薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育特征及分布模型

張 寬，唐朝暉，柴 波，孫 巧，張潔飛

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074)

我國南方三疊系下統(tǒng)地層中普遍分布薄層灰?guī)r。薄層灰?guī)r巖溶發(fā)育程度較中厚層灰?guī)r弱，在工程建設(shè)中容易被忽視，存在工程安全隱患。目前，針對薄層灰?guī)r巖溶發(fā)育特征及分布模型的研究尚少，無法有效指導(dǎo)其分布區(qū)基礎(chǔ)、邊坡等工程活動的勘察設(shè)計(jì)。

巖溶發(fā)育規(guī)律和溶蝕機(jī)理的研究成果表明，在褶皺軸線和斷裂帶附近巖溶較發(fā)育，溶蝕程度與礦物成分密切相關(guān)，微生物可使溶蝕顯著增強(qiáng)[1-3]。溶蝕速率與溶液酸度、溫度和水動力條件呈正相關(guān)[4-6]；從不同尺度看，巖溶在水—巖界面發(fā)生選擇性溶蝕[7-8]；溶蝕始于晶間結(jié)合面，并沿著節(jié)理裂隙發(fā)展[9-11]，局部形成溶蝕孔洞。具有一定規(guī)模的溶蝕孔洞往往是影響巖溶區(qū)工程地基穩(wěn)定性的關(guān)鍵。而薄層灰?guī)r含有較多泥質(zhì)夾層，溶蝕孔洞規(guī)模小、分布不均勻，在傳統(tǒng)勘探工程精度下，往往很難揭露。

廣西合山市溯河礦區(qū)某道路工程在三疊系下統(tǒng)羅樓組薄層灰?guī)r內(nèi)建設(shè)，勘探未揭露明顯的巖溶，但施工過程遇到了溶洞和溶蝕殘積膨脹土。本文以該工程所揭露的巖溶分布為線索，通過溶蝕試驗(yàn)論證了化學(xué)溶蝕的作用規(guī)律，對比分析薄層和厚層灰?guī)r巖溶發(fā)育特征，構(gòu)建了薄層灰?guī)r淺部巖溶的分布模型，對薄層灰?guī)r區(qū)工程場地勘察設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)擬建道路位于溯河礦區(qū)內(nèi)，繞山而建。地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地表水豐富，地下水位主要受大氣降水及人工排水影響，波動較大。溯河礦區(qū)位于低丘陵地帶，出露三疊系下統(tǒng)羅樓組(T1l)地層(圖1)，上層為灰色中厚層狀灰?guī)r，中部為淺灰色薄層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖，下部為硅質(zhì)、砂質(zhì)頁巖及薄層泥灰?guī)r互層，呈單斜狀產(chǎn)出，發(fā)育小褶皺和局部裂隙。該區(qū)實(shí)測緩傾巖層產(chǎn)狀為125°∠9°，主要發(fā)育的兩組節(jié)理產(chǎn)狀分別為305°∠81°和5°∠90°。道路開挖形成的半路塹邊坡高度為0～15 m。

圖1 研究區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of the strata in the study area

2 淺部巖溶發(fā)育特征

采用實(shí)地調(diào)查、EKKO-PRO型探地雷達(dá)系統(tǒng)及鉆探等方式，分別對該研究區(qū)路塹邊坡淺部巖溶發(fā)育特征和路基影響范圍內(nèi)的隱伏溶洞進(jìn)行探查(圖2)。

2.1 路塹邊坡淺部巖溶特征

繪制路塹邊坡地質(zhì)剖面圖(圖3)，可知坡面高度為8～15 m，上覆填土厚為0.2～0.5 m，地表以下0.5～5 m主要由黃褐色黏土夾少量碎石(10%～15%)組成。黏土層液限為59.5，漲縮性等級為弱膨脹土。地表以下5～15 m處可見薄層狀黃褐色-青灰色灰?guī)r，保留原巖層構(gòu)造，豎向溶隙平均隙寬為1.5 m，最寬處為4 m，最窄處為0.5 m，均被黏土充填。溶隙沿水平和垂直兩個方向發(fā)展，呈“井”字型；底部發(fā)育厚約0.3 m由黏土充填的水平向巖溶通道，隨深度增加，溶隙發(fā)育程度降低?？傮w上，淺部溶蝕作用比較突出。

