云南某工程建设场地岩溶分布与形成机制
2015-12-07郭纯青李志宇田西昭田月明胡君春
郭纯青,李志宇,2,杨 军,田西昭,田月明,2,胡君春
(1. 桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西桂林 541006;2. 广西地质环境监测总站,广西桂林 541002;3. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610081;4. 河北省环境地质勘查院,河北石家庄 050021;5. 云南省煤炭地质勘查院,云南昆明 650218)
云南某工程建设场地岩溶分布与形成机制
郭纯青1,李志宇1,2,杨 军3,田西昭4,田月明1,2,胡君春5
(1. 桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西桂林 541006;2. 广西地质环境监测总站,广西桂林 541002;3. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610081;4. 河北省环境地质勘查院,河北石家庄 050021;5. 云南省煤炭地质勘查院,云南昆明 650218)
近年来,随着经济的蓬勃发展,在岩溶区修筑建筑物越来越多,岩溶作为一种特殊的不良地质作用给许多工程建设带来困难。云南某大型工程建设项目在勘察阶段发现大量的溶洞,严重影响了该工程的地基施工。本文据场地岩溶区的详细勘察和钻孔资料,描述了岩溶表现形式、在平面上和垂向上的分布特征及其影响因素,并从研究区的地形地貌、地层岩性、地质构造、气象水文和新构造运动等方面研究了岩溶的形成机制,为岩溶地区工程建设中的灾害预防提供科学依据。
岩溶分布 形成机制 云南
Guo Chun-qing, Li Zhi-yu, Yang Jun, Tian Xi-zhao, Tian Yue-ming, Hu Jun-chun. Distribution and formation mechanism of karst on a project site in Yunnan Province[J]. Geology and Exploration, 2015,51(5):0984-0992.
我国是世界上岩溶最发育的国家之一,岩溶分布较广,类型较多,全国岩溶区总面积约344×104km2,约占国土面积的1/3,其中碳酸盐出露面积90.7×104km2(黎斌等,2002;刘之葵,2004;林青,2012)。在岩溶水文系统中,多种岩溶地表形态与岩溶地下含水介质类型及其组合,具时空展布的多样性,并构成岩溶水文过程的复杂与多变性(郭纯青等,2010)。近年来,随着经济的蓬勃发展,在岩溶场地修筑建筑物越来越多,而岩溶地基常常引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等地基变形破坏(牟春梅,2002;周建普等,2003;程惠红等,2010)。某大型工程建设项目位于云南省,属国家重点项目,在勘察阶段发现大量的溶洞,严重影响了工程建设的施工,且对地基的稳定性非常不利。加强对岩溶区岩溶发育规律研究,分析岩溶发育特征,探求岩溶发育机制,对工程建设有着重要的实践意义和理论价值。
工程场地东部有一断裂通过,走向为325°~350°,倾向NE,倾角为60°~70°,属逆断裂。西盘(下降盘)泥盆系中统及寒武纪下统筇竹寺组上冲与泥盆系上统接触,断层破碎带水力联系强,透水性好,对工程场地的岩溶发育有着重要的影响。
根据物探资料和勘察报告,该工程场区东北部为岩溶发育区,其岩溶发育地层为中晚泥盆系(D2+3)。本文将该工程场地岩溶发育区称为研究区,针对研究区进行岩溶发育规律分析及其特征研究。
1 研究区概况
据工程项目岩溶详细勘察报告等相关资料,在前期物探成果提供的岩溶分布范围基础上,将研究区划分为7个岩溶发育区。在各岩溶发育区内按10m×10m方格网布置勘察钻孔,实施时根据场地、地质及溶洞的复杂程度,适当调整勘探孔的数量和间距,共布置勘察钻孔821个。研究区各分区的溶洞发育特征及勘察钻孔分布情况见表1和图1。
