蘇州市光福鎮(zhèn)潭東村巖溶塌陷成因分析

史忠鑫，王振海，車增光，張 麗

（1.南京市國土資源信息中心，江蘇 南京 210005；2.自然資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，江蘇 南京 210018；3.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018）

巖溶塌陷是巖溶洞隙上方的巖、土體在自然或人為因素作用下引起變形破壞，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種巖溶動力地質(zhì)作用與現(xiàn)象（康彥仁，1989；朱錦旗等，1999）。蘇州市巖溶較發(fā)育，為防治巖溶塌陷災害，車增光等（2021）對蘇州蔣東村巖溶塌陷的形成條件和機理進行了分析；理繼紅等（2021）通過選取巖溶發(fā)育、覆蓋層和水動力等相關(guān)評價因子，將蘇州市巖溶分布區(qū)劃分為巖溶塌陷高、中、低易發(fā)區(qū)，蘇州市光福鎮(zhèn)潭東村位于巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)，但尚未分析其成因機理。

蘇州市光福鎮(zhèn)潭東村位于蘇州市吳中區(qū)西南，與太湖隔山相鄰。2001年和2003年先后兩次在村西大畝頭發(fā)生巖溶塌陷災害，塌陷坑緊臨蘇褔公路和潭東硫鐵礦采空區(qū)，對當?shù)鼐用裆敭a(chǎn)構(gòu)成很大的威脅，并影響到了當?shù)氐纳a(chǎn)生活秩序和社會穩(wěn)定性。塌陷發(fā)生后對塌陷區(qū)開展了地質(zhì)勘查，查明了巖溶發(fā)育情況，并對塌陷坑進行了充填處理，截止目前未發(fā)生塌陷跡象。本文分析了光福鎮(zhèn)潭東村的地質(zhì)環(huán)境條件和巖溶塌陷發(fā)育分布特征，總結(jié)了巖溶塌陷的成因和過程，為該地區(qū)巖溶塌陷災害的監(jiān)測、預防和土地利用及工程建設提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

潭東村位于太湖東岸，距離光福鎮(zhèn)3 km，地貌類型屬丘陵地區(qū)，附近山巒重迭，高程40～261 m，山間谷地高程10～30 m，相對高差達220 m。塌陷區(qū)位于近北西西向山間谷地中，南側(cè)為潭山、北側(cè)為西跡山，谷地南、北兩側(cè)與山體間有明顯的界線，區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，僅可見少量大小不等的小水塘。

1.2 地層巖性

研究區(qū)丘陵山體基巖裸露，為志留系茅山組細砂巖及石英砂巖、石炭系中統(tǒng)—二疊系下統(tǒng)的石灰?guī)r和閃長巖中酸性侵入巖，在侵入巖和石灰?guī)r的接觸帶形成了矽卡巖（圖1），第四紀松散沉積物在山間谷地廣泛分布，厚度一般為10～30 m，主要為上更新統(tǒng)坡洪積或沖洪積的松散堆積物。區(qū)內(nèi)燕山期巖漿活動比較強烈，主要為淺成相中酸性侵入體，呈不規(guī)則巖脈、巖株狀產(chǎn)出，由于巖漿侵入作用，圍巖受到不同的變質(zhì)，尤其在與石炭系中統(tǒng)—二疊系下統(tǒng)石灰?guī)r接觸帶中，形成了矽卡巖和大理巖等變質(zhì)巖，分布于潭山北側(cè)一帶，潭山硫鐵礦的成因與此有關(guān)。

圖1 巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of karst collapse area

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于木瀆-洞庭向斜的西翼，各山體均以單斜產(chǎn)出。巖層大致呈北東走向，傾向南東，傾角在25°左右。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，以北東、北西、東西等方向為主。光福-潭東斷裂帶，斷裂方向北東，呈地塹形出現(xiàn)，主要由南北2個正斷裂組成。南斷裂沿潭東與霍山間經(jīng)潭山北坡，向光福延伸，傾向北，傾角60°左右；北斷裂由療養(yǎng)院南經(jīng)銅井山南坡至光福，傾向南，傾角40°左右。斷裂的兩側(cè)均產(chǎn)生很多次級小斷裂，將砂巖切割成很多小斷塊。斷裂中均有石英斑巖等火成巖侵入。此外，尚見有較多的小斷裂，以近南北向為主，間有呈北西西向者斷距與性質(zhì)不清，斷裂通過處，常見有石英斑巖等巖脈侵入。

