基于GGIIISSS 的巖溶塌陷地質(zhì)模型評價方法探討
——以淮南市八公山地區(qū)為例

蔣金柱，蔣艷嬌

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站， 安徽合肥 230001）

0 引言

淮南煤炭礦區(qū)地處安徽省北部淮河中游地區(qū)，礦區(qū)面積約2800km2，礦區(qū)共分布各類煤礦80 多家，是我國主要煤炭能源基地之一。采礦至今，淮南煤田八公山礦區(qū)發(fā)生過不同程度的塌陷（圖1），塌陷破壞了城市建筑、管線和農(nóng)田，威脅鐵路、公路的正常運行和城鄉(xiāng)居民的生命財產(chǎn)安全，影響了居民的正常生活。

為了保護人民生命財產(chǎn)安全，巖溶塌陷的研究越來越受到重視。近年來，國內(nèi)專家學者大多致力于國內(nèi)巖溶塌陷宏觀分布規(guī)律、巖溶塌陷成因機制、巖溶塌陷的模型構(gòu)建、基于GIS平臺的數(shù)據(jù)庫建設(shè)等方面研究?；茨系貐^(qū)巖溶塌陷研究，主要圍繞露頭區(qū)和淺部隱伏埋藏區(qū)。本文在充分調(diào)研國內(nèi)外巖溶發(fā)育條件及控制因素基礎(chǔ)上，開展淮南八公山地區(qū)巖溶地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查，總結(jié)和歸納了露頭區(qū)及隱伏區(qū)的巖溶發(fā)育特征，分析和研究了控制巖溶發(fā)育的主要因素，并采用GIS方法，構(gòu)建了巖溶塌陷地質(zhì)模型，開展基于GIS的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分。

1 基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境背景

圖1 淮南煤田八公山礦區(qū)巖溶塌陷分布圖Figure 1. Distribution map of karst collapse in Bagongshan mining area of Huainan coalfield

研究區(qū)位于華北板塊南緣，遭受多期次構(gòu)造地質(zhì)作用和風化剝蝕作用，地質(zhì)及水文條件極其復雜，區(qū)域構(gòu)造主體為近東西向的復向斜構(gòu)造，由北至南可分為三個次級構(gòu)造帶：明龍山—上窯構(gòu)造帶、淮南扇形復向斜帶和八公山—舜耕山構(gòu)造帶。其中以八公山—舜耕山斷裂帶為主，走向為近東西或北北西向，傾向南，傾角上部較陡，往深部變緩，斷裂帶寬度幾米至50m不等。研究區(qū)受多期構(gòu)造運動影響，區(qū)內(nèi)還發(fā)育有阜李斷裂、阜鳳斷裂、舜耕山斷裂、山王集斷裂等較大斷裂及古溝向斜等。

研究區(qū)地層總體與華北大區(qū)地層相似。根據(jù)區(qū)域地層出露及鉆孔揭示，研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖主要分布在寒武系、奧陶系以及石炭系，而巖溶多發(fā)育于后寒武系和奧陶系。

研究區(qū)大氣降水是地下水主要補給來源。區(qū)內(nèi)多年平均降水量900mm，雨量充沛，降雨多集中在春夏兩季。寒武系、奧陶系、石炭系的灰?guī)r直接裸露或半裸露分布區(qū)，是地表水入滲的直接通道。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 裸露區(qū)巖溶發(fā)育特征

碳酸鹽巖裸露區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，CaO/SiO2比值大者，巖溶通常強烈發(fā)育。質(zhì)純層厚的奧陶系馬家溝組（O1m）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為裸露區(qū)巖溶強烈發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。地表巖溶形態(tài)發(fā)育，多形成溶洞、溶溝、溶槽等巖溶微地貌。

區(qū)內(nèi)SiO2含量超過20%的地層中巖溶發(fā)育。如寒武系張夏組地表風化剝蝕強烈，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖溶形態(tài)特征較明顯，地表未見有溶溝、溶槽（圖2～圖5）。

圖2 八公山張夏組鮞?；?guī)r巖溶發(fā)育特征Figure 2. Karst development characteristics of Oolitic Limestone in Zhangxia formation in Bagongshan

