廣東省英德市九龍鎮巖溶地面塌陷成因分析

■何宏偉

（廣東省有色金屬地質局九四〇 隊 廣東 清遠511520）

廣東省英德市九龍鎮巖溶地面塌陷成因分析

■何宏偉

（廣東省有色金屬地質局九四〇 隊 廣東 清遠511520）

九龍鎮位于廣東省英德市西部，距英德市區直線距離46.5km，四面環山，且處于粵北巖溶發育地區，以其“英西峰林”巖溶地貌景觀著名。本文揭示了九龍鎮巖溶地面塌陷的成因，歸納了各種致塌因素，總結了該區潛蝕致塌機制。

九龍鎮巖溶地面塌陷潛蝕地下水

1 地質概況

圖1 可溶巖分布圖

區域構造位置處于南嶺緯向佛岡—豐良構造帶北側；吳川—四會構造帶東段；粵北山字型構造前弧西翼外緣。本區具有典型的地臺雙層結構，褶皺基底為上元古界變質巖，蓋層主要為海西－印支期未變質的碎屑巖和碳酸鹽巖，與基底地層呈角度不整合接觸。研究區構造線以北東向為主，形成了多條北東向的褶皺及斷裂構造。區內出露的地層主要為古生界泥盆系、石炭系和新生界第四系。燕山中期花崗巖體侵入于研究區西北邊部。區內第四系大面積分布在山間凹地、山前斜坡及河流兩側，主要為礫石、砂和粘土等河流沖積物，厚數米，覆蓋于碳酸鹽巖之上，成為覆蓋型巖溶區。研究區總面積36km2，其中裸露型巖溶區面積約7.6km2，覆蓋型巖溶區面積約22km2（見圖1）。

2 九龍鎮巖溶發育及地面塌陷情況簡介

區內地表溶蝕地貌以峰叢、孤峰、峰叢谷地為主，地下巖溶地貌主要是溶洞及地下河。山腳地帶常見有小型暗河的進出水口，地下暗河系統已經形成。沿結構面（構造面）發育的溶洞（溶隙）與落水洞、暗河等構成了本區巖溶發育的通道，地下水沿著這些通道不斷侵蝕可溶巖最終形成地下巖溶洞穴系統。

九龍鎮轄區自上世紀70年代至今發生了多起的地面塌陷事件，已發地面塌陷24處，部分塌陷由于年代過于久遠，塌陷事實有待考證。研究區內有時間記載的已發地面塌陷有19起，以十年作為一個周期統計該時間段內發生的地面塌陷次數，發現21世紀是地面塌陷的高發期，調查認為該時間段內由于人為抽取地下水、工程加載、地基開挖程度的加大誘發了地面塌陷，這種人為誘發因素在引起當地政府部門及居民的重視后，未來地面塌陷發生頻率可能呈現下降的趨勢。

3 地面塌陷成因分析

地面塌陷系地下水活動所致，按其產生的條件，有多種成因機制，其中以潛蝕機制最為普遍，此外尚有真空吸蝕和氣爆等機制[1]。通過對研究區內的地面塌陷案例分析，形成地面塌陷的原因是第四系覆蓋層下的碳酸巖中存在巖溶空洞，且存在與覆蓋層相連的通道，在地下水的作用下，覆蓋層中的松散沉積物沿著巖溶通道漏失到巖溶空洞中，導致覆蓋層中形成土洞，引起上覆土體發生塌陷，最終在地表形成蝶形洼地或塌陷坑，為潛蝕機制作用的結果。研究區內地面塌陷的不均勻分布，是由于土洞形成受地層巖性、地形地貌、地質構造、水文地質、土層性質以及人類活動等諸多因素的影響。下面通過對研究區的地層巖性、地形地貌、地質構造、水文地質情況進行綜合分析，探討該區地面塌陷的成因條件：

3.1 地層巖性

研究區覆蓋型巖溶區面積約22km2，覆蓋層為第四系河流沖積層，東北部分區域為二元結構沖積層，下部為厚>7m礫石層，其厚度往西南方向逐漸變薄至尖滅，上部主要為粉質粘土層。其它地區主要為一元結構沖積粉質粘土層，平均厚度約6m，局部區域粉質粘土下伏砂質粘土層。調查表明地面塌陷多發生在厚度較薄（<10m）的一元結構沖積層覆蓋區，而二元結構沖積層覆蓋區較少發生（僅2處塌陷）。分析認為一元結構沖積粉質粘土層直接蓋在基巖面上，而當粉質粘土層中的孔隙水與可溶巖中的巖溶裂隙水發生直接水力聯系，形成統一運動情況下，由于水位不斷升降變化，尤其是巖溶地下水位低于孔隙水位時，發生垂直滲流，先是在粉質粘土層中發生潛蝕作用形成“漏斗狀疏松體”，進而因垂直滲流加劇，局部水力梯度加大，粉質粘土液化流入巖溶空洞[2]，地面出現塌陷坑。二元結構下部礫石層的礫石之間由于充填有粘土，導致其透水性減弱，上部粉質粘土受到粘土礫石層的阻擋，無法靠垂直滲流流失。一元結構沖積粉質粘土層下伏基巖多為厚層泥晶灰巖。區內統計的地表溶洞有70%分布在泥晶灰巖地層中，且該巖性地層中石牙、溶溝、溶隙、洼地常見。巖礦鑒定結果顯示：泥晶方解石粒度小于4um，晶體大小不均勻，含量達到85~90%，常常重結晶成為微晶方解石。而晶粒越小，相對溶解速度越大。厚層的可溶巖隔水層較少，巖性均一，往往形成深而寬的裂隙，有利于地下水的流通[3]。因此厚層泥晶灰巖巖溶發育，當上覆蓋層為粉質粘土層時易被潛蝕。