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水類型分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類溶洞裂隙水、碎屑巖裂隙水3種類型。

松散巖類孔隙水為潛水，分布于山前和山間谷地第四紀地層中，含水層由黃褐色粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土夾碎石組成，底部砂礫含量高，結(jié)構(gòu)松散，局部沖洪積中細砂層中富水性相對較好。受大氣降水入滲和附近基巖地下水徑流補給，水位埋深隨地形而異，一般1.2 m左右，降深10 m時，單井涌水量小于10 m3·d-1。該層由于黏土含量較多，滲透量極小，可視為弱透水層。

碳酸鹽巖類溶洞裂隙水分布于可溶巖區(qū)域，巖性為二疊系灰白—白色大理巖及淺灰色灰?guī)r，地表無出露，含水巖組厚度約70 m。據(jù)礦區(qū)勘探資料，礦區(qū)構(gòu)造裂隙溶洞較發(fā)育，但大部分溶洞已被黃褐色及黑色黏土及矽卡巖碎塊等零亂物質(zhì)所充填，溶洞直徑大多小于1 m，富水性一般，降深10 m時，單井涌水量可達300～500 m3·d-1，水質(zhì)以重碳酸硫酸鈣鈉型水為主，礦化度小于1.0 g·L-1，主要接受周邊山體碎屑巖裂隙水的側(cè)向徑流補給。

碎屑巖裂隙水分布于非可溶巖區(qū)域，巖性主要為志留系茅山組砂巖、矽卡巖和石英斑巖、閃長玢巖等中酸性侵入巖。局部地段巖層在構(gòu)造和風化等作用下，裂隙較發(fā)育，具有一定透水性，降深10 m時，單井涌水量可達100 m3·d-1。水質(zhì)較好，屬重碳酸鈣鎂型水，礦化度小于0.3 g·L-1，局部受硫鐵礦影響，硫化物和總鐵含量較高。出露地段直接接受大氣降水的補給。

1.5 工程地質(zhì)條件

1）巖體工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖體巖性、結(jié)構(gòu)特征及工程地質(zhì)物理力學性質(zhì)的差異性，可將區(qū)內(nèi)巖體劃分為4個工程地質(zhì)巖組：①厚層塊狀中等巖溶化大理巖、灰?guī)r巖組；②稀裂狀較硬矽卡巖、石英斑巖組；③中厚層較硬石英砂巖；④碎裂狀中硬石英斑巖風化巖組。

2）土體工程地質(zhì)條件

土體厚度變化在0至30 m之間。根據(jù)土體成因類型、埋藏條件、巖性特征及工程地質(zhì)物理力學性質(zhì)，將區(qū)內(nèi)土體劃分為3個工程地質(zhì)層。各層巖性特征及工程地質(zhì)性質(zhì)詳見表1。

從表1可看出，區(qū)內(nèi)的土體以黏性土為主，淺部以中高強度硬土層為主，層位也較穩(wěn)定，但下部含水量和孔隙率明顯升高，工程地質(zhì)性質(zhì)變差。

表1 工程地質(zhì)特征一覽表Tab.1 List of engineering geological characteristics

2 巖溶塌陷特征

光福鎮(zhèn)潭東村巖溶塌陷始發(fā)生于2001年7月的一場暴雨后，塌陷坑南距潭山硫鐵礦簡易公路約60 m，塌陷坑在形態(tài)上呈上小下大的壇形，坑底為傾斜面，具南淺北深特點，長軸形態(tài)上略顯近南北向展開特征，初期坑口面積約3 m×2.5 m，坑底約6 m×5 m，深度約3.5～4.5 m；2003年6月，該點再次發(fā)生塌陷，說明該巖溶塌陷具有繼承性的特征，塌坑規(guī)模在原來的基礎(chǔ)上進一步擴大，上部面積擴大至6.92 m×5.89 m，底部擴大至7.56 m×6.04 m，深度為3.0～3.5 m（圖2）。塌陷坑自2003年至今，一直作為吳中區(qū)的地質(zhì)災害隱患點進行監(jiān)測和定期巡查，未見有進一步變形跡象。

圖2 潭東村巖溶塌陷位置和塌陷現(xiàn)狀圖Fig.2 Location and site conditions of karst collapse in Tandong village

