武漢都市發(fā)展區(qū)巖溶發(fā)育基本特征及地面塌陷易發(fā)程度劃分

彭華中

(武漢市勘察設(shè)計有限公司,湖北 武漢 430022)

武漢市位于江漢平原東部,全境面積約8 494 km2,石灰?guī)r分布面積約1 100 km2,約占該市面積的12.9%[1]。武漢市歷史上出現(xiàn)了20多次巖溶塌陷,給人民的生命及財產(chǎn)造成了較大的損失。巖溶地質(zhì)災(zāi)害為危害城區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害之一,引起許多專家、學(xué)者及工程技術(shù)人員的重視及研究。羅小杰對淺層巖溶發(fā)育規(guī)律及巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的研究與探討,范士凱[2]對巖溶塌陷分布及成因機(jī)制進(jìn)行總結(jié)。本文依托前人研究成果及所搜集巖溶區(qū)鉆孔資料進(jìn)行了綜合統(tǒng)計,分析了巖溶的基本特征,并對區(qū)內(nèi)典型的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)及巖溶塌陷易發(fā)程度進(jìn)行了劃分。

1 碳酸鹽巖分布規(guī)律

結(jié)合前期研究[3-5]并綜合收集鉆孔資料,將武漢都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖的分布劃分為六個條帶：天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶及漢南條帶。碳酸鹽巖條帶分布見圖1,各條帶規(guī)模見表1。

這些碳酸鹽巖條帶一般具有以下特征：

(1) 碳酸鹽巖的分布明顯受線狀褶皺構(gòu)造控制,一般呈北西—南東向展布的條帶狀。

(2) 在每個條帶上基本均存在三種不同時代的碳酸鹽巖,三疊系大冶組發(fā)育在向斜的核部,一般也較寬,二疊系棲霞組和石炭系黃龍組分布在向斜的翼部,一般寬度不超過0.5 km。

圖1 武漢都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖條帶分布圖

(3) 相鄰的碳酸鹽巖條帶之間被以志留系墳頭組碎屑巖核部背斜分隔,使得每個條帶之間相互獨立。

(4) 在同一碳酸鹽巖條帶上,大冶組與棲霞組之間一般被三疊系龍?zhí)督M和大隆組碎屑巖隔斷,而棲霞霞組與黃龍組之間則一般由于船山組、梁山組地層的缺失而呈現(xiàn)直接接觸的關(guān)系。

表1 武漢都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖條帶分布規(guī)模

2 巖溶發(fā)育規(guī)律

(1) 巖溶發(fā)育程度。巖溶發(fā)育程度是指碳酸鹽巖遭受巖溶作用的程度,工程實際中用鉆孔遇洞率和線巖溶率描述巖溶發(fā)育程度。

根據(jù)對各年代碳酸鹽巖鉆孔遇洞率和線巖溶率統(tǒng)計。鉆孔遇洞率黃龍組(C2h)最大,棲霞組(P2q)居中,大冶組(T1d)最小,依次為36.1%、34.2%、18.5%;鉆孔線巖溶率棲霞組最大,黃龍組居中,大冶組最小,依次為7.62%、7.25%、3.61%。上述統(tǒng)計結(jié)果表明黃龍組及棲霞組較大冶組碳酸鹽巖巖溶發(fā)育。

(2) 溶洞形態(tài)特征。武漢地區(qū)巖溶由地下水垂直滲流產(chǎn)生,主要形態(tài)類型表現(xiàn)為溶洞、溶溝和溶槽洞等。根據(jù)不同時代碳酸鹽巖溶洞高度統(tǒng)計,洞高在2 m以內(nèi)的小型溶洞,達(dá)到1 562個,占到總數(shù)的68.24%;洞高>6 m的溶洞個數(shù)僅為160個,占總數(shù)的7.82%,表明武漢地區(qū)碳酸鹽巖中溶洞發(fā)育規(guī)模的特征以小型為主,大型較為少見。

