中國北方與南方巖溶塌陷對比研究

賀可強，王濱，郭璐，杜汝霖

HE Ke-qiang1, WANG Bin2, GUO Lu1, DU Ru-lin2

1. 青島理工大學 地質環境與效應工程技術研究中心，山東 青島 266033；2. 河北地質大學，河北 石家莊050031

1. Qingdao Technological University，Qingdao, Shandong 266033；2. Heibei GEO University，Shijiazhuang，Heibei 050031

中國北方與南方巖溶塌陷對比研究

賀可強1，王濱2，郭璐1，杜汝霖2

HE Ke-qiang1, WANG Bin2, GUO Lu1, DU Ru-lin2

1. 青島理工大學 地質環境與效應工程技術研究中心，山東 青島 266033；2. 河北地質大學，河北 石家莊050031

1. Qingdao Technological University，Qingdao, Shandong 266033；2. Heibei GEO University，Shijiazhuang，Heibei 050031

以秦嶺淮河為界，中國北方和南方的基本地質條件、地下水動力條件及氣候因素等方面存在一系列差異，決定了中國北方和南方巖溶塌陷在類型、發育特征、規模、強度與形成機制等方面的差異。因此，論文在詳細對比分析了中國南北方巖溶塌陷的地質條件、巖溶地下水動力條件、巖溶塌陷類型、發育特征、規模及強度以及形成機制上的差異性基礎上，發現了南北方巖溶塌陷的差異性主要表現在中國北方區域構造上為較單一的斷塊隆起山地和沉降盆地，其巖溶水文地質單元規模大，地下水動力作用相對較弱，塌陷類型以古巖溶塌陷為主，塌陷機制除常見致塌模式外還有一種地震效應致塌模式；而中國南方區域構造上多形成較緊密的褶皺，其巖溶水文地質單元規模小、地下水動力作用較強，以現代巖溶塌陷為主，塌陷機制除常見模式外還有沖爆致塌和酸液致塌兩種模式。

中國北方；中國南方；巖溶塌陷；對比研究

一、引言

巖溶塌陷（Karst Collapse）是巖溶地區因巖溶作用而發生的一種地面變形和破壞的災害，是我國主要的地質災害之一。根據塌陷巖性，巖溶塌陷可分為基巖塌陷和上覆土層塌陷兩種。前者由于下部巖體中的洞穴擴大而導致頂板巖體的塌落；后者則由于上覆土層中的土洞頂板因自然或人為因素失去平衡而產生下陷或塌落。巖溶塌陷實質上是在地球運動和演化過程中由內營力與外營力相互制約，相互作用及影響的結果，特別是地殼表層各層圈（包括氣圈、水圈、生物圈及巖石圈）的物質運動及相互作用產生變異的結果。因此可以說，巖溶塌陷是水-土-巖-氣多相綜合體系從一種平衡向另一種平衡動力調整的結果，其形式、發育和分布受到特定的地質、水文條件的控制。

巖溶塌陷的發現與研究最早是從歐美地區開始的，國外研究以俄羅斯研究最早、資料較多，其次為美國和德國，也較早對此進行研究。在國內，從20世紀50年代開始，就對巖溶塌陷這一特殊地質現象重視并開展初步的調查研究工作。此后國內外學者對巖溶塌陷的發育規律、分布特征、致塌原因與成因機理等方面做了大量的工作，取得了豐富的研究成果。盧耀如等（1973）闡述了我國巖溶發育規律及其水文地質工程地質條件[1]；袁道先等（1979）提出了巖溶地下水最基本的特征是含水介質不均勻性的概念，并起草了有關規范規程，指導了巖溶地區的水文地質勘查工作[2]；代群力（1994）論述了巖溶塌陷的形成條件、形成機制以及時空規律[3]；王柳寧（2000）研究了桂林市地下水活動與巖溶塌陷的關系，研究成果表明地下水位波動頻度愈高，地面塌陷愈易產生，在地下水強徑流帶，塌陷分布較為密集[4]；賀可強等（2005）系統總結了中國北方巖溶塌陷的現狀，并對巖溶塌陷的形成條件、動力因素、基本特征與分類、形成機制及區劃、預測預報及防治等方面進行了較深入的探討[5]；韓淑朋等（2012）從塌陷的物質組成及成因上討論了廣西巖溶塌陷的類型，分析了其影響因素及形成機制，研究表明地下水活動是巖溶塌陷形成的主要誘發因素，不合理的開采巖溶水是造成巖溶塌陷的主要原因[6]；Christopher B. Vierrether等（2013）研究了巖溶塌陷的主要影響因素，發現可溶性基巖具有高度的滲透性，嚴重影響巖溶區域的穩定性[7]；李文科等（2014）在區域地震分析的基礎上，結合現代成像測井技術，研究川中震旦系—二疊系碳酸鹽巖層系古巖溶塌陷成因及特征[8]；Amos Frumkina（2015）深入研究了巖溶塌陷的分布規律，研究成果表明巖溶塌陷主要發生在碳酸鹽巖地質類型區域[9]；Voltaggio等（2015）研究發現水流變化引起水中氣體的釋放可以增加封閉溶洞的氣壓和土顆粒的侵蝕，最終導致覆蓋層的塌陷[10]；唐攀等（2015）借鑒現代巖溶塌陷的成因機理，歸納了古巖溶塌陷與現代巖溶塌陷的相似之處，對于古巖溶塌陷體，通過鉆井、巖心、探地雷達、地震、常規測井和FMI成像測井等技術手段來識別、研究[11]。上述研究成果均對巖溶塌陷的成因、機理影響因素等進行了有益的探索并奠定了一定的基礎。

