究、預(yù)測和制定合理的抗災(zāi)、救災(zāi)預(yù)案及防災(zāi)對策。
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中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2014年4期