武汉都市发展区岩溶发育基本特征及地面塌陷易发程度划分

彭华中

(武汉市勘察设计有限公司,湖北 武汉 430022)

武汉市位于江汉平原东部,全境面积约8 494 km2,石灰岩分布面积约1 100 km2,约占该市面积的12.9%[1]。武汉市历史上出现了20多次岩溶塌陷,给人民的生命及财产造成了较大的损失。岩溶地质灾害为危害城区主要的地质灾害之一,引起许多专家、学者及工程技术人员的重视及研究。罗小杰对浅层岩溶发育规律及岩溶地质结构进行了一定的研究与探讨,范士凯[2]对岩溶塌陷分布及成因机制进行总结。本文依托前人研究成果及所搜集岩溶区钻孔资料进行了综合统计,分析了岩溶的基本特征,并对区内典型的岩溶地质结构及岩溶塌陷易发程度进行了划分。

1 碳酸盐岩分布规律

结合前期研究[3-5]并综合收集钻孔资料,将武汉都市发展区碳酸盐岩的分布划分为六个条带：天兴洲条带、大桥条带、白沙洲条带、沌口条带、军山条带及汉南条带。碳酸盐岩条带分布见图1,各条带规模见表1。

这些碳酸盐岩条带一般具有以下特征：

(1) 碳酸盐岩的分布明显受线状褶皱构造控制,一般呈北西—南东向展布的条带状。

(2) 在每个条带上基本均存在三种不同时代的碳酸盐岩,三叠系大冶组发育在向斜的核部,一般也较宽,二叠系栖霞组和石炭系黄龙组分布在向斜的翼部,一般宽度不超过0.5 km。

图1 武汉都市发展区碳酸盐岩条带分布图

(3) 相邻的碳酸盐岩条带之间被以志留系坟头组碎屑岩核部背斜分隔,使得每个条带之间相互独立。

(4) 在同一碳酸盐岩条带上,大冶组与栖霞组之间一般被三叠系龙潭组和大隆组碎屑岩隔断,而栖霞霞组与黄龙组之间则一般由于船山组、梁山组地层的缺失而呈现直接接触的关系。

表1 武汉都市发展区碳酸盐岩条带分布规模

2 岩溶发育规律

(1) 岩溶发育程度。岩溶发育程度是指碳酸盐岩遭受岩溶作用的程度,工程实际中用钻孔遇洞率和线岩溶率描述岩溶发育程度。

根据对各年代碳酸盐岩钻孔遇洞率和线岩溶率统计。钻孔遇洞率黄龙组(C2h)最大,栖霞组(P2q)居中,大冶组(T1d)最小,依次为36.1%、34.2%、18.5%;钻孔线岩溶率栖霞组最大,黄龙组居中,大冶组最小,依次为7.62%、7.25%、3.61%。上述统计结果表明黄龙组及栖霞组较大冶组碳酸盐岩岩溶发育。

(2) 溶洞形态特征。武汉地区岩溶由地下水垂直渗流产生,主要形态类型表现为溶洞、溶沟和溶槽洞等。根据不同时代碳酸盐岩溶洞高度统计,洞高在2 m以内的小型溶洞,达到1 562个,占到总数的68.24%;洞高>6 m的溶洞个数仅为160个,占总数的7.82%,表明武汉地区碳酸盐岩中溶洞发育规模的特征以小型为主,大型较为少见。

(3) 溶洞充填类型。溶洞充填类型分为全充填、半充填和无充填3种,根据溶洞充填类型统计(表2),全充填溶洞占总溶洞数的57.72%;其次为无充填溶洞,占比33%,半充填溶洞数量相对较少。溶洞充填物主要为粘性土、粘性土夹灰岩碎块、粘性土夹砂三种类型。

表2 溶洞充填类型统计表

(4) 岩溶平面发育规律。根据前期研究成果[5],对碳酸盐岩钻孔的遇洞率和线岩溶率进行统计(表3),钻孔遇洞率和线岩溶率北部条带最小,分别为2.8%、0.36%;军山条带最大,分别为45.2%、7.05%。钻孔遇洞率和平均线岩溶率呈现由北向南逐渐增大的特点,根据上述统计结果判定不同时代碳酸盐岩岩溶发育强弱顺序为：黄龙组>栖霞组>大冶组。

表3 不同条带上碳酸盐岩岩溶发育程度统计表(单位：%)

(5) 岩溶竖向发育规律。根据溶洞顶板距离基岩面埋深统计,溶洞顶板在基岩面以下1 m以内的溶洞有610个,占总溶洞数的28.52%,在基岩面以下2.5 m以内溶洞有1 205个,占总数的54.32%,在基岩面以下埋深10 m以上的溶洞仅有212个,占总数的8.51%。说明在武汉地区碳酸盐岩中所发育的溶洞大部分为浅层溶洞,尤其在基岩面以下2.5 m范围内的居多。

3 岩溶地质结构类型及地面塌陷易发程度

3.1 岩溶地质结构类型

根据碳酸盐岩分布、岩溶发育规律、地层组合、地下水动力条件等因素对典型的岩溶地质结构进行了划分,见表4。

Ⅰ类：主要分布于长江、汉江Ⅰ级阶地。覆盖层为第四系全新统地层,具典型二元结构,上部为一般粘性土,中部为厚层状砂性土及卵砾石,下伏可溶岩。孔隙承压水赋存于砂性土及卵砾石层中,与赋存于可溶岩中岩溶裂隙水有直接水力联系。

