广东省英德市九龙镇岩溶地面塌陷成因分析

■何宏伟

（广东省有色金属地质局九四〇 队 广东 清远511520）

广东省英德市九龙镇岩溶地面塌陷成因分析

■何宏伟

（广东省有色金属地质局九四〇 队 广东 清远511520）

九龙镇位于广东省英德市西部，距英德市区直线距离46.5km，四面环山，且处于粤北岩溶发育地区，以其“英西峰林”岩溶地貌景观著名。本文揭示了九龙镇岩溶地面塌陷的成因，归纳了各种致塌因素，总结了该区潜蚀致塌机制。

九龙镇岩溶地面塌陷潜蚀地下水

1 地质概况

图1 可溶岩分布图

区域构造位置处于南岭纬向佛冈—丰良构造带北侧；吴川—四会构造带东段；粤北山字型构造前弧西翼外缘。本区具有典型的地台双层结构，褶皱基底为上元古界变质岩，盖层主要为海西－印支期未变质的碎屑岩和碳酸盐岩，与基底地层呈角度不整合接触。研究区构造线以北东向为主，形成了多条北东向的褶皱及断裂构造。区内出露的地层主要为古生界泥盆系、石炭系和新生界第四系。燕山中期花岗岩体侵入于研究区西北边部。区内第四系大面积分布在山间凹地、山前斜坡及河流两侧，主要为砾石、砂和粘土等河流冲积物，厚数米，覆盖于碳酸盐岩之上，成为覆盖型岩溶区。研究区总面积36km2，其中裸露型岩溶区面积约7.6km2，覆盖型岩溶区面积约22km2（见图1）。

2 九龙镇岩溶发育及地面塌陷情况简介

区内地表溶蚀地貌以峰丛、孤峰、峰丛谷地为主，地下岩溶地貌主要是溶洞及地下河。山脚地带常见有小型暗河的进出水口，地下暗河系统已经形成。沿结构面（构造面）发育的溶洞（溶隙）与落水洞、暗河等构成了本区岩溶发育的通道，地下水沿着这些通道不断侵蚀可溶岩最终形成地下岩溶洞穴系统。

九龙镇辖区自上世纪70年代至今发生了多起的地面塌陷事件，已发地面塌陷24处，部分塌陷由于年代过于久远，塌陷事实有待考证。研究区内有时间记载的已发地面塌陷有19起，以十年作为一个周期统计该时间段内发生的地面塌陷次数，发现21世纪是地面塌陷的高发期，调查认为该时间段内由于人为抽取地下水、工程加载、地基开挖程度的加大诱发了地面塌陷，这种人为诱发因素在引起当地政府部门及居民的重视后，未来地面塌陷发生频率可能呈现下降的趋势。

3 地面塌陷成因分析

地面塌陷系地下水活动所致，按其产生的条件，有多种成因机制，其中以潜蚀机制最为普遍，此外尚有真空吸蚀和气爆等机制[1]。通过对研究区内的地面塌陷案例分析，形成地面塌陷的原因是第四系覆盖层下的碳酸岩中存在岩溶空洞，且存在与覆盖层相连的通道，在地下水的作用下，覆盖层中的松散沉积物沿着岩溶通道漏失到岩溶空洞中，导致覆盖层中形成土洞，引起上覆土体发生塌陷，最终在地表形成蝶形洼地或塌陷坑，为潜蚀机制作用的结果。研究区内地面塌陷的不均匀分布，是由于土洞形成受地层岩性、地形地貌、地质构造、水文地质、土层性质以及人类活动等诸多因素的影响。下面通过对研究区的地层岩性、地形地貌、地质构造、水文地质情况进行综合分析，探讨该区地面塌陷的成因条件：

3.1 地层岩性

研究区覆盖型岩溶区面积约22km2，覆盖层为第四系河流冲积层，东北部分区域为二元结构冲积层，下部为厚>7m砾石层，其厚度往西南方向逐渐变薄至尖灭，上部主要为粉质粘土层。其它地区主要为一元结构冲积粉质粘土层，平均厚度约6m，局部区域粉质粘土下伏砂质粘土层。调查表明地面塌陷多发生在厚度较薄（<10m）的一元结构冲积层覆盖区，而二元结构冲积层覆盖区较少发生（仅2处塌陷）。分析认为一元结构冲积粉质粘土层直接盖在基岩面上，而当粉质粘土层中的孔隙水与可溶岩中的岩溶裂隙水发生直接水力联系，形成统一运动情况下，由于水位不断升降变化，尤其是岩溶地下水位低于孔隙水位时，发生垂直渗流，先是在粉质粘土层中发生潜蚀作用形成“漏斗状疏松体”，进而因垂直渗流加剧，局部水力梯度加大，粉质粘土液化流入岩溶空洞[2]，地面出现塌陷坑。二元结构下部砾石层的砾石之间由于充填有粘土，导致其透水性减弱，上部粉质粘土受到粘土砾石层的阻挡，无法靠垂直渗流流失。一元结构冲积粉质粘土层下伏基岩多为厚层泥晶灰岩。区内统计的地表溶洞有70%分布在泥晶灰岩地层中，且该岩性地层中石牙、溶沟、溶隙、洼地常见。岩矿鉴定结果显示：泥晶方解石粒度小于4um，晶体大小不均匀，含量达到85~90%，常常重结晶成为微晶方解石。而晶粒越小，相对溶解速度越大。厚层的可溶岩隔水层较少，岩性均一，往往形成深而宽的裂隙，有利于地下水的流通[3]。因此厚层泥晶灰岩岩溶发育，当上覆盖层为粉质粘土层时易被潜蚀。

