基于GGIIISSS 的岩溶塌陷地质模型评价方法探讨——以淮南市八公山地区为例

蒋金柱，蒋艳娇

（安徽省地质环境监测总站， 安徽合肥 230001）

0 引言

淮南煤炭矿区地处安徽省北部淮河中游地区，矿区面积约2800km2，矿区共分布各类煤矿80 多家，是我国主要煤炭能源基地之一。采矿至今，淮南煤田八公山矿区发生过不同程度的塌陷（图1），塌陷破坏了城市建筑、管线和农田，威胁铁路、公路的正常运行和城乡居民的生命财产安全，影响了居民的正常生活。

为了保护人民生命财产安全，岩溶塌陷的研究越来越受到重视。近年来，国内专家学者大多致力于国内岩溶塌陷宏观分布规律、岩溶塌陷成因机制、岩溶塌陷的模型构建、基于GIS平台的数据库建设等方面研究。淮南地区岩溶塌陷研究，主要围绕露头区和浅部隐伏埋藏区。本文在充分调研国内外岩溶发育条件及控制因素基础上，开展淮南八公山地区岩溶地质及水文地质调查，总结和归纳了露头区及隐伏区的岩溶发育特征，分析和研究了控制岩溶发育的主要因素，并采用GIS方法，构建了岩溶塌陷地质模型，开展基于GIS的岩溶塌陷易发程度划分。

1 基础地质环境背景

图1 淮南煤田八公山矿区岩溶塌陷分布图Figure 1. Distribution map of karst collapse in Bagongshan mining area of Huainan coalfield

研究区位于华北板块南缘，遭受多期次构造地质作用和风化剥蚀作用，地质及水文条件极其复杂，区域构造主体为近东西向的复向斜构造，由北至南可分为三个次级构造带：明龙山—上窑构造带、淮南扇形复向斜带和八公山—舜耕山构造带。其中以八公山—舜耕山断裂带为主，走向为近东西或北北西向，倾向南，倾角上部较陡，往深部变缓，断裂带宽度几米至50m不等。研究区受多期构造运动影响，区内还发育有阜李断裂、阜凤断裂、舜耕山断裂、山王集断裂等较大断裂及古沟向斜等。

研究区地层总体与华北大区地层相似。根据区域地层出露及钻孔揭示，研究区内碳酸盐岩主要分布在寒武系、奥陶系以及石炭系，而岩溶多发育于后寒武系和奥陶系。

研究区大气降水是地下水主要补给来源。区内多年平均降水量900mm，雨量充沛，降雨多集中在春夏两季。寒武系、奥陶系、石炭系的灰岩直接裸露或半裸露分布区，是地表水入渗的直接通道。

2 岩溶发育特征

2.1 裸露区岩溶发育特征

碳酸盐岩裸露区研究发现，CaO/SiO2比值大者，岩溶通常强烈发育。质纯层厚的奥陶系马家沟组（O1m）灰岩、白云质灰岩为裸露区岩溶强烈发育奠定了物质基础。地表岩溶形态发育，多形成溶洞、溶沟、溶槽等岩溶微地貌。

区内SiO2含量超过20%的地层中岩溶发育。如寒武系张夏组地表风化剥蚀强烈，节理、裂隙发育，岩溶形态特征较明显，地表未见有溶沟、溶槽（图2～图5）。

图2 八公山张夏组鲕粒灰岩岩溶发育特征Figure 2. Karst development characteristics of Oolitic Limestone in Zhangxia formation in Bagongshan

图3 八公山水泥厂南西侧张夏组岩溶发育特征Figure 3. Karst development characteristics of the Zhangxia Formation on the southwest side of the Bagongshan cement plant

图4 八公山地质公园毛庄组岩溶发育特征Figure 4. Karst development characteristics of the Maozhuang Formation in the Bagongshan Geopark

图5 八公山碳酸盐岩岩溶发育特征Figure 5. Karst development characteristics of carbonate rocks in Bagongshan