(3) 溶洞充填類型。溶洞充填類型分為全充填、半充填和無充填3種,根據(jù)溶洞充填類型統(tǒng)計(表2),全充填溶洞占總?cè)芏磾?shù)的57.72%;其次為無充填溶洞,占比33%,半充填溶洞數(shù)量相對較少。溶洞充填物主要為粘性土、粘性土夾灰?guī)r碎塊、粘性土夾砂三種類型。

表2 溶洞充填類型統(tǒng)計表

(4) 巖溶平面發(fā)育規(guī)律。根據(jù)前期研究成果[5],對碳酸鹽巖鉆孔的遇洞率和線巖溶率進(jìn)行統(tǒng)計(表3),鉆孔遇洞率和線巖溶率北部條帶最小,分別為2.8%、0.36%;軍山條帶最大,分別為45.2%、7.05%。鉆孔遇洞率和平均線巖溶率呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的特點,根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果判定不同時代碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強(qiáng)弱順序為：黃龍組>棲霞組>大冶組。

表3 不同條帶上碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度統(tǒng)計表(單位：%)

(5) 巖溶豎向發(fā)育規(guī)律。根據(jù)溶洞頂板距離基巖面埋深統(tǒng)計,溶洞頂板在基巖面以下1 m以內(nèi)的溶洞有610個,占總?cè)芏磾?shù)的28.52%,在基巖面以下2.5 m以內(nèi)溶洞有1 205個,占總數(shù)的54.32%,在基巖面以下埋深10 m以上的溶洞僅有212個,占總數(shù)的8.51%。說明在武漢地區(qū)碳酸鹽巖中所發(fā)育的溶洞大部分為淺層溶洞,尤其在基巖面以下2.5 m范圍內(nèi)的居多。

3 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型及地面塌陷易發(fā)程度

3.1 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)碳酸鹽巖分布、巖溶發(fā)育規(guī)律、地層組合、地下水動力條件等因素對典型的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分,見表4。

Ⅰ類：主要分布于長江、漢江Ⅰ級階地。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)地層,具典型二元結(jié)構(gòu),上部為一般粘性土,中部為厚層狀砂性土及卵礫石,下伏可溶巖?？紫冻袎核x存于砂性土及卵礫石層中,與賦存于可溶巖中巖溶裂隙水有直接水力聯(lián)系。

Ⅱ類：主要分布于長江、漢江Ⅱ級階地。覆蓋層為第四系更新統(tǒng)地層,上部一般為老粘性土,中部為粘質(zhì)砂土或粘性土,下伏可溶巖;孔隙承壓水賦存于粘質(zhì)砂土中,巖溶裂隙水賦存于可溶巖中;孔隙承壓水與巖溶裂隙水有直接水力聯(lián)系。

Ⅲ類：主要分布于剝蝕堆積壟崗區(qū),覆蓋層為第四系更新統(tǒng)地層,上部主要為老粘性土或粘土夾碎石,中部為紅粘土或紅粘土夾碎石,下伏碳酸鹽巖。巖溶裂隙水賦存于碳酸鹽巖中,上部老粘性土或粘土夾碎石為隔水層。

表4 武漢典型巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型

Ⅳ類：主要分布于長江、漢江Ⅰ、Ⅱ級階地,覆蓋層為第四系全新統(tǒng)地層,上部為一般粘性土,中部為砂性土及礫卵石,可溶巖上覆碎屑巖。孔隙承壓水賦存于砂性土及卵礫石層中,巖溶裂隙水賦存于碳酸鹽巖中,碎屑巖中賦存少量基巖裂隙水。

3.2 巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)

根據(jù)武漢碳酸鹽巖條帶分布、巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型和巖溶發(fā)育特征,并結(jié)合塌陷歷史,將巖溶地面塌陷區(qū)域分為高易發(fā)區(qū)、中等易發(fā)區(qū)及低易發(fā)區(qū)。

