中国北方与南方岩溶塌陷对比研究

贺可强，王滨，郭璐，杜汝霖

HE Ke-qiang1, WANG Bin2, GUO Lu1, DU Ru-lin2

1. 青岛理工大学 地质环境与效应工程技术研究中心，山东 青岛 266033；2. 河北地质大学，河北 石家庄050031

1. Qingdao Technological University，Qingdao, Shandong 266033；2. Heibei GEO University，Shijiazhuang，Heibei 050031

中国北方与南方岩溶塌陷对比研究

贺可强1，王滨2，郭璐1，杜汝霖2

HE Ke-qiang1, WANG Bin2, GUO Lu1, DU Ru-lin2

1. 青岛理工大学 地质环境与效应工程技术研究中心，山东 青岛 266033；2. 河北地质大学，河北 石家庄050031

1. Qingdao Technological University，Qingdao, Shandong 266033；2. Heibei GEO University，Shijiazhuang，Heibei 050031

以秦岭淮河为界，中国北方和南方的基本地质条件、地下水动力条件及气候因素等方面存在一系列差异，决定了中国北方和南方岩溶塌陷在类型、发育特征、规模、强度与形成机制等方面的差异。因此，论文在详细对比分析了中国南北方岩溶塌陷的地质条件、岩溶地下水动力条件、岩溶塌陷类型、发育特征、规模及强度以及形成机制上的差异性基础上，发现了南北方岩溶塌陷的差异性主要表现在中国北方区域构造上为较单一的断块隆起山地和沉降盆地，其岩溶水文地质单元规模大，地下水动力作用相对较弱，塌陷类型以古岩溶塌陷为主，塌陷机制除常见致塌模式外还有一种地震效应致塌模式；而中国南方区域构造上多形成较紧密的褶皱，其岩溶水文地质单元规模小、地下水动力作用较强，以现代岩溶塌陷为主，塌陷机制除常见模式外还有冲爆致塌和酸液致塌两种模式。

中国北方；中国南方；岩溶塌陷；对比研究

一、引言

岩溶塌陷（Karst Collapse）是岩溶地区因岩溶作用而发生的一种地面变形和破坏的灾害，是我国主要的地质灾害之一。根据塌陷岩性，岩溶塌陷可分为基岩塌陷和上覆土层塌陷两种。前者由于下部岩体中的洞穴扩大而导致顶板岩体的塌落；后者则由于上覆土层中的土洞顶板因自然或人为因素失去平衡而产生下陷或塌落。岩溶塌陷实质上是在地球运动和演化过程中由内营力与外营力相互制约，相互作用及影响的结果，特别是地壳表层各层圈（包括气圈、水圈、生物圈及岩石圈）的物质运动及相互作用产生变异的结果。因此可以说，岩溶塌陷是水-土-岩-气多相综合体系从一种平衡向另一种平衡动力调整的结果，其形式、发育和分布受到特定的地质、水文条件的控制。

岩溶塌陷的发现与研究最早是从欧美地区开始的，国外研究以俄罗斯研究最早、资料较多，其次为美国和德国，也较早对此进行研究。在国内，从20世纪50年代开始，就对岩溶塌陷这一特殊地质现象重视并开展初步的调查研究工作。此后国内外学者对岩溶塌陷的发育规律、分布特征、致塌原因与成因机理等方面做了大量的工作，取得了丰富的研究成果。卢耀如等（1973）阐述了我国岩溶发育规律及其水文地质工程地质条件[1]；袁道先等（1979）提出了岩溶地下水最基本的特征是含水介质不均匀性的概念，并起草了有关规范规程，指导了岩溶地区的水文地质勘查工作[2]；代群力（1994）论述了岩溶塌陷的形成条件、形成机制以及时空规律[3]；王柳宁（2000）研究了桂林市地下水活动与岩溶塌陷的关系，研究成果表明地下水位波动频度愈高，地面塌陷愈易产生，在地下水强径流带，塌陷分布较为密集[4]；贺可强等（2005）系统总结了中国北方岩溶塌陷的现状，并对岩溶塌陷的形成条件、动力因素、基本特征与分类、形成机制及区划、预测预报及防治等方面进行了较深入的探讨[5]；韩淑朋等（2012）从塌陷的物质组成及成因上讨论了广西岩溶塌陷的类型，分析了其影响因素及形成机制，研究表明地下水活动是岩溶塌陷形成的主要诱发因素，不合理的开采岩溶水是造成岩溶塌陷的主要原因[6]；Christopher B. Vierrether等（2013）研究了岩溶塌陷的主要影响因素，发现可溶性基岩具有高度的渗透性，严重影响岩溶区域的稳定性[7]；李文科等（2014）在区域地震分析的基础上，结合现代成像测井技术，研究川中震旦系—二叠系碳酸盐岩层系古岩溶塌陷成因及特征[8]；Amos Frumkina（2015）深入研究了岩溶塌陷的分布规律，研究成果表明岩溶塌陷主要发生在碳酸盐岩地质类型区域[9]；Voltaggio等（2015）研究发现水流变化引起水中气体的释放可以增加封闭溶洞的气压和土颗粒的侵蚀，最终导致覆盖层的塌陷[10]；唐攀等（2015）借鉴现代岩溶塌陷的成因机理，归纳了古岩溶塌陷与现代岩溶塌陷的相似之处，对于古岩溶塌陷体，通过钻井、岩心、探地雷达、地震、常规测井和FMI成像测井等技术手段来识别、研究[11]。上述研究成果均对岩溶塌陷的成因、机理影响因素等进行了有益的探索并奠定了一定的基础。

