武漢市都市發展區巖溶發育特征

官善友，陶良 ，謝紀海，夏冬生

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

武漢市都市發展區巖溶發育特征

官善友1*，陶良2，謝紀海2，夏冬生2

(1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

為查明武漢地區巖溶發育特征，通過對大量揭露碳酸鹽巖的工程鉆孔進行統計分析，劃定了武漢市都市發展區不同時代碳酸鹽巖的分布范圍，分析了巖溶發育特征，提出延米線巖溶率的概念劃分了垂向上巖溶發育的強弱程度分區，探討了巖溶發育的影響因素。得出了武漢地區距離灰巖頂板埋深 1 m～4 m的深度范圍是強烈巖溶活動區、 4 m～10 m是中等巖溶活動區、10 m以下是弱巖溶活動區的結論。

碳酸鹽巖分布；巖溶發育特征；線巖溶率；巖溶活動程度分區

1 引 言

武漢市地質環境條件復雜，部分地區屬巖溶地面塌陷地質災害易發區，20世紀中葉以來先后發生了中南軋鋼廠、倒口湖、陸家街、毛坦村、白沙洲大道、市民政學校等30多起巖溶地面塌陷地質災害，在全國同類城市中罕見。尤其是近幾年，隨著武漢市城市建設強度的不斷增強，巖溶地面塌陷的發生頻率和危害程度也呈上升趨勢，2014年和2015年發生于江夏大橋新區、漢陽世貿錦繡長江的兩處巖溶地面塌陷造成了4人傷亡。巖溶地面塌陷災害的頻繁發生，嚴重威脅著人民生命財產安全，制約著武漢市的建設和發展。

關于武漢市的巖溶地質問題，前人做了大量的研究工作，范士凱對武漢市巖溶地面塌陷的形成條件和塌陷機理進行了系統總結，并歸納為潛蝕機理和真空吸蝕機理[1]。羅小杰通過對大量地鐵鉆孔進行分析，總結了武漢市淺層巖溶的垂向發育特征，分析了區域構造演化與巖溶發育史之間的關系，剖析了其工程意義[2]。針對武漢市的巖溶研究很多，但是由于缺乏大量的地質資料作支撐，因此大部分的研究都是從定性的角度進行塌陷機理、工程對策分析[3～7]。

本文以武漢城市地質調查所取得的地質資料和大量工程鉆孔為基礎，通過對鉆孔所揭示的巖溶發育情況進行數據分析、處理，旨在揭露武漢市都市發展區巖溶發育特征和規律，為巖溶區工程規劃、建設提供指導依據。

2 碳酸鹽巖種類及分布

2.1 武漢地區碳酸鹽巖種類

以北西-南東走向、通過新洲陽邏附近的襄樊-廣濟斷裂為界，武漢市跨北側的秦嶺褶皺系和南側的揚子準地臺兩個一級大地構造單元。秦嶺褶皺區主要發育有太古宙(Ar)和元古宙(Pt)古老變質巖系，缺失碳酸鹽巖地層。揚子準地臺區則在中志留世(S2)至中三疊世(T2)時期處于濱海、淺海及開闊海臺地沉積環境，經過晚古生代和中生代早期的兩次海進-海退旋回，形成了石炭系中統黃龍組(C2h)、二疊系下統棲霞組(P2q)和三疊系下統大冶組(T1d)三套碳酸鹽巖地層[8，9]。

(1)石炭系黃龍組(C2h)

指整合于大埔組之上、船山組之下或平行不整合于梁山組之下的一套碳酸鹽巖地層。主要為淺灰、灰色厚層-塊狀灰泥巖、生物屑灰巖、白云質灰泥巖。巖石呈塊狀構造，生物屑大小懸殊、形態各異、種類繁多。南部的烏龍泉靈山一帶實測地層厚度為 15.3 m～50 m。

(2)二疊系棲霞組(P2q)

指位于梁山組與茅口組之間一套灰巖地層。下部為深灰色中-厚層狀生物屑灰巖、瘤狀碳質灰巖夾碳質頁巖組成，中上部為深灰色中層狀含生物屑微細晶灰巖夾燧石條帶，上部為深灰、灰色燧石結核灰巖、厚層狀生物碎屑灰巖組成。

(3)三疊系大冶組(T1d)

指位于大隆組或吳家坪組與嘉陵江組之間一套灰巖地層。底部為黃綠色頁巖夾灰泥巖；下部為灰色中厚層狀砂屑灰巖夾薄層灰泥巖；中部為薄層狀灰泥巖，生物擾動構造發育；上部為厚層狀亮晶砂屑灰巖、顆粒灰巖、鮞粒灰巖、白云質灰巖等。