二、中國巖溶塌陷的基本概況與地質特征

（一）中國巖溶塌陷的基本概況

中國是世界上巖溶塌陷發育最廣泛、受害最嚴重的國家之一。據不完全統計，除上海、寧夏和新疆等一些地區外，全國22個省（市、自治區）約有巖溶塌陷897處、塌陷32 000個、塌陷總面積約330平方千米[12]（見表1）。

從表1可看出中國巖溶塌陷可分為現代巖溶塌陷和古巖溶塌陷兩大類。現代巖溶塌陷又可分為自然塌陷和人為塌陷兩個亞類。我國現代巖溶塌陷的絕大多數為人為塌陷，共有601處，占塌陷總數的67%，其中主要為抽水塌陷，約255處，占總數28.42%。在我國大多數地區不論南方北方都不同程度的存在著缺水的問題，以城市水源地抽水塌陷表現最為普遍和強烈，特別是中國北方大多處于干旱半干旱氣候區，缺水問題更趨嚴重；其次為排水塌陷，它是分布較廣泛、危害最為嚴重的一種塌陷，共有116處，占總數12.93%；再其次是蓄水塌陷，在南方各省都有發現，北方相對較少，共有130處塌陷，占塌陷總數的14.49%。除上述塌陷外，尚有少量的荷載塌陷、振動塌陷、滲漏塌陷及成因不明的塌陷等有100處，占塌陷總數的11.14%。

古巖溶塌陷在中國北方很發育，主要分布在山西、河北、河南、山東、江蘇及安徽等地，共有38處，塌陷坑有3 654個。而在中國南方地區很少有古巖溶陷落柱出現，這主要由南北方的地質條件差異決定。

表1 中國巖溶塌陷統計表 處

（二）中國巖溶塌陷的地質特征

中國巖溶塌陷的發生、發展、特征與分類明顯地受地質和地理環境條件的制約，在區域分布、地形地貌、構造格架、地質發展歷史和氣候分區上均有自己的特點。

從區域分布看，都分布在大地構造單元的中國地臺區范圍內，因此具有大致相同的地質發展歷史。中國地臺有多期相對穩定的碳酸鹽沉積，厚度都在1 000m以上，后期又有多次運動，燕山運動奠定了中國大陸現今的構造格架、控制了剝蝕與抬升作用，因此也控制了巖溶作用的形成與發展。新生代以來，地表強烈上升，其晚期大部分地區未受第四紀末次大陸冰蓋破壞，且季風水熱配套較好。因此形成了中國巖溶塌陷分布廣、規模大、時期長、類型多、發育程度強弱不同的特點。

從地形地貌上看，巖溶塌陷一般發育在巖溶山區與平原的過渡地帶、丘陵地區山間洼地或地表地下水活躍的溝谷地區。這些地帶是巖溶地區的相對負地形，一般存在著開口巖溶形態，而上部松散蓋層一般較薄，因此很容易形成巖溶塌陷。

我國巖溶塌陷的分布，明顯地受區域構造格架的控制，如大都分布于新華夏系第二隆起帶（長白山—千山—膠東半島—武夷山）和第三隆起帶（大興安嶺—太行山—巫山—大婁山）附近及以東地區。隆起帶與沉降帶相間分布的基本格架，造成了中國裸露型巖溶與埋藏型巖溶和覆蓋型巖溶交替分布的特點。從宏觀上看，中國東部新華夏系的第三隆起帶，包括南方貴州高原和北方山西高原，成為兩片最大的裸露型巖溶區，它們兩側都是埋藏型或覆蓋型巖溶區。