二、中国岩溶塌陷的基本概况与地质特征

（一）中国岩溶塌陷的基本概况

中国是世界上岩溶塌陷发育最广泛、受害最严重的国家之一。据不完全统计，除上海、宁夏和新疆等一些地区外，全国22个省（市、自治区）约有岩溶塌陷897处、塌陷32 000个、塌陷总面积约330平方千米[12]（见表1）。

从表1可看出中国岩溶塌陷可分为现代岩溶塌陷和古岩溶塌陷两大类。现代岩溶塌陷又可分为自然塌陷和人为塌陷两个亚类。我国现代岩溶塌陷的绝大多数为人为塌陷，共有601处，占塌陷总数的67%，其中主要为抽水塌陷，约255处，占总数28.42%。在我国大多数地区不论南方北方都不同程度的存在着缺水的问题，以城市水源地抽水塌陷表现最为普遍和强烈，特别是中国北方大多处于干旱半干旱气候区，缺水问题更趋严重；其次为排水塌陷，它是分布较广泛、危害最为严重的一种塌陷，共有116处，占总数12.93%；再其次是蓄水塌陷，在南方各省都有发现，北方相对较少，共有130处塌陷，占塌陷总数的14.49%。除上述塌陷外，尚有少量的荷载塌陷、振动塌陷、渗漏塌陷及成因不明的塌陷等有100处，占塌陷总数的11.14%。

古岩溶塌陷在中国北方很发育，主要分布在山西、河北、河南、山东、江苏及安徽等地，共有38处，塌陷坑有3 654个。而在中国南方地区很少有古岩溶陷落柱出现，这主要由南北方的地质条件差异决定。

表1 中国岩溶塌陷统计表 处

（二）中国岩溶塌陷的地质特征

中国岩溶塌陷的发生、发展、特征与分类明显地受地质和地理环境条件的制约，在区域分布、地形地貌、构造格架、地质发展历史和气候分区上均有自己的特点。

从区域分布看，都分布在大地构造单元的中国地台区范围内，因此具有大致相同的地质发展历史。中国地台有多期相对稳定的碳酸盐沉积，厚度都在1 000m以上，后期又有多次运动，燕山运动奠定了中国大陆现今的构造格架、控制了剥蚀与抬升作用，因此也控制了岩溶作用的形成与发展。新生代以来，地表强烈上升，其晚期大部分地区未受第四纪末次大陆冰盖破坏，且季风水热配套较好。因此形成了中国岩溶塌陷分布广、规模大、时期长、类型多、发育程度强弱不同的特点。

从地形地貌上看，岩溶塌陷一般发育在岩溶山区与平原的过渡地带、丘陵地区山间洼地或地表地下水活跃的沟谷地区。这些地带是岩溶地区的相对负地形，一般存在着开口岩溶形态，而上部松散盖层一般较薄，因此很容易形成岩溶塌陷。

我国岩溶塌陷的分布，明显地受区域构造格架的控制，如大都分布于新华夏系第二隆起带（长白山—千山—胶东半岛—武夷山）和第三隆起带（大兴安岭—太行山—巫山—大娄山）附近及以东地区。隆起带与沉降带相间分布的基本格架，造成了中国裸露型岩溶与埋藏型岩溶和覆盖型岩溶交替分布的特点。从宏观上看，中国东部新华夏系的第三隆起带，包括南方贵州高原和北方山西高原，成为两片最大的裸露型岩溶区，它们两侧都是埋藏型或覆盖型岩溶区。