(4)其他碳酸鹽巖

除了上述三種在武漢市都市發展區分布的主要三種碳酸鹽巖外，在研究區內尚有石炭系大埔組(C2d)、二疊系船山組(P1c)、茅口組(P2m)、三疊系嘉陵江組(T1-2j)四套地層中存在碳酸鹽巖。由于這四套地層在研究區內分布較少，且一般厚度不大，在鉆孔中難以區分，因此在本項目中不對其進行討論研究。另外值得注意的是，白堊—第三系的公安寨組中，以灰巖、白云巖礫石為主的鈣質膠結的礫巖，局部也可能發生巖溶。

2.2 碳酸鹽巖分布

前人關于武漢市碳酸鹽巖的分布范圍，被廣泛接受的劃分方法主要為三分法和六分法[10]。本研究在綜合武漢城市地質調查取得的基巖地質成果基礎上，利用近萬個揭露碳酸鹽巖的鉆孔資料，將武漢市都市發展區碳酸鹽巖的分布劃分為6個條帶，即：北部(天興洲)條帶(L1)、中部(大橋)條帶(L2)、南部(白沙洲)條帶(L3)、沌口條帶(L4)、軍山條帶(L5)、漢南條帶(L6)，如圖1所示。

圖1 武漢市都市發展區碳酸鹽巖分布圖

3 巖溶發育特征

為了解釋武漢地區巖溶發育規律與特征，對收集到的 6 300個進入碳酸鹽巖 5 m以上的鉆孔進行統計分析，其中揭露三疊系大冶組(T1d)的鉆孔 3 254個、二疊系棲霞組(P2q)鉆孔 2 206個、石炭系黃龍組(C2h)鉆孔840個。利用鉆孔分布如圖2所示。

圖2 利用鉆孔分布圖

3.1 巖溶發育程度

巖溶發育程度是指碳酸鹽巖遭受巖溶作用的程度，用一定范圍內碳酸鹽巖溶蝕體積與碳酸鹽巖總體積的百分比來表示。在工程實踐中，碳酸鹽巖溶蝕體積一般很難確定，通常用鉆孔遇洞率和線巖溶率描述巖溶發育程度[10]。

通過對6 300個鉆孔遇洞率和平均線巖溶率進行統計分析，結果如表1所示。

武漢市不同時代碳酸鹽巖鉆孔遇洞率統計表 表1

從表1中可以看出武漢市不同時代的碳酸鹽巖中鉆孔遇洞率由大到小依次為：黃龍組>棲霞組>大冶組，鉆孔平均線巖溶率的大小關系為：棲霞組>黃龍組>大冶組，且大冶組中平均線巖溶率遠小于另外兩種。

3.2 溶洞規模

所利用的6 300個揭露碳酸鹽巖的鉆孔中，共揭露各種規模的溶洞 2 333個，平均洞高 2.52 m，如圖3所示。

圖3 溶洞規模統計圖

通過溶洞規模統計結果顯示：大部分溶洞為洞高在 2 m以內的小型溶洞，達到 1 557個，占到總數的66.74%，洞高大于 6 m的溶洞個數僅為172個，占總數的7.37%，說明在武漢地區的碳酸鹽巖中溶洞發育規模的特征為以小型溶洞為主，大型溶洞較為少見，這一點對于工程建設是有利的。

3.3 溶洞充填特征

根據充填物的多少將溶洞充填類型分為全充填、半充填和無充填，對所有溶洞充填類型的統計結果如表2所示。

溶洞充填類型統計表 表2

結合鉆孔所揭露的溶洞充填物和碳酸鹽巖的上覆地層情況可以看出，溶洞充填物的類型與上覆地層基本為一致的，這說明溶洞充填物主要來源于上覆地層。

3.4 溶洞頂板垂向分布特征

溶洞的垂向分布特征包括兩個方面的內容：一個是溶洞頂板標高的分布特征；另一個是溶洞頂板距灰巖頂板埋深的分布特征。由于武漢地區不同時代碳酸鹽巖的頂板標高變化范圍太大，根據本次所統計的所有鉆孔中灰巖頂板的標高范圍為 -71.85 m～68.48 m，如果以溶洞頂板標高來分析其垂向分布特征，可能會導致一些錯誤的判斷。因此，在本文中選用溶洞頂板距基巖面的埋深作為分析溶洞垂向分布特征的指標。統計結果如圖4所示。

圖4 溶洞頂板距離基巖面埋深統計圖

溶洞頂板在基巖面以下1 m以內的溶洞有636個，占總溶洞數的27.45%，在基巖面以下 2.5 m以內溶洞有 1 221個，占總數的52.7%，在基巖面以下埋深 10 m以上的溶洞僅有223個，占總數的9.62%。說明在武漢地區碳酸鹽巖中所發育的溶洞大部分為淺層溶洞，尤其在基巖面以下 2.5 m范圍內的居多。