综上所述，该区具备了形成土洞和地面塌陷的地层条件。

3.2 地形地貌及地质构造

3.2.1 地形地貌

区内主要溶蚀地貌类型由北东（北西）走向的峰丛、峰丛谷地以及零星分布的孤峰组成，石峰呈锥形耸立，溶洞发育。峰丛谷地呈U形，谷底海拔高程90米左右，峰顶至谷地高差150m左右，主要分布河流冲积粉质粘土，厚3～12m，覆盖于灰岩之上。该地貌类型分布的塌陷点有8个，塌陷坑平面形态大多呈近圆形，次为近椭圆形，直径0.8～3m，剖面形态为桶状、柱状。峰林谷地作为研究区内的负地形地带，峰丛与谷地地形高差悬殊，大气降水通过山体的各种裂隙、溶隙、溶洞及落水洞渗入地下，形成厚度较大的垂直循环带，在山脚处以泉水和地下暗河溢出地面或补给谷地的地下水，补给量随大气降水量的大小增减[4]。谷地中地下水位埋深0.7～3m，据动态观测显示水位及水量变幅显著，表明了地下水活动频繁，促进了地下岩溶空洞及岩溶通道的发育，在潜蚀作用的影响下，导致上覆土层形成土洞，进而引发地面塌陷。

山前崩坡积带与河流冲积层覆盖区的过渡带是地面塌陷多发地带，区内60%的地面塌陷发生在山前居住密集区，分析认为造成这种情况发生的主要原因是山前与河流冲积层过渡带高差较大，产生了较强的水动力梯度，地下水交替频繁，对过渡带地下可溶岩产生了较强的溶蚀，形成岩溶空洞。降雨对山前地下水位变幅影响较大，突发的强降雨导致地下水位急剧抬升至最高岩溶水位，连续的干旱使得地下水位回落至最低岩溶水位。且该区域居民密度大，大量打井抽取地下水作为生产生活用水导致地下水位反复变化，形成了对上覆土体不断潜蚀的地下水条件，故导致了地面塌陷的发生。

3.2.2 地质构造

区内主要构造线方向为北东向，沿北东向形成了三条主要褶皱构造。北西向断裂构造与北东向褶皱构造形成的网格状的构造格局控制了塌陷的分布（见图1）。断裂破碎带和节理裂隙密集带是地下水运移的主要通道，北东向或近东西向断裂主要为压（扭）性断裂，断裂面平直光滑，呈舒缓波状，裂隙较紧闭或被断层泥所充填，不利于地下水的运移。北西向或近南北向断裂主要为张（扭）性断裂，断裂面较粗糙，裂隙张开性较好，角砾岩多为由方解石胶结的棱角状灰岩，胶结性差，有利于地下水的侵蚀运移，控制了岩溶空间分布和发育速度[5]。区内向斜较为平缓开阔，岩溶发育分布也较为广泛，其坳陷深度较浅，可溶岩埋深小于侵蚀基准面。由于核部地势较低，地下水汇集在褶皱核部，并沿着褶皱作用形成的纵张节理部位运移并与断裂破碎带及节理裂隙密集带相互沟通，形成了错综复杂的地下岩溶洞穴系统，而这些岩溶洞穴也成为了促使土洞形成的潜在源头。

3.3 水文地质

苏坑河由北西至南东流经九龙镇辖区，河道两侧为砂土层，远离河道变为冲积粉质粘土层，富水性较强，水位埋深0.7～3m，水量较丰富，局部地下水流通性较强。地下水具有较好补给来源，除大气降雨渗入补给外，尚有苏坑河及其他地表水体（鱼塘、水库等）侧向补给。地下水水位变化幅度与降雨强度基本一致，雨季水位上升，旱季水位下降。动态观测显示该区地下水位及水量具有季节性变化的特点，这也解释了为什么塌陷多发生于夏季及冬季。夏季降雨量大，水位急剧上升水量加大，地下水侵蚀能力增强，而冬季降雨量小，地下水位下降，加之居民生产生活抽取地下水造成水位持续下降，这种季节性变幅加上潜蚀机制的作用，最终导致地面塌陷的发生。

4 结语

通过上述的分析探讨九龙镇岩溶地面塌陷的成因，我们知道岩溶塌陷主要受地层岩性、地质构造、地形地貌、土层性质及地下水的控制，是诸多因素综合作用的结果。对此将这些因素汇总如下表（表1）。通过对致塌因素的分析总结了该区潜蚀致塌机制为：可溶岩地层中存在空洞→与盖层连通→地下水携走覆盖层物质→土洞的形成与发展→应力平衡遭到破坏→地面塌陷发生。

表1 岩溶地面塌陷致塌因素汇总表

[1]唐辉明,项伟.岩土工程勘察[M].化学工业出版社.2012.

[2]范士凯.武汉地区岩溶地面塌陷类型及其发生、分布规律和防治对策[OL]. 2016-03-20.

[3]曹伯勋.地貌学及第四纪地质学[M].中国地质大学出版社.1995.

[4]肖明贵.桂林市岩溶塌陷形成机制与危险性预测[D].吉林大学博士学位论文.2005: 45-46,66-67.

[5]王浩.宿县矿区太原组灰岩岩溶发育特征与控溶机理研究[D].安徽理工大学硕士学位论文.2013:45-48.

[6]陈国亮.岩溶与塌陷[M].中国铁道出版社.1994.

P694[文献码]B

1000-405X（2016）-12-418-2