821个岩溶勘察钻孔中揭示溶洞钻孔为250个,见洞率为30.4%。根据《贵州建筑岩土技术规范》DB22/46-2004,钻孔见洞隙率大于30%者为岩溶强发育,因此研究区岩溶发育等级总体为强。研究区内岩石的成分、节理、裂隙、结构、组合等方面都为岩溶发育提供优越的条件,使岩溶发育从溶隙-溶缝-溶管-溶洞系统性演变,形成强岩溶发育区。
表1 研究区内各岩溶发育区溶洞发育特征表
图1 研究区岩溶勘察钻孔布置及其揭露溶洞分布图Fig.1 Map showing layout of karst survey drilling boreholes and karst caves revealed in study area
2 研究区岩溶发育规律
2.1 研究区岩溶发育表现形式
研究区内地表岩溶发育较弱,现场调查地表未见岩溶洼地、岩溶漏斗等现象。但由于岩体节理、裂隙较发育,区内有比较大的溶隙和溶洞呈隐伏状态出现。
据岩溶勘察钻孔资料统计分析,将各钻孔的碳酸盐岩顶板(第四系底板)标高制作成基岩三维地形图(图2),可知研究区土层以下岩溶地形显示出岩溶石林的典型形态。其表面形态主要呈剧烈起伏的剑状和塔状的石林,同时周边也分布小型的石芽,是一种典型正在发育的地下石林地貌。形成这种现象的主要原因是原沉积的厚层状碳酸盐岩受地质构造控制,形成大量垂向节理裂隙,后期被土层所覆盖;并随后期地壳的上升,地下水沿节理裂隙在垂向上对碳酸盐岩进行溶蚀,随着溶蚀缝隙的不断加深和扩展,便形成现在的地下石林形态。
2.2 研究区岩溶发育的平面规律
据岩溶勘察钻孔资料统计分析,将各钻孔的碳酸盐岩顶板减去岩溶发育深度(钻孔揭露深度)制作等值线图(图3),可知研究区岩溶在碳酸盐岩中发育深度在6m~46m之间,发育深度的分布以纵横沟谷连成的区块状洼地为主要特征。其沟谷的分布具有明显的规律性,主要表现在一组夹角呈60°左右的相互交织的平行线,这与发育在本区碳酸盐岩地层之中的“X”型共轭剪节理的分布是一致的。由此可以推断,本区平面上岩溶发育的分布主要受区域上节理分布控制;在节理上岩溶发育程度深,且在节理交叉部位易形成较大规模的溶洞。
据岩溶勘察钻孔资料统计分析,将各钻孔的孔口标高板减去岩溶发育深度(钻孔揭露深度)制作岩溶发育底板标高三维形态图(图4);将各钻孔揭露溶洞发育深度制作溶洞发育底板标高三维形态图(图5);将各钻孔揭露溶洞发育深度制作溶洞发育底板标高等值线图(图6)。可知岩溶发育深度在平面上分布也受这组节理的控制,主要表现在节理两侧岩溶发育深度较大,在节理交汇处岩溶发育最深。
纵观整个研究区,勘探钻孔遇溶洞具有EW向和NW向分布的特点,且在NW向形成三个带,与区内的构造线展布方向及碳酸盐岩分布方向是一致的(沿这两个方向断裂构造最发育,带状节理、裂隙也最发育),从而证明地下岩溶发育强度与断裂构造控制密切相关。
2.3 研究区岩溶发育的垂向规律
通过钻孔揭露,证明研究区是层状岩溶强发育区,这是该区岩溶发育的最大特点(表1)。结合高密度电法、地震映像、地质雷达、钻探和岩溶水文地质调查,对250个遇洞钻孔的溶洞分层情况进行统计分析,得到研究区地下溶洞层数分布情况(图7):其中遇二层溶洞的钻孔为42个,占总遇洞孔数的16.8%,且二层溶洞的钻孔在七个岩溶区中都能见到;遇见三层溶洞的钻孔有8个,主要分布有2号岩溶分区4个、3号岩溶分区1个、4号岩溶分区1个、5号岩溶分区1个、7号岩溶分区1个;遇见四层溶洞的钻孔有5个,主要分布有3号岩溶分区2个、4号岩溶分区1个、6号岩溶分区1个、7号岩溶分区1个;遇见五层溶洞的钻孔有1个,分布在3号岩溶分区;遇见十层、十三层及十四层溶洞的钻孔有3个,均分布在6号岩溶分区内。其中M343钻孔发育十四层溶洞、M443钻孔发育十层溶洞、M465钻孔发育十三层溶洞。这些成层发育的溶洞当中,洞与洞之间的岩层厚度,最厚为8.9m,最薄仅有0.1m。特别是发育十层以上的溶洞,洞间的层厚多在几十公分之间,间隔最厚的岩层也只为3.2m。
图2 研究区岩溶顶板三维地形图Fig.2 3D topography of karst roof in study area
图3 研究区钻孔勘查揭露岩溶发育厚度等值线图Fig.3 Contour map of karst thicknesses revealed by boreholes in study area
图4 研究区钻孔勘查揭露岩溶发育底面标高三维形态图Fig.4 3D morphology and elevations of karst base in study area