3 巖溶塌陷成因分析

潭東村巖溶塌陷主要受巖溶發(fā)育及構(gòu)造條件、覆蓋層條件、地形條件和地下水動力條件的影響（王延嶺等，2015；金曉文等，2013）。

3.1 巖溶發(fā)育及構(gòu)造條件

巖溶洞隙的存在，是產(chǎn)生巖溶塌陷的最基本的條件（李慧娟等，2022；蔡建斯等，2022；王忠忠等，2022）。

潭東村淺埋灰?guī)r多為石炭系黃龍組、船山組和青龍組上段灰?guī)r，區(qū)域上巖溶較發(fā)育，最典型的如西山林屋洞，其發(fā)育特點為一定深度水平巖溶發(fā)育。根據(jù)鉆孔及采石宕口開采面揭示，灰?guī)r表層3～5 m構(gòu)造裂隙、溶溝、溶槽和落水洞等巖溶形態(tài)非常發(fā)育，其間充填灰褐色結(jié)構(gòu)較疏松的粉質(zhì)黏土，向下巖性稍完整，但可見個別較大的管道式水平狀發(fā)育的溶洞，直徑可達2 m以上，而在橫林地區(qū)鉆孔揭露溶洞高度最大可達6.0 m以上。

潭東村巖溶塌陷分布在石炭系黃龍組、船山組灰?guī)r之上，這些灰?guī)r地層的共同特征是以中—厚層塊狀生物碎屑、微細晶結(jié)構(gòu)為主，質(zhì)純致密，CaO含量高，加之塌陷點斷裂構(gòu)造發(fā)育，地下水徑流條件較好，非常有利于巖溶發(fā)育，物探、鉆探成果皆顯示，塌陷多發(fā)于淺部巖溶發(fā)育地段。

潭東村巖溶塌陷點溶洞高度一般為0.2～1.0 m，但亦見少數(shù)直徑可達2.0 m，特別是在塌陷坑處有一條近南北向的不明性質(zhì)的斷裂發(fā)育，沿斷裂帶溶蝕現(xiàn)象非常明顯。塌陷點周邊斷裂構(gòu)造較發(fā)育，斷裂構(gòu)造的存在易使淺部巖溶發(fā)育帶與下部管道式溶洞相連通，使得上部松散沉積物更易被地下水流經(jīng)管道式溶洞搬運至別處，而成為形成巖溶塌陷的有利條件（李海濤等，2015）。

根據(jù)物探解譯成果，潭東村巖溶塌陷坑正處于一條南北向的不明性質(zhì)的斷裂帶中（圖3），該斷裂不僅為地下水強徑流通道，還成為深部巖漿向上侵入的有利通道（圖4），而根據(jù)此次野外調(diào)查分析，侵入巖與碳酸鹽巖的結(jié)合部位，巖溶發(fā)育程度往往較高，且多發(fā)育溶洞、落水洞規(guī)模較大的巖溶形態(tài)，為巖溶塌陷提供有利條件（王立發(fā)等，2018）。

圖3 潭東村巖溶塌陷坑與斷裂帶位置關(guān)系圖Fig.3 Location relationship between Tandong village karst collapse pit and fault zone

圖4 潭東村巖溶塌陷點地質(zhì)剖面圖Fig.4 Geological profile of karst collapse point in Tandong Village

3.2 覆蓋層條件

根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔揭露，潭東村巖溶塌陷附近第四系松散層厚度一般為10～25 m，總體上呈現(xiàn)山間谷地中部厚、向兩側(cè)山體厚度漸薄的趨勢，覆蓋層巖性主要為黏土或含礫黏土，結(jié)構(gòu)緊密，強度較高，但在下部含水量增高，黏性土因塑性狀態(tài)發(fā)生變化而變軟，強度降低，這些變化打破了洞隙頂板的力學平衡狀態(tài)，有利于巖溶地面塌陷的形成，又因在局部地區(qū)還發(fā)育沖洪積相的砂層，如潭東塌陷點，鉆孔揭露在其底部分布有0.45 m厚的松散砂層，當下伏灰?guī)r溶洞水位強烈下降至基巖面以下時，最易在蓋層中形成土洞。

