豫南大別山區(qū)大理巖巖溶塌陷形成機(jī)理初探

王偉才，李秀麗，王玉海

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

1 概述

2014年9月份，豫南大別山區(qū)某縣某鎮(zhèn)連續(xù)多日強(qiáng)降雨，受降水影響，某鎮(zhèn)某地東側(cè)田地內(nèi)先后發(fā)生三次地面塌陷，產(chǎn)生5處塌陷坑，均位于朱莊—黃崗鄉(xiāng)級公路東側(cè)。地面塌陷共造成1處堰塘報廢，10478m2耕地不同程度損毀，300m電力設(shè)施倒伏變形，100m朱莊—黃崗道路路面開裂變形，直接經(jīng)濟(jì)損失約200萬元。

災(zāi)害發(fā)生后，地方政府啟動地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援預(yù)案，委托專業(yè)單位開展了地面塌陷勘查工作。本文以“某縣某鎮(zhèn)某地巖溶地面塌陷應(yīng)急勘查”為基礎(chǔ)，對下古生界大理巖巖溶塌陷形成機(jī)理進(jìn)行初步分析，為開展巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害科學(xué)防治提供基礎(chǔ)數(shù)理支持。

2 地質(zhì)背景概況

2.1 地形地貌

區(qū)域地貌為大別山余脈，以低山、丘陵為主。巖溶塌陷區(qū)內(nèi)為波狀起伏的丘陵崗地，西南高東北低。海拔高程范圍+165～+255m，相對高差約90m，山坡坡度較緩，約為15°～25°。

2.2 地層巖性

塌陷區(qū)內(nèi)出露地層主要有下古生界歪頭山組（Pz1w）和新生界第四系（Q）。

2.2.1 下古生界歪頭山組（Pz1w）

歪頭山組地層巖性從下到上分別是黑云變粒巖、斜長角閃片巖、大理巖、絹云石英片巖以及斜長角閃片巖夾大理巖透鏡體。

其中大理巖脈呈灰白色，中—粗粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，呈條帶狀展布，厚層狀產(chǎn)出。其展布方向受背斜構(gòu)造影響而發(fā)生彎曲，在背斜右翼呈北東向展布，左翼呈南東向展布。據(jù)勘查鉆孔資料，塌陷區(qū)內(nèi)大理巖層特性變化較大，埋深6.0～51.7m，大理巖巖體厚度8.9～60.0m，溶洞及溶蝕裂隙過水通道較發(fā)育。

2.2.2 新生界第四系（Q）

第四系主要出露于河床、溝谷及山坡處，為沖洪積及殘坡積等松散堆積物。巖性主要為礫石、砂、粉土、粉質(zhì)粘土及粘土，棕黃—棕紅色，土體結(jié)構(gòu)均一，密實(shí)、中—硬塑、孔隙和裂隙較發(fā)育，厚度在0.5～15.5m之間。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，以北西西向的線型褶皺和一條并列的壓性—壓扭性斷裂擠壓帶為主。

其中塌陷區(qū)內(nèi)北西向斷裂為優(yōu)勢斷裂構(gòu)造。屬壓—壓扭性斷裂，呈帶狀、斷裂束狀北西西—南東東向分布。單條斷裂走向l20°～140°，傾向200°～230°，傾角65°～78°，長度一般200～400m，寬度一般5～10m，局部寬度大于20m。沿斷裂帶巖石破碎、揉皺、糜棱巖化、片理化和硅化較為顯著，并有巖脈充填。

2.4 水文地質(zhì)

地下水類型主要為基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，其中碳酸鹽類裂隙巖溶水分布于大理巖區(qū)。

基巖裂隙水廣泛分布于塌陷區(qū)，含水巖組為歪頭山組變粒巖、石英片巖、角閃片巖。該類巖體巖石堅硬，受構(gòu)造影響，巖石多破碎，斷裂節(jié)理發(fā)育，沿斷裂帶有泉水出露。泉流量0.022～0.54L/s，地下水徑流模數(shù)小于1L/（s·km2）。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水沿大理巖分布區(qū)呈條帶狀展布。大理巖具中—粗粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，單層厚一般0.3m，巖層傾角37°～70°。巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，寬度一般5～30cm。受阻水邊界的影響，常以泉的形式出露，泉流量為0.5～3L/s。地下水徑流模數(shù)為3～6L/（s·km2）。地下水化學(xué)類型HCO3-Ca·Mg型。

