粵東丘陵溝谷巖溶勘查及發(fā)育規(guī)律研究

摘要：在碳酸鹽巖地區(qū)進行大規(guī)模的工程建設(shè)，可能引發(fā)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，巖溶地質(zhì)災(zāi)害防治工程是非常必要的。通過鉆探、反磁通瞬變電磁法、被動源面波法、彈性波層析掃描（Computed Tomography，CT）、水文地質(zhì)試驗等勘查手段，探查溝谷的淺層（深度不大于55 m）巖溶特征，分析溝谷巖溶的發(fā)育規(guī)律。最后，探討地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等在溝谷巖溶形成及發(fā)展過程中的作用。

關(guān)鍵詞：巖溶；勘查；地質(zhì)構(gòu)造；發(fā)育規(guī)律

中圖分類號：P642.25 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0626

Research on the Investigation of Karst in the Hills and Gullies of Eastern Guangdong and the Law of Development

ZHANG Dongzi， ZHONG Liang

（Environmental Geological Exploration lnstitute of Guangdong Province， Guangzhou 510080， China）

Abstract： Large-scale construction projects in carbonate rock areas may trigger karst collapse geological disasters， making karst geological disaster prevention and control projects extremely necessary. This article employs various survey methods， including drilling， anti-magnetic transient electromagnetic method， passive source surface wave method， elastic wave seismic Computed Tomography （CT）， and hydrogeological tests， to explore the shallow （depth not exceeding 55 m） karst features of the gully， analyze the development patterns of gully karst. Finally， analyzes the roles of topography， lithology， geological structure， and groundwater in the formation and development of gully karst.

Keywords： karst; investigation; geological structure; law of development

我國碳酸鹽巖的出露面積約為91萬km2，在碳酸鹽巖地區(qū)進行工程建設(shè)，存在巖溶塌陷風(fēng)險[1-3]。通過各種勘查手段探查巖溶的發(fā)育特征及規(guī)律，是巖溶研究及治理工程的基礎(chǔ)及重點。粵東某建設(shè)項目位于丘陵區(qū)，丘間溝谷較多，基巖以泥灰?guī)r為主，屬可溶巖中的難溶巖。場內(nèi)巖溶局部發(fā)育，存在巖溶塌陷的風(fēng)險。通過多種手段勘查丘陵溝谷淺層（深度不大于55 m）巖溶的發(fā)育特征，并分析巖溶發(fā)育規(guī)律，為項目后續(xù)的巖溶塌陷治理提供地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及新的勘查思路，為溝谷巖溶的研究及防治提供經(jīng)驗參考。

1 研究思路及研究方法

綜合分析丘陵溝谷的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，結(jié)合巖溶的發(fā)育機理，研究丘陵溝谷的巖溶發(fā)育規(guī)律。收集區(qū)域地質(zhì)資料，通過地質(zhì)調(diào)查與測繪、鉆探（16個鉆孔）、反磁通瞬變電磁法（11條測線，編號為L19～L29）、被動源面波法（L19～L21）、彈性波層析掃描（Computed Tomography，CT）（5對）及孔內(nèi)抽水試驗（1孔，由廣東省水文地質(zhì)大隊完成）等工作手段，探查溝谷的淺層巖溶特征，以了解研究區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及巖溶的特征。

2 地形地貌

研究區(qū)為丘陵溝谷地貌，溝谷總體走向由北西走向南東，呈舒緩波狀，總體走向約150°，研究工作段長約250 m，如圖1所示。研究區(qū)為U型溝，谷底較為開闊，寬約10～18 m，溝床標(biāo)高為265～276 m，坡度為4°。兩側(cè)自然斜坡頂標(biāo)高為280～303 m，坡高為15～35 m，坡度為25～30°，植被茂盛，如圖2所示。谷底地表巖性以黏性土為主，夾少量卵石。谷底見溪流，為兩側(cè)基巖地下水外滲匯集形成，枯水期流量為30 m3/d。

3 溝谷地質(zhì)概況

3.1 地層巖性

巖性是影響巖溶發(fā)育的基本條件[4]。溝谷地層為三疊系四望嶂組，為海相碳酸鹽及碎屑巖建造，如圖3所示。巖性以泥灰?guī)r為主，薄-中厚層狀構(gòu)造。泥灰?guī)r屬于可溶巖中的難溶巖。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

3.2.1 褶皺

向斜軸線呈北西走向，傾角約90°，向斜軸長約3 km。核部地層為三疊系四望嶂組，兩翼地層為二疊系地層。北東翼產(chǎn)狀為190°～210°∠40°～50°。

研究區(qū)位于向斜的核部附近偏東北。受褶皺構(gòu)造影響，研究區(qū)北西向節(jié)理極為發(fā)育，地貌上表現(xiàn)為北西-南東走向的溝谷及條狀丘陵。