岩溶塌陷不仅受大地构造格架的控制，在具体地点上也受到区域构造线的控制而呈定向分布，如中国北方古岩溶陷落柱，有的呈明显的NNE方向带状排列，也有的按NNW和NEE两个方向排列延展，如山西阳泉煤矿等。这两组构造方向，恰好与新华夏系两组扭裂面的方位一致，即大义山式断裂和泰山式断裂，且大义山式断裂是张扭性的断裂，易于岩溶作用的发育。

三、中国北方和南方岩溶塌陷的差异性研究

中国岩溶塌陷以秦岭淮河为界，北方和南方基本地质条件、地下水动力条件及气候因素等方面存在一系列差异，决定了中国北方和南方岩溶塌陷在类型、发育特征、规模与强度及形成机制等方面的差异。

（一）中国北方和南方基本地质条件差异

中国北方和南方基本地质条件的差异，主要表现为地质发展史上的差异，并由此产生了在区域大地构造单元划分、地层、岩石、构造等方面的差异。

从区域大地构造单元来看，中国北方则归属于中国地台的次级单位中朝准地台或华北地台的范围。图1表示了中国北方和南方在地质发展中沉积间断时期岩溶发育的特征[13]。

图1 中国北南方代表性岩溶发育时期简略图表[13]（据卢耀如，1986）

中国北方古岩溶发育时期最长、次数也较多。但以中新元古代和古生代时期岩溶最为发育。特别是古生代时期的岩溶发育为以后古岩溶陷落柱的生成奠定了基础。在地貌和新构造运动上，则多表现为较单一的断块隆起山地和沉降盆地。地表岩溶形态以常态山、常态丘陵、干谷、干沟、岩溶洼地、溶丘、溶岗及岩溶大泉为主。

中国南方则归属于中国地台的次一级单位扬子地台，它是比华北地台晚11亿年以后，在晋宁运动（8.5亿年）基底褶皱回返后才形成的地台区。从古生代以来经历了加里东期、华力西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期多次运动，造成了很多期的岩溶发育时期。从新太古代的第一期岩溶期（太古大别期S1）起直到新生代喜马拉雅后期的三峡期为止共有22期的岩溶发育时期。可溶岩在晚古生代和三叠纪以碳酸盐岩为主；沉积厚度较大，一般都在1 500m以上。常见的为2 000~3 000m。除碳酸盐岩外，还有少量含岩盐和石膏的红色碎屑岩层（红层）近10处，分布在西南地区，含量占1.4%。在区域构造上多形成较紧密的褶皱。地貌形态组合类型较复杂，宏观上可分为高原、山地、丘陵与平原。近代岩溶作用较强烈、地表岩溶形态复杂多样，具有完好的峰林地貌，包括峰丛洼地、锥状石峰、封闭洼地、坡立谷、地下河、落水洞和峰林平原等。

（二）中国北方和南方岩溶地下水动力条件的差异

中国东部岩溶地下水系统，以秦岭构造带为界，划分为北南两大岩溶地下水系统，即北方半干旱及干旱温带岩溶区地下水系统和南方湿润热带、亚热带岩溶区地下水系统。二者无论在水文地质单元的规模、岩溶地下水类型、特征及地下水动力条件等方面均有明显的差异。

中国北方岩溶水文地质单元受区域断块构造控制，规模大，面积大，一般为几十到几百平方千米，有的甚至几千平方千米。岩溶地下水以岩溶裂隙含水型为主，包括裂隙-溶隙型和溶隙-溶缝型。主要沿构造裂隙及层面裂隙带溶蚀发育形成溶隙网络，透水性相对较均匀，连通性好，常有统一的水动力场，具宏观渗流性质。从补给区到排汇区，一般距离较长，水力坡度较缓、流量小、流速慢、溶蚀与搬运能力较弱，从而使地下水动力作用相对较弱。由浅部岩溶水强交替带到深部弱交替带，其水温、溶解物和硫酸根离子有逐渐增高的趋势。

中国南方岩溶水文地质单元受区域褶皱控制、规模较小、面积也小，一般为几到几十平方千米，最小还不足1平方千米。岩溶地下水以溶洞管道型和裂隙-溶隙型为主，常形成裂隙-溶隙和溶洞-管道的复杂系统。在西南地区则以溶洞管道型为主。岩溶水流则常形成地下暗河。地下水系统分布及结构具有明显的不均一性，从而带来了地下水动力联系的各向异性。