圖3 八公山水泥廠南西側(cè)張夏組巖溶發(fā)育特征Figure 3. Karst development characteristics of the Zhangxia Formation on the southwest side of the Bagongshan cement plant

圖4 八公山地質(zhì)公園毛莊組巖溶發(fā)育特征Figure 4. Karst development characteristics of the Maozhuang Formation in the Bagongshan Geopark

圖5 八公山碳酸鹽巖巖溶發(fā)育特征Figure 5. Karst development characteristics of carbonate rocks in Bagongshan

2.2 覆蓋區(qū)巖溶發(fā)育特征

根據(jù)鉆孔揭露，覆蓋區(qū)內(nèi)的灰?guī)r巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙、溶孔為主?，F(xiàn)分述如下：

2.2.1 李一礦—謝一礦巖溶發(fā)育特征

李一礦—謝一礦灰?guī)r巖溶形態(tài)主要是溶蝕裂隙和溶孔。巖溶發(fā)育較強的是厚度較大的地層。其巖溶發(fā)育特征：

（1）沿碳酸鹽巖層面巖溶溶隙較發(fā)育。-600m以深水平石門于碳酸鹽巖層底發(fā)育平行于地層走向的溶隙，并有涌水。

（2）構(gòu)造發(fā)育處巖溶較發(fā)育。涌水量大于10m3/h的鉆孔大都分布在小斷層發(fā)育處。

（3）巖溶發(fā)育程度隨深度增加而減弱。

2.2.2 新莊孜礦巖溶發(fā)育特征

新莊孜礦灰?guī)r巖溶形態(tài)主要是溶蝕裂隙和溶孔，且以溶蝕裂隙為主。構(gòu)造薄弱帶的灰?guī)r巖溶化發(fā)育，有多個巖溶裂隙和溶裂通道，存在有多條尺度不同的巖溶導水通道。

2.2.3 李嘴孜礦巖溶發(fā)育特征

李嘴孜礦巖溶多發(fā)育在奧陶系和石炭系太原組中。

（1）奧陶系灰?guī)r由白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r和白云巖等組成，總厚225～270m。巖溶主要發(fā)育為溶隙、次為溶孔和溶洞，鉆孔可見溶洞高度0.23～9.15m，平均巖溶率為2.51%。巖溶發(fā)育不均一，總體隨深度增加而遞減，-450～-850m 標高段巖溶不發(fā)育。

（2）石炭系太原組由石灰?guī)r及含白云質(zhì)灰?guī)r組成，厚101～127m。巖溶主要發(fā)育為溶隙、次為溶孔和溶洞，鉆孔可見溶洞高度0.10～3.43m，平均巖溶率為0.897%，巖溶發(fā)育不均一，總體隨深度增加而遞減。

2.2.4 孔集礦巖溶發(fā)育特征

（1）巖溶平面分布特征：孔集礦巖溶發(fā)育的平面分布是不均一的，其奧陶系灰?guī)r西部巖溶發(fā)育，石炭系太原組灰?guī)r東部巖溶發(fā)育。

（2）不同組的巖溶發(fā)育特征：通過對不同灰?guī)r層鉆孔溶洞空洞率、能見溶洞率、鉆孔漏水率和巖溶率的比較曲線可知：發(fā)育程度為奧陶系灰?guī)r巖溶最強，其次是寒武系灰?guī)r，最差的是石炭系太原組灰?guī)r，巖溶率分別為2.51%，1.71%，0.897%；在太原組灰?guī)r中，巖溶發(fā)育最強的為，其次為，最差的為，巖溶率分別為2.95%，0.746%，0.216%。如圖6所示。

圖6 不同層組巖溶比較曲線Figure 6. Comparison curves of karsts in different strata

（3）隨深度變化的特征：巖溶現(xiàn)象發(fā)育在淺部，0～-60m 由上到下發(fā)育減弱，但并不是隨深度的增加而減少；-300～-400m 仍然有奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育；-450～-850m奧陶系灰?guī)r巖溶均不發(fā)育。