3.3 地形條件

地下水徑流條件是巖溶塌陷的重要影響因素之一，山間溝谷、平原區(qū)古河道是地下水強徑流帶，一般也是巖溶塌陷的多發(fā)地區(qū)。

蘇州潭東巖溶塌陷位于山間溝谷，在地貌上屬于負地形，斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖體較破碎，是地表水、地下水匯集之地，地下水徑流速度快，在水巖相互作用下，溝谷區(qū)往往可以演變成巖溶發(fā)育帶。山間溝谷巖溶覆蓋層由于含水量大，土體一般呈可塑—軟塑，且遇水極易被軟化，自身的抗剪強度降低，而在溝谷發(fā)育有地表水系的條件下，底部還沉積有間歇性溪流型沖洪相的砂層，為地下水徑流和土洞的形成提供了有利條件。

3.4 地下水動力條件

地下水運動是巖溶塌陷形成過程中的重要動力因素（周正等，2022；吳慶華等，2018）。

潭東村地下水類型為孔隙潛水、火山巖裂隙水和巖溶水?？紫稘撍宦裆铍S地形而異，2003—2022年平均水位在2.0 m左右，水位動態(tài)主要受氣候條件影響，年水位變幅一般為1.0～3.0 m，且雨后水位上升較快，主要接受大氣降水補給，蒸發(fā)、少量開采及下滲補給巖溶水是主要排泄途徑。巖溶水補給源主要來自基巖裸露區(qū)及山前降雨入滲補給及上部孔隙含水層越流補給，土巖接觸面、灰?guī)r中的裂隙及溶洞均為其徑流通道。

根據(jù)潭東塌陷區(qū)地形和構(gòu)造條件分析，巖溶地下水處于強徑流帶。巖溶山區(qū)地下礦山開采極易導致地下水系統(tǒng)的破壞，而潭東巖溶塌陷的誘發(fā)因素則主要是硫鐵礦開采過程中的地下水疏排活動，塌陷前，潭山硫鐵礦曾大量疏排地下水，使得礦區(qū)地下水位降至100 m以深水平，塌陷坑附近巖溶水水位埋深約在5.05 m，塌陷坑與開采巷道最近處小于80 m。一般認為側(cè)壓水位下降速度達0.65 cm·s-1及壓力變幅達8 m水頭時，土層即發(fā)生破壞，而區(qū)內(nèi)地下水頭下降值遠大于30 m，在硫鐵礦開采期間，區(qū)內(nèi)的基巖地下水基本處于疏干式開采狀態(tài)，水頭差較大，加劇了基巖地下水的流速，同時也促使上部孔隙水產(chǎn)生強烈的垂向潛流，增加了巖溶地下水沿著孔洞、裂隙搬運上覆松散堆積物的能力，在土巖界面上面形成空洞，進而導致巖溶塌陷，因此，潭東硫鐵礦的疏排地下水是巖溶塌陷的一個主要影響因素。

4 巖溶塌陷形成過程分析

巖溶塌陷的形成是一個復雜的過程，受多種地質(zhì)作用和因素的影響（廖海軍等，2015）。巖溶地面塌陷雖具有突發(fā)性，但都經(jīng)過較長時間的孕育發(fā)展過程。一般來講，巖溶塌陷都經(jīng)歷以下幾個階段（羅小杰等，2018）：1）巖溶水位下降，覆蓋層土體底部因地下水的潛蝕、吸蝕和搬運等作用，而形成空洞；2）土洞由于地下水的潛蝕、搬運、地表水體的下滲或真空吸蝕等作用下進一步塌落，擴大或向上遷移；3）土洞繼續(xù)擴大或向上遷移，當上覆土體的自重壓力逐漸趨于洞體的極限抗壓、抗剪強度時，上覆土體產(chǎn)生垮落，而形成地面塌陷。經(jīng)分析認為，潭東巖溶地面塌陷形成過程大體可分為3個階段。

4.1 地下水位處于蓋層中

此時期指硫鐵礦未疏干排水前，巖溶地下水水位埋深在5.0 m左右，有一定的承壓水頭存在，蓋層為隔水層，蓋層中除毛細水外，一般無滲流現(xiàn)象。但是在蓋層與水直接接觸的地方（由于溶蝕作用，一般為上大下小的楔形），黏土處于被軟化的狀態(tài)（在黏土中，是由于黏土中的毛細水在水面下會產(chǎn)生張力，而使黏土處于被軟化狀態(tài)）。由于地下水的潛蝕作用，在地下水的緩慢循環(huán)運動中，不斷使蓋層的土體被剝蝕搬運，特別是塌陷點附近，在蓋層與可溶巖間存在著0.45 m厚的中細砂層，其中的微小顆粒更易于被搬運，最終在巖溶的空洞或裂隙與蓋層的接觸處形成土洞，被搬運的物質(zhì)將在巖溶空洞或裂隙中沉積下來，或被帶至下游。由于在自然狀態(tài)下，地下水位升降平緩，地下水徑流速度緩慢，因而形成土洞的過程是漫長的，土洞的規(guī)模也相對較小。在這種情況下，一般不易產(chǎn)生巖溶塌陷現(xiàn)象。

