福建省大田县桃源镇前厝村岩溶塌陷发育特征及成因分析

张晓斌

(福建省地质工程勘察院，福州 350002)

1 概述

2017年10月16日三明市大田县桃源镇前厝村武陵自然村发生数十处岩溶地面塌陷，塌陷主要位于农田及房前，导致1栋民房损毁，20多栋民房开裂、近13.33 hm2农田不能耕种。同时，伴有道路和灌溉水渠塌陷、开裂等损坏，严重影响当地居民生产生活，威胁武陵自然村500余人生命财产安全。

我国可溶岩分布达1/3以上国土面积，有22个省份有分布，其中以桂、黔、湘、赣、川、滇、鄂等省区最为发育。岩溶塌陷不仅造成工业与民用建筑毁坏，破坏交通和水利水电设施，还造成岩溶区严重的地质环境恶化。基于此，国内一些学者对岩溶塌陷形成条件和成因机理进行了深入研究，取得了丰硕成果[1～6]。福建省岩溶塌陷主要集中发生于闽西南山间盆地覆盖性岩溶区(龙岩新罗区、永安大湖、连城北团、三明市区等)[7,8]。本文所述岩溶塌陷位于三明市大田县境内覆盖性岩溶区。在调查、勘查的基础上，对区内岩溶塌陷特征和成因进行了总结和分析。

2 自然地理与地质环境条件

2.1 气象与水文

桃源镇地处戴云山西侧，属中亚热带季风气候，四季分明，温暖适中，夏无酷暑，冬无严寒，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1 551.0 mm，其中3～6月为雨季，占全年降雨量的50%以上；夏季高温闷热,受台风外围影响，常伴有强降水；秋冬为相对少雨季节，干旱多晴天。年平均气温17.7℃，1月平均气温7.9 ℃，7月平均气温25.8 ℃，无霜期264 d。

区内沟溪较发育，由南向北汇集与北部的溪河中，雨季溪水水量较大，旱季则水量小甚至干涸。因农田灌溉所需，东、西山沟沿沟均建有引流水渠，水渠宽1.5 m，常年有水，局部水渠底见裸露的灰岩。

2.2 地形地貌

武陵自然村属低山地貌，自然村被一条近南北走向的山梁分隔成东、西两条山沟，山顶标高大多580～600 m，相对高差35～40 m，山坡自然坡度15°～25°，植被发育，主要为毛竹和杂木，山梁中北部整平成为木材厂。东、西山沟呈近南北向或北北东向延伸，沟底标高一般556～574 m，纵坡降小于10°，沟底宽一般70 m左右，最小30 m，最大120 m。山沟为主要农田分布区，沿山沟东西两侧山坡坡脚为民房分布区，房后普遍建房开挖形成人工边坡。

2.3 地层岩性

区内主要地层有三叠系下统溪口组(T1x)和二叠系上统长兴组(P2c)地层，两者在区内呈断层接触。山沟中有厚薄不一的第四系分布。

主要分布于东、西山沟中，主要为粉质粘土、砂、卵石层，厚度1～8 m不等，表层为耕植土。

(2) 三叠系下统溪口组(T1x)

分布于F2断层的上盘(南部)，岩性为青灰色薄层状钙质粉砂岩，钙质、粉砂质泥岩夹透镜状泥质灰岩。

(3) 二叠系上统长兴组(P2c)

分布于西侧山沟及东侧山沟的北部，为不纯之灰岩，根据岩性特征将其分为上、中、下3段：

上段岩性主要为深灰色、灰黑色中层状含泥质、粉砂质生物碎屑微晶灰岩。

中段岩性主要为灰色、深灰色中-巨厚层状白云岩质生物碎屑微晶灰岩。

下段主要为深灰色、灰黑色，薄层状含泥质、粉砂质生物碎屑微晶灰岩，

2.4 地质构造

根据区域地质资料，区内发育一条轴向近南北的背斜构造，次一级的构造主要见F1、F2两条断层。此外，岩层中北东向、北西向和近南北向节理裂隙较发育，互相交叉呈“X”形格局。

(1) F1断层：位于区内近东西向山梁的东侧、西侧山沟的西部边缘，走向北北东10°～20°，倾向南东，倾角50°～70°。正断层，断层带两侧地层明显错动，岩层破碎，地形上多呈陡坎或冲沟，富水性好。

(2) F2断层：位于调查场地中部，走向为北西300°～330°，倾向南西，倾角70°左右，该断层将F1断层一分为二。沿断层带可见断层角砾岩、褐铁矿透镜体(村民曾试采过)和泉眼分布。

