东黄山国际小镇岩溶发育特征及主控因素确定

2020-08-26李飞飞郭红梅

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年3期

李飞飞，郭红梅

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

岩溶是可溶岩在水的化学溶蚀作用下，伴随水流的冲蚀、侵蚀等机械作用形成的地质现象。岩溶区地质条件通常比较复杂，由岩溶引发的地质灾害往往具有隐蔽性和突发性的特点。在岩溶区进行工程建设时，由于岩溶破坏了基岩的完整性，导致岩体的强度和承载力大幅度降低，常常会引发地面塌陷、不均匀沉降等变形破坏，影响工程建设的安全[1-2]。

黄山市位于安徽省最南部，地处皖浙赣三省交界处，被称为“三省通衢”，黄山独特的花岗岩山体，有着“天下第一奇山”的美誉。目前前人对黄山地区的研究多集中于花岗岩地貌景观及构造运动，而对区内岩溶的研究少之又少，仅在80年文献[3-4]对整个皖南山区溶洞发育规律和岩溶洞穴形成原因进行了初步探讨和研究，然其相隔时间较远，且针对黄山地区的岩溶发育特征未曾提及。自60年代中期安徽省地矿局各地质队与各大科研院所陆续开始对黄山市开展区域地质调查和地质灾害评估工作，对黄山市部分区县地表岩溶现象进行了描述，但，研究精度不高、针对性不强。

由于影响岩溶发育的诱因众多，影响因素复杂，多年来众多学者对岩溶发育机理、分布规律、岩溶危险性预测评价等方面做了大量工作。文献[5]在武汉市1:5万岩溶塌陷调查成果基础上，从影响武汉市岩溶发育的7个方面总结了典型地区岩溶发育特征；文献[6]通过对无锡市区埋藏性岩溶采用地质分析和跨孔CT方法，对无锡地铁隧道穿越区岩溶发育特征及控制因素进行了研究；文献[7]通过对贵州某机场岩溶成因机制、分布规律进行了探讨和分析，对场地岩溶发育特征进行了研究。文献[8]采用工程地质调绘、地质钻探、高密度电法等手段对云湛高速公路复杂的岩溶地质问题进行综合勘察，查明了场区岩溶发育特征。目前，随着岩溶理论水平和地理信息系统(GIS)技术的发展，国内外对岩溶区危险性评价主要涉及主控因素的选取和评价方法的选择[9-11]、岩溶塌陷的危险性评价[12-15]等方面，对岩溶的研究更趋于多元化和科学性。

岩溶发育是多因素长期相互作用的结果，其发育过程多表现为具有复杂形成机理的非线性动力现象。目前，针对黄山各区县岩溶的分布特征和发育规律尚无系统研究，因此，本次研究依托东黄山国际小镇项目，在查阅区域地质资料的基础上，采用地质调查、钻探和物探相结合的方法，统计分析东黄山国际小镇岩溶发育特征及规模，对研究区岩溶在水平和垂直方向的发育规律进行研究，在此基础上对影响研究区岩溶发育的主控因素进行确定。研究成果对岩溶区建设规划具有重要的参考和指导作用。

1 研究区概况

东黄山国际小镇位于黄山市黄山区，属皖南山区腹地，东接旌德，南依汤口，西邻黄山风景名胜区，被称为黄山的东大门。目前规划建设的东黄山国际小镇位于皖南“三山三湖”山水观光旅游发展带，是皖南文化旅游发展的核心。东黄山国际小镇基础设施配套工程建设主要包括道路工程、给水、排水管网工程、污水厂和自来水厂、客运中心站和核心区公交场站、河道治理等工程。

黄山区位于皖南山区中东部，地貌为低山、丘陵和平原，研究区所在微地貌类型为丘陵和山间谷地，整体地形为南高北低，属于典型的冲洪积沉积地层(见图1)。研究区属亚热带季风气候，年平均气温16.3℃，年降雨量2 058mm，境内水资源丰富，河流纵横分布，主要河流为麻川河及其支流。区内构造单元属于扬子准地台江南过渡带太平复向斜北翼，自古生代以来，经历了多期次构造运动，形成了比较复杂的褶皱、断裂等地质构造形迹，主要有谭家桥向斜和谭家桥断裂。谭家桥断裂为一条走向NEE向的压型断裂，倾向南东，地质构造控制着场区地下水运移方向以及岩溶的发育规模和发育方向。区内地层属扬子地层区江南地层分区的广德—黄山地层小区，区域地层主要有第四系黏性土和砂卵石层，分布于山间谷地、河谷两侧低洼地带，呈条带状。下伏基岩主要有寒武系荷塘组碳质板岩，寒武系西阳山组、华严寺组灰岩，奥陶系印渚埠组泥岩、页岩。其中，寒武系西阳山组灰岩，呈青灰色，主要分布在研究区中部和北部，隐晶质结构，薄层～中厚层状构造，主要由碳酸盐矿物组成，局部可见方解石脉。在构造运动和地下水流侵蚀作用下，岩溶裂隙、洞穴发育，溶洞充填物主要为软塑状粉质黏土和砂砾石。地表溶蚀现象较为明显，发育有溶蚀裂隙和地表溶洞，规模较小。区内地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水，其中，第四系松散岩类孔隙水主要赋存在基岩上方的砂卵石地层中，与基岩裂隙水和裂隙岩溶水存在直接水力联系。地下水流向与研究区地形地貌大致一致，总体为自南至北流。

