广州市花都区花山镇、花东镇岩溶发育规律初探

丁 琛

(广州市地质调查院，广东 广州 510440)

0 引言

地面塌陷与岩溶有密不可分的联系。地面塌陷的形成有两种方式，一是溶洞，二是土洞。在土层薄的地段，易发生岩溶地面塌陷；而在土层厚的区域，且基岩与上覆土层接触面有开口的地段，或在“上黏下砂”的土层结构条件下，易形成土洞[1]。

对于岩溶，国内外学者提出众多研究方法，主要是地球物理钻探与工程钻探。地球物理勘探主要包括高密度电法、浅层地震法、瑞利波勘探技术、激光扫描技术、核磁共振技术等方法。目前利用较多的是高密度点法。其原理是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究这些差异以及人工电场的分布规律，可达到查明地下地质构造和寻找地下典型不均匀体(岩溶、风化层、滑坡体等)的一种地球物理勘探方法。工程钻探根据可溶岩及地下水状态等进行合理的布控，补给区和径流区的勘探先进行地面调查，结合物探资料，有针对性的布置钻孔位置，而排泄区要进行全面的勘查，系统的评价岩溶发育状态[2-4]。

广州市花都区花山镇、花东镇南部冲洪积平原(以下称研究区)位于广花盆地东北部，是广州发展较为迅速的地区。近年来，随着城市建设的加快，工程建设施工、抽排地下水，修建水库等原因，该区域已发生多起岩溶地面塌陷，严重威胁居民的生命和财产安全，已经成为制约研究区发展的瓶颈，对研究区岩溶发育规律及成因的研究已迫在眉睫。已有文献对广花盆地的赤坭镇、金沙洲等地区岩溶地面塌陷进行了研究[5-14]，基本在宏观上阐述了广花盆地的岩溶地面塌陷成因及规律，但针对性不强，对于花山镇、花东镇的岩溶发育没有系统的阐述，本次以研究区岩溶为研究对象，首次以“点+面”结合的方式，阐述研究区岩溶发育规律。

1 研究区概况

1.1 地形地貌.

研究区位于广州市北部，珠江三角洲的北缘。区内地势总体以平原为主，海拔总体在15～30 m范围内，北高南低，西北高东南低，最大高差约15 m，为堆积地貌中的冲、洪积阶地，主要为粉质黏土、中粗砂及砾砂组成。研究区总体地势北高南低，北临丘陵地带，海拔总体在200～600 m之间，最高海拔581 m。南临冲积平原，最低海拔为1.2 m。

图1 花东镇、花山镇基岩地层及地质构造图(据广州市1∶5万基岩地质图修改)Fig.1 Bedrock stratum and geological structure map of Huadong Town and Huashan Town (revised according to geological map of 1∶50 000 in Guangzhou City)1— 宝月组；2—细粒含斑黑云母二长花岗岩;3—中粒斑状黑云母二长花岗岩;4—栖霞组;5—壶天群;6—曲江组；7—测水组；8—石磴子组；9—大赛坝组；10—帽子峰组；11— 天子岭组；12—研究区界线 ；13—实测正断层；14—实测逆断层；15—推测断层；16—镇界

1.2 地质背景

研究区位于华南华夏系构造与南岭东西向构造交汇区的南部，经历了加里东期以来的多次构造运动，褶皱和断裂构造发育。根据前人资料，研究区内发育北东向、东向及南东向断裂，探明的以张性断裂为主；褶皱主要以花县复向斜为主，轴向北东，轴部为轴部大赛坝组(C1ds)，两翼为石磴子组(C1sd)和测水组(C1dc)。褶皱又多被纵、横断裂所破坏，致使褶皱两翼岩层多不对称。

研究区主要发育石炭系和第四系地层以及侏罗系侵入岩。石炭系揭露的地层有石磴子组(C1s)灰岩、白云质灰岩，测水组(C1c)砂岩、粉砂岩，曲江组(C1q)砂岩、泥灰岩及含燧石灰岩，壶天群(C2ht)厚层状泥灰岩；第四系揭露的地层有灯笼沙组黏土、砾砂，万倾沙组黏土、粉质黏土，横栏组砾砂、亚粉土，杏壇组粉质黏土、细砂、中粗砂、砾砂，具有典型的“上黏下砂”结构。侏罗纪侵入岩主要为粗粒斑状黑云母二长花岗岩，主要分布在研究区北部，呈点状零星分布。