图5 研究区钻孔勘查揭露溶洞发育底面标高三维形态图Fig.5 3D morphology and elevations of karst-cave bottom in study area
图6 研究区钻孔勘查揭露溶洞发育底面标高等值线图Fig.6 Elevation contours of karst-cave bottom revealed by boreholes in study area
图7 研究区地下溶洞层数分布图Fig.7 Number of cave-encountering boreholes versus layer number of karst caves in study area
钻孔中的层状溶洞,具有从上盖第一层开始,向下伏第二层、第三层、第四层或更深层呈垂直串珠状发育的特点。这种现象显示,在一个强岩溶发育区,出现如此多个多层状发育的溶洞,是一种具有持久性的潜伏岩溶地质灾害,对工程建设具有较大的安全隐患。因此,建立并持续开展地面岩溶环境地质灾害监测、预测、评价等工作,对预防岩溶地质灾害发生具有非常重要的意义(邓声君,2013)。
3 研究区岩溶发育的影响因素分析
岩溶是指水流与可溶岩相互作用,并在岩层中形成各种特殊形态的结果。其发育的必要条件是岩石可溶性、地下渗流场和地下水溶蚀力(包括溶解能力和侵蚀能力)的有机结合(或优势匹配),并受到当地一系列自然因素(包括气候、水文、地质)的影响和制约。各种影响因素是相互联系,相互包含的,岩溶作用的发生和发展是各种因素的综合结果(卢耀如,1999;郭纯青,2005)。
3.1 地形地貌对岩溶发育的影响
本工程建设项目场地主要位于盆地区内,地势南高北低,较为平坦,坡度小于2°,自然标高为1885.31m~1950m,相对高差为64.7m。其中,研究区位于东侧,地势较低,地表水网密布,地形平坦,地表径流坡度小(图8)。当大气降水时,地表水径流不通畅而得不到排泄,易在地表形成积水,为地表和地下岩溶发育提供基础,地表水向下渗透强化地下岩溶作用。
3.2 地层岩性对岩溶发育的影响
在碳酸盐岩区,岩溶发育程度与岩石成分关系十分密切。碳酸盐岩岩石成分具有多样性,其不同的岩石成分,岩溶发育程度有很大的区别(郭纯青,2001)。据勘察钻孔资料,研究区岩溶全部发育在泥盆系中、上统(D2+3)地层之上。据相关资料,泥盆系中、上统(D2+3)为均匀状纯灰岩、白云岩与均匀状纯白云岩、白云质灰岩,岩层组合及结构特征为薄-中层状泥-粉晶与中-厚层状泥-粉晶;岩石主要化学成分(CaO)含量为33.26%,(MgO)含量为12.36%,CaO/MgO比值为10.16%,属中等含钙值,岩溶发育较强烈;体积岩溶率为1.21%,线岩溶率为10.5~25%,面岩溶率为2~2.26%。岩溶形态多以大型岩溶洼地、谷地、漏斗、落水洞、竖井、溶洞、地下河、伏流等为主。
3.3 地质构造对岩溶发育的影响
地质构造对岩溶发育的影响,主要是节理裂隙发育程度、延伸方向、组合形式以及地层的构成情况、产状等起作用。一般说来,节理裂隙制约了岩溶发育的方向、方式和程度。在节理裂隙愈发育的岩体内,岩溶也愈发育(陈宁,2012)。
研究区褶皱断裂较为复杂,展布方式与岩溶发育密切相关;在一定条件下,往往控制岩溶发育的途径及空间格局。从构造背景上看,研究区构造主要受发育于工程场区东部的逆断裂控制。该断裂一方面控制可溶性地层的展布和产状,另一方面通过控制节理构造的发育,进而控制岩溶的发育和空间展布。
据钻孔数据统计发现,研究区岩溶发育具有明显的方向性和组合的规律性,并与节理的关系最为密切,故节理构造是控制岩溶(尤其是溶洞)发育的最直接因素,它们不但控制着岩溶发育的方向,而且还控制着岩溶发育的类型、规模和大小。
研究区发育有一组共轭“X”剪节理(即平面(初始)共轭节理),此节理对区内岩溶发育起到控制作用。节理构造是控制岩溶发育的主导因素,控制岩溶发育的(几何)展布规律—网格状排列和节理交叉部位集中;控制岩溶的形态和类型—节理交叉点控制溶洞等“点状”岩溶;控制地下“线状”裂隙型溶洞发育等。因此,研究区岩溶发育主要受节理构造控制。岩体受地质构造的影响使其节理裂隙较发育,为地表水下渗及地下水运移提供有利条件,可使其溶蚀作用增强。