（4）巖溶與構(gòu)造的關(guān)系：斷層交叉地帶巖溶最發(fā)育，其次是倒轉(zhuǎn)及傾斜地層背斜軸附近，最弱的是斷層尖滅端；斷層下盤巖溶發(fā)育弱于上盤。

3 基于GIS的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分

3.1 巖溶塌陷易發(fā)性評價方法

本次評價采用ArcGIS劃分評價單元和定性與定量相結(jié)合的方法。根據(jù)巖溶塌陷發(fā)育特征、發(fā)育背景及發(fā)育現(xiàn)狀，以及巖溶塌陷形成機理等確定評價因子；利用層次分析法確定各因子權(quán)重；利用綜合指數(shù)法進行巖溶塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性評價。

評價流程：在不同的評價單元上采取各評價因子量化數(shù)值，用數(shù)學評價模型計算出各評價單元的巖溶塌陷易發(fā)程度指數(shù)，通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)化處理進行巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)[1]。巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)結(jié)果經(jīng)專家審核，不符合實際的應重新調(diào)整權(quán)重進行評價。本次巖溶塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性評價主要評價流程見評價流程圖（圖7）。

圖7 巖溶塌陷易發(fā)性評價流程圖Figure 7. Flow chart of evaluation of karst collapse susceptibility

3.1.1 評價因子確定

在充分分析研究區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)環(huán)境狀況基礎(chǔ)上，依據(jù)以下原則進行評價因子的選?。?/p>

（1）從巖溶塌陷的形成機理出發(fā)，選取影響巖溶塌陷的內(nèi)在因素作為評價指標；同時考慮反映巖溶塌陷發(fā)生潛能的指標，比如巖溶塌陷頻數(shù)比等。

（2）評價指標要選取基礎(chǔ)資料完整性較好，且便于定量分析。

（3）評價因子要代表全面，且與巖溶塌陷關(guān)聯(lián)性較好；各因子能代表不同的層次且相互獨立。

本次研究選取了表1 中4 個條件6 個因子作為評價因子。

3.1.2 評價因子權(quán)重確定

本次巖溶塌陷易發(fā)性評價因子權(quán)重確定采用層次分析法。本方法基本原理首先是把所有問題進行層次化處理，即按問題的性質(zhì)及與總目標關(guān)系將問題分解處理為不同層次，構(gòu)建一個多層次的分析模型[2]。其具體步驟如下：

（1）建立包括目標層和指標層的模型層次結(jié)構(gòu)。其中目標層是巖溶塌陷易發(fā)程度和危險程度等；指標層是巖溶發(fā)育情況、松散層覆蓋條件、地下水條件等影響巖溶塌陷因子。

表1 巖溶地面塌陷評價因子表Table 1. Evaluation factors of karst surface collapse

（2）建立判斷矩陣（公式1），分析比較同一層諸因素與某一特定因素的相對關(guān)系。設(shè)D層次中的元素D1，D2，D3……，Dn與上層次C中的元素Ck有關(guān)系。通過標度方式打分分析比較不同因素，根據(jù)其重要程度則賦以不同的值，見表2。

表2 判斷矩陣元素Ck的1～9標度方法Table 2. 1～9 scaling method of judgment matrix element Ck

（3）根據(jù)建立的要素指數(shù)劃分表計算各級別因子有序權(quán)向量，并進行歸一化處理，確定處理計算系統(tǒng)評分規(guī)則。

（4）由于客觀事件復雜性及對事物認識的片面性，所以構(gòu)造判斷矩陣不一定是一致性矩陣，但當偏離一致性過大時，會導致一些問題的產(chǎn)生。故需進行一致性檢驗。

平均隨機一致性指標RI見表3。

表3 1～9階矩陣平均隨機一致性指標值（n代表維數(shù)）Table 3. Average random consistency index value of matrix of order 1 to 9（n represents dimension）

一致性指標（CI）的公式為：

其CR=CI/RI值判斷矩陣一致性標準是：

CR＜0.1：一致性很好，則判斷合理；

CR=0.1：一致性較好，屬判斷較合理；

CR＞0.1：不符合一致性原則，需重新調(diào)整，調(diào)整到滿意為止。

3.1.3 巖溶塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性評價

利用綜合指數(shù)法進行巖溶塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性評價。綜合指數(shù)法數(shù)學評價模型為：