圖2 研究區(qū)路基巖溶勘測平面布置圖Fig.2 Subgrade karst survey plan layout in the study area

圖3 邊坡地質(zhì)素描圖Fig.3 Geological sketch map of the slops

為了區(qū)分淺部巖溶的溶蝕差異，按照溶蝕程度將其分為碎屑?xì)埩魩?、表層巖溶帶和下部包氣帶。其中，碎屑?xì)埩魩в牲S褐色黏土夾少量碎石組成，這種黏性土是碳酸鹽巖母巖風(fēng)化或紅土化作用的產(chǎn)物。表層巖溶帶發(fā)育薄層狀黃褐色-青灰色石灰?guī)r，溶蝕裂隙被黏土充填。下部包氣帶內(nèi)巖體較為完整，層面較清晰，巖、土的分界面清晰，表現(xiàn)為黏土包圍的一個個孤立巖體。

為進(jìn)一步探明薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育特征，聯(lián)合利用物探和鉆探方式對路基影響區(qū)域進(jìn)行巖溶探查。探測溶洞結(jié)果見圖2。

2.2 薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育程度與微地貌

在不同的地貌位置，淺部巖溶的發(fā)育程度不同。對比分析A-A′段和B-B′段的反射波頻譜特征圖(圖4),結(jié)果顯示:兩段雷達(dá)反射波信號在上部變化劇烈，下部變化相對較小，與前文已開挖路塹邊坡素面圖上反映特征相符。此外，位于山脊處的A-A′段在深度約5 m處明顯出現(xiàn)大致水平的低頻反射波與高頻反射波分界線，亦為表層巖溶帶-下部包氣帶分界線，上部反射強(qiáng)烈為表層巖溶帶，下部較平穩(wěn)為下部包氣帶。位于山谷處的B-B′段低頻反射波與高頻反射波分界線較不明顯，在深度約為5 m上部反射強(qiáng)烈為表層巖溶帶，但下部內(nèi)部反射和閃射多，說明巖體結(jié)構(gòu)局部破碎，其溶蝕程度明顯高于同等深度下的A-A′段，說明位于山谷處的薄層灰?guī)r淺部巖溶的溶蝕作用較山脊處更為強(qiáng)烈。地形較凹的山坡是雨洪徑流匯集的區(qū)域，水流侵蝕能力增強(qiáng)，其垂向水流作用強(qiáng)烈，加強(qiáng)了水流的垂向侵蝕，促進(jìn)淺部巖溶向深部發(fā)育。

圖4 反射波頻譜特征圖波譜圖Fig.4 Map showinp the reflected wave spectrum features

5、6號隱伏溶洞位于水塘附近，為地下水流動通道。鉆探和開挖均揭露此處溶洞未完全充填。此外，在里程K0+400～K0+500段路基面出現(xiàn)5處巖溶塌陷(圖5)，最大洞口直徑約1 m，溶洞垂向延伸好，相鄰溶洞有管道聯(lián)通，形成串珠狀巖溶，平面延伸方向與節(jié)理方向基本一致，并指向鄰近的山谷。從塌陷體規(guī)模來看，2號溶洞發(fā)育向下的直筒狀巖溶管道，與地表調(diào)查巖溶裂隙形態(tài)一致，但無充填。薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育與地下水強(qiáng)徑流密切相關(guān)，由于巖溶發(fā)育，巖層裸露現(xiàn)象嚴(yán)重且溶隙發(fā)育，降雨一般通過溶隙補(bǔ)給巖溶地下水，徑流經(jīng)粗大裂隙管道在流域出口排泄。薄層灰?guī)r淺部巖溶選擇地下水流集中和水交替能力強(qiáng)的部位發(fā)育，地下水強(qiáng)徑流帶巖溶溶蝕作用更為強(qiáng)烈。