4.2 地下水位低于巖土界面

這一時期是指潭山硫鐵礦疏干排水后，由于硫鐵礦是地下開采，最深可至-65 m，開采后礦區(qū)水位埋深大于100 m。由于當時區(qū)內(nèi)沒有完整的地下水位動態(tài)資料，但從采空區(qū)距塌陷點最近處距離僅80 m可以推定，當時巖溶地下水位埋深應達90～100 m，遠低于巖土界面深度。

此時，由于礦區(qū)排水，干擾地下水原有正常流場，形成以礦坑為中心的匯集式徑流，地下水徑流速度大幅增加，在孔隙水的徑流場中，焦點集中反映在有開口式溶洞或構(gòu)造巖溶發(fā)育的第四系底層，再加上在底層局部為中細砂層，更易于微小顆粒隨地下水流被帶走而促使原有小型土洞被擴大，加之在原有的小規(guī)模的空洞中（未開采前，空洞被水充填），由于水位的急劇下降，引起空洞的體積也不斷增大。

在相對密封的條件下，隨著氣體的體積增大，氣體的壓力不斷減小，而形成真空。當?shù)叵滤嫱耆陀谕炼磿r，由于真空吸蝕作用，使蓋層底面向上的壓力減小，土洞中的物質(zhì)呈顆粒狀和層狀向下剝落，另外由于硫鐵礦開采過程中爆破時所產(chǎn)生的應力，也使土洞中原本就松散的物質(zhì)更易剝落。從而使得土洞的規(guī)模不斷擴大，此時一部分細小顆粒會通過巖溶洞穴與裂隙流失，一部分物質(zhì)會遺留在土洞的底部，使得土洞不斷擴大且不斷向上遷移。當土洞遷移至距地面一定的距離，由于黏土長期處于失水狀態(tài)，含水量降低，黏土的抗剪強度因長期失水而急速增大。此時土洞擴大的速度迅速減緩甚至停止，土洞內(nèi)外應力達到平衡（王振海等，2021；蒙彥等，2019）。

以上分析可以看出，在硫鐵礦開采過程中，土洞已存在并已向上遷移，不斷擴大，只是由于覆蓋層的抗剪強度較大，沒有在地表表現(xiàn)出來。即上覆第四系黏土層有一定的厚度及強度，使得巖溶塌陷的出現(xiàn)與采礦不同步。

4.3 地下水位回升至蓋層

潭山硫鐵礦于2000年停采后，地下水位大幅度回升，據(jù)本次勘探，地下水位埋深已回升至5.05 m。在回升過程中，含水量較低的蓋層黏土由于突然遇水（第四系底部的含水率可達50%以上），狀態(tài)急劇發(fā)生變化而膨脹不均，極易被軟化，同時自身的抗剪強度降低，抗剪強度僅為167.23 kPa。2000—2003年降雨量較大，分別為1 046.1 mm、1 137 mm、1 204.2 mm、860.1 mm，特別是2001年6月曾連續(xù)降雨10 d，最大一天降雨量達到77.4 mm；2003年6月曾連續(xù)降雨8 d，最大一天降雨量達到41.5 mm。連續(xù)的降雨入滲使覆蓋層的自重急劇增大，土洞坍塌，在地面即表現(xiàn)為2001年7月和2003年6月發(fā)生的地面塌陷。

5 結(jié)論

1）潭東村巖溶塌陷主要影響因素為巖溶發(fā)育及構(gòu)造條件、覆蓋層條件、地下水動力條件和地形條件。

2）潭東村巖溶塌陷形成的主要外部因素是附近礦山開采疏干排水后，水位劇烈下降，地下水徑流速度增大，對底部土體產(chǎn)生快速潛蝕和吸蝕，水位上升后，地下水軟化蓋層土體，土體力學性質(zhì)變差，暴雨進一步增加了蓋層重量，發(fā)生了塌陷。

3）潭東村巖溶塌陷在2003年6月發(fā)生第二次塌陷后，沒有再次發(fā)生巖溶塌陷，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。