2.2 覆盖区岩溶发育特征

根据钻孔揭露，覆盖区内的灰岩岩溶形态以溶蚀裂隙、溶孔为主。现分述如下：

2.2.1 李一矿—谢一矿岩溶发育特征

李一矿—谢一矿灰岩岩溶形态主要是溶蚀裂隙和溶孔。岩溶发育较强的是厚度较大的地层。其岩溶发育特征：

（1）沿碳酸盐岩层面岩溶溶隙较发育。-600m以深水平石门于碳酸盐岩层底发育平行于地层走向的溶隙，并有涌水。

（2）构造发育处岩溶较发育。涌水量大于10m3/h的钻孔大都分布在小断层发育处。

（3）岩溶发育程度随深度增加而减弱。

2.2.2 新庄孜矿岩溶发育特征

新庄孜矿灰岩岩溶形态主要是溶蚀裂隙和溶孔，且以溶蚀裂隙为主。构造薄弱带的灰岩岩溶化发育，有多个岩溶裂隙和溶裂通道，存在有多条尺度不同的岩溶导水通道。

2.2.3 李嘴孜矿岩溶发育特征

李嘴孜矿岩溶多发育在奥陶系和石炭系太原组中。

（1）奥陶系灰岩由白云质灰岩、石灰岩、角砾状灰岩和白云岩等组成，总厚225～270m。岩溶主要发育为溶隙、次为溶孔和溶洞，钻孔可见溶洞高度0.23～9.15m，平均岩溶率为2.51%。岩溶发育不均一，总体随深度增加而递减，-450～-850m 标高段岩溶不发育。

（2）石炭系太原组由石灰岩及含白云质灰岩组成，厚101～127m。岩溶主要发育为溶隙、次为溶孔和溶洞，钻孔可见溶洞高度0.10～3.43m，平均岩溶率为0.897%，岩溶发育不均一，总体随深度增加而递减。

2.2.4 孔集矿岩溶发育特征

（1）岩溶平面分布特征：孔集矿岩溶发育的平面分布是不均一的，其奥陶系灰岩西部岩溶发育，石炭系太原组灰岩东部岩溶发育。

（2）不同组的岩溶发育特征：通过对不同灰岩层钻孔溶洞空洞率、能见溶洞率、钻孔漏水率和岩溶率的比较曲线可知：发育程度为奥陶系灰岩岩溶最强，其次是寒武系灰岩，最差的是石炭系太原组灰岩，岩溶率分别为2.51%，1.71%，0.897%；在太原组灰岩中，岩溶发育最强的为，其次为，最差的为，岩溶率分别为2.95%，0.746%，0.216%。如图6所示。

图6 不同层组岩溶比较曲线Figure 6. Comparison curves of karsts in different strata

（3）随深度变化的特征：岩溶现象发育在浅部，0～-60m 由上到下发育减弱，但并不是随深度的增加而减少；-300～-400m 仍然有奥陶系灰岩岩溶发育；-450～-850m奥陶系灰岩岩溶均不发育。

（4）岩溶与构造的关系：断层交叉地带岩溶最发育，其次是倒转及倾斜地层背斜轴附近，最弱的是断层尖灭端；断层下盘岩溶发育弱于上盘。

3 基于GIS的岩溶塌陷易发程度划分

3.1 岩溶塌陷易发性评价方法

本次评价采用ArcGIS划分评价单元和定性与定量相结合的方法。根据岩溶塌陷发育特征、发育背景及发育现状，以及岩溶塌陷形成机理等确定评价因子；利用层次分析法确定各因子权重；利用综合指数法进行岩溶塌陷地质灾害易发性评价。

评价流程：在不同的评价单元上采取各评价因子量化数值，用数学评价模型计算出各评价单元的岩溶塌陷易发程度指数，通过网格数据化处理进行岩溶塌陷易发性分区[1]。岩溶塌陷易发性分区结果经专家审核，不符合实际的应重新调整权重进行评价。本次岩溶塌陷地质灾害易发性评价主要评价流程见评价流程图（图7）。

图7 岩溶塌陷易发性评价流程图Figure 7. Flow chart of evaluation of karst collapse susceptibility

3.1.1 评价因子确定

在充分分析研究区岩溶塌陷地质环境状况基础上，依据以下原则进行评价因子的选取：

（1）从岩溶塌陷的形成机理出发，选取影响岩溶塌陷的内在因素作为评价指标；同时考虑反映岩溶塌陷发生潜能的指标，比如岩溶塌陷频数比等。

（2）评价指标要选取基础资料完整性较好，且便于定量分析。

（3）评价因子要代表全面，且与岩溶塌陷关联性较好；各因子能代表不同的层次且相互独立。

本次研究选取了表1 中4 个条件6 个因子作为评价因子。

3.1.2 评价因子权重确定

本次岩溶塌陷易发性评价因子权重确定采用层次分析法。本方法基本原理首先是把所有问题进行层次化处理，即按问题的性质及与总目标关系将问题分解处理为不同层次，构建一个多层次的分析模型[2]。其具体步骤如下：

（1）建立包括目标层和指标层的模型层次结构。其中目标层是岩溶塌陷易发程度和危险程度等；指标层是岩溶发育情况、松散层覆盖条件、地下水条件等影响岩溶塌陷因子。

表1 岩溶地面塌陷评价因子表Table 1. Evaluation factors of karst surface collapse

（2）建立判断矩阵（公式1），分析比较同一层诸因素与某一特定因素的相对关系。设D层次中的元素D1，D2，D3……，Dn与上层次C中的元素Ck有关系。通过标度方式打分分析比较不同因素，根据其重要程度则赋以不同的值，见表2。

