廣東佛山市高明區(qū)三洲盆地巖溶塌陷發(fā)育特征與時空分布規(guī)律

韓慶定，羅錫宜，易守勇，鄒 杰

（廣東省佛山地質(zhì)局，廣東佛山 528000）

0 引言

佛山是全國重要的制造業(yè)基地，國家歷史文化名城，珠三角地區(qū)西翼經(jīng)貿(mào)中心和綜合交通樞紐[1]。佛山市地處粵港澳大灣區(qū)腹地，經(jīng)濟發(fā)達，2019年全市國民生產(chǎn)總值初步核算總量為10 751.02 億元[2]，是廣東省第三個國民生產(chǎn)總值超萬億的城市。然而佛山市地質(zhì)環(huán)境條件極其復(fù)雜[3]，在南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)、里水鎮(zhèn)和高明區(qū)西江新城——明城一帶巖溶分布廣泛，其中，2008年在南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)因武廣客運專線金沙洲隧道出口段施工大降深抽排地下水引發(fā)了多處地面塌陷和大面積地面沉降，造成黃岐二中、敦豪物流中心、部分工廠、酒店及民房損壞，直接經(jīng)濟損失近2 億元[4]；2011年高明區(qū)富灣安華路因鉆探施工振動作用導(dǎo)致路面塌陷、樓房傾斜，引發(fā)了社會恐慌和媒體報道[5]。因此，地面塌陷已是珠江三角洲城市乃至佛山市地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一[6]，也將成為制約珠三角巖溶地區(qū)社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的主要地質(zhì)環(huán)境問題之一[7]，需加強對其認識并加以防范。

前人對珠三角地區(qū)巖溶相關(guān)研究主要集中在廣花盆地、肇慶盆地和深圳龍崗等典型地區(qū)，主要研究方向以巖溶發(fā)育分布規(guī)律[8?10]、巖溶塌陷成因機理[11?12]、巖溶塌陷監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險評價[13?14]和工程建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)[15]為主。而作為巖溶高發(fā)育、巖溶塌陷頻發(fā)的三洲盆地目前相關(guān)研究程度較低、報道較少。

本文依托“廣東省城鎮(zhèn)典型巖溶地面塌陷防治研究”和“佛山市地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急指揮平臺”兩個項目，以佛山市高明區(qū)三洲盆地為研究區(qū)，在系統(tǒng)收集區(qū)內(nèi)區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造、工程、水文、環(huán)境、歷史災(zāi)害等基礎(chǔ)上，通過野外走訪調(diào)查，查明其巖溶塌陷特征，并對其時空分布規(guī)律進行分析，從而加深對盆地巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的認識，為該地區(qū)巖溶塌陷的科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)奠定基礎(chǔ)，保障當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚敭a(chǎn)安全和社會經(jīng)濟建設(shè)安全持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)三洲盆地是以高明三洲為中心，東以西江為界，南至鶴山市白云地，北至高明富灣，西至高明明城，面積約550 km2（圖1）[16]。區(qū)內(nèi)地層地表可見以第四系為主，零星還分布有南華系、寒武系、泥盆系、石炭系、三疊系和白堊系地層。區(qū)內(nèi)可溶巖廣泛隱伏分布，所屬地層單位主要有晚泥盆系天子嶺組（D3t）、早石炭系石磴子組（C1s）和早侏羅系金雞組（J1j）。

晚泥盆系天子嶺組（D3t）：主要出露在研究區(qū)西南側(cè)丘陵地帶，巖性為灰綠色中——薄層狀泥——微晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，夾鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖，與下伏春灣組呈整合接觸。

早石炭系石磴子組（C1s）：廣泛隱伏發(fā)育在研究區(qū)中部平原地帶，巖性為灰——深灰色泥晶灰?guī)r、微晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，夾角礫狀灰?guī)r、含炭質(zhì)灰?guī)r及含炭質(zhì)鈣質(zhì)泥巖；巖石中常見裂隙發(fā)育，方解石脈充填，局部形成方解石晶洞，發(fā)育方解石晶芽；巖石中縫合線構(gòu)造發(fā)育，巖層層面傾角較緩，一般10°～30°；與上覆地層測水組（C1c）及下伏地層大賽壩組（C1ds）均為整合接觸。