地质构造不仅控制了区内的地形地貌特征，也控制了岩层的分布特征，并为岩溶的发育提供了极为有利的条件(图1)。

2.5 水文地质条件

地下水类型主要为松散岩类孔隙水和溶蚀溶洞裂隙水(岩溶水)两种类型。

(1) 松散岩孔隙水：分布于东、西山沟中，主要由第四系冲洪积层组成，厚度1～8 m。普遍具二元结构，上部为粉质粘土，下部为含砂卵砾石层。渗透性良好，富水性弱-中等，与下伏碳酸盐裂隙溶洞含水层水力联系密切。主要由大气降水补给，动态变化大。

图1 桃源镇前厝村地面塌陷地质略图

(2) 碳酸盐岩裂隙岩溶水：分布于区内东、北侧，含水层由二叠系上统灰岩组成，岩溶较发育。地下水主要赋存于溶洞及裂隙带中，中等富水。主要接受松散岩孔隙水、区域岩溶水的补给。地下水动态受降水影响，随季节变化。

2.6 人类工程活动

区内西北角距西侧山沟塌陷约200 m处，有一个采矿石硐口，2017年10月14日在标高475 m矿硐内曾发生透水事故，说明采矿活动较为强烈。

除此之外，村庄村民主要以务农为主，在沟谷低洼处种植稻田等作物。

3 岩溶塌陷发育特征

3.1 时间分布特征

根据现场调查及访问，历史上该区域曾发生过地面塌陷(个别塌陷洞口见木质结构支护)，但规模和危害相对较小(图2)。

图2 塌陷坑内早先木棍支撑

武陵自然村调查地面塌陷共37处，主要集中发生在2017年10月16～17日(矿洞透水发生于2017年10月14日)，数量达34处，占调查总数的92%，仅有3处发生在11月20日。塌陷发生期间均有降雨过程。可见矿洞开采透水是本次塌陷发生的诱因，塌陷发生后，受降雨影响，塌陷点的规模逐渐扩大并伴随新的塌陷点出现。

3.2 空间分布特征

塌陷区域主要集中在东、西山沟中的农田、道路、水渠中，个别位于山坡坡脚处。其中西侧沟谷共产生12处地面塌陷，东侧山沟发生25处，其中东侧山沟塌陷均分布于北边的覆盖型岩溶区，南边尚未发现。

3.3 形态特征

图3 水渠塌陷

(1) 主要以塌陷形式出现

陷坑以单体形式和群体形式出现，以陷坑群体出现的塌陷少则2个，多则5～6个。单个陷坑形状呈圆形、椭圆形、长条形或不规则形出现，大多数周边伴有弧形裂缝，多数陷坑干涸无水，位于水渠边陷坑塌陷后重新被水灌满，部分陷坑仍可见水流现象(图3)。西侧山沟塌陷呈串珠状分布(图4)，陷坑面积相对较小，一般4～60 m2，塌陷深度3～7 m；东侧山沟塌陷呈北西向、北东向和近南北向分布，坑面积相对较大，多以群体出现，一般4～1 000 m2，塌陷深度1～10 m。

图4 串珠状分布

图5 房屋开裂下错

图6 农田塌陷

(2) 地表裂缝或沉降形式出现

塌陷区域内，除陷坑外，还有部分表现为房屋开裂、下沉(图5)，局部见稻田整块下错、开裂(图6)，发生在水渠附近的塌陷导致水泥村道与水渠多处变形、断裂。这些地表裂缝及下错沉降主要受就近的塌陷牵引影响而成。

4 成因分析

岩溶塌陷的发生是诸多因素的影响下形成的。岩层岩溶化程度、上部覆盖层厚度及性质、活动断裂是前厝村塌陷形成的主要因素[9]，而矿洞开采透水是塌陷发生的诱发因素。

4.1 地层岩性(岩溶化程度)

岩溶发育程度是岩溶塌陷形成发生的先决条件[9]。研究区浅部岩溶发育，下伏基岩主要为二叠系上统长兴组石灰岩(P2c)。基岩面附近岩溶化程度较高，岩溶形态多样，溶隙、溶槽、溶洞发育(图7)，为岩溶塌陷的形成提供了良好的排水和颗粒运移通道[10]。据钻探资料，特别是浅层岩溶发育(ZK5在地表以下50 m范围内发育13个溶洞)，大多为小溶洞，高度0.3～5.0 m不等，个别高度达30 m以上，多数为全-半充填状态，充填物为泥砂及碎石(图8)。