圖5 降雨后巖溶塌陷分布Fig.5 Map showing the karst collapse distribution after rainfall

圖6 2號巖溶塌陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diapram showing the geological structure of the No.2 karst collapse

3 室內(nèi)溶蝕實(shí)驗(yàn)

巖溶除受控于巖體結(jié)構(gòu)和微地貌外，與巖石本身性質(zhì)和水動力條件有關(guān)。為從微觀及定量化分析礦物組成、CO2及水動力條件研究薄層灰?guī)r淺部巖溶作用過程，在保持溫度和壓力一致的條件下，通過改變CO2占比進(jìn)行溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，分析溶蝕過程中樣品溶蝕量和溶蝕速率的變化規(guī)律；同時結(jié)合SEM掃描電鏡對比觀察溶蝕作用形成的次生孔洞等微觀形貌變化特征，以期了解薄層灰?guī)r溶蝕作用特征，為探究薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育機(jī)理及分布提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用靜態(tài)溶蝕裝置(圖7)，將巖樣置于盛溶液的燒杯中并置于壓力罐中，模擬巖體與水的相互作用。通過控制 CO2分壓、溫度等參數(shù)來控制溶蝕條件，通過按溶蝕時間更換溶液來模擬實(shí)際巖體經(jīng)歷的水流沖刷變化過程。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental device

3.2 巖樣設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用巖樣采自溯河礦道路K0+800處，巖性為三疊系下統(tǒng)羅樓組(T1l)新鮮灰?guī)r，同時對巖石進(jìn)行 X 攝像衍射(X-ray diffraction)測試礦物組成。將巖樣加工成約為40 mm×20 mm×10 mm 規(guī)格長方體，表面細(xì)磨后通經(jīng)三級去離子水沖洗，置于干燥箱內(nèi)烘干，過掃描電鏡進(jìn)行點(diǎn)掃描并稱重。巖樣物理指標(biāo)和化學(xué)成分如表 1 所示。

表1 巖樣物理指標(biāo)和化學(xué)成分Table 1 Physical indicators and chemical composition of the rock samples

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

比溶解度Kcv計(jì)算公式如下：

比溶蝕度Kv計(jì)算公式如下：

累積單位體積溶蝕量：

m0、m1——溶蝕前、后巖樣的質(zhì)量/mg；

ms——巖樣溶蝕量/mg；

V、V′——巖樣體積、標(biāo)準(zhǔn)巖樣的平均體積/cm3。

實(shí)驗(yàn)組溶液pH約為6.7，呈弱酸性；標(biāo)準(zhǔn)組溶液(空氣環(huán)境)的pH值大約為8。電導(dǎo)率反映了溶液中離子的濃度，實(shí)驗(yàn)組的電導(dǎo)率470 μS/cm明顯高于標(biāo)準(zhǔn)組106 μS/cm，說明實(shí)驗(yàn)組的溶蝕速率高。由圖8(a)得比溶蝕度為1.5～3.2，比溶解度為4.3～5.9。

圖8 靜態(tài)溶蝕指標(biāo)Fig.8 Static corrosion indicators

巖樣溶蝕量一直處于上下波動的狀態(tài)，40 d后，累計(jì)單位體積溶蝕量增長速度開始減慢。隨著溶蝕時間增加，巖樣表面變得粗糙后，巖樣表面的機(jī)械破壞量開始減少，而巖樣內(nèi)部不易發(fā)生機(jī)械破壞，因而單位體積總?cè)芪g量增加速率變緩。

圖9(a)顯示溶蝕前灰?guī)r發(fā)育極完善的解理，利于水進(jìn)行選擇性溶蝕。圖 9(b)顯示空氣中標(biāo)準(zhǔn)巖樣在溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)生一般程度溶蝕，方解石晶體被不同程度溶解，可觀察到礦物晶體棱角被圓化，出現(xiàn)直徑1～10 μm的溶孔。加入CO2氣體的實(shí)驗(yàn)樣，解理張開較大，呈鋸齒狀，沿解理發(fā)育有極為破碎的棱片狀礦物，通過能譜分析表明為方解石溶蝕殘留不溶物質(zhì)(圖9c)，并可見多組大致沿解理向發(fā)育溶孔(隙)組，局部可見溶蝕骨架(圖9d、e、f)，類似于宏觀巖溶通道。