三種不同時代的碳酸鹽巖中發育的溶洞均呈現淺層溶洞數量遠大于深層溶洞數量的特點，不過在棲霞組中所發育的深層溶洞數量則明顯偏多，達到146個。因此，在揭露地層為棲霞組灰巖的地區進行工程建設時，應適當增加勘察深度，注意有深層溶洞發育影響工程建設。

4 平面和垂向巖溶發育變化規律

4.1 巖溶發育的垂向變化規律及巖溶活動強弱分區

通過對巖溶發育特征的分析發現，武漢地區碳酸鹽巖中溶洞發育的規律為以淺層、小型溶洞為主。為了進一步揭示武漢地區巖溶發育在垂向上的變化規律，劃定垂向上巖溶活動強弱分區，提出延米線巖溶率的概念，即基巖面以下每延米碳酸鹽巖中溶洞進尺所占的百分比，并對利用鉆孔自基巖面以下延米線巖溶率進行統計分析，結果如圖5所示。

通過分析發現，在武漢地區不同時代時代碳酸鹽巖中延米線巖溶率隨灰巖埋深變化均呈現較強的規律性，經統計發現的規律如下：

(1)在三種不同時代的碳酸鹽巖中自灰巖面往下，延米線巖溶率首先逐漸增大，在 1 m～3 m處達到最大，大冶組、棲霞組、黃龍組的最大延米線巖溶率分別為39.00%、44.60%、43.08%；

(2)在延米線巖溶率達到最大值后，隨著深度的增大，延米線巖溶率逐漸減小，在埋深 10 m～20 m的范圍內，三種不同時代碳酸鹽巖的延米線巖溶率變化曲線均呈現一段較為平穩、變化不大的曲線，大冶組基本穩定在5%左右，棲霞組穩定在16%左右，黃龍組穩定在9%左右；

綜合武漢地區所有揭露溶洞鉆孔中延米線巖溶率隨埋深的變化情況，如圖5(b)所示，可以看出：在距離灰巖頂板埋深 1 m～4 m的深度范圍是巖溶活動強烈區，在該深度范圍內灰巖延米線巖溶率基本都在30%以上，然后灰巖延米線巖溶率隨著埋深的增大而減小，在深度 10 m～20 m的深度內，灰巖延米線巖溶率基本穩定在9.5%左右，說明在該深度內巖溶活動性較弱。

圖5 延米線巖溶率統計圖

4.2 巖溶發育的平面變化規律

為了探究平面上不同區域的巖溶發育變化規律，對分布在五條不同碳酸鹽巖條帶(由于所收集到的漢南條帶上的鉆孔數量太少，因此本文中至討論另外五條條帶)的鉆孔進行統計分析，以圖揭示武漢地區巖溶發育在平面上的變化特征。

(1)不同條帶巖溶發育程度分析

對五條碳酸鹽巖條帶上不同時代的灰巖鉆孔的鉆孔遇洞率和線巖溶率進行統計分析，結果如表3所示。五條碳酸鹽巖條帶的鉆孔遇洞率和線巖溶率統計結果顯示，北部條帶最小，軍山條帶最大，且鉆孔遇洞率和平均線巖溶率呈現由北向南逐漸增大的特點。

不同條帶上碳酸鹽巖巖溶發育程度統計表 表3

(2)不同條帶溶洞規模分析

通過對鉆孔遇洞率和平均線巖溶率的統計可以看出在不同條帶上巖溶發育程度的變化規律，但是在分析鉆孔遇洞率和平均線巖溶率之間的關系之后可以看出兩者之間的大小關系并不完全對應，因此進一步對各條帶上發育的溶洞規模進行統計分析，結果如表4所示。統計發現南部條帶上所發育的溶洞平均洞高最大，達到 3.12 m，北部條帶最小，僅 1.33 m，也從一定程度解釋了巖溶地面塌陷多發在南部條帶的原因。

不同碳酸鹽巖條帶上所發育溶洞規模統計 表4

5 巖溶發育的影響因素淺析

前人研究認為影響巖溶發育的因素主要包括：碳酸鹽巖的化學成分、地下水活動、區域構造等因素，下面將結合相關的基礎資料，力圖從碳酸鹽巖成分、地貌單元、區域構造、不同區域四個方面探討武漢市巖溶發育的影響因素。

5.1 巖性對巖溶發育的影響分析

根據不同時代碳酸鹽巖中鉆孔遇洞率和平均線巖溶率的統計分析中得知，武漢地區三種主要碳酸鹽巖中巖溶發育程度的大小關系為：大冶組巖溶發育程度最低，其次為棲霞組，黃龍組巖溶發育程度最高。

