東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特征及主控因素確定

李飛飛，郭紅梅

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

巖溶是可溶巖在水的化學(xué)溶蝕作用下，伴隨水流的沖蝕、侵蝕等機(jī)械作用形成的地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶區(qū)地質(zhì)條件通常比較復(fù)雜，由巖溶引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往具有隱蔽性和突發(fā)性的特點。在巖溶區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時，由于巖溶破壞了基巖的完整性，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度和承載力大幅度降低，常常會引發(fā)地面塌陷、不均勻沉降等變形破壞，影響工程建設(shè)的安全[1-2]。

黃山市位于安徽省最南部，地處皖浙贛三省交界處，被稱為“三省通衢”，黃山獨特的花崗巖山體，有著“天下第一奇山”的美譽。目前前人對黃山地區(qū)的研究多集中于花崗巖地貌景觀及構(gòu)造運動，而對區(qū)內(nèi)巖溶的研究少之又少，僅在80年文獻(xiàn)[3-4]對整個皖南山區(qū)溶洞發(fā)育規(guī)律和巖溶洞穴形成原因進(jìn)行了初步探討和研究，然其相隔時間較遠(yuǎn)，且針對黃山地區(qū)的巖溶發(fā)育特征未曾提及。自60年代中期安徽省地礦局各地質(zhì)隊與各大科研院所陸續(xù)開始對黃山市開展區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)災(zāi)害評估工作，對黃山市部分區(qū)縣地表巖溶現(xiàn)象進(jìn)行了描述，但，研究精度不高、針對性不強(qiáng)。

由于影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復(fù)雜，多年來眾多學(xué)者對巖溶發(fā)育機(jī)理、分布規(guī)律、巖溶危險性預(yù)測評價等方面做了大量工作。文獻(xiàn)[5]在武漢市1:5萬巖溶塌陷調(diào)查成果基礎(chǔ)上，從影響武漢市巖溶發(fā)育的7個方面總結(jié)了典型地區(qū)巖溶發(fā)育特征；文獻(xiàn)[6]通過對無錫市區(qū)埋藏性巖溶采用地質(zhì)分析和跨孔CT方法，對無錫地鐵隧道穿越區(qū)巖溶發(fā)育特征及控制因素進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[7]通過對貴州某機(jī)場巖溶成因機(jī)制、分布規(guī)律進(jìn)行了探討和分析，對場地巖溶發(fā)育特征進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]采用工程地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探、高密度電法等手段對云湛高速公路復(fù)雜的巖溶地質(zhì)問題進(jìn)行綜合勘察，查明了場區(qū)巖溶發(fā)育特征。目前，隨著巖溶理論水平和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對巖溶區(qū)危險性評價主要涉及主控因素的選取和評價方法的選擇[9-11]、巖溶塌陷的危險性評價[12-15]等方面，對巖溶的研究更趨于多元化和科學(xué)性。

巖溶發(fā)育是多因素長期相互作用的結(jié)果，其發(fā)育過程多表現(xiàn)為具有復(fù)雜形成機(jī)理的非線性動力現(xiàn)象。目前，針對黃山各區(qū)縣巖溶的分布特征和發(fā)育規(guī)律尚無系統(tǒng)研究，因此，本次研究依托東黃山國際小鎮(zhèn)項目，在查閱區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)調(diào)查、鉆探和物探相結(jié)合的方法，統(tǒng)計分析東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特征及規(guī)模，對研究區(qū)巖溶在水平和垂直方向的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對影響研究區(qū)巖溶發(fā)育的主控因素進(jìn)行確定。研究成果對巖溶區(qū)建設(shè)規(guī)劃具有重要的參考和指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

東黃山國際小鎮(zhèn)位于黃山市黃山區(qū)，屬皖南山區(qū)腹地，東接旌德，南依湯口，西鄰黃山風(fēng)景名勝區(qū)，被稱為黃山的東大門。目前規(guī)劃建設(shè)的東黃山國際小鎮(zhèn)位于皖南“三山三湖”山水觀光旅游發(fā)展帶，是皖南文化旅游發(fā)展的核心。東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施配套工程建設(shè)主要包括道路工程、給水、排水管網(wǎng)工程、污水廠和自來水廠、客運中心站和核心區(qū)公交場站、河道治理等工程。