巖溶塌陷不僅受大地構造格架的控制，在具體地點上也受到區域構造線的控制而呈定向分布，如中國北方古巖溶陷落柱，有的呈明顯的NNE方向帶狀排列，也有的按NNW和NEE兩個方向排列延展，如山西陽泉煤礦等。這兩組構造方向，恰好與新華夏系兩組扭裂面的方位一致，即大義山式斷裂和泰山式斷裂，且大義山式斷裂是張扭性的斷裂，易于巖溶作用的發育。

三、中國北方和南方巖溶塌陷的差異性研究

中國巖溶塌陷以秦嶺淮河為界，北方和南方基本地質條件、地下水動力條件及氣候因素等方面存在一系列差異，決定了中國北方和南方巖溶塌陷在類型、發育特征、規模與強度及形成機制等方面的差異。

（一）中國北方和南方基本地質條件差異

中國北方和南方基本地質條件的差異，主要表現為地質發展史上的差異，并由此產生了在區域大地構造單元劃分、地層、巖石、構造等方面的差異。

從區域大地構造單元來看，中國北方則歸屬于中國地臺的次級單位中朝準地臺或華北地臺的范圍。圖1表示了中國北方和南方在地質發展中沉積間斷時期巖溶發育的特征[13]。

圖1 中國北南方代表性巖溶發育時期簡略圖表[13]（據盧耀如，1986）

中國北方古巖溶發育時期最長、次數也較多。但以中新元古代和古生代時期巖溶最為發育。特別是古生代時期的巖溶發育為以后古巖溶陷落柱的生成奠定了基礎。在地貌和新構造運動上，則多表現為較單一的斷塊隆起山地和沉降盆地。地表巖溶形態以常態山、常態丘陵、干谷、干溝、巖溶洼地、溶丘、溶崗及巖溶大泉為主。

中國南方則歸屬于中國地臺的次一級單位揚子地臺，它是比華北地臺晚11億年以后，在晉寧運動（8.5億年）基底褶皺回返后才形成的地臺區。從古生代以來經歷了加里東期、華力西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期多次運動，造成了很多期的巖溶發育時期。從新太古代的第一期巖溶期（太古大別期S1）起直到新生代喜馬拉雅后期的三峽期為止共有22期的巖溶發育時期。可溶巖在晚古生代和三疊紀以碳酸鹽巖為主；沉積厚度較大，一般都在1 500m以上。常見的為2 000~3 000m。除碳酸鹽巖外，還有少量含巖鹽和石膏的紅色碎屑巖層（紅層）近10處，分布在西南地區，含量占1.4%。在區域構造上多形成較緊密的褶皺。地貌形態組合類型較復雜，宏觀上可分為高原、山地、丘陵與平原。近代巖溶作用較強烈、地表巖溶形態復雜多樣，具有完好的峰林地貌，包括峰叢洼地、錐狀石峰、封閉洼地、坡立谷、地下河、落水洞和峰林平原等。

（二）中國北方和南方巖溶地下水動力條件的差異

中國東部巖溶地下水系統，以秦嶺構造帶為界，劃分為北南兩大巖溶地下水系統，即北方半干旱及干旱溫帶巖溶區地下水系統和南方濕潤熱帶、亞熱帶巖溶區地下水系統。二者無論在水文地質單元的規模、巖溶地下水類型、特征及地下水動力條件等方面均有明顯的差異。

中國北方巖溶水文地質單元受區域斷塊構造控制，規模大，面積大，一般為幾十到幾百平方千米，有的甚至幾千平方千米。巖溶地下水以巖溶裂隙含水型為主，包括裂隙-溶隙型和溶隙-溶縫型。主要沿構造裂隙及層面裂隙帶溶蝕發育形成溶隙網絡，透水性相對較均勻，連通性好，常有統一的水動力場，具宏觀滲流性質。從補給區到排匯區，一般距離較長，水力坡度較緩、流量小、流速慢、溶蝕與搬運能力較弱，從而使地下水動力作用相對較弱。由淺部巖溶水強交替帶到深部弱交替帶，其水溫、溶解物和硫酸根離子有逐漸增高的趨勢。