式中：Pi—第i單元的易發(fā)性指數(shù)；

i—評價單元；

j—評價因子；

aj—第j個評價因子在第i評價單元的賦值；

wj—第j個評價因子的權(quán)重。

3.2 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)評價

3.2.1 評價單元劃分

采用正方網(wǎng)格劃分法對研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行評價單元劃分。劃分網(wǎng)格的大小以保證大多數(shù)與巖溶塌陷相關(guān)的地質(zhì)信息能編入圖中。將劃分的評價單元網(wǎng)格面積為0.04km2（200m×200m）進行剖分，共劃分1551個評價方格。

3.2.2 指標及權(quán)重量化

采取層次分析法確定各判斷因子權(quán)重，以量化值1、2、3對應指標弱、中、強。根據(jù)巖溶塌陷易發(fā)性模型（圖8），對比研究區(qū)巖溶塌陷實際情況作出調(diào)整，按九標度構(gòu)建權(quán)重分析矩陣（表4），算出各判別因子量值和權(quán)重（表5）。判斷矩陣一致性比例：0.0644<0.1，滿足一致性檢驗。

圖8 巖溶塌陷易發(fā)性評價層次模型Figure 8. Hierarchical model for evaluation of karst collapse risk

表4 巖溶地面塌陷易發(fā)性評價判斷指標Table 4. Evaluation indexes of karst surface collapse risk

表5 巖溶地面塌陷評價指標量化表Table 5. Quantization table of evaluation indexes of karst surface collapse

3.2.3 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)評價

依據(jù)易發(fā)性綜合指數(shù)Pi值劃分不同等級的巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)：Pi>2.4 為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)；1.9

按照表6 確定的單元等級對疊加結(jié)果進行重分類，從而形成巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖。研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度劃分為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)等3個區(qū)。分區(qū)結(jié)果見表7和圖9。

表6 易發(fā)性等級分級Table 6. Rating table of risks

表7 研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)Table 7. Zoning of karst collapse risks in the study area

圖9 研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性評價分區(qū)圖Figure 9. Zoning of evaluated risks of karst collapse in the study area

4 結(jié)語

本文對淮南八公山一帶巖溶發(fā)育特征、控制因素、成因機制及巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)的劃分等進行了分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）巖溶發(fā)育是巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水徑流共同作用產(chǎn)生的結(jié)果，其中巖性為厚層狀灰?guī)r的巖溶發(fā)育、巖性為白云質(zhì)灰?guī)r的巖溶發(fā)育次之；地質(zhì)構(gòu)造控制著巖溶發(fā)育層位，在斷層和褶皺部位巖溶較發(fā)育，尤其在斷裂交匯處巖溶發(fā)育。

（2）裸露區(qū)巖溶形態(tài)特征主要有溶溝、溶洞、溶隙等，巖溶發(fā)育地層有寒武系饅頭組、毛莊組和張夏組。隱伏區(qū)石炭系太原組組灰?guī)r較組灰?guī)r巖溶發(fā)育，但是溶蝕發(fā)育程度是向下減弱并非隨深度增加而遞減，往下仍可見發(fā)育規(guī)模較大的溶洞。奧陶系灰?guī)r淺部巖溶較深部發(fā)育，溶蝕發(fā)育程度隨埋藏深度增加而遞減。

（3）采用ArcGIS 劃分評價單元和定性與定量相結(jié)合的方法。根據(jù)巖溶塌陷發(fā)育特征、發(fā)育背景及發(fā)育現(xiàn)狀、巖溶塌陷形成機理等確定塌陷坑密度、巖溶發(fā)育程度、松散層厚度、結(jié)構(gòu)、第四系底部巖性、地下水年變幅等6個評價因子；利用層次分析法確定各因子權(quán)重，利用綜合指數(shù)法進行巖溶塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性評價。

（4）開展基于GIS 的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分，采用正方網(wǎng)格劃分法對研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行評價單元劃分，劃分的評價單元網(wǎng)格面積為0.04km2（200m×200m），共劃分1551 個評價方格。將研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)。