3.2.2 斷裂構(gòu)造

附近斷裂有近南北向的佛子凹斷裂②、北東向的大水尾斷裂③、均田斷裂④和北西向的湖洋塘斷裂⑤。地貌上為一串南北向的山脊連續(xù)分布，以發(fā)育破碎帶為特征。

3.2.3 節(jié)理裂隙

受褶皺及斷裂構(gòu)造影響，伴生2組優(yōu)勢的密集剪節(jié)理裂隙。節(jié)理X1的走向為333°，與向斜軸走向近同，產(chǎn)狀為63°∠60°。節(jié)理X2的走向為34°，產(chǎn)狀為304°∠62°。節(jié)理裂隙玫瑰花圖如圖4所示。裂隙與溝谷的走向大致相同，對形成溝谷起到控制作用。地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用形成的密集節(jié)理，會切割地層，造成巖體破碎，增加了巖石地層中的可溶巖與地下水的接觸面積，同時形成地下水滲流運移的良好通道。

3.3 巖土體工程及水文地質(zhì)特征

在溝谷及兩側(cè)斜坡布置16個鉆孔，其中溝谷位置布置鉆孔8個，水文孔1個（SZK6、BZK73附近）。

溝谷段巖體破碎，中風(fēng)化巖面埋深大，各巖土及其水文地質(zhì)特征如下。①填土：主要成分為黏性土，分布于表層，厚度一般小于2 m。②沖積土：本段缺失。③殘積層：巖性為粉質(zhì)黏土，硬塑狀，平均厚度為7.2 m。

透水性微弱，屬相對隔水層。④1全風(fēng)化泥灰?guī)r（T）：風(fēng)化完全，呈土狀，遇水易軟化，平均厚度為9.0 m。透水性微，屬相對隔水層。④2強風(fēng)化泥灰?guī)r（T）：根據(jù)強度及透水性劃分為土狀強風(fēng)化巖（④2-1）及塊狀強風(fēng)化巖（④2-2）。④2-1：裂隙很發(fā)育，多被泥質(zhì)充填，巖心呈半巖半土狀，透水性弱。④2-2：褐黃，巖芯呈碎塊狀，巖體極破碎，裂隙很發(fā)育，部分被泥質(zhì)半充填，透水性中等，富水性中等，為巖溶水主要含水層。④3中風(fēng)化泥灰?guī)r（T）：淺灰色、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，裂隙面多見黃褐色渲染，巖心較破碎，多呈塊狀，少量短柱狀，屬較硬巖，透水性中等，富水性中等，為巖溶水主要含水層。④4微風(fēng)化泥灰?guī)r（T）：深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，裂隙多封閉或為方解石細脈充填，巖質(zhì)致密，巖體較完整，透水性弱。

對泥灰?guī)r基巖巖溶水進行2個降深的抽水試驗，含水層為破碎的塊狀強風(fēng)化及中風(fēng)化泥灰?guī)r帶。抽水試驗結(jié)果如表1所示。本溝谷巖溶水的富水性中等，透水性中等，主要含水層為塊狀強風(fēng)化及中風(fēng)化巖層，地下水沿溝谷往下游的流動性強。

4 多種勘查手段的綜合應(yīng)用及成果

4.1 鉆探揭露巖溶特征

溝谷兩側(cè)斜坡及坡頂，未揭露到溶洞。溝谷底部洼地區(qū)域的8個鉆孔中5個鉆孔揭露到溶洞，見洞率為62.5%，巖溶發(fā)育強烈，屬于隱伏巖溶。兩側(cè)與谷底的巖溶發(fā)育程度差異大。溝谷上游的鉆孔均未見溶洞，說明上游巖溶的發(fā)育程度弱。中下游鉆孔揭露溶洞，巖溶發(fā)育。

垂直方向，溝谷發(fā)育2層溶洞的特征較為明顯，兩層溶洞通過裂隙和溶隙連通。鉆孔揭露溝谷巖溶地質(zhì)剖面如圖5所示，溝谷段溶洞分布特征如表2所示。

第一層溶洞（0-1）：BZK73-1等3個鉆孔揭露，見洞率為37.5%。該層溶洞發(fā)育于塊狀強風(fēng)化泥灰?guī)r中，位于塊狀強風(fēng)化巖上部與土狀強風(fēng)化巖的接觸帶附近，頂板為全-強風(fēng)化泥灰?guī)r，厚度為24.5～28.5 m。洞高為2.1～5.8 m，平均為3.5 m。

第二層溶洞（0-2）：8個鉆孔中3個鉆孔揭露串珠型溶洞，見洞率為37.5%。溶洞發(fā)育于破碎的中風(fēng)化泥灰?guī)r中。洞高為1.3～5.5 m，平均為3.5 m，洞頂埋深為28.1～53.1 m。

4.2 結(jié)合多種物探方法分析巖溶特征

本次勘查及研究采用反磁通瞬變電磁法、被動源面波法、彈性波CT等物探方法來探查溝谷的巖溶發(fā)育特征。

第一，反磁通瞬變電磁法的結(jié)果。物探測線L19～L25在丘陵溝谷段揭露到低電阻率區(qū)，該低阻區(qū)總體呈北西-南東向帶狀分布，與溝谷走向大致相同。低阻異常區(qū)主要集中位于溝谷底部，深度為25～60 m，局部沿裂隙方向延伸至兩側(cè)。異常區(qū)內(nèi)的BZK73、BZK83等鉆孔揭露溶洞發(fā)育，與電磁法的結(jié)果相互驗證。這也印證受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性控制，地下巖溶具有明顯的方向性[5]。