黃山區(qū)位于皖南山區(qū)中東部，地貌為低山、丘陵和平原，研究區(qū)所在微地貌類型為丘陵和山間谷地，整體地形為南高北低，屬于典型的沖洪積沉積地層(見圖1)。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3℃，年降雨量2 058mm，境內(nèi)水資源豐富，河流縱橫分布，主要河流為麻川河及其支流。區(qū)內(nèi)構(gòu)造單元屬于揚子準(zhǔn)地臺江南過渡帶太平復(fù)向斜北翼，自古生代以來，經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動，形成了比較復(fù)雜的褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造形跡，主要有譚家橋向斜和譚家橋斷裂。譚家橋斷裂為一條走向NEE向的壓型斷裂，傾向南東，地質(zhì)構(gòu)造控制著場區(qū)地下水運移方向以及巖溶的發(fā)育規(guī)模和發(fā)育方向。區(qū)內(nèi)地層屬揚子地層區(qū)江南地層分區(qū)的廣德—黃山地層小區(qū)，區(qū)域地層主要有第四系黏性土和砂卵石層，分布于山間谷地、河谷兩側(cè)低洼地帶，呈條帶狀。下伏基巖主要有寒武系荷塘組碳質(zhì)板巖，寒武系西陽山組、華嚴(yán)寺組灰?guī)r，奧陶系印渚埠組泥巖、頁巖。其中，寒武系西陽山組灰?guī)r，呈青灰色，主要分布在研究區(qū)中部和北部，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層～中厚層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見方解石脈。在構(gòu)造運動和地下水流侵蝕作用下，巖溶裂隙、洞穴發(fā)育，溶洞充填物主要為軟塑狀粉質(zhì)黏土和砂礫石。地表溶蝕現(xiàn)象較為明顯，發(fā)育有溶蝕裂隙和地表溶洞，規(guī)模較小。區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，其中，第四系松散巖類孔隙水主要賦存在基巖上方的砂卵石地層中，與基巖裂隙水和裂隙巖溶水存在直接水力聯(lián)系。地下水流向與研究區(qū)地形地貌大致一致，總體為自南至北流。

圖1 研究區(qū)三維地貌示意圖

2 巖溶發(fā)育發(fā)育特征

對研究區(qū)地表巖溶開展地質(zhì)調(diào)查，對區(qū)內(nèi)地表溶蝕裂隙、溶溝、溶洞發(fā)育情況進(jìn)行記錄和整理；采用高密度電法物探手段對地下巖溶發(fā)育范圍進(jìn)行探查，結(jié)合巖溶發(fā)育區(qū)鉆孔揭露情況，進(jìn)一步確定研究區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)模和發(fā)育特征?？傮w而言，研究區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模不大，空間分布不均，可將研究區(qū)巖溶發(fā)育類型劃分為裸露型和覆蓋型兩類。

2.1 地表巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)巖溶發(fā)育主要以地下為主，地表溶蝕現(xiàn)象主要集中在麻川河?xùn)|部出露，其主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙、溶洞，局部可見鈣化現(xiàn)象(見圖2～圖3)。 經(jīng)現(xiàn)場量測， 溶蝕裂隙寬度大小不等， 一般寬約3～7cm，部分裂隙較大，可達(dá)15～20cm，與區(qū)內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理面發(fā)育方向基本一致；地表溶洞主要在裸露山體底部發(fā)育，規(guī)模較小，形態(tài)不一，主要由地表水流沿裂隙通道在山體底部匯集、沖刷、溶蝕形成。

圖2 灰?guī)r山體溶蝕裂隙(寬3～5cm)

圖3 灰?guī)r山體發(fā)育溶洞(寬10cm，長16cm)

2.2 地下巖溶發(fā)育特征

根據(jù)鉆孔揭露巖溶情況，地下巖溶發(fā)育類型主要為溶洞、溶蝕裂隙和小溶孔等，大多在埋深5～15m范圍內(nèi)揭露，沿可溶巖和非可溶巖接觸帶、斷層影響帶以及地表水體分布。本次東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項目共收集854個勘探孔，其中有71個勘探孔揭露溶洞，揭露溶洞數(shù)117個，全區(qū)遇洞率為8.2%(見圖4)。