图8 研究区三维地貌图Fig.8 Three-dimensional landform of study area
3.4 气象水文对岩溶发育的影响
水是岩溶发育必不可少的条件,水的运动方向控制着岩溶的发育方向。水的运动方向又直接受到新构造运动的控制。新构造运动抬升期,地下水以垂直运动为主,主要发育落水洞等岩溶地貌;新构造运动停息期,地下水以水平运动为主,主要发育水平溶洞等岩溶地貌(郭纯青,2005)。
研究区位于安宁岩溶盆地西部,盆地受高原低纬亚热带季风温凉气候的影响,多年平均降雨量为881.6mm,月平均降雨量为63.2mm,年最大降雨量约为1161.8mm,年最小降雨量为567.0mm,最大日降雨量为153.3mm。每年5~10月为雨季,占全年降水量的87.4%,年蒸发量平均为1994.3mm,相对湿度71.5%。这样的气候条件是控制本区岩溶发育的首要因素。
研究区处于螳螂江流域,隶属于金沙江水系。螳螂江全长252km左右,属高原河流,水利资源丰富。螳螂川流经安宁,最终注入金沙江。螳螂江地形切割深,流经安宁盆地东部地段时,因水力坡度大,流速快,袭夺了包括权甫河在内的整个岩溶盆地中的大小河流,致使位置高的小流域改变了原来径流方式,其岩溶得到充分发育。研究区的岩溶发育特征,可能受上述因素的影响。
3.5 新构造运动对岩溶发育的影响
新构造运动是控制本区岩溶发育的重要因素。强隆、掀、坳陷及断续升降,不仅控制了地形地貌的发展过程,同时导致了岩溶发育的差异性,演变多种岩溶类型(张宝一等,2014)。例如,受新构造运动控制,形成的安宁岩溶盆地,地上地下发育多层状的岩溶洞穴,盆地四周多溶蚀丘陵、盆地中河谷阶地等都是新构造运动影响的结果(李志宇等,2014)。
安宁岩溶盆地西部地壳为间歇强隆,使螳螂江河谷深切达800m~900m,谷坡陡峭;在一些支流谷岸溶洞悬立,洞内石钟乳发育,局部可见残留洞壁及岩溶崩塌体等(张华等,2014)。在强隆台地的岩溶盆地内,勘探又揭露出一系列的垂直岩溶发育现象,显示了新构造运动对于岩溶发育的控制作用。
3.6 其它因素对岩溶发育的影响
研究区内的岩溶洼地、漏斗、溶洞等大都被第四系沉积物充填或半充填,充填物多为粘性土和碎石。若充填物覆盖较厚,地表水不易渗入到地下,则该处的溶蚀作用相对较弱;反之,若充填物覆盖较薄,地表水较易渗入到地下转变为地下水,使岩溶发育地层的地下水增加,对可溶岩的溶蚀作用增强,从而加剧岩溶发育的速度。
气候对岩溶发育的影响,主要表现在降水量和气温的变化上。降水量和气温越高,越有利于溶蚀作用,岩溶也就越发育。在温湿气候区,植被茂盛,生成大量的有机酸,也能增加水的溶蚀能力,从而加剧岩溶的发育(付博,2008;毛烨峰,2009)。研究区属高原暖温带季风气候区,高温多雨,湿度较大,区内植被也较为茂盛,这些都大大地促进了该区的溶蚀作用,致使区内岩溶发育广泛且强烈。
4 结论
(1) 研究区内地表岩溶发育较弱,现场调查地表未见岩溶洼地、岩溶漏斗等现象。而从钻孔揭露的岩溶顶板三维地形图可以看出研究区土层以下岩溶地形显示出岩溶石林的典型形态。
(2) 研究区平面上的岩溶分布和岩溶发育深度主要受区域上“X”型共轭剪节理分布控制。在节理交叉部位易形成较大规模的溶洞,在节理两侧岩溶发育深度较大,在节理交汇处岩溶发育最深。
(3) 研究区是层状岩溶强发育区,也是本研究区岩溶发育的最大特点。钻孔中的层状溶洞具有从上盖第一层开始,向下伏第二层、第三层、第四层或更深层呈垂直串珠状发育的特点,对工程建设具有较大的安全隐患。
(4) 本区岩溶发育分布特征受到多个因素的影响,盆地地形易在地表形成积水,为研究区地表和地下岩溶发育提供基础,地表水向下渗透强化地下岩溶作用。地质构造(特别是节理构造)是控制岩溶(尤其是溶洞)发育的最直接因素,不但控制着岩溶发育的方向,还控制着岩溶发育的类型、规模和大小。气象水文对研究区岩溶发育方向及程度有一定影响和控制作用。新构造运动也是控制本区岩溶发育的重要因素,不仅控制了地形地貌的发展过程,同时导致了岩溶发育的差异性。充填物和气候则影响研究区的岩溶发育速度和强度。