图1 研究区三维地貌示意图

2 岩溶发育发育特征

对研究区地表岩溶开展地质调查，对区内地表溶蚀裂隙、溶沟、溶洞发育情况进行记录和整理；采用高密度电法物探手段对地下岩溶发育范围进行探查，结合岩溶发育区钻孔揭露情况，进一步确定研究区的岩溶发育规模和发育特征。总体而言，研究区岩溶发育规模不大，空间分布不均，可将研究区岩溶发育类型划分为裸露型和覆盖型两类。

2.1 地表岩溶发育特征

研究区岩溶发育主要以地下为主，地表溶蚀现象主要集中在麻川河东部出露，其主要表现为溶蚀裂隙、溶洞，局部可见钙化现象(见图2～图3)。经现场量测，溶蚀裂隙宽度大小不等，一般宽约3～7cm，部分裂隙较大，可达15～20cm，与区内优势节理面发育方向基本一致；地表溶洞主要在裸露山体底部发育，规模较小，形态不一，主要由地表水流沿裂隙通道在山体底部汇集、冲刷、溶蚀形成。

图2 灰岩山体溶蚀裂隙(宽3～5cm)

图3 灰岩山体发育溶洞(宽10cm，长16cm)

2.2 地下岩溶发育特征

根据钻孔揭露岩溶情况，地下岩溶发育类型主要为溶洞、溶蚀裂隙和小溶孔等，大多在埋深5～15m范围内揭露，沿可溶岩和非可溶岩接触带、断层影响带以及地表水体分布。本次东黄山国际小镇基础设施项目共收集854个勘探孔，其中有71个勘探孔揭露溶洞，揭露溶洞数117个，全区遇洞率为8.2%(见图4)。

图4 研究区钻孔揭露溶洞情况统计图

通过对钻孔揭露岩溶情况统计分析，溶洞为垂向多层串珠状溶洞，一般为2～3层，最多达5层。溶洞充填物情况具有一定的差异性，主要表现为河流附近溶洞充填物主要为砂砾石，且钻孔揭露时洞内水量较大；可溶岩与非可溶岩交接带揭露溶洞充填多为灰黑色风化岩岩屑或第四系软塑状粉质黏土；研究区北部远离河流区域揭露溶洞多为无充填空洞或半充填软塑状粉质黏土。揭露溶洞洞高一般为0.1～3.0m，个别洞高达4.0m以上，溶洞顶部基岩较为破碎，溶蚀裂隙发育(见图5)，溶蚀裂隙为地下水的渗流通道，在地下水的流动侵蚀作用下，裂隙不断扩大，诱使溶洞进一步发育。根据统计分析，溶洞底高程主要在180～189m和190～199m两个个高程段(见图6)，与平面上分布的2个走向NEE且相互独立的岩溶强发育条带相对应。通过与麻川河各断面河床实测高程对比，研究区中部河床高程为199.6m左右，下游河床高程为187.4m左右，2个岩溶强发育条带与研究区侵蚀基准面相对应。

图5 钻孔揭露溶洞

图6 溶洞发育高程分布图

2.3 岩溶发育分布规律

由于区内地形地貌、地层岩性、地质构造、水动力条件控制，使得岩溶发育在平面和垂直方向具有一定的差异性，呈现出明显的变化规律。根据钻孔揭露和高密度电法探测成果，岩溶强发育区主要集中在研究区中部和北部，南部发育规模较小，水平方向上表现为2条走向NEE沿河流分布的强发育条带，面积约0.4km2，占研究区总面积的5%，与区内谭家桥断裂走向基本一致。麻川河河床为区内最低侵蚀基准面，亦是地下水与地表水交替最频繁地区，岩溶较为发育。此外，在碳质板岩与灰岩接触带岩溶也存在岩溶强发育区(见图7)。