图7 基岩岩溶发育

图8 钻孔揭示溶洞发育

4.2 覆盖层厚度及性质

4.2.1 覆盖层厚度

覆盖层是岩溶塌陷产生的物质载体，既是岩溶塌陷的破坏体，又是抵抗岩溶变形塌陷的重要组成部分。覆盖层厚度越薄，岩溶塌陷越发育，分布密度也越大。覆盖层厚度越厚，地下水潜蚀路径越长，土洞扩展到地面的时间也越长，自身容易达到应力平衡，越不容易发生塌陷[11]。据高密度电法测量，研究区东、西侧山沟第四系覆盖层厚度1～8 m，从钻探情况看，表层覆盖层厚度在1～5 m内。

4.2.2 覆盖层结构

除了覆盖层厚度外，覆盖层的组成成分及性质对塌陷的发生及形态也起着重要影响作用。根据调查及钻探情况，研究区覆盖层主要为冲洪积砂黏土、卵石及坡残积粘性土组成。粘性土在土颗粒粘聚力作用下，可形成拱作用，不易塌陷；而砂黏土及卵石土颗粒自由度大，粘聚力很小，容易流失，形成塌陷。

正是由于研究区覆盖层薄且局部组成成分不利，使得容易产生塌陷。

4.3 地质构造

4.3.1 断层

断层不仅控制了区内灰岩分布，断层性质和产状还控制了地面塌陷的分布特点。正断层的张性特征为岩溶发育提供了有利的导水通道。塌陷多分布于断层上盘，如西侧山沟塌陷均位于断层上盘，且沿该断裂走向带呈串珠状分布(图4)。

4.3.2 节理裂隙

东侧山沟中塌陷主要受北东向、北西向和近南北向节理裂隙控制，特别是两条裂隙交汇处塌陷成群出现。

4.4 地下水水位变化

4.4.1 矿坑涌水及排水

塌陷区浅部岩溶较发育，自然状态下岩溶地下水水位埋深一般为1～3 m，地下水与地表水的水力联系较密切，地下水动态受降水影响，随季节变化，变幅1～3 m。2017年10月14日塌陷区西北角矿硐(约200 m)内发生透水事故，导致塌陷区域地下水在短时间内快速下降，破坏了原有的平衡状态，是形成地面塌陷的诱发原因。

矿坑疏干排水形成的地下水水位降落漏斗势必造成地下水力坡度与地下水流速加大，潜蚀与真空吸蚀作用加强，破坏地壳的相对稳定，随之地面开裂、陷落。

4.4.2 降雨与负压

塌陷主要形成于2017年10月16～17日的降雨期间和11月20日的人工降雨期间，短时间较强降水导致第四系土层含水量大大增加，土体重度增加，地下水补给径流加快，水位变幅频繁，在上覆土体自重、动静水压力及土洞真空吸蚀(负压)等共同作用下，产生地面塌陷。降雨前后，天气比正常年份雨水偏少，出现较明显的干旱，不仅改变了地下水动力条件，也造成土壤干裂，为地表水的入渗提供了良好通道。

相关研究表明，当地下水动力条件改变时，原来被堵塞的洞隙及其相连的下部排水通道复活，重新成为地下水集中活动的地段；地下水位上升，抗水性差的土强烈崩解，一部分顺喇叭口落入溶洞中，初步形成上覆土层的土洞；土洞进一步扩大，向地表发展，顶板渐薄，当顶板薄到不能支撑上部土层重量时，便突然发生塌落。

5 结论

(1) 福建省三明市大田县武陵自然村地面塌陷主要分布于东、西两侧山沟农田中，其走向与山沟走向基本一致。2017年10月14日矿洞出现开采透水，10月16～17日、11月20日降雨过程中，出现岩溶塌陷，并伴有地面及房屋开裂。陷坑以单体和群体出现，单个陷坑多呈圆形，少量呈椭圆形、长条形和不规则形，面积最小3 m2，最大达1 000 m2，深度1～10 m。塌陷导致1栋民房损毁，20多栋民房开裂、水渠、道路破坏，近13.33 hm2农田不能耕种，影响村民日常生产生活和生命财产安全。

(2) 区内地质环境较为脆弱，下伏灰岩浅层岩溶发育，形态多样，基岩面附近岩溶化程度较高，第四系覆盖层较薄，岩溶受断层及节理裂隙控制影响明显。浅层岩溶发育和覆盖层薄、结构松散成为地面塌陷产生的内因。矿坑开采透水及排水、降雨等是诱发地面塌陷及发展的外因。其中，矿坑涌水和干旱改变了地下水动力条件，使原来被堵塞的洞隙及其相连的下部排水通道复活，重新成为地下水集中活动的地段，地下水位的变化使覆盖层失去赖以稳定的顶托作用力，在上覆土体及降雨作用下，产生地面塌陷。