(1) 地面塌陷高易發(fā)區(qū)。第Ⅰ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)。經(jīng)統(tǒng)計軍山條帶及白沙洲條帶上鉆孔遇洞率分別為45.52%、20.02%,其線溶洞率分別為7.05%、5.89%,可以判定上述地段巖溶屬中—強(qiáng)發(fā)育。由于砂土層直接覆蓋于可溶巖之上,在自然、人類活動等因素作用下,可溶巖上覆砂土及卵礫石可直接通過可溶性巖中的溶隙、孔洞流失,從而導(dǎo)致巖溶地面塌陷。武漢歷史塌陷大多為此類,如武昌區(qū)阮家巷、陸家街中學(xué)、毛坦港小學(xué)、長江紫都、烽火村、光霞村、白沙洲高架、漢陽軋鋼廠及漢南斗埠巖溶地面塌陷等。第Ⅲ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的中局部地段,碳酸鹽巖頂板標(biāo)高變化大或存在深、大溶溝、溶槽且軟塑—流塑狀紅粘土與基巖直接接觸,在外因作用下流塑—軟塑狀紅粘土或紅粘土夾碎石可通過碳酸鹽巖中的溶隙、孔洞漏失,此類地段也屬巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)。該區(qū)段分布于白沙洲條帶和漢南條帶與長江相交處。該類區(qū)域巖溶大多強(qiáng)發(fā)育,基巖面0～3 m范圍內(nèi)巖溶發(fā)育尤為強(qiáng)烈,此類塌陷近年來也呈多發(fā)趨勢,如江夏區(qū)龍泉京廣鐵路、江夏區(qū)澎湖灣小區(qū)等都位于該區(qū)域內(nèi)。

(2) 地面塌陷中等易發(fā)區(qū)。第Ⅳ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為巖溶地面塌陷中等易發(fā)區(qū)。根據(jù)所搜集到的鉆孔資料,可溶巖碎屑巖厚度一般>2.0 m,粘質(zhì)砂土中粘粒大多含量>10%,且呈厚層狀,該類地段一般不易發(fā)生地面塌陷,當(dāng)受人類活動影響時,巖溶中等及以上發(fā)育時,可能會發(fā)生巖溶地面塌陷。該區(qū)分布于長江、漢江等Ⅰ級階地,在漢南條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、天興洲條帶局部分布。歷史上曾發(fā)生過世茂錦繡長江小區(qū)因樁基施工擊穿上覆非可溶巖而導(dǎo)致地面塌陷事故。

(3) 地面塌陷低易發(fā)區(qū)。第Ⅱ、Ⅲ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型總體屬于地面塌陷低易發(fā)區(qū)。碳酸鹽巖上覆老粘性土及砂質(zhì)粘性土厚度一般較大且砂質(zhì)粘性土的粘粒含量>10%,地下水貧瘠;該區(qū)段一般巖溶微—中等發(fā)育,且大多被可塑—硬塑狀粘土充填,覆蓋層的土洞亦不發(fā)育,此類地段發(fā)生巖溶地面塌陷的可能性較小,本區(qū)分布廣,面積約占整個可溶巖面積的88%。

4 結(jié)論

(1) 碳酸鹽巖的分布明顯受線狀褶皺構(gòu)造控制,一般呈北西—南東向展布的條帶狀,武漢都市區(qū)內(nèi)可溶巖條帶可分為天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶、漢南條帶六個。

(2) 武漢都市區(qū)內(nèi)巖溶以覆蓋型為主,巖溶整體中等發(fā)育,溶洞發(fā)育規(guī)模的特征以小型為主,大型較為少見;溶洞充填以全充填為主,無充填及半充填數(shù)量相對較少。

(3) 碳酸鹽巖條帶巖溶發(fā)育程度表現(xiàn)為由北向南逐漸增大的特點;不同時代碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強(qiáng)弱順序為：黃龍組>棲霞組>大冶組。

(4) 根據(jù)碳酸鹽巖分布、巖溶發(fā)育規(guī)律、地層組合、地下水動力條件等因素將武漢典型的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)了劃分為四個類型。

(5) 第Ⅰ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型及第Ⅲ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的中局部地段為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū);第Ⅳ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為巖溶地面塌陷中等易發(fā)區(qū);第Ⅱ、Ⅲ類巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型總體屬于地面塌陷低易發(fā)區(qū)。