早侏羅系金雞組（J1j）：主要分布于研究區(qū)北東部富灣鎮(zhèn)及西南部明城鎮(zhèn)一帶，以隱伏為主，巖性以灰白、紫紅色中——厚層狀中粗、中細、細粒長石石英砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r質(zhì)礫巖、角礫狀灰?guī)r、灰?guī)r質(zhì)礫巖為主；于富灣鎮(zhèn)多見灰?guī)r質(zhì)礫巖及角礫狀灰?guī)r隱伏于第四系之下，巖石中礫石含量55%～60%，成分主要為灰?guī)r、方解石，占礫石總量60%～80%；其次成分為內(nèi)碎屑或砂巖、粉砂巖，礫石大小0.2～5 cm，個別可達10 cm 以上，磨圓度較好，呈次圓狀-圓狀為主，少量呈次棱角狀；富灣一帶鉆孔揭露存在大量溶蝕、溶土洞現(xiàn)象。

研究區(qū)內(nèi)主要有兩個構(gòu)造層，下構(gòu)造層為海西構(gòu)造層，是泥盆——石炭系硅泥碳酸巖建造，厚達2 000m 以上；上構(gòu)造層為印支——燕山構(gòu)造層，是上三疊統(tǒng)含煤碎屑巖建造，厚度大于600m[16]。受兩個構(gòu)造層疊加作用，盆地內(nèi)形成了隱伏復(fù)式向斜地質(zhì)構(gòu)造，其軸部近東西向展布在盆地中部，呈“蛇”形彎曲展布于峰江石場——明城鎮(zhèn)——西江新城一帶，總體沿北東50°～60°方向展布，長27.5 km，寬約9 km，為區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的蓋層褶皺構(gòu)造。向斜槽地全線被第四紀(jì)沉積層覆蓋，地貌上為長條帶狀的北東向洼地，核部為石炭系測水組（C1c）地層，兩翼依次為石磴子組（C1s）和大賽壩組（C1ds）地層。向斜構(gòu)造跡象主要表現(xiàn)為巖石受擠壓變形、具片理化、節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面常見泥質(zhì)或方解石充填，多呈舒緩波狀，局部發(fā)育小揉皺。巖石局部見發(fā)育碎裂巖、構(gòu)造角礫巖，發(fā)育方解石晶洞，其中構(gòu)造角礫巖大小混雜，一般0.2～3.0 cm，多呈棱角狀-次棱角狀，成分為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和方解石，多見為泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度一般。

此外，在研究區(qū)北西側(cè)、北東側(cè)和東南側(cè)發(fā)育三組控盆斷裂組，分別為長坑滑脫斷裂組、西江斷裂組和桂田斷裂組。

長坑滑脫斷裂組：沿研究區(qū)北西側(cè)長坑經(jīng)凌云山至明城鎮(zhèn)北側(cè)總體呈NE 40°～60°方向展布，由一組斷面或軸面傾向南東或北西斷裂和褶皺構(gòu)成，可見延伸長度大于16 km、寬1.5～3 km。斷面總體傾向南西，上部傾角較陡，一般為40°～50°，向下變緩至15°左右；沿斷裂硅化角礫巖、硅化砂礫巖、角礫狀灰?guī)r發(fā)育，斷裂構(gòu)造巖帶寬一般15～40m，最寬大于100m。斷裂次級構(gòu)造主要發(fā)育在上三疊統(tǒng)和下侏羅統(tǒng)中。該斷裂帶北東段與研究區(qū)富灣鎮(zhèn)安華路——李家村塌陷群相距約1.2 km，西南段與研究區(qū)明城鎮(zhèn)峰江石場塌陷群相距約3.2 km，復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)對隱伏巖溶發(fā)育有重要影響。

西江斷裂組：沿研究區(qū)北東側(cè)西江展布，總體走向320°～340°，傾向北東，傾角一般大于70°，由西江斷裂及其配套次級斷裂組成，其斷裂帶及影響帶寬約1.4 km，主要發(fā)育在下石炭統(tǒng)測水組碎屑巖和石磴子組灰?guī)r中，斷裂破碎帶上部為石英、黏土質(zhì)構(gòu)造巖，下部為構(gòu)造角礫巖，角礫成分以石英為主，次為長石，大小不一，一般2～3mm 居多，最大為1 cm 左右，泥質(zhì)膠結(jié)，固結(jié)程度較差，綠泥石化和綠簾石化強烈，構(gòu)造巖主要有構(gòu)造角礫巖，其次為硅化巖和碎裂巖，沿斷裂兩側(cè)地層產(chǎn)狀十分紊亂，時而波狀彎曲，局部見強烈的揉曲和牽引現(xiàn)象，具兩期活動特點，早期活動以壓扭性為主，晚期活動以張扭性為主。該斷裂組沿北西方向延伸指向富灣安華路——李家村塌陷群。