綜上所述，該區具備了形成土洞和地面塌陷的地層條件。

3.2 地形地貌及地質構造

3.2.1 地形地貌

區內主要溶蝕地貌類型由北東（北西）走向的峰叢、峰叢谷地以及零星分布的孤峰組成，石峰呈錐形聳立，溶洞發育。峰叢谷地呈U形，谷底海拔高程90米左右，峰頂至谷地高差150m左右，主要分布河流沖積粉質粘土，厚3～12m，覆蓋于灰巖之上。該地貌類型分布的塌陷點有8個，塌陷坑平面形態大多呈近圓形，次為近橢圓形，直徑0.8～3m，剖面形態為桶狀、柱狀。峰林谷地作為研究區內的負地形地帶，峰叢與谷地地形高差懸殊，大氣降水通過山體的各種裂隙、溶隙、溶洞及落水洞滲入地下，形成厚度較大的垂直循環帶，在山腳處以泉水和地下暗河溢出地面或補給谷地的地下水，補給量隨大氣降水量的大小增減[4]。谷地中地下水位埋深0.7～3m，據動態觀測顯示水位及水量變幅顯著，表明了地下水活動頻繁，促進了地下巖溶空洞及巖溶通道的發育，在潛蝕作用的影響下，導致上覆土層形成土洞，進而引發地面塌陷。

山前崩坡積帶與河流沖積層覆蓋區的過渡帶是地面塌陷多發地帶，區內60%的地面塌陷發生在山前居住密集區，分析認為造成這種情況發生的主要原因是山前與河流沖積層過渡帶高差較大，產生了較強的水動力梯度，地下水交替頻繁，對過渡帶地下可溶巖產生了較強的溶蝕，形成巖溶空洞。降雨對山前地下水位變幅影響較大，突發的強降雨導致地下水位急劇抬升至最高巖溶水位，連續的干旱使得地下水位回落至最低巖溶水位。且該區域居民密度大，大量打井抽取地下水作為生產生活用水導致地下水位反復變化，形成了對上覆土體不斷潛蝕的地下水條件，故導致了地面塌陷的發生。

3.2.2 地質構造

區內主要構造線方向為北東向，沿北東向形成了三條主要褶皺構造。北西向斷裂構造與北東向褶皺構造形成的網格狀的構造格局控制了塌陷的分布（見圖1）。斷裂破碎帶和節理裂隙密集帶是地下水運移的主要通道，北東向或近東西向斷裂主要為壓（扭）性斷裂，斷裂面平直光滑，呈舒緩波狀，裂隙較緊閉或被斷層泥所充填，不利于地下水的運移。北西向或近南北向斷裂主要為張（扭）性斷裂，斷裂面較粗糙，裂隙張開性較好，角礫巖多為由方解石膠結的棱角狀灰巖，膠結性差，有利于地下水的侵蝕運移，控制了巖溶空間分布和發育速度[5]。區內向斜較為平緩開闊，巖溶發育分布也較為廣泛，其坳陷深度較淺，可溶巖埋深小于侵蝕基準面。由于核部地勢較低，地下水匯集在褶皺核部，并沿著褶皺作用形成的縱張節理部位運移并與斷裂破碎帶及節理裂隙密集帶相互溝通，形成了錯綜復雜的地下巖溶洞穴系統，而這些巖溶洞穴也成為了促使土洞形成的潛在源頭。

3.3 水文地質

蘇坑河由北西至南東流經九龍鎮轄區，河道兩側為砂土層，遠離河道變為沖積粉質粘土層，富水性較強，水位埋深0.7～3m，水量較豐富，局部地下水流通性較強。地下水具有較好補給來源，除大氣降雨滲入補給外，尚有蘇坑河及其他地表水體（魚塘、水庫等）側向補給。地下水水位變化幅度與降雨強度基本一致，雨季水位上升，旱季水位下降。動態觀測顯示該區地下水位及水量具有季節性變化的特點，這也解釋了為什么塌陷多發生于夏季及冬季。夏季降雨量大，水位急劇上升水量加大，地下水侵蝕能力增強，而冬季降雨量小，地下水位下降，加之居民生產生活抽取地下水造成水位持續下降，這種季節性變幅加上潛蝕機制的作用，最終導致地面塌陷的發生。

4 結語

通過上述的分析探討九龍鎮巖溶地面塌陷的成因，我們知道巖溶塌陷主要受地層巖性、地質構造、地形地貌、土層性質及地下水的控制，是諸多因素綜合作用的結果。對此將這些因素匯總如下表（表1）。通過對致塌因素的分析總結了該區潛蝕致塌機制為：可溶巖地層中存在空洞→與蓋層連通→地下水攜走覆蓋層物質→土洞的形成與發展→應力平衡遭到破壞→地面塌陷發生。

表1 巖溶地面塌陷致塌因素匯總表

[1]唐輝明,項偉.巖土工程勘察[M].化學工業出版社.2012.

[2]范士凱.武漢地區巖溶地面塌陷類型及其發生、分布規律和防治對策[OL]. 2016-03-20.

[3]曹伯勛.地貌學及第四紀地質學[M].中國地質大學出版社.1995.

[4]肖明貴.桂林市巖溶塌陷形成機制與危險性預測[D].吉林大學博士學位論文.2005: 45-46,66-67.

[5]王浩.宿縣礦區太原組灰巖巖溶發育特征與控溶機理研究[D].安徽理工大學碩士學位論文.2013:45-48.

[6]陳國亮.巖溶與塌陷[M].中國鐵道出版社.1994.

P694[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-418-2