表2 判断矩阵元素Ck的1～9标度方法Table 2. 1～9 scaling method of judgment matrix element Ck

（3）根据建立的要素指数划分表计算各级别因子有序权向量，并进行归一化处理，确定处理计算系统评分规则。

（4）由于客观事件复杂性及对事物认识的片面性，所以构造判断矩阵不一定是一致性矩阵，但当偏离一致性过大时，会导致一些问题的产生。故需进行一致性检验。

平均随机一致性指标RI见表3。

表3 1～9阶矩阵平均随机一致性指标值（n代表维数）Table 3. Average random consistency index value of matrix of order 1 to 9（n represents dimension）

一致性指标（CI）的公式为：

其CR=CI/RI值判断矩阵一致性标准是：

CR＜0.1：一致性很好，则判断合理；

CR=0.1：一致性较好，属判断较合理；

CR＞0.1：不符合一致性原则，需重新调整，调整到满意为止。

3.1.3 岩溶塌陷地质灾害易发性评价

利用综合指数法进行岩溶塌陷地质灾害易发性评价。综合指数法数学评价模型为：

式中：Pi—第i单元的易发性指数；

i—评价单元；

j—评价因子；

aj—第j个评价因子在第i评价单元的赋值；

wj—第j个评价因子的权重。

3.2 岩溶塌陷易发性分区评价

3.2.1 评价单元划分

采用正方网格划分法对研究区岩溶塌陷易发性进行评价单元划分。划分网格的大小以保证大多数与岩溶塌陷相关的地质信息能编入图中。将划分的评价单元网格面积为0.04km2（200m×200m）进行剖分，共划分1551个评价方格。

3.2.2 指标及权重量化

采取层次分析法确定各判断因子权重，以量化值1、2、3对应指标弱、中、强。根据岩溶塌陷易发性模型（图8），对比研究区岩溶塌陷实际情况作出调整，按九标度构建权重分析矩阵（表4），算出各判别因子量值和权重（表5）。判断矩阵一致性比例：0.0644<0.1，满足一致性检验。

图8 岩溶塌陷易发性评价层次模型Figure 8. Hierarchical model for evaluation of karst collapse risk

表4 岩溶地面塌陷易发性评价判断指标Table 4. Evaluation indexes of karst surface collapse risk

表5 岩溶地面塌陷评价指标量化表Table 5. Quantization table of evaluation indexes of karst surface collapse

3.2.3 岩溶塌陷易发性分区评价

依据易发性综合指数Pi值划分不同等级的岩溶地面塌陷易发区：Pi>2.4 为岩溶地面塌陷高易发区；1.9

按照表6 确定的单元等级对叠加结果进行重分类，从而形成岩溶塌陷易发性分区图。研究区岩溶塌陷易发程度划分为岩溶塌陷高易发区、中易发区、低易发区等3个区。分区结果见表7和图9。

表6 易发性等级分级Table 6. Rating table of risks

表7 研究区岩溶塌陷易发性分区Table 7. Zoning of karst collapse risks in the study area

图9 研究区岩溶塌陷易发性评价分区图Figure 9. Zoning of evaluated risks of karst collapse in the study area

4 结语

本文对淮南八公山一带岩溶发育特征、控制因素、成因机制及岩溶地面塌陷易发区的划分等进行了分析研究，主要结论如下：

（1）岩溶发育是岩性、地质构造以及地下水径流共同作用产生的结果，其中岩性为厚层状灰岩的岩溶发育、岩性为白云质灰岩的岩溶发育次之；地质构造控制着岩溶发育层位，在断层和褶皱部位岩溶较发育，尤其在断裂交汇处岩溶发育。

（2）裸露区岩溶形态特征主要有溶沟、溶洞、溶隙等，岩溶发育地层有寒武系馒头组、毛庄组和张夏组。隐伏区石炭系太原组组灰岩较组灰岩岩溶发育，但是溶蚀发育程度是向下减弱并非随深度增加而递减，往下仍可见发育规模较大的溶洞。奥陶系灰岩浅部岩溶较深部发育，溶蚀发育程度随埋藏深度增加而递减。

（3）采用ArcGIS 划分评价单元和定性与定量相结合的方法。根据岩溶塌陷发育特征、发育背景及发育现状、岩溶塌陷形成机理等确定塌陷坑密度、岩溶发育程度、松散层厚度、结构、第四系底部岩性、地下水年变幅等6个评价因子；利用层次分析法确定各因子权重，利用综合指数法进行岩溶塌陷地质灾害易发性评价。

（4）开展基于GIS 的岩溶塌陷易发程度划分，采用正方网格划分法对研究区岩溶塌陷易发性进行评价单元划分，划分的评价单元网格面积为0.04km2（200m×200m），共划分1551 个评价方格。将研究区岩溶塌陷易发性划分为高易发区、中易发区和低易发区。