結合城市地質調查項目以及所收集到的武漢地區碳酸鹽巖的相關測試數據，三種不同時代碳酸鹽巖中CaO的含量大小關系為：黃龍組>棲霞組>大冶組。且影響碳酸鹽巖類巖石溶解度的關鍵指標CaO/MgO的大小關系為黃龍組>棲霞組>大冶組。如表5所示。因此，認為不同時代碳酸鹽巖中巖溶發育程度不同的主要原因為巖石中的CaO含量和CaO/MgO比值的大小所決定的。

武漢地區碳酸鹽巖化學成分分析統計表 表5

5.2 不同地貌單元對巖溶發育的影響分析

根據武漢城市地質調查所編制的武漢市都市發展區地貌分區圖中對武漢地貌單元的劃分，武漢市主要的地貌類型包括：沖湖積平原區(一級階地)，沖積堆積平原區(二級階地)，剝蝕堆積平原區和剝蝕丘陵區，在這四種地貌類型中所占比例最大的為沖湖積平原區和剝蝕堆積平原區。利用鉆孔中位于沖湖積平原區的鉆孔460個，位于剝蝕堆積平原區的鉆孔 5 840個。在本節中將結合鉆孔數據針對這兩種不同的地貌類型，探討不同地貌單元對巖溶發育的影響。不同地貌單元下鉆孔統計結果如表6所示。

不同地貌單元下碳酸鹽巖中巖溶發育程度統計表 表6

根據表6中對于不同地貌單元下碳酸鹽巖中巖溶發育程度的統計顯示：在一級階地下碳酸鹽巖中巖溶發育程度較弱，總的鉆孔遇洞率僅10.65%，遠低于剝蝕堆積平原區碳酸鹽巖中的鉆孔遇洞率。研究初步認為，在沖湖積平原區碳酸鹽巖中巖溶發育程度相比整個區域較弱。

5.3 斷裂構造對巖溶發育的影響分析

前人研究一般認為斷裂通過區域，尤其是多條斷裂交錯的區域易于地下水的匯集，是巖溶發育的有利部位[10]。為了研究構造作用對巖溶發育的影響，本文對斷裂帶周邊的鉆孔進行了對不分析，結果如表7所示。根據所統計的在距離斷裂在 50 m和 100 m范圍內的鉆孔數據，鉆孔遇洞率相比較于整個區域來說均有明顯的增大，說明在斷裂通過部位巖溶發育程度尤為強烈，且大冶組所受影響最小，棲霞組所受影響最大，可能與斷裂形成年代有關。

斷裂對巖溶發育程度影響規律統計表 表7

6 結 論

本文依托大量工程鉆孔資料，系統分析了武漢地區巖溶發育特征，總結了平面和垂向的巖溶發育變化規律，主要得到以下結論：

(1)武漢市都市發展區范圍內呈東西向的條帶狀分布有六條碳酸鹽巖條帶，主要的碳酸鹽巖時代為大冶組、棲霞組和黃龍組，且黃龍組的巖溶發育程度最高。

(2)武漢地區有的巖溶發育主要以淺層、小型、全充填的溶洞居多。

(3)巖溶發育程度在平面上的變化規律為：由北向南逐漸增強，在垂向上的變化規律為：在基巖面以下 1 m～4 m的范圍內為巖溶強烈活動區，在距基巖面埋深 10 m～20 m巖溶活動相對較弱。

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The Developmental Characteristics of Karst in Wuhan Urban Development Area

Guan Shanyou1，Tao Liang2，Xie Jihai2，Xia Dongsheng2

(1.Wuhan Geotechnical Engineeringand Survering Co.，Ltd，Wuhan 430022，China；2.Wuhan Institute of Surveying and Mapping，Wuhan 430022，China)

In order to ascertain the characteristics of karst development in Wuhan area，the distribution range of carbonate rocks in Wuhan urban development area was delineated by statistical analysis of engineering drilling of large number of exposed carbonate rocks，and the characteristics of karst development were analyzed. The concept of line karst rate divides the degree of karst development in the vertical direction，and discusses the influencing factors of karst development. The results is Wuhan area from the limestone roof depth of 1m to 4m depth range is a strong karst activity area，4m to 10m is a medium karst active area，10m below is a weak karst activity area.

carbonate distribution；karst developmental characteristics；line karst rate；karst activity degree zoning

1672-8262(2017)04-157-06

P642.252

A

2017—05—20

官善友(1968—)，男，正高職高級工程師，注冊巖土工程師，主要從事巖土工程技術管理工作。

武漢市城建科技計劃項目(201547)，2016年武漢市創新人才開發基金重點資助項目。