桂田斷裂組：沿研究區(qū)東南側(cè)三洲——桂田村展布，總體走向40°～60°，斷面傾向南東或北西，傾角40°～70°，斷裂構(gòu)造巖有硅化巖、硅化碎裂巖、構(gòu)造角礫巖，具有多期活動的特征，早期表現(xiàn)為壓性斷層，晚期表現(xiàn)為張性斷層，各次級斷裂的成生時間上存在顯著差異，一部分為印支期構(gòu)造活動產(chǎn)物，一部分為控制白堊紀(jì)紅層的燕山期構(gòu)造活動產(chǎn)物，反映本斷裂組的斷裂活動經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化歷史。該斷裂組沿北東方向指向荷城紀(jì)念中學(xué)——滄江路塌陷群。

2 巖溶塌陷發(fā)育特征

研究區(qū)可溶巖埋藏類型主要為覆蓋型，巖溶發(fā)育與地層巖性、構(gòu)造、地下水、工程地質(zhì)條件和古河道等有關(guān)[17]。本文通過系統(tǒng)收集研究區(qū)以往巖溶塌陷資料和野外走訪調(diào)查，可知研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷共有39 處，其特征見圖1 和表1。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖（據(jù)1∶50 萬廣東省地質(zhì)圖修編）Fig.1 Geological map of the study area（According to 1∶50 000 geological map revision of Guangdong Province）

表1 研究區(qū)巖溶塌陷基本特征表Table 1 Basic characteristics of karst collapse in the study area

2.1 巖溶塌陷規(guī)模

2.1.1 塌陷坑深度

由表1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷深度0.2～7.0m（除2 處塌陷深度不詳外），其中，以深度≤2m 為主，有20 處，占塌陷總數(shù)的54%；其次為深度2～4 m，有10 處，占塌陷總數(shù)的27%；再者為深度4～6m，有4 處，占塌陷總數(shù)的11%；最少為深度6～8m，僅有3 處，占塌陷總數(shù)的8%。

2.1.2 塌陷坑直徑

由表1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷直徑（或長度）0.60～30m，其中，以直徑≤5m 居多，有27 處，占塌陷總數(shù)的69%；其次為直徑5～10m、10～15m 和20～25m，各有3 處，各占塌陷總數(shù)的23%；再者為直徑為15～20m，有2 處，占塌陷總數(shù)的5%；而直徑25～30m 僅有1 處，占塌陷總數(shù)的3%。由此可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷規(guī)模以小型（<10m）為主，有30 處，約占塌陷總數(shù)的77%；其余巖溶塌陷規(guī)模均為中型（10～50m），有9 處，約占塌陷總數(shù)的23%。

2.2 塌陷坑形態(tài)

2.2.1 平面形態(tài)

由表1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷平面形態(tài)特征有圓形、似圓形、橢圓形、長條形四種，其中，以圓形居多，有21 處，占塌陷總數(shù)的54%；其次為似圓形，有11 處，占塌陷總數(shù)的28%；再者為橢圓形，有5 處，占塌陷總數(shù)的13%；最少為長條形，僅有2 處，占塌陷總數(shù)的5%；反映了研究區(qū)內(nèi)地下巖溶發(fā)育平面分布總體呈不規(guī)則串珠狀，溶土洞之間管道形式多為裂隙或小規(guī)模巖溶通道。

2.2.2 剖面形態(tài)

由表1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的剖面形態(tài)類型有漏斗狀、碟狀、壇狀和圓柱狀等四種（除10 處塌陷剖面形態(tài)特征無資料查證外）（圖2），其中以漏斗狀居多，有14 處；其次為碟狀，有8 處；再者為壇狀，有5 處；最少為圓柱狀，僅有2 處。

圖2 塌陷坑剖面形態(tài)特征示例Fig.2 The profile m orphological characteristics of the study area