1.3 地下水特征

根据前人资料及钻探揭露的地下水位表明，研究区地下水主要有三类组成：孔隙水、裂隙水和岩溶水。

孔隙水主要分布在第四系黏土、粉质黏土和中粗砂、砾砂中，一般水位埋深2～5 m。黏土、粉质黏土厚4～10 m，有弱隔水性，故其下部的中粗砂、砾砂中的孔隙水具有弱承压性，水量丰富。裂隙水主要分布在测水组、曲江组砂岩以及花岗岩裂隙中，节理裂隙较为发育，水量中等～贫乏。岩溶水主要分布在石炭系灰岩、白云质灰岩中，其顶部埋深一般15～20 m，节理裂隙较为发育，局部破碎，水量丰富。

孔隙水补给主要依靠大气降水和地表水体渗入，承压水主要接受地表水体补给，丰水期孔隙水受地表水体补给，枯水期孔隙水补给地表水体，少量受上层潜水补给。碎屑岩裂隙水主要受上覆孔隙水补给，其与地表水体和岩溶水互为补排关系。岩溶水主要受裂隙水和孔隙水补给，也受裂隙水的侧向补给，其排泄方式主要为人工开采及侧向径流。

2 研究区岩溶发育特征

地球物理勘探具有覆盖面积广，容易施工等特点，同时也具有多解性、不确定性等特点，工程钻探具有精确性，但覆盖面积小。前人对广花盆地岩溶的研究，多采用工程钻探方式，本次研究在综合分析前人资料和野外调查的基础上，采用地球物理勘探+工程钻探的方式进行研究，点面结合，研究更具有科学性，地球物理勘探测线布置与钻孔布置见图2、图3。

图2 地球物理勘探测线布置图及成果图(据广州市1∶5万基岩地质图修改)Fig.2 Geophysical survey line layout and result map(revised according to geological map of 1∶50 000 in Guangzhou City)1—二叠系下统阳新群砂页岩；2—石炭系中上统壶天群灰岩；3—石炭系下统测水组砂页岩；4—石炭系下统石磴子组灰岩；5—高密度测线及测点；6—本次工作圈定的低阻异常；7—本次工作推断岩溶发育带；8—本次物探研究区；9—物探推断的溶洞强发育区；10—物探推断的溶洞中等发育区；11—物探推断的溶洞弱发育区；12—本次物探推断断裂

图3 研究区地层构造与钻孔布置图Fig.3 Stratigraphic structure and borehole layout of the study area1—细粒含斑黑云母二长花岗岩;2—中粒斑状黑云母二长花岗岩;3—栖霞组;4—壶天群;5—曲江组；6—测水组；7—石磴子组；8—大赛坝组；9—帽子峰组；10—见溶洞钻孔；11—未见溶洞钻孔；12—逆断层；13—推测断层；14—镇界

根据研究区区域地质及构造特征，将本次研究区分为三个子研究区：瓦窑塘、塘贝子研究区、杨村子研究区、向西庄子研究区，如图2。根据前人资料，瓦窑塘、塘贝子研究区位于向斜西翼，基岩为测水组砂页岩与壶天群灰岩交界；杨村子研究区、西向庄子研究区位于两个毗邻褶斜轴部，基岩为壶天群灰岩、测水组砂页岩、石磴子组灰岩。

2.1 瓦窑塘、塘贝子研究区

本子研究区共布置地球物理勘探线10条，圈定地球物理异常20处，该地段位于石炭系测水组地层，推断为浅部的土洞引起，不排除测水组炭质层引起的可能，部分为不明性质异常；共布置钻探5个，其中见溶洞钻孔2个，溶蚀现象钻孔1个，平均线性溶蚀率为60%，纵向单孔溶洞厚度最大的为ZK19，厚3.9 m，位于侏罗花岗岩与石炭系可溶岩接触部位。

2.2 杨村子研究区

本子研究区共布置地球物理勘探线10条，圈定地球物理异常17处，该地段测线地处向斜轴部地段，基岩为石磴子组灰岩与壶天群泥灰岩、白云质灰岩，地下水向斜轴部汇合导致，均推断为溶(土)洞引起；共布置钻探9个，其中见溶洞钻孔5个，溶蚀现象钻孔3个，平均线性溶蚀率为89.9%，纵向单孔溶洞厚度最大的钻孔为ZK8-1，溶洞厚8.9 m。