第二，被動源面波法的結(jié)果。在原L19線、L20線、L21線對應(yīng)的溝谷段布置3條微動測線進行對比分析，微動測試獲取的波速剖面低速異常區(qū)與反磁通瞬變電磁法測得的視電阻率剖面低阻異常區(qū)、鉆探揭露的溶洞平面級深度位置高度吻合，如圖6、圖7所示。

第三，彈性波CT掃描結(jié)果。波速低速帶與鉆孔的地質(zhì)剖面吻合，溶洞的連通性強，2層溶洞明顯，如圖8所示。

第四，溶土洞三維模型展示。對測區(qū)內(nèi)的電阻率數(shù)據(jù)進行三維網(wǎng)格化，制作三維視電阻率模型圖，更直觀地體現(xiàn)低阻體在空間上的分布形態(tài)，顯示巖溶發(fā)育區(qū)與溝谷的分布較為吻合，如圖9所示。

綜合各方法的勘查結(jié)果可知，巖溶主要位于溝谷區(qū)，局部沿2組優(yōu)勢節(jié)理方向往兩側(cè)適當(dāng)延展。

5 巖溶發(fā)育規(guī)律研究與探索

泥灰?guī)r屬于難溶巖，一般巖溶發(fā)育較弱。本溝谷段密集節(jié)理裂隙帶，有利于巖溶水的循環(huán)及溶蝕作用，為巖溶發(fā)育提供良好的地質(zhì)及構(gòu)造基礎(chǔ)。溝谷地形起伏大，水位受降雨等影響，地表水入滲、匯集，地下水活動強烈，巖溶地下水位及動態(tài)變化大。沿溝谷方向，地下水的水力梯度較大，流動性強。溝谷地形有利于巖溶的形成和發(fā)展，溝谷巖溶沿地下水的徑流方向呈長條狀發(fā)育。

水平方向上，巖溶沿溝谷走向，同時也是優(yōu)勢節(jié)理的走向，形成長條帶狀巖溶帶，溶洞之間通過溶隙與節(jié)理裂隙連通。垂直方向上，巖溶集中發(fā)育于地下水位波動帶附近的強風(fēng)化及中風(fēng)化泥灰?guī)r帶，深度為25～55 m。為更加直觀地反映巖溶隨深度的變化，將溝谷段鉆孔的各深度的見洞率、洞高以及線巖溶率進行分段統(tǒng)計，分段深度為5 m，結(jié)合地層界面的情況，分別繪制見洞率隨深度變化的A-S曲線、洞高隨深度變化的H-S曲線、線巖溶率隨深度變化的P-S曲線，并疊合巖石的風(fēng)化程度界面，如圖10所示。

由圖10可知，巖溶主要發(fā)育于深度25～55 m，隨深度增加出現(xiàn)兩個明顯的巖溶峰值，2層巖溶的特征明顯。上峰值位于碎塊狀強風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖面附近（深度為30～40 m）。下峰值位于完整微風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖的交界面附近（深度約為50 m）。對于25 m以上的全風(fēng)化巖層及55 m以下微風(fēng)化巖，巖溶發(fā)育程度逐漸變?nèi)酢?/p>

6 結(jié)論

溝谷泥灰?guī)r巖溶的形成與發(fā)展受地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等共同作用控制，尤其是地形及地質(zhì)構(gòu)造的作用明顯，其同時控制地下水的富水性及流動性，影響地下水對巖石的溶蝕作用，控制巖溶的發(fā)展。塊狀強風(fēng)化及破碎的中風(fēng)化巖帶的透水性較強，為碳酸鹽巖裂隙溶洞水的主要含水層。通過對本溝谷巖溶的多手段綜合勘查，總結(jié)溝谷巖溶的發(fā)育規(guī)律，可為后續(xù)區(qū)內(nèi)溝谷的巖溶勘查及治理工程提供參考。

參考文獻

1 中國地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會.巖溶地面塌陷防治工程勘查規(guī)范（試行）：T/CAGHP 076—2020[S].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2020.

2 盧 薇，易順民.廣州市大坦沙島巖溶塌陷成因分析及防治對策[J].安全與環(huán)境工程，2021（4）：121-130.

3 李大通，羅 雁.中國碳酸鹽巖分布面積測量[J].中國巖溶，1983（2）：61-64.

4 鄭小戰(zhàn)，郭 宇，戴建玲，等.廣州市典型巖溶塌陷區(qū)巖溶發(fā)育及影響因素[J].熱帶地理，2014（6）：794-803.

5 章 程，裴建國，謝運球，等.典型溶蝕丘陵系統(tǒng)巖溶發(fā)育特征及其水資源開發(fā)條件分析：以湖南省新化縣桑梓鎮(zhèn)為例[J].中國巖溶，2000（1）：60-66.

作者簡介：張冬仔（1984—），男，廣東湛江人，工程師。研究方向：地質(zhì)災(zāi)害防治、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)。