由圖3 可知，巖溶塌陷的剖面形態(tài)與覆蓋層厚度具有一定的關(guān)系，并且隨著覆蓋層的厚度逐漸增大，塌陷形成的剖面形態(tài)總體呈現(xiàn)由圓柱狀——壇狀——漏斗狀——碟狀的變化規(guī)律，其中，當(dāng)覆蓋層厚度<15m 時巖溶塌陷剖面形態(tài)由圓柱狀向壇狀過渡，10～30m 時其剖面形態(tài)以漏斗狀為主，超過30m 時以碟狀為主，主要原因是在塌陷過程中各層土體重新堆積存在松散系數(shù)導(dǎo)致體積擴大所致，即上覆塌陷土層越厚所形成的松散土體體積越大，則塌陷深度相對不會呈線性變深。

圖3 研究區(qū)巖溶塌陷剖面形態(tài)特征與覆蓋層厚度關(guān)系圖Fig.3 he relationship between the profile morphological characteristic and the overburden thickness

3 巖溶塌陷時空分布規(guī)律

3.1 空間分布規(guī)律

由圖1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要集中分于富灣安華路——李家村、荷城紀(jì)念中學(xué)——滄江路跨線橋和明城峰江石場周邊等三個地帶，其次零散分布于富灣佛山監(jiān)獄門口、明城鎮(zhèn)譚朗村和八達園大酒店附近地帶，具有塌陷群形式集中發(fā)生的特點。研究區(qū)巖溶塌陷的空間分布與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、覆蓋層結(jié)構(gòu)及厚度、地下水活動以及人類工程活動等因素密切相關(guān)，其分布規(guī)律如下：

3.1.1 空間分布與地層巖性關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)育在早石炭系石磴子組（C1s）和早侏羅系金雞組（J1j）兩種地層內(nèi)，前者分布于盆地內(nèi)大部分地區(qū)，后者主要分布于盆地北西部富灣一帶。其中，石磴子組（C1s）中發(fā)育有22 個，占塌陷總數(shù)的56%，在金雞組（J1j）中發(fā)育有17 個（表2），占塌陷總數(shù)的44%；巖溶塌陷發(fā)育所在的巖性主要有角礫狀灰?guī)r、微晶（泥晶）灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r三種，其中，角礫狀灰?guī)r中發(fā)育有21 個，占塌陷總數(shù)的54%；微晶（泥晶）灰?guī)r中發(fā)育有14 個，占塌陷總數(shù)的36%；白云質(zhì)灰?guī)r中發(fā)育有4 個，占塌陷總數(shù)的10%。由此可知，巖性中灰?guī)r純度越高、碳酸鹽含量越高，加之顆粒越小、與水接觸作用面積越大，發(fā)生溶蝕作用越大，即碳酸鹽含量越高、溶洞越發(fā)育、塌陷發(fā)育概率越高。

表2 研究區(qū)金雞組地層中巖溶塌陷點巖土體特征表Table 2 soil Characteristics of karst collapse in Jinji group in the study area

3.1.2 空間分布與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

研究區(qū)巖溶塌陷主要集中發(fā)生在區(qū)域性斷裂帶和向斜軸部，即在西江斷裂組與桂田斷裂組沿線以及隱伏復(fù)式向斜軸部（圖1），其中，西江斷裂組沿線巖溶塌陷有17 處、桂田斷裂組沿線巖溶塌陷有3 處、隱伏復(fù)式向斜軸部沿線巖溶塌陷有17 處；其余兩處發(fā)生在可溶巖與非可溶巖的地質(zhì)界線附近。

3.1.3 空間分布與覆蓋層厚度及其結(jié)構(gòu)關(guān)系

由圖4 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生覆蓋層厚度10～30m 區(qū)域，因為覆蓋層過厚一般會存在多層隔水層或過厚隔水層不利于地下水徑流交換侵蝕作用，同時過厚覆蓋層形成較大垂向壓力，易致塌從而影響土洞的進一步發(fā)展擴大；而覆蓋層過薄則易受外界因素影響在土洞剛開始發(fā)育時已被破壞無法進一步發(fā)展擴大，難以形成一定規(guī)模的土洞而引發(fā)巖溶塌陷。

圖4 研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)生數(shù)量與覆蓋層厚度關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the number of karst collapse and the overburden thickness in the study area

由表1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷發(fā)生所在覆蓋層結(jié)構(gòu)以多層結(jié)構(gòu)為主，其次為雙層結(jié)構(gòu)，再者為單層結(jié)構(gòu)，主要由于復(fù)雜的土體結(jié)構(gòu)一方面能夠為細小顆粒的運移、土洞形成與擴展提供了空間條件，另一方面能夠為形成土洞提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.1.4 空間分布與地下水逕流關(guān)系