总之，地下水动力作用较强，从补给区到排泄区，距离较短、水力坡度较大、流量大、流速快、侵蚀溶蚀及搬运能力很强，具有动态变化迅速、径流通畅的特点。特别是季节性的变迁常使水动力条件有急剧的变化，成为岩溶塌陷形成的基本动力因素。

（三）中国北方和南方在岩溶塌陷类型、发育、特征、规模及强度上的差异

中国北方和南方岩溶塌陷的差异，首先是大类型上的差异。中国北方以古岩溶塌陷很发育为特征，现代岩溶塌陷则相对发育较弱。与此相反，中国南方则以现代岩溶塌陷很发育为特征，而古岩溶塌陷则很不发育。如果以现代的岩溶塌陷北南双方进行比较、二者也有一些明显的差异（见图2）。

1. 在现代岩溶塌陷类型及特征上的差异

中国北方的自然塌陷类型较少，仅有两种7处，而南方则有四种253处。但北方的地震塌陷影响及危害都很大。在人为塌陷中，不论北方和南方都以排水塌陷和抽水塌陷为主。北方共有53处，约占总塌陷的81.4%；南方共有295处，约占塌陷总数的38.4 %。不过南方除排水抽水塌陷外，尚有一百多处的蓄水塌陷和多处的荷载塌陷、振动塌陷、渗漏塌陷及成因不明塌陷（见表2）。

中国北方排水塌陷共有33处，坑数达282个，各占塌陷总数的50.7%和个数的20.5%，几乎都是较单一的石炭—二叠纪的煤矿突水塌陷。而中国南方排水塌陷则有74处，约占塌陷总数的9.6%。塌陷的种类较多，不仅有煤矿突水的塌陷，还有铁矿、铜矿、铅锌矿及锰矿等多种金属矿床的突水塌陷。中国北方的抽水塌陷都分布在东部沿海城市或靠近沿海的城市，共有20处和796个坑，约占塌陷总数的30.7%和个数总数的58.8%。而中国南方抽水塌陷是所有塌陷类型中数量最多、分布最广的塌陷，共有221处，约占塌陷总数的28.8%，塌坑超过千个以上[14]。中国北方岩溶塌陷的可溶岩类全部由碳酸盐岩组成，在中上元古界中以白云岩为主、而下古生界则以石灰岩为主，而中国南方则除了碳酸盐岩外，在西南地区还有10处由含岩盐、石膏及碎屑组成红色可溶岩层[15]。

中国北方的土层厚度较南方为厚，一般都在10m以上，以15m~45m居多数，仅个别地区有小于5m和大于50m的。而中国南方的土层厚度大都较薄，一般都小于10m，而以小于5m居多数，厚度在10m~30m则很少，而大于30m的则极少。

图2 中国岩溶塌陷分布图

2. 在规模及强度上的差异

从岩溶塌陷的规模，可分为巨型、大型、中型和小型四类。不论北方和南方都是以中小型为主，尤其小于1km2的小型塌陷占了绝大多数。南北在数量上相差很大，但在巨型和大型的数量上，二者则很接近，南方为大型5处，北方为巨型和大型4处。南方目前尚无巨型塌陷，大型塌陷也相对较少，这与南方岩溶水文地质单元受区域褶皱构造控制、规模较小、面积也小有直接的关系，而北方则与受区域断块构造控制、规模大、面积也大有直接的关系。

我国南方由于地下水动力条件较强，具有动态变化迅速、径流通畅的特点。因此其产生速率与强度都比北方大。不过在北方大量降雨期间个别地区塌陷速率有的也可很大，如秦皇岛柳江水源地十几天抽水时共有塌陷245个，平均塌陷速率为15.3个/天。