圖4 研究區(qū)鉆孔揭露溶洞情況統(tǒng)計圖

通過對鉆孔揭露巖溶情況統(tǒng)計分析，溶洞為垂向多層串珠狀溶洞，一般為2～3層，最多達(dá)5層。溶洞充填物情況具有一定的差異性，主要表現(xiàn)為河流附近溶洞充填物主要為砂礫石，且鉆孔揭露時洞內(nèi)水量較大；可溶巖與非可溶巖交接帶揭露溶洞充填多為灰黑色風(fēng)化巖巖屑或第四系軟塑狀粉質(zhì)黏土；研究區(qū)北部遠(yuǎn)離河流區(qū)域揭露溶洞多為無充填空洞或半充填軟塑狀粉質(zhì)黏土。揭露溶洞洞高一般為0.1～3.0m，個別洞高達(dá)4.0m以上，溶洞頂部基巖較為破碎，溶蝕裂隙發(fā)育(見圖5)，溶蝕裂隙為地下水的滲流通道，在地下水的流動侵蝕作用下，裂隙不斷擴(kuò)大，誘使溶洞進(jìn)一步發(fā)育。根據(jù)統(tǒng)計分析，溶洞底高程主要在180～189m和190～199m兩個個高程段(見圖6)，與平面上分布的2個走向NEE且相互獨立的巖溶強(qiáng)發(fā)育條帶相對應(yīng)。通過與麻川河各斷面河床實測高程對比，研究區(qū)中部河床高程為199.6m左右，下游河床高程為187.4m左右，2個巖溶強(qiáng)發(fā)育條帶與研究區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面相對應(yīng)。

圖5 鉆孔揭露溶洞

圖6 溶洞發(fā)育高程分布圖

2.3 巖溶發(fā)育分布規(guī)律

由于區(qū)內(nèi)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水動力條件控制，使得巖溶發(fā)育在平面和垂直方向具有一定的差異性，呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。根據(jù)鉆孔揭露和高密度電法探測成果，巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)主要集中在研究區(qū)中部和北部，南部發(fā)育規(guī)模較小，水平方向上表現(xiàn)為2條走向NEE沿河流分布的強(qiáng)發(fā)育條帶，面積約0.4km2，占研究區(qū)總面積的5%，與區(qū)內(nèi)譚家橋斷裂走向基本一致。麻川河河床為區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面，亦是地下水與地表水交替最頻繁地區(qū)，巖溶較為發(fā)育。此外，在碳質(zhì)板巖與灰?guī)r接觸帶巖溶也存在巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)(見圖7)。

圖7 溶洞發(fā)育分區(qū)圖

根據(jù)物探探測和鉆孔揭露情況， 巖溶主要在埋深20m范圍內(nèi)發(fā)育， 20m以下未揭露巖溶發(fā)育。 經(jīng)統(tǒng)計，巖溶在垂直方向上具有多層性，在埋深0～20m范圍內(nèi)可以劃分出4個不同的巖溶發(fā)育帶，即埋深0～5m弱發(fā)育帶， 埋深6～10m強(qiáng)發(fā)育帶， 埋深11～15m中等巖溶發(fā)育帶， 埋深16～20m弱巖溶發(fā)育帶(見圖8)。垂向上表現(xiàn)為隨著埋深的增加，巖溶發(fā)育強(qiáng)度逐漸減弱的趨勢。

圖8 溶洞發(fā)育埋深分布圖

3 巖溶發(fā)育主控因素分析

影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復(fù)雜，且各因素之間相互影響、相互制約。近年來眾多學(xué)者對影響巖溶發(fā)育的主控因素進(jìn)行了研究和總結(jié)，主要包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件、沉積環(huán)境等多方面因素[16-18]。本次研究通過對東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特點進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合高密度電法探測和鉆孔揭露情況，確定了東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育的主控因素主要有地形地貌、地層巖性、地下水、地表水和地質(zhì)構(gòu)造。

3.1 地形地貌

研究區(qū)南部主要為丘陵，中部和北部為山間谷地，整體地形為南高北低，水流集中向中北部匯集，區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面位于麻川河河床。 地形越平緩越有利于大氣降雨的匯集、下滲，大氣降雨通過山前補給往低平谷區(qū)徑流、排泄，使得低平谷區(qū)淺層地下水運動強(qiáng)烈，地下水侵蝕作用加強(qiáng)，進(jìn)一步加大地下水對可溶巖的溶蝕。地形地貌往往控制巖溶發(fā)育的不均勻性，因此，研究區(qū)南部丘陵地區(qū)巖溶不發(fā)育或局部微發(fā)育，中部和北部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

3.2 地層巖性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔揭露，研究區(qū)南部主要為寒武系荷塘組碳質(zhì)板巖，局部零星分布寒武系西陽山組灰?guī)r，中部和南部大面積分布寒武系灰?guī)r，東部局部分布奧陶系印渚埠組泥巖。從巖溶發(fā)育的平面分布來看，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育主要集中在中部和北部，南部巖溶零星發(fā)育，與碳酸鹽巖分布一致。因此，碳酸鹽巖為巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)，且不同巖性組合影響巖溶的發(fā)育程度，在南部和中部，碳質(zhì)板巖與灰?guī)r交接地帶，存在巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，表明在可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