图4 瓦窑塘、塘贝子研究区钻孔岩芯照片Fig.4 Borehole core photos of Wayaotang and Tangbei study area

图5 杨村子研究区钻孔岩芯照片Fig.5 Borehole core photos of boreholes in Yangcun study area

2.3 西向庄子研究区

本子研究区共布置地球物理勘探线10条，圈定地球物理异常16处，该地段测线地处背斜轴部地段，基岩为石磴子组灰岩与壶天群泥灰岩、白云质灰岩，均推断为溶(土)洞引起；共布置钻探5个，其中见溶洞钻孔5个，平均线性溶蚀率为100%，纵向单孔溶洞厚度最大的钻孔为ZK25-1，溶洞厚4.8 m。

图6 西向庄子研究区钻孔岩芯照片Fig.6 Borehole core photos of boreholes in West Zhuangzi study area

2.4 溶洞纵向发育特征

将研究区钻孔按5 m分段分别计算标高段溶蚀率，其中-15～-10 m段为岩溶最发育段，岩溶率大于20%，其次-25～-20 m、-10～-5 m段为岩溶次发育段，岩溶率介于3%～20%之间，-25 m以下岩溶发育弱，仅见ZK25-1最大深度标高-33.88 m，岩溶厚度0.3 m，因此，研究区属于岩溶强发育区。根据不同标高段溶洞发育厚度占总溶洞厚度的比例见图7。

图7 不同标高段岩溶情况Fig.7 Karst rate of different elevation sections

3 岩溶分布规律及成因

通过上述岩溶发育情况，可以看出，研究区内揭露的溶洞主要发育在杨庄子研究区和向西庄子研究区及其附近。根据岩溶揭露情况，分析其形成规律与主要与地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水及人类工程活动特征有关[9-13,15-17]。

3.1 岩溶与地形地貌的关系

研究区岩溶主要发育在南部地势较低地带，并且随着地势低洼，溶洞发育数量及厚度逐渐增加，而从三个子研究区上看，岩溶发育程度瓦窑塘、塘贝子研究区<杨庄子研究区<西向庄子研究区，而地势则相反。

西向庄子研究区揭露有溶洞的钻孔为ZK3、ZK6、ZK9、ZK25-1、ZK30-1，其中ZK25-1为低洼地带，岩溶最为发育，单孔溶洞厚度达4.8 m。杨庄子研究区，揭露有溶洞的钻孔为ZK5、ZK11、ZK9-1、ZK8-1、ZK12，其中ZK8-1、ZK9-1为低洼地带，岩溶最为发育，单孔溶洞厚度为8.9 m。瓦窑塘、塘贝子研究区揭露有溶洞的钻孔为ZK4、ZK7、ZK19，其中ZK19为低洼地带，岩溶最为发育，单孔溶洞厚度为3.9 m。根据相似地质环境原则，剔除非相似地质环境钻孔后，分别作三个子区岩溶随地势变化规律如图8，可见岩溶发育程度与地势大体上呈负相关关系。由于低洼地带，为地下水的径流区或排泄区，地下水流量较大，地下水中的可溶介质较为丰富，岩溶更为发育。

3.2 岩溶与岩性的关系

可溶岩的存在是岩溶发育的必要条件[5-14]。研究区的可溶岩为石炭系下统石磴子组的灰岩，壶天群灰岩、白云质灰岩、大理岩等。本次研究中ZK12、ZK19-1及ZK19-2等揭露的可溶岩为壶天群含灰质粉晶白云岩，岩溶发育较弱；而ZK8-1、ZK25-1及ZK9等揭露的可溶岩为石蹬子组含生屑泥晶灰岩，由少量生物碎屑和微晶方解石基质组成，岩溶很发育。可见，石蹬子组地层岩溶发育较壶天群地层好。

图8 不同研究子区岩溶发育随地面标高变化情况Fig.8 Variation of karst development with ground elevation

根据分别采取溶洞发育好及差状态下的灰岩进行灰岩化学分析，分析结果见表1。

根据测试结果，作Ga2+散点图，如图9，由图可知，随着Ga2+的增加，岩溶发育程度越高，而Ga2+的增加意味着灰岩含量较高，白云岩含量的相对减少，由此也验证石蹬子组灰岩岩溶更为发育。