（四）中国北方和南方在岩溶塌陷形成机制上的差异

中国北方和南方的岩溶塌陷在形成机制上差别不太大，可以说是存在着大同和小异。所谓的大同就是它们都是由重力致塌、潜蚀致塌、真空吸蚀致塌、振动致塌和荷载致塌这五种机制和模式组成。这些模式是岩溶塌陷形成的一些基本的普遍适用的模式，也是塌陷形成的较普遍的规律，其中如重力作用、振动作用和荷载作用常和其他因素一起，往往成为诱发塌陷的多因素中一个叠加的因素，从而加速了塌陷的产生和发展。所谓的小异，在于南方的形成机制较为复杂和多样，除了上述五种外，还有冲爆致塌和酸液致塌两种模式，这两种模式目前在北方尚未发现一例。与此相对应的是北方岩溶塌陷除上述五种外，尚有一种模式，即地震效应致塌模式。这种模式虽然在南方也有极少的发现，但不是致塌的主要模式。而在北方则成为仅次于潜蚀致塌和真空吸蚀致塌的重要致塌模式之一，造成巨型塌陷规模和大型塌陷规模以及塌陷密度等的塌陷，都是由地震效应致塌模式所产生，如河北唐山、辽宁海城塌陷就是明显的例证。

四、结论

通过上述分析研究，可以得出以下几点结论：

1. 我国岩溶塌陷以秦岭淮河为界，北方和南方基本地质条件、地下水动力条件及气候因素等方面存在一系列差异，决定了中国北方和南方岩溶塌陷在类型、发育特征、规模与强度及形成机制等方面的差异。

2. 中国南北方岩溶基本地质条件的差异，主要表现在区域大地构造单元划分、地层、岩石、构造等方面的差异。中国北方区域构造上多表现为较单一的断块隆起山地和沉降盆地，地表岩溶形态以常态山、常态丘陵、干谷、干沟、岩溶洼地、溶丘、溶岗及岩溶大泉为主；中国南方区域构造上多形成较紧密的褶皱，地表岩溶形态复杂多样，具有完好的峰林地貌。

表2 中国南方和北方岩溶塌陷的类型及特征对比简表

3. 中国南北方岩溶地下水系统在水文地质单元的规模、岩溶地下水类型、特征及地下水动力条件等方面均有明显的差异。中国北方岩溶水文地质单元规模大、面积大，岩溶地下水以岩溶裂隙含水型为主，透水性相对较均匀，连通性好，其地下水动力作用相对较弱；中国南方岩溶水文地质单元规模小、面积小，岩溶地下水以溶洞—管道型和裂隙—溶隙型为主，地下水系统分布及结构具有明显的不均一性，其地下水动力作用较强。

4. 中国北方和南方岩溶塌陷的差异，首先是大类型上的差异。中国北方以古岩溶塌陷很发育为特征，现代岩溶塌陷则相对发育较弱；与此相反，中国南方则以现代岩溶塌陷很发育为特征，而古岩溶塌陷则很不发育。

5. 中国北方和南方的岩溶塌陷在形成机制上差别不太大，主要表现是它们都是由重力致塌、潜蚀致塌、真空吸蚀致塌、振动致塌和荷载致塌这五种机制和模式组成。但是南方岩溶塌陷除了上述五种外，还有冲爆致塌和酸液致塌两种模式，而北方岩溶塌陷除上述五种外，尚有一种地震效应致塌模式。

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（责任编辑：杜 敏）

Comparative Study on the Karst Collapse in Northern and Southern China

Taking the Qinling-Huaihe as the boundary, there are many differences in the basic geological conditions, hydrodynamic conditions of groundwater and climatic factors in the north and south of China, which determines the differences in the types, developmental characteristics, scale, intensity and formation mechanism of the karst collapse in the north and south of China. Based on the detailed analysis of the geological conditions, the karst hydrodynamic conditions of groundwater, karst collapse types, developmental characteristics, scale and intensity, and the formation mechanism of the karst collapse in north and south China, this study indicates that the differences of karst collapse in the north and south of China are mainly inflected in those aspects: the regional tectonic of northern China is a single block uplift mountain and settlement basins, and there are many large scale of karst hydrogeological units and relatively weak groundwater dynamics effect. Beside the common collapse modes, thereis also another collapse mode inducted by earthquake in the north of China; but there is the more close folds in the south of China, and the karst hydrogeological units are small in scale and the groundwater dynamic effect is strong. In addition to some common modern collapse, modes, there are also two collapse modes inducted by burst explosion and acid in the south of China.

northern china; southern china; karst collapse; comparative study

P642.5

A

1007-6875(2017)01-0057-08

2017–01–15

10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2017.01.006

国家自然科学基金资助项目(41372297)；高等学校博士学科点专项科研基金(20113721110002)；山东省自然科学基金项目(ZR2011DL002)；山东省“蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心”。

贺可强(1960—)，男，山东蓬莱人，教授，博士生导师，主要从事地质灾害预测、评价与防治研究。