所選灰?guī)r試樣化學(xué)成分中方解石含量高達(dá)85.07%，對比溶蝕前(圖9a)和不同程度溶蝕后(圖9b、c)SEM下灰?guī)r溶蝕形態(tài)，可見鏡下方解石晶體呈現(xiàn)不同程度溶解，方解石表面的選擇性吸附和溶蝕作用是方解石表面化學(xué)反應(yīng)的基本特征[12]，且溶蝕持續(xù)性進(jìn)程中游離Ca2+的濃度隨溶蝕量的增加而增加，因而表征淺部灰?guī)r溶蝕作用優(yōu)先選擇方解石進(jìn)行。

圖9 SEM 下灰?guī)r溶蝕形態(tài)Fig.9 Dissolution morphology of limestone under SEM

4 薄層和厚層灰?guī)r巖溶分布的對比分析

4.1 薄層和厚層灰?guī)r巖溶分布對比

薄層灰?guī)r巖溶受地層巖性、微地貌、CO2及水動力條件影響，呈現(xiàn)出與厚層灰?guī)r不同的巖溶發(fā)育特征和分布。以南方薄層灰?guī)r地層羅樓組(T1l)和大冶組(T1d)、厚層灰?guī)r地層茅口組(P2m)和棲霞組(P2q)為代表，對比分析其地層巖性、巖溶現(xiàn)象、介質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水空間、地質(zhì)模式及發(fā)育特征等，結(jié)果見表2。

溶蝕沿著裂隙導(dǎo)水帶發(fā)生，薄層灰?guī)r厚度較小，裂隙密集，溶蝕發(fā)育相對均勻，裂隙溶蝕后多有松散層充填物存在，呈溶隙—孔隙型含水和導(dǎo)水結(jié)構(gòu)。然而，厚層灰?guī)r巖質(zhì)堅(jiān)硬厚度大，裂隙數(shù)量少、規(guī)模大，溶蝕作用極不均勻，容易形成分異后的管道流，管道內(nèi)水動力強(qiáng)，往往無充填。此外，由于薄層灰?guī)r多含泥質(zhì)夾層，相對隔水，常形成多層水平溶蝕帶。在靠近山谷、水塘附近，水動力條件較好處出現(xiàn)小型無填充巖溶。厚層灰?guī)r夾層少，當(dāng)遇到泥質(zhì)夾層時，水量和水流均較大，為大型水平溶蝕管道形成創(chuàng)造了條件。

表2 薄層和厚層灰?guī)r巖溶分布的對比分析Table 2 Comparative analysis of karst distribution of thin and thick layer limestones

可溶巖是巖溶作用發(fā)生的基礎(chǔ)，水的溶蝕力和水的流動性是巖溶發(fā)育的必要條件。水中的CO2含量決定了水的溶蝕能力，厚層灰?guī)r發(fā)育區(qū)域，巖溶管道無充填，水樣游離CO2較薄層灰?guī)r發(fā)育區(qū)域高，地下水溶蝕更強(qiáng)。巖溶作用強(qiáng)度大的地方其土中CO2含量明顯要高，且土中CO2濃度遠(yuǎn)較空氣中高(10～60倍)[2,13-14]。然而，薄層灰?guī)r淺部巖溶分帶明顯，僅在表層地下水含有較多侵蝕性CO2，隨著深度增加，CO2濃度迅速越低，水的溶蝕能力減弱，溶蝕作用減弱。