Ⅱ类：主要分布于长江、汉江Ⅱ级阶地。覆盖层为第四系更新统地层,上部一般为老粘性土,中部为粘质砂土或粘性土,下伏可溶岩;孔隙承压水赋存于粘质砂土中,岩溶裂隙水赋存于可溶岩中;孔隙承压水与岩溶裂隙水有直接水力联系。

Ⅲ类：主要分布于剥蚀堆积垄岗区,覆盖层为第四系更新统地层,上部主要为老粘性土或粘土夹碎石,中部为红粘土或红粘土夹碎石,下伏碳酸盐岩。岩溶裂隙水赋存于碳酸盐岩中,上部老粘性土或粘土夹碎石为隔水层。

表4 武汉典型岩溶地质结构类型

Ⅳ类：主要分布于长江、汉江Ⅰ、Ⅱ级阶地,覆盖层为第四系全新统地层,上部为一般粘性土,中部为砂性土及砾卵石,可溶岩上覆碎屑岩。孔隙承压水赋存于砂性土及卵砾石层中,岩溶裂隙水赋存于碳酸盐岩中,碎屑岩中赋存少量基岩裂隙水。

3.2 岩溶地面塌陷易发区

根据武汉碳酸盐岩条带分布、岩溶地质结构类型和岩溶发育特征,并结合塌陷历史,将岩溶地面塌陷区域分为高易发区、中等易发区及低易发区。

(1) 地面塌陷高易发区。第Ⅰ类岩溶地质结构类型为岩溶地面塌陷高易发区。经统计军山条带及白沙洲条带上钻孔遇洞率分别为45.52%、20.02%,其线溶洞率分别为7.05%、5.89%,可以判定上述地段岩溶属中—强发育。由于砂土层直接覆盖于可溶岩之上,在自然、人类活动等因素作用下,可溶岩上覆砂土及卵砾石可直接通过可溶性岩中的溶隙、孔洞流失,从而导致岩溶地面塌陷。武汉历史塌陷大多为此类,如武昌区阮家巷、陆家街中学、毛坦港小学、长江紫都、烽火村、光霞村、白沙洲高架、汉阳轧钢厂及汉南斗埠岩溶地面塌陷等。第Ⅲ类岩溶地质结构类型的中局部地段,碳酸盐岩顶板标高变化大或存在深、大溶沟、溶槽且软塑—流塑状红粘土与基岩直接接触,在外因作用下流塑—软塑状红粘土或红粘土夹碎石可通过碳酸盐岩中的溶隙、孔洞漏失,此类地段也属岩溶地面塌陷高易发区。该区段分布于白沙洲条带和汉南条带与长江相交处。该类区域岩溶大多强发育,基岩面0～3 m范围内岩溶发育尤为强烈,此类塌陷近年来也呈多发趋势,如江夏区龙泉京广铁路、江夏区澎湖湾小区等都位于该区域内。

(2) 地面塌陷中等易发区。第Ⅳ类岩溶地质结构类型为岩溶地面塌陷中等易发区。根据所搜集到的钻孔资料,可溶岩碎屑岩厚度一般>2.0 m,粘质砂土中粘粒大多含量>10%,且呈厚层状,该类地段一般不易发生地面塌陷,当受人类活动影响时,岩溶中等及以上发育时,可能会发生岩溶地面塌陷。该区分布于长江、汉江等Ⅰ级阶地,在汉南条带、白沙洲条带、沌口条带、天兴洲条带局部分布。历史上曾发生过世茂锦绣长江小区因桩基施工击穿上覆非可溶岩而导致地面塌陷事故。

(3) 地面塌陷低易发区。第Ⅱ、Ⅲ类岩溶地质结构类型总体属于地面塌陷低易发区。碳酸盐岩上覆老粘性土及砂质粘性土厚度一般较大且砂质粘性土的粘粒含量>10%,地下水贫瘠;该区段一般岩溶微—中等发育,且大多被可塑—硬塑状粘土充填,覆盖层的土洞亦不发育,此类地段发生岩溶地面塌陷的可能性较小,本区分布广,面积约占整个可溶岩面积的88%。

4 结论

(1) 碳酸盐岩的分布明显受线状褶皱构造控制,一般呈北西—南东向展布的条带状,武汉都市区内可溶岩条带可分为天兴洲条带、大桥条带、白沙洲条带、沌口条带、军山条带、汉南条带六个。

(2) 武汉都市区内岩溶以覆盖型为主,岩溶整体中等发育,溶洞发育规模的特征以小型为主,大型较为少见;溶洞充填以全充填为主,无充填及半充填数量相对较少。

(3) 碳酸盐岩条带岩溶发育程度表现为由北向南逐渐增大的特点;不同时代碳酸盐岩岩溶发育强弱顺序为：黄龙组>栖霞组>大冶组。

(4) 根据碳酸盐岩分布、岩溶发育规律、地层组合、地下水动力条件等因素将武汉典型的岩溶地质结构了划分为四个类型。

(5) 第Ⅰ类岩溶地质结构类型及第Ⅲ类岩溶地质结构类型的中局部地段为岩溶地面塌陷高易发区;第Ⅳ类岩溶地质结构类型为岩溶地面塌陷中等易发区;第Ⅱ、Ⅲ类岩溶地质结构类型总体属于地面塌陷低易发区。