3 巖溶塌陷現(xiàn)狀

3.1 1997年及2000年塌陷坑現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)發(fā)生于1997年及2000年的塌陷坑共有20處，主要分布于管莊村米南側(cè)與趙莊水庫支流之間的耕地以及廖北村民組西側(cè)沖溝旁，平面形態(tài)多為橢圓形及長條形，目前大部分已被土石充填，現(xiàn)場僅留負(fù)地形。

3.2 2014年塌陷坑現(xiàn)狀

3.2.1 Ⅰ號塌陷坑現(xiàn)狀

發(fā)生于2014年9月28日，塌陷坑平面形態(tài)呈橢圓形，坑壁近直立，塌陷坑直徑約14m，面積約150m2，塌陷深度5.5m，坑內(nèi)村有積水，坑壁巖性自上而下為：耕植土、粘土、卵礫石、二云石英片巖。

3.2.2 Ⅱ號塌陷坑現(xiàn)狀

發(fā)生于2014年9月28日，塌陷坑平面形態(tài)長方形，長33m，寬15m，面積495m2，深9.4m，位于Ⅰ號塌陷坑?xùn)|側(cè)20m，造成一處堰塘報廢，塘內(nèi)積水均沿塌陷坑底部地下水通道排泄。塌陷坑南側(cè)發(fā)育有三條張拉裂縫，裂縫寬約0.2m，最大下錯臺坎高0.3m?？颖趲r性自上而下為：粉質(zhì)粘土、碎石土、二云石英片巖、大理巖。

3.2.3 Ⅲ號塌陷坑現(xiàn)狀

發(fā)生于2014年10月2日，塌陷坑緊鄰Ⅱ號塌陷坑北側(cè)約15m。平面形態(tài)呈長條形，東部連接堰塘，北側(cè)為稻田，上游沖溝匯水自北向南流入塌陷坑內(nèi)，沿地下水通道排泄至外圍區(qū)域。塌陷坑長42m，寬26m，面積1092㎡，深7.4m?？颖趲r性自上而下為：耕植土、粘土、卵礫石、二云石英片巖。

3.2.4 Ⅳ號塌陷坑現(xiàn)狀

發(fā)生于2014年10月2日，塌陷坑平面形態(tài)呈圓形，直徑約9m，面積約65m2，深4m。緊鄰Ⅲ號塌陷坑西側(cè)10m，坑內(nèi)有一電力線桿倒伏坑內(nèi)。塌陷坑?xùn)|部有拉張裂縫發(fā)育，呈圓弧狀，裂縫寬0.1～0.15m。坑壁巖性自上而下為：耕植土、粘土。

3.2.5 Ⅴ號塌陷坑現(xiàn)狀

發(fā)生于2014年10月26日，塌陷坑平面形態(tài)呈圓形，直徑約5m，面積13m2，深4.4m，緊鄰縣級公路。坑壁巖性自上而下為：耕植土、粘土、卵礫石、云母石英片巖。

4 巖溶發(fā)育基本特征

4.1 大理巖分布形態(tài)

塌陷區(qū)內(nèi)發(fā)育一條隱伏的大理巖透鏡體，受朱莊背斜影響其展布方向發(fā)生彎曲，在背斜右翼呈北東向展布，左翼呈南東向展布。大理巖透鏡體的分布是控制巖溶塌陷發(fā)育的重要因素。大理巖透鏡體在區(qū)內(nèi)呈近東西向走向，巖層產(chǎn)狀320°∠22°。大理巖透鏡體寬度90～285m，東窄西寬；埋深6.0～51.7m；大理巖巖體厚度8.6～60.0m，東薄西厚。該層位溶洞和溶蝕裂隙普遍較發(fā)育。

4.2 巖溶的形態(tài)特征

經(jīng)應(yīng)急勘查查明，區(qū)內(nèi)巖溶的形成特征主要有溶洞、溶蝕裂隙和溶孔等，區(qū)內(nèi)鉆孔揭露有大量的溶洞，其特征是鉆孔在鉆進(jìn)的過程中遇溶洞時常產(chǎn)生掉鉆和用于護(hù)壁的泥漿大量漏失，甚至不返水現(xiàn)象，以及在鉆進(jìn)的過程中，會出現(xiàn)雖然不掉鉆但進(jìn)尺突然加快的現(xiàn)象（溶洞被軟層所充填）；區(qū)內(nèi)鉆孔揭露有較多的溶蝕裂隙和溶孔，鉆孔鉆進(jìn)的過程中遇到較大的溶蝕裂隙常產(chǎn)生劇烈的晃動現(xiàn)象。