中國南方巖溶水文地質單元受區域褶皺控制、規模較小、面積也小，一般為幾到幾十平方千米，最小還不足1平方千米。巖溶地下水以溶洞管道型和裂隙-溶隙型為主，常形成裂隙-溶隙和溶洞-管道的復雜系統。在西南地區則以溶洞管道型為主。巖溶水流則常形成地下暗河。地下水系統分布及結構具有明顯的不均一性，從而帶來了地下水動力聯系的各向異性。

總之，地下水動力作用較強，從補給區到排泄區，距離較短、水力坡度較大、流量大、流速快、侵蝕溶蝕及搬運能力很強，具有動態變化迅速、徑流通暢的特點。特別是季節性的變遷常使水動力條件有急劇的變化，成為巖溶塌陷形成的基本動力因素。

（三）中國北方和南方在巖溶塌陷類型、發育、特征、規模及強度上的差異

中國北方和南方巖溶塌陷的差異，首先是大類型上的差異。中國北方以古巖溶塌陷很發育為特征，現代巖溶塌陷則相對發育較弱。與此相反，中國南方則以現代巖溶塌陷很發育為特征，而古巖溶塌陷則很不發育。如果以現代的巖溶塌陷北南雙方進行比較、二者也有一些明顯的差異（見圖2）。

1. 在現代巖溶塌陷類型及特征上的差異

中國北方的自然塌陷類型較少，僅有兩種7處，而南方則有四種253處。但北方的地震塌陷影響及危害都很大。在人為塌陷中，不論北方和南方都以排水塌陷和抽水塌陷為主。北方共有53處，約占總塌陷的81.4%；南方共有295處，約占塌陷總數的38.4 %。不過南方除排水抽水塌陷外，尚有一百多處的蓄水塌陷和多處的荷載塌陷、振動塌陷、滲漏塌陷及成因不明塌陷（見表2）。

中國北方排水塌陷共有33處，坑數達282個，各占塌陷總數的50.7%和個數的20.5%，幾乎都是較單一的石炭—二疊紀的煤礦突水塌陷。而中國南方排水塌陷則有74處，約占塌陷總數的9.6%。塌陷的種類較多，不僅有煤礦突水的塌陷，還有鐵礦、銅礦、鉛鋅礦及錳礦等多種金屬礦床的突水塌陷。中國北方的抽水塌陷都分布在東部沿海城市或靠近沿海的城市，共有20處和796個坑，約占塌陷總數的30.7%和個數總數的58.8%。而中國南方抽水塌陷是所有塌陷類型中數量最多、分布最廣的塌陷，共有221處，約占塌陷總數的28.8%，塌坑超過千個以上[14]。中國北方巖溶塌陷的可溶巖類全部由碳酸鹽巖組成，在中上元古界中以白云巖為主、而下古生界則以石灰巖為主，而中國南方則除了碳酸鹽巖外，在西南地區還有10處由含巖鹽、石膏及碎屑組成紅色可溶巖層[15]。

中國北方的土層厚度較南方為厚，一般都在10m以上，以15m~45m居多數，僅個別地區有小于5m和大于50m的。而中國南方的土層厚度大都較薄，一般都小于10m，而以小于5m居多數，厚度在10m~30m則很少，而大于30m的則極少。

圖2 中國巖溶塌陷分布圖

2. 在規模及強度上的差異

從巖溶塌陷的規模，可分為巨型、大型、中型和小型四類。不論北方和南方都是以中小型為主，尤其小于1km2的小型塌陷占了絕大多數。南北在數量上相差很大，但在巨型和大型的數量上，二者則很接近，南方為大型5處，北方為巨型和大型4處。南方目前尚無巨型塌陷，大型塌陷也相對較少，這與南方巖溶水文地質單元受區域褶皺構造控制、規模較小、面積也小有直接的關系，而北方則與受區域斷塊構造控制、規模大、面積也大有直接的關系。

我國南方由于地下水動力條件較強，具有動態變化迅速、徑流通暢的特點。因此其產生速率與強度都比北方大。不過在北方大量降雨期間個別地區塌陷速率有的也可很大，如秦皇島柳江水源地十幾天抽水時共有塌陷245個，平均塌陷速率為15.3個/天。