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当前的流行音乐课应该以提高学生对音乐旋律的感知力为学习目标。学生大都偏爱流行的电视剧、电影、明星等,教师可以引入流行题材,找到学生心中真正感兴趣的东西进行教育。如在欣赏贺绿汀创作的钢琴独奏曲《牧童短笛》时,可以在课堂上播放短剧《牧童》,让学生融入到短剧的意境中,感受生动活泼的音乐氛围,释放各自的内心情感。在播放之后,教师可以向学生提出一系列问题,比如让学生轮流起来回答自己最喜爱的音乐明星、音乐类型等,学生一起沟通交流,对当前的流行元素进行探讨,在课堂上进行有效的师生音乐互动。
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[附中文参考文献]
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Distribution and Formation Mechanism of Karst on a Project Site in Yunnan Province
GUO Chun-qing1,LI Zhi-yu1,2,YANG Jun3, TIAN Xi-zhao4,TIAN Yue-ming1,2,HU Jun-chun5
(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541006; 2.GuangxiGeo-environmentalMonitoringStation,Guilin,Guangxi541004; 3.ChinaSouthwestGeotechnicalInvestigationandSurveyingInstitute,Chengdu,Sichuan610081; 4.HebeiInstituteofEnvironmentalGeologyExploration,Shijiazhuang,Hebei050021; 5.CoalGeologyProspectingInstituteofYunnanProvince,Kunming,Yunnan650218)
In recent years, with the rapid development of economy, more and more buildings have been built in karst areas. Consequently, constructions have encountered many difficulties of the karst which is an adverse geologic condition. For instance, a number of caves were found in the survey stage of a large project in Yunnan, which affected the foundation construction seriously. Based on detailed survey and borehole data, this paper describes the morphology and spatial distribution of karst in this area as well as its influence factors. And its formation mechanism is analyzed from landform, stratum lithology, geological structure, hydrology and neotectonic movement. The results will provide scientific basis for disaster prevention in engineering construction of karst areas.
karst distribution, formation mechanism, Yunnan
2014-06-18;
2015-07-28;[责任编辑]陈伟军。
国家自然科学基金“中国西南岩溶区旱涝灾害演变机理及水安全”(41172230)。
郭纯青 (1955年-),男,教授,1982年毕业于河北地质学院,获学士学位,从事岩溶水文、水文地质研究。E-mail:guochunqing99@aliyun.com。
P642.251
A
0495-5331(2015)05-0984-09