5 威脅對象及危害程度

巖溶塌陷現(xiàn)狀不穩(wěn)定，隨時可能發(fā)生變形，形成新的塌陷。預(yù)測巖溶塌陷影響范圍呈條帶狀分布于管莊及其東部與南部、廖北村周圍、河坎村周圍及老官山林場周圍，總面積約1.0km2。威脅管莊組32戶105人，廖北村民組28戶103人，河坎村40戶200人，老官山林場3戶12人，并威脅鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路550m，焦桐高速250m及150畝土地，潛在經(jīng)濟(jì)損失約1億元，危害程度為重大級。

6 巖溶塌陷形成機(jī)理初探

6.1 塌陷形成條件初步分析

6.1.1 巖溶洞隙

根據(jù)應(yīng)急勘查資料，全區(qū)鉆孔線巖溶率達(dá)到15.9%，最高溶洞高度可達(dá)8.5m，區(qū)內(nèi)巖溶洞隙發(fā)育較好連通性較強(qiáng)，形成錯綜復(fù)雜的地下洞隙網(wǎng)絡(luò)，為地下巖溶洞隙進(jìn)一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件，并為地下水的活動和儲存提供了較好的場所。巖溶洞隙不僅是物質(zhì)轉(zhuǎn)移和塌陷巖土體暫時陷落留存的同道或場所，也是地下水動力條件形成的重要環(huán)境。

巖溶洞隙的存在，成為上部地表水體補(bǔ)給巖溶水的大門，使得裂隙水與松散孔隙水或地表水體之間的聯(lián)系增強(qiáng)。當(dāng)?shù)叵聨r溶裂隙水位下降時，巖溶洞隙上部土層與洞隙間水體水力梯度增大，水頭差增大，在巖溶洞隙周圍形成滲流場，該滲流場隨著巖溶水位不斷下降而增強(qiáng)，對上部松散蓋層產(chǎn)生一定的潛蝕和滲透力作用也在增加；當(dāng)巖溶水位低于巖溶洞隙頂板以下時，巖溶空腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，對蓋層產(chǎn)生吸蝕力，給巖溶洞隙頂板加大了外力作用，從而加速了上部土體破壞的速度，被破壞的土體陷落后儲存在巖溶洞隙空腔內(nèi)，后經(jīng)地下水動力作用逐漸被移走，造成上部土體破壞循環(huán)發(fā)生，最終導(dǎo)致蓋層失去平衡而發(fā)生整體塌陷。

6.1.2 上覆松散蓋層

巖溶塌陷是上覆松散蓋層土體的破壞塌落。上覆蓋層土體既是塌陷的破壞主體，也是影響塌陷的重要因素，其土體物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)組成及上覆松散蓋層的厚度對巖溶塌陷形成的特征及影響起決定性作用。

巖溶塌陷直接原因是巖溶洞隙上覆蓋層力的平衡條件被打破而發(fā)生的破壞。巖溶塌陷體抗塌力主要有地下水浮力與源于土體抗剪強(qiáng)度的側(cè)壁摩擦阻力組成，地下水不斷下降時，支撐浮力不斷減小，抗塌力主要有側(cè)摩力組成。因此當(dāng)摩阻力起完全作用時，巖溶洞隙頂板的穩(wěn)定性，既由上部覆蓋層土體物理特性決定，也因外圍因素如地下水位升降引起的土體內(nèi)摩擦角和抗剪力變化決定。

6.1.3 動力條件

（1）地下水動力條件。地下水動力條件是巖溶塌陷形成的主要關(guān)鍵因素，也是巖溶塌陷形成的主要動力。巖溶塌陷主要是受地下水變化引起的巖溶塌陷。在天然條件下，覆蓋層土體的各種力學(xué)作用保持著穩(wěn)定狀態(tài)，地下水環(huán)境的變化打破了土體內(nèi)部力學(xué)平衡狀態(tài)，土體的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)隨之發(fā)生變化，引起土體內(nèi)部的連續(xù)反應(yīng)，而致塌力與抗塌力的變化又加速了地下水動力條件的變化。地下水環(huán)境變化頻率的高低，又決定了地下溶洞坍塌的時間長短，由于地下水環(huán)境變化是巖溶塌陷關(guān)鍵因素，因此，地下水位的升降又會引起溶蝕洞隙的真空負(fù)壓作用、失托加荷作用、潛蝕作用和沖爆作用。

（2）地表水體動力條件。趙莊水庫為區(qū)內(nèi)最大的地表水體，位于勘查區(qū)東南約400m處，趙莊水庫于1979年建成，蓄水量2904×104m3，興利庫容1588×104m3。水庫洪水位的上升與下降產(chǎn)生的波動作用對區(qū)內(nèi)塌陷的形成有一定的促進(jìn)作用。