（四）中國北方和南方在巖溶塌陷形成機制上的差異

中國北方和南方的巖溶塌陷在形成機制上差別不太大，可以說是存在著大同和小異。所謂的大同就是它們都是由重力致塌、潛蝕致塌、真空吸蝕致塌、振動致塌和荷載致塌這五種機制和模式組成。這些模式是巖溶塌陷形成的一些基本的普遍適用的模式，也是塌陷形成的較普遍的規律，其中如重力作用、振動作用和荷載作用常和其他因素一起，往往成為誘發塌陷的多因素中一個疊加的因素，從而加速了塌陷的產生和發展。所謂的小異，在于南方的形成機制較為復雜和多樣，除了上述五種外，還有沖爆致塌和酸液致塌兩種模式，這兩種模式目前在北方尚未發現一例。與此相對應的是北方巖溶塌陷除上述五種外，尚有一種模式，即地震效應致塌模式。這種模式雖然在南方也有極少的發現，但不是致塌的主要模式。而在北方則成為僅次于潛蝕致塌和真空吸蝕致塌的重要致塌模式之一，造成巨型塌陷規模和大型塌陷規模以及塌陷密度等的塌陷，都是由地震效應致塌模式所產生，如河北唐山、遼寧海城塌陷就是明顯的例證。

四、結論

通過上述分析研究，可以得出以下幾點結論：

1. 我國巖溶塌陷以秦嶺淮河為界，北方和南方基本地質條件、地下水動力條件及氣候因素等方面存在一系列差異，決定了中國北方和南方巖溶塌陷在類型、發育特征、規模與強度及形成機制等方面的差異。

2. 中國南北方巖溶基本地質條件的差異，主要表現在區域大地構造單元劃分、地層、巖石、構造等方面的差異。中國北方區域構造上多表現為較單一的斷塊隆起山地和沉降盆地，地表巖溶形態以常態山、常態丘陵、干谷、干溝、巖溶洼地、溶丘、溶崗及巖溶大泉為主；中國南方區域構造上多形成較緊密的褶皺，地表巖溶形態復雜多樣，具有完好的峰林地貌。

表2 中國南方和北方巖溶塌陷的類型及特征對比簡表

3. 中國南北方巖溶地下水系統在水文地質單元的規模、巖溶地下水類型、特征及地下水動力條件等方面均有明顯的差異。中國北方巖溶水文地質單元規模大、面積大，巖溶地下水以巖溶裂隙含水型為主，透水性相對較均勻，連通性好，其地下水動力作用相對較弱；中國南方巖溶水文地質單元規模小、面積小，巖溶地下水以溶洞—管道型和裂隙—溶隙型為主，地下水系統分布及結構具有明顯的不均一性，其地下水動力作用較強。

4. 中國北方和南方巖溶塌陷的差異，首先是大類型上的差異。中國北方以古巖溶塌陷很發育為特征，現代巖溶塌陷則相對發育較弱；與此相反，中國南方則以現代巖溶塌陷很發育為特征，而古巖溶塌陷則很不發育。

5. 中國北方和南方的巖溶塌陷在形成機制上差別不太大，主要表現是它們都是由重力致塌、潛蝕致塌、真空吸蝕致塌、振動致塌和荷載致塌這五種機制和模式組成。但是南方巖溶塌陷除了上述五種外，還有沖爆致塌和酸液致塌兩種模式，而北方巖溶塌陷除上述五種外，尚有一種地震效應致塌模式。

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（責任編輯：杜 敏）

Comparative Study on the Karst Collapse in Northern and Southern China

Taking the Qinling-Huaihe as the boundary, there are many differences in the basic geological conditions, hydrodynamic conditions of groundwater and climatic factors in the north and south of China, which determines the differences in the types, developmental characteristics, scale, intensity and formation mechanism of the karst collapse in the north and south of China. Based on the detailed analysis of the geological conditions, the karst hydrodynamic conditions of groundwater, karst collapse types, developmental characteristics, scale and intensity, and the formation mechanism of the karst collapse in north and south China, this study indicates that the differences of karst collapse in the north and south of China are mainly inflected in those aspects: the regional tectonic of northern China is a single block uplift mountain and settlement basins, and there are many large scale of karst hydrogeological units and relatively weak groundwater dynamics effect. Beside the common collapse modes, thereis also another collapse mode inducted by earthquake in the north of China; but there is the more close folds in the south of China, and the karst hydrogeological units are small in scale and the groundwater dynamic effect is strong. In addition to some common modern collapse, modes, there are also two collapse modes inducted by burst explosion and acid in the south of China.

northern china; southern china; karst collapse; comparative study

P642.5

A

1007-6875(2017)01-0057-08

2017–01–15

10.13937/j.cnki.sjzjjxyxb.2017.01.006

國家自然科學基金資助項目(41372297)；高等學校博士學科點專項科研基金(20113721110002)；山東省自然科學基金項目(ZR2011DL002)；山東省“藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心”。

賀可強(1960—)，男，山東蓬萊人，教授，博士生導師，主要從事地質災害預測、評價與防治研究。