4.2 薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育分布模型

依據(jù)前文研究區(qū)羅樓組薄層灰?guī)r巖溶特征研究，并結(jié)合薄層和厚層灰?guī)r巖溶分布的對比分析，得出薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育分布模型(圖10)。在薄層灰?guī)r層與含泥質(zhì)灰?guī)r層疊置中，土的滲透性對土下灰?guī)r的溶蝕作用產(chǎn)生影響，泥質(zhì)灰?guī)r層在巖溶過程中存在一定的隔水作用，不利于水和CO2的滲透。薄層灰?guī)r的強(qiáng)烈溶蝕作用主要發(fā)生在表層巖溶帶，由于薄層灰?guī)r層厚小而夾層多，極易發(fā)育均勻的微小溶蝕裂隙(圖10a)，巖溶水因重力作用選擇較大的孔隙擴(kuò)容下滲，然而當(dāng)溶蝕水沿裂隙下滲時遇泥化層時受阻會沿趨勢面流動，從而形成水平巖溶裂隙(圖10b)。隨著溶蝕作用進(jìn)一步發(fā)展，巖溶裂隙會逐步擴(kuò)大并貫通(圖10c)。由于薄層灰?guī)r層裂隙規(guī)模小、發(fā)育均勻，溶蝕裂隙在發(fā)育過程中容易被泥化層充填(圖10d)。泥質(zhì)灰?guī)r夾層的存在，水和CO2在垂向運(yùn)動受阻，因而會傾向于水平方向運(yùn)移，易在水平方向上形成貫通溶隙且被充填，在局部水動力條件好的地方會出現(xiàn)無填充巖溶，垂向深部發(fā)展時溶蝕作用逐步消散(圖10e)。該模型巖溶分布特征同實(shí)際勘察、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所得到的溶蝕特征一致，因此該模型符合薄層灰?guī)r淺部巖溶分布特征。

圖10 薄層灰?guī)r巖溶發(fā)育模式圖Fig.10 Mode of karst development of thin limestones

了解薄層灰?guī)r淺部巖溶的發(fā)育特征和分布模型，對于不同地區(qū)的同類型巖溶場地的勘察和基礎(chǔ)工程具有指導(dǎo)意義。例如在勘察工作方面，可依據(jù)巖溶發(fā)育特征選擇在沖溝兩側(cè)、有巖溶泉出露處加強(qiáng)巖溶空洞的勘察；泥質(zhì)條帶往往發(fā)育在頁巖層之上，故應(yīng)注意分辨泥、頁巖夾層、溶蝕殘積層巖芯，這對巖溶區(qū)域的工程勘察工作部署精度差異具有指導(dǎo)作用；在基礎(chǔ)工程選擇時，其埋深應(yīng)大于泥質(zhì)條帶發(fā)育深度。由于薄層灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)模較小，因此在巖溶發(fā)育區(qū)可利用碎石填充溶洞，無需過多復(fù)雜工程措施。

5 結(jié)論

(1)薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育程度與微地貌有關(guān)，位于山谷處的溶蝕作用較山脊處更為強(qiáng)烈；巖溶選擇地下水流集中和水交替能力強(qiáng)的部位發(fā)育，地下水強(qiáng)徑流帶巖溶溶蝕作用更為強(qiáng)烈。

(2)薄層灰?guī)r溶蝕作用優(yōu)先選擇方解石進(jìn)行，在巖石表面形成大小不等的溶孔，較溶蝕緩慢或不溶物更為凸起，使巖石表面粗糙，為侵蝕性溶液流動提供通道。

(3)薄層灰?guī)r巖溶較厚層灰?guī)r巖溶規(guī)模小，分布較為均勻，地表土體滲入地下巖體的地下水含有較多侵蝕性CO2水溶液，會促進(jìn)巖溶作用的進(jìn)行。

(4)薄層灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育分布模型為：由于薄層灰?guī)r層層厚小，極易發(fā)育均勻的微小溶蝕裂隙，巖溶水因重力作用選擇較大的孔隙擴(kuò)容下滲，然而當(dāng)溶蝕水沿裂隙下滲時遇泥化層時受阻會沿趨勢面流動，從而形成水平巖溶裂隙。隨著溶蝕作用發(fā)展，溶蝕裂隙在發(fā)育過程中容易被泥化層充填，夾層多易在水平方向上形成貫通溶隙且被充填，在局部水動力條件好的地方會出現(xiàn)無填充巖溶，垂向深部發(fā)展時溶蝕作用逐步消散。