6.2 巖溶塌陷成因初步分析

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的形成，是由地層巖性與構(gòu)造（巖溶洞隙+上覆松散蓋層）、氣象與水文、人類工程活動（動力條件）等綜合因素作用下發(fā)生的。成因綜述如下：

區(qū)內(nèi)隱伏一條走向近東西向，寬90～285m的大理巖透鏡體，大理巖透鏡體巖溶裂隙非常發(fā)育。上覆第四系松散蓋層厚度在0.5～15.5m之間，巖性以粉質(zhì)粘土夾碎石為主，結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙裂隙發(fā)育，地表水入滲能力強(qiáng)。加之勘查區(qū)位于朱莊背斜軸部，斷裂構(gòu)造發(fā)育，基巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，使巖體的力學(xué)性能及土體的強(qiáng)度降低。綜上，地層巖性與構(gòu)造為區(qū)內(nèi)塌陷的形成具備了基礎(chǔ)先決條件。

區(qū)內(nèi)巖溶地下水位受周邊礦山（現(xiàn)已關(guān)閉）多年的疏干排水的影響不斷下降，不僅使地下水對上覆蓋層土體的支撐力減小，而且隨著巖溶地下水位的下降，使其與上部地表水體的聯(lián)系加強(qiáng)，在巖溶洞隙附近形成的滲流場加快了水流速度，使得蓋層土體及坍塌土體被水沖刷和攜帶走的速度和土體方量也隨之增大，土體破壞的時間變短，加速了塌陷的形成和發(fā)展。當(dāng)?shù)V山停止抽排水時，巖溶地下水水位急速回升，巖溶空腔中的氣體在封存條件下被壓縮呈壓縮氣團(tuán)，對蓋層土體產(chǎn)生沖擊，促進(jìn)塌陷的產(chǎn)生。

近年來，當(dāng)?shù)貧庀髼l件極不穩(wěn)定，極端天氣增多，長時間的干旱與連續(xù)的強(qiáng)降雨天氣交替。干旱時，由于地表水水位的降低且要補(bǔ)給周邊水庫，促使了地下水向水庫流動，從而形成了地下水對蓋層的潛蝕滲透作用，同時伴隨失托加荷作用，進(jìn)而引起真空負(fù)壓作用的形成，這一連續(xù)的發(fā)展，使得上覆蓋層與洞隙交界面土體不斷加劇破壞，促使巖溶塌陷的形成。當(dāng)連續(xù)的強(qiáng)降雨天氣時，使上覆蓋層土體處于飽和、軟化增荷，土體抗剪能力下降，從而加速失穩(wěn)，同時，地表水與趙莊水庫不斷補(bǔ)給巖溶地下水，加大巖溶地下水徑流量。水位上升，引起水動力條件改變，水力梯度與流速加大，從而帶走溶洞中的充填物質(zhì)，并對上覆蓋層土體產(chǎn)生掏空和超飽和作用，致使土體失穩(wěn)，導(dǎo)致地面開裂、下沉、塌陷。

綜上認(rèn)為，朱莊巖溶塌陷是以自然因素（地層構(gòu)造+氣象+水文基礎(chǔ)條件綜合作用演化）和人類工程活動（礦山疏干排水+車輛振動加載）等綜合因素影響而引發(fā)的巖溶塌陷災(zāi)害。

7 結(jié)論

豫南大別山區(qū)下古生界地層以變質(zhì)巖、沉積巖為主，因氣候、地形條件限制，巖溶塌陷發(fā)育微弱。但豫南山區(qū)由于人類活動強(qiáng)烈，近年來發(fā)生了多起灰?guī)r分布區(qū)巖溶塌陷災(zāi)害，造成較大經(jīng)濟(jì)損失，但在條帶狀大理巖分布區(qū)發(fā)生的巖溶塌陷未有報道。某鎮(zhèn)某地一帶，大理巖脈呈60°走向，巖層產(chǎn)狀320°∠22°，大理巖長約2600m，寬度100～300m，面積約0.552km2，卻發(fā)生了危害程度較大的巖溶塌陷災(zāi)害。通過地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急勘查，查明了巖溶塌陷是由礦業(yè)活動、地質(zhì)構(gòu)造及極端降水氣候引發(fā)，并分析了巖溶塌陷形成因素、發(fā)育特征、形成機(jī)理，劃分了地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)，提出了防治建議，為豫南大別山區(qū)巖溶塌陷勘查及科學(xué)防治提供了新的思路和方法。