由圖1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生在沿著地下水強逕流帶、江河兩側(cè)沿岸地下水交換頻繁區(qū)域和礦山排水疏干區(qū)。地下水強逕流帶和礦山排水疏干區(qū)可溶巖受到地下水強烈沖蝕作用，易形成或擴大溶洞，同時溶洞上覆土層小顆粒不斷被水流沖蝕作用易形成土洞，從而引發(fā)巖溶塌陷；江河兩側(cè)沿岸地下水交換頻繁，長期地下水位變動，在水力梯度作用下易產(chǎn)生潛蝕作用從而引發(fā)巖溶塌陷。

3.1.5 空間分布與人類工程活動關(guān)系

由表1 可知，研究區(qū)內(nèi)人為誘發(fā)的巖溶塌陷有26 處，占塌陷總數(shù)的67%。由圖1 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要分布在人類工程活動密集的城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)、新城區(qū)、礦山開發(fā)區(qū)、道路沿線，人類工程活動影響因素主要有鉆探施工、樁基施工、地下工程建設(shè)、礦山開發(fā)等，人類工程活動中產(chǎn)生的振動、揭穿巖溶頂板、降水等作用導(dǎo)致上覆巖土體失穩(wěn)塌落形成巖溶塌陷。

3.2 時間分布規(guī)律

由表3 可知，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要集中發(fā)生在2005——2006年與2010——2012年兩個時期，即為研究區(qū)社會發(fā)展最快的時段，其中，2005——2006年期間發(fā)生巖溶塌陷過11 處、占塌陷總數(shù)的28%，主要與極端天氣條件和富灣安華路鉆探施工引發(fā)有關(guān)，2010——2012年期間發(fā)生巖溶塌陷過19 處、占塌陷總數(shù)的49%，主要與明城鎮(zhèn)峰江石場開采大量抽排水導(dǎo)致周邊長時間形成地下水疏干區(qū)有關(guān)；由圖5 可知，自2013年明城峰江石場關(guān)閉后，其周邊巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害逐漸減少。

表3 研究區(qū)不同時段巖溶塌陷發(fā)生頻數(shù)表Table 3 Frequency of karst collapse in different periods in the study area

圖5 研究區(qū)人為誘發(fā)的巖溶塌陷數(shù)量與時間關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the quantity of karst collapse and time of induced by human activities in the study area

由圖6 可知，研究區(qū)自然誘發(fā)的巖溶塌陷總體呈現(xiàn)季節(jié)性規(guī)律，主要集中發(fā)生在3——6月的汛期期間，共計有13 個，約占自然誘發(fā)的巖溶塌陷總數(shù)的85%，尤其是在旱澇交替期間（即汛期與非汛期），主要與該期間地下水位大幅度變化有關(guān)。

圖6 研究區(qū)自然誘發(fā)的巖溶塌陷數(shù)量與時間關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the natural karst collapse quantity and time in the study area

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)巖溶塌陷規(guī)模以小型為主，其平面形態(tài)以圓形、似圓形為主，其剖面形態(tài)以漏斗狀居多，并且剖面形態(tài)隨覆蓋層厚度增大總體呈現(xiàn)由圓柱狀——壇狀——漏斗狀——碟狀的變化規(guī)律。其中，覆蓋層厚度小于15m 時巖溶塌陷剖面形態(tài)主要由圓柱狀向壇狀過渡，10～30m 時其剖面形態(tài)以漏斗狀為主，超過30m時其剖面形態(tài)以碟狀為主。

（2）空間上巖溶塌陷的分布受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、覆蓋層厚度及結(jié)構(gòu)、地下水逕流和人類工程活動等所影響。碳酸鹽含量越高、溶洞越發(fā)育、塌陷發(fā)育概率越高；巖溶塌陷主要集中發(fā)生在區(qū)域性斷裂帶和向斜軸部；覆蓋層厚度10～30m 區(qū)域巖溶塌陷發(fā)生最多；巖溶塌陷主要發(fā)生在地下水強逕流帶上、江河兩側(cè)沿岸地下水交換頻繁區(qū)域、礦山排水疏干區(qū)和人類工程活動密集區(qū)。

（3）時間上人為塌陷的發(fā)生主要與采礦活動和鉆探施工時間關(guān)系密切，而自然塌陷主要在旱澇交替期間（即3——4月份），因此，在該期間做好巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防尤為關(guān)鍵。

致謝：本文經(jīng)本單位劉建雄教授級高工審閱指正，特此表示感謝！