表1 灰岩化学分析测试结果一览表Table 1 List of chemical analysis and test results of limestone

图9 Ca2+与研究区岩溶的关系Fig.9 Relationship between Ca2+ and karst in the study area

侵入岩周围岩层破碎，地下水流通性强，有助于岩溶的发育，例如瓦窑塘、塘贝子研究区中ZK7与ZK19，位于侏罗纪花岗岩附近，均揭露有溶洞。

覆盖层对岩溶发育也由总要影响。研究区覆盖层为“上黏下砂”结构，致使砂土中的地下水具有弱承压性，且砂土具有良好的导水性，直接覆盖在可溶岩上，通过可溶岩的裂隙与岩溶水联通，为岩溶提供了良好的水文条件。

3.3 岩溶与地质构造的关系

研究区的构造主要有断裂和褶皱，褶皱轴部受应力集中，节理裂隙十分发育，岩石相对破碎，地下水流通性较好，岩溶较为发育。断裂除了可以使岩层破碎产生裂隙外，也增加了地下水的流动性及可溶岩与地下水的接触面积，加剧了岩溶发育[7,11-12]。例如瓦窑塘、塘贝子研究区中ZK30-1、ZK3，位于两地层交界部位，最大岩溶厚度0.75 m；瓦窑塘、塘贝子子研究区中ZK9、杨庄子研究区中ZK11、ZK12，位于褶皱轴部，最大岩溶厚度为3.8 m；瓦窑塘、塘贝子研究区中ZK9、ZK25-1、杨庄子研究区中ZK8-1、ZK9-1、ZK5，位于褶皱轴部与断裂交接部位，最大岩溶厚度8.9 m。

表2 不同构造部位钻孔岩溶发育Table 2 Karst development at different structural positions

3.4 岩溶与地下水的关系

岩溶与地下水运动有密不可分的联系，是岩溶形成的主要动力[15-16]。地下水受地形的控制，研究区北部与丘陵地带接触部位为地下水补给区，岩溶发育较弱，主要以溶蚀沟槽为主，埋藏浅，规模小，多以溶蚀裂缝、沟槽为主；补给区向南为径流区，岩溶发育逐渐增强，地下水埋深浅，流通性大，主要以水平溶洞、暗河为主(图2)。

地下水水质对岩溶发育有重要影响，一般酸性地下水条件下，岩溶发育更为强烈。研究区水文地质条件复杂，不同部位的地下水环境差异特别大，例如分别在岩溶十分发育的钻孔ZK8-1和岩溶发育较弱的钻孔ZK19-1取水样，进行测试，测试结果如表3。

表3 ZK8-1、ZK19-1钻孔取水样测试结果平均值Table 3 Average test results of zk8-1 and zk19-1 borehole water samples

测试结果表明，酸性条件下，岩溶发育较为强烈，碱性条件下，岩溶发育较为薄弱，甚至不发育。

3.5 岩溶与人类工程活动的关系

人类活动的影响，如矿山开采、新修排水渠、开挖鱼塘、地上及地下工程施工等、地表水库蓄水，灌溉、输水管渠渗水，地面挖水积水等增强地下水的补给，改变了地表水的自然流态和地表水与地下水的水力联系。据调查，研究区工业发展较强，人类工程设施建设、生产、生活中大量抽取地下水，呈地表河水补给地下水，出现明显的地下降水漏斗，加快了径流区水动力变化，引起水动力条件的改变，使地下水排泄增强，促进了岩溶的发育。

4 结论

(1)研究区属于岩溶强发育区，其发育受地层、地质构造、地下水、地形地貌等因素控制，人类工程活动促进了岩溶的发育。

(2)标高控制的岩溶纵向发育。根据本次调查，研究区主要发育埋藏型岩溶，纵向上岩溶主要发育在-15～-10 m标高段，并以该标段为中心，向上下两边岩溶发育强度逐渐降低，向上至土、岩界面，向下可见岩溶最深标高-33.88 m。

(3)地形地貌控制岩溶横向发育。研究区为堆积地貌中的冲、洪积阶地地貌，三个子研究区总体地势北高南低，在相似地质环境下，随着地势的低洼，岩溶发育强度越大，岩溶发育强度与地势呈负相关关系。

(4)可溶岩控制岩溶发育强度。可溶岩控制了岩溶的发育程度及范围，研究区分布有厚层状的可溶岩，在地质环境条件相似的情况下，可溶岩中的Ca2+含量越高，意味着碳酸盐岩中灰质成分越高，岩溶愈发育。