图7 溶洞发育分区图

根据物探探测和钻孔揭露情况，岩溶主要在埋深20m范围内发育， 20m以下未揭露岩溶发育。经统计，岩溶在垂直方向上具有多层性，在埋深0～20m范围内可以划分出4个不同的岩溶发育带，即埋深0～5m弱发育带，埋深6～10m强发育带，埋深11～15m中等岩溶发育带，埋深16～20m弱岩溶发育带(见图8)。垂向上表现为随着埋深的增加，岩溶发育强度逐渐减弱的趋势。

图8 溶洞发育埋深分布图

3 岩溶发育主控因素分析

影响岩溶发育的诱因众多，影响因素复杂，且各因素之间相互影响、相互制约。近年来众多学者对影响岩溶发育的主控因素进行了研究和总结，主要包括地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质条件、沉积环境等多方面因素[16-18]。本次研究通过对东黄山国际小镇岩溶发育特点进行总结分析，结合高密度电法探测和钻孔揭露情况，确定了东黄山国际小镇岩溶发育的主控因素主要有地形地貌、地层岩性、地下水、地表水和地质构造。

3.1 地形地貌

研究区南部主要为丘陵，中部和北部为山间谷地，整体地形为南高北低，水流集中向中北部汇集，区内最低侵蚀基准面位于麻川河河床。地形越平缓越有利于大气降雨的汇集、下渗，大气降雨通过山前补给往低平谷区径流、排泄，使得低平谷区浅层地下水运动强烈，地下水侵蚀作用加强，进一步加大地下水对可溶岩的溶蚀。地形地貌往往控制岩溶发育的不均匀性，因此，研究区南部丘陵地区岩溶不发育或局部微发育，中部和北部岩溶发育强烈。

3.2 地层岩性

根据区域地质资料和钻孔揭露，研究区南部主要为寒武系荷塘组碳质板岩，局部零星分布寒武系西阳山组灰岩，中部和南部大面积分布寒武系灰岩，东部局部分布奥陶系印渚埠组泥岩。从岩溶发育的平面分布来看，区内岩溶发育主要集中在中部和北部，南部岩溶零星发育，与碳酸盐岩分布一致。因此，碳酸盐岩为岩溶发育的基础，且不同岩性组合影响岩溶的发育程度，在南部和中部，碳质板岩与灰岩交接地带，存在岩溶强发育区，表明在可溶岩与非可溶岩接触带岩溶发育强烈。

3.3 地下水

地下水为岩溶发育提供了动力条件，地下水沿着构造裂隙流动，在地下水的流动侵蚀作用下，裂隙不断扩大，致使岩溶进一步发育；同样，岩溶的进一步发育，为地下水的侵蚀流动提供了更广阔的溶蚀通道，使得地下水的溶蚀作用更加强烈，进一步加大溶蚀裂隙的扩张、发育。本区岩溶发育主要位于中北部山间谷地，一般为地下水的强径流排泄区，地下水流动较快，地下水水位波动较大，溶蚀作用强烈，有利于岩溶的发育。南部为地下水的山前补给区，为地下水的径流源源不断提供水源，岩溶发育相对较弱。此外，第四系松散岩类孔隙水与裂隙岩溶水存在一定的水力联系，也是裂隙岩溶水的补给来源，根据水质分析结果，岩溶发育区松散岩类孔隙水中侵蚀性CO2最高为8.8mg/L，浓度较高，表明地下水侵蚀作用强烈。

3.4 地表水

研究区地表水主要为麻川河及其支流，麻川河为黄山区内最大的河流，整体流向为自南向北，水位受季节性影响较大，主要受大气降水和上游支流河水补给，向河流下游排泄。河底无衬砌，河水与地下水之间存在直接水力联系。本区岩溶发育水平方向主要表现为沿麻川河及支流分布的特征，区内最低侵蚀基准面位于麻川河河床，属于地下水的强径流和排泄区，地表水和地下水集中向麻川河径流、排泄，靠近河流处地下水和地表水之间水循环交替活跃，溶蚀作用强烈。由于河流水位受大气降雨影响较大，河流水位波动较大，靠近河流处地下水水位变幅较大，进一步加大地下水的侵蚀作用。

3.5 地质构造

地质构造控制着岩溶的发育规模和发育方向。一方面地质构造破坏了岩体的完整性，使岩层产生位移或裂隙，提高了岩层的透水性，加强了对可溶岩的溶蚀破坏；另一方面，构造运动改变了可溶岩与非可溶岩的接触组合关系，控制着地下水的运移和富集，从而控制着岩溶的发育方向。研究区的地质构造主要有谭家桥向斜和谭家桥断裂，区内2条走向NEE的岩溶强发育条带，与谭家桥断裂走向基本一致。在裸露型岩溶出露的区域，溶蚀裂隙和地表溶洞较为发育，与区内优势节理面走向基本一致。