3.3 地下水

地下水為巖溶發(fā)育提供了動力條件，地下水沿著構(gòu)造裂隙流動，在地下水的流動侵蝕作用下，裂隙不斷擴(kuò)大，致使巖溶進(jìn)一步發(fā)育；同樣，巖溶的進(jìn)一步發(fā)育，為地下水的侵蝕流動提供了更廣闊的溶蝕通道，使得地下水的溶蝕作用更加強(qiáng)烈，進(jìn)一步加大溶蝕裂隙的擴(kuò)張、發(fā)育。本區(qū)巖溶發(fā)育主要位于中北部山間谷地，一般為地下水的強(qiáng)徑流排泄區(qū)，地下水流動較快，地下水水位波動較大，溶蝕作用強(qiáng)烈，有利于巖溶的發(fā)育。南部為地下水的山前補給區(qū)，為地下水的徑流源源不斷提供水源，巖溶發(fā)育相對較弱。此外，第四系松散巖類孔隙水與裂隙巖溶水存在一定的水力聯(lián)系，也是裂隙巖溶水的補給來源，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，巖溶發(fā)育區(qū)松散巖類孔隙水中侵蝕性CO2最高為8.8mg/L，濃度較高，表明地下水侵蝕作用強(qiáng)烈。

3.4 地表水

研究區(qū)地表水主要為麻川河及其支流，麻川河為黃山區(qū)內(nèi)最大的河流，整體流向為自南向北，水位受季節(jié)性影響較大，主要受大氣降水和上游支流河水補給，向河流下游排泄。河底無襯砌，河水與地下水之間存在直接水力聯(lián)系。本區(qū)巖溶發(fā)育水平方向主要表現(xiàn)為沿麻川河及支流分布的特征，區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面位于麻川河河床，屬于地下水的強(qiáng)徑流和排泄區(qū)，地表水和地下水集中向麻川河徑流、排泄，靠近河流處地下水和地表水之間水循環(huán)交替活躍，溶蝕作用強(qiáng)烈。由于河流水位受大氣降雨影響較大，河流水位波動較大，靠近河流處地下水水位變幅較大，進(jìn)一步加大地下水的侵蝕作用。

3.5 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造控制著巖溶的發(fā)育規(guī)模和發(fā)育方向。一方面地質(zhì)構(gòu)造破壞了巖體的完整性，使巖層產(chǎn)生位移或裂隙，提高了巖層的透水性，加強(qiáng)了對可溶巖的溶蝕破壞；另一方面，構(gòu)造運動改變了可溶巖與非可溶巖的接觸組合關(guān)系，控制著地下水的運移和富集，從而控制著巖溶的發(fā)育方向。研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要有譚家橋向斜和譚家橋斷裂，區(qū)內(nèi)2條走向NEE的巖溶強(qiáng)發(fā)育條帶，與譚家橋斷裂走向基本一致。在裸露型巖溶出露的區(qū)域，溶蝕裂隙和地表溶洞較為發(fā)育，與區(qū)內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理面走向基本一致。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)巖溶發(fā)育以覆蓋型為主，巖溶發(fā)育總體規(guī)模不大，空間分布不均，主要集中在研究區(qū)中部和北部。地表溶蝕現(xiàn)象主要集中在麻川河?xùn)|部出露，主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙、溶洞，其發(fā)育方向與區(qū)內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理面方向基本一致。

(2)研究區(qū)揭露溶洞垂向上具有分層性，以多層串珠狀溶洞為主，埋深6～10m為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，垂向上表現(xiàn)為隨著埋深的增加，巖溶發(fā)育強(qiáng)度逐漸減弱的趨勢。水平方向上表現(xiàn)為2條走向NEE沿河流分布的強(qiáng)發(fā)育條帶，面積約0.4km2，占研究區(qū)總面積的5%，巖溶強(qiáng)發(fā)育條帶與區(qū)內(nèi)譚家橋斷裂走向基本一致。

(3)根據(jù)鉆孔揭露，溶洞底高程主要在180～189m和190～199m兩個高程段，與區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面麻川河河床高程相對應(yīng)。總體而言，在可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，麻川河及支流附近地表水和地下水交替循環(huán)強(qiáng)烈區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)譚家橋斷裂影響區(qū)域巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

(4)巖溶發(fā)育特征和規(guī)模主要受研究區(qū)地形地貌、地層巖性、地下水補徑排條件、地表水、地質(zhì)構(gòu)造5個因素的影響。其中：碳酸鹽巖為巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)，地形地貌控制巖溶發(fā)育的不均勻性，地下水為巖溶發(fā)育提供了動力條件，區(qū)內(nèi)地表水和地質(zhì)構(gòu)造控制巖溶的發(fā)育方向和規(guī)模。