珠三角丘陵山区岩溶塌陷发育特征及地质模式——以广州北部为例

王忠忠，黄文龙，庄卓涵，胡飞跃，刘广宁

（1.广东省地质调查院，广东广州 510080；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉 430205）

0 引言

近几十年来，随着极端气候和人类工程建设活动影响，我国岩溶塌陷地质灾害频繁发生，引起社会的广泛重视（雷明堂和蒋小珍，1998；张丽芬等，2007；蒙彦等，2019）。作为珠江三角洲中心城市的广州市，岩溶塌陷地质灾害成为该地区主要地质灾害类型之一。由于岩溶塌陷隐蔽性、突发性的特点，严重影响了经济社会发展和人民群众日常生活，2007～2012 年仅在广州市白云区金沙洲地区共发生了24 处岩溶塌陷、21 处地面沉降，形成7 个地面沉降区域，受灾影响面积约1.73 km2，部分楼房发生倾斜、变形和开裂，造成直接经济损失约2.79 亿元（黄健民等，2017）。广州市岩溶塌陷方面的研究比较深入，研究区域主要聚焦在广花盆地岩溶发育区（蒙彦，2020；周心经等，2021；易顺民等，2021）、金沙洲（蒙彦等，2018；贾龙，2021；李卓骏等，2021）和大坦沙（Jia et al.，2018；卢薇和易顺民，2021；王忠忠等，2022）岩溶发育区等，而在北部丘陵山区岩溶塌陷相关研究鲜有涉及；在《广州市国土空间总体规划（2018～2035 年）》草案和《广州市从化区国土空间总体规划（2021～2035 年）》草案中将从化区鳌头镇、良口镇、吕田镇等北部丘陵山区规划为山地生态片区和生态公园地区。因此，本文重点分析北部丘陵山区岩溶塌陷发育地质背景、发育现状和特征，以及分析岩溶塌陷地质模式并提出防治措施建议，为防控岩溶塌陷地质灾害提供地质基础，服务于国土空间规划建设和当地乡村振兴示范区建设。

1 地质环境概况

广州北部的鳌头镇、良口镇、吕田镇地区位于南岭山系南麓，山形起伏；地貌以低山丘陵为主，地势总体上北高南低（图1a）；水系发育，主要有流溪河、吕田河、黄罗河等；雨量充沛，多年平均降雨量为1 696.5 mm，集中在4～9 月。区内岩浆岩发育，分布广泛，其次是泥盆系、石炭系、三叠系、白垩系及第四系地层（图1b）；先后主要经历了海西-印支运动、燕山运动及喜马拉雅运动等多期次构造运动改造，断裂十分发育。研究区处于北东向广从断裂带与东西向佛冈-丰良断裂带交汇处，地质构造控制了碳酸盐岩呈条带状隐伏于山间洼地（图1c），偶有出露。碳酸盐岩岩性主要为石磴子组（C1ŝ）灰岩、白云质灰岩，局部地段含生物碎屑、泥质或炭质；长垑组（D3C1cl）灰岩、泥质灰岩、钙质页岩；天子岭组（D3t）中厚层块状灰岩，局部地段白云质灰岩较多或含较多炭质、泥质。受周围岩体影响，碳酸盐岩在岩体附近垂向上呈现灰岩-大理岩化灰岩-大理岩的分带特征，大理岩与灰岩的过渡多呈火焰状交错的过渡关系。

图1 研究区地势图（a）、地质简图（b）及地质剖面图（c）Fig.1 Topography （a），geological sketch （b） and geological profile （c） of the study area

2 岩溶塌陷发育特征

研究区岩溶发育，第四系覆盖层较薄，同时地下水活动强烈和人类工程活动剧烈，这些都满足了岩溶塌陷形成发育的必要条件（雷金山等，2009；陈亮晶等，2014）。据2016～2018年开展的1∶50000鳌头圩幅、良口圩幅、吕田圩幅环境地质调查工作成果①②③，研究区累计发生岩溶塌陷地质灾害35处（表1）。岩溶塌陷地质灾害已成为广州北部山间盆地主要的地质灾害之一。

表1 岩溶塌陷地质灾害特征统计表Table 1 Statistical table of karst collapse

2.1 岩溶塌陷空间分布特征

广州北部丘陵山区岩溶塌陷地质灾害的分布相对集中，其分布与地貌条件、地层岩性及构造、人类工程活动等关系密切。地貌上，岩溶塌陷均发生在隐伏岩溶区的岩溶洼地内，其中15 处塌陷点（占42.86%）分布在鳌头镇中塘-大氹地区（图2a），9 处塌陷点（占25.71%）分布在良口镇石岭地区（图2b），11 处塌陷点（占31.43%）分布在吕田镇安山、水埔-联丰地区（图2c）。地质条件上，岩溶塌陷点均分布在隐伏碳酸盐岩地层为石磴子组和长垑组地区，地层所在区域已发的塌陷点分别为24 处（占68.57%）和11处（占31.43%），主要由于两套地层的岩石化学组分中CaO 含量较高，分别32.52%～54.09% 和30.65%～54.29%，同时受广从断裂带、佛冈-丰良断裂带影响，岩溶发育，钻孔见洞率达45.42%～57.89%。人类工程活动上，29 处塌陷点分布在矿山开采区影响范围内，占82.86%，其余比较零散。

图2 广州北部丘陵地区岩溶塌陷空间分布图Fig.2 Spatial distribution of karst collapse in hilly area of northern Guangzhou

另外，在某些塌陷区，受特定诱发因素影响，岩溶塌陷又有反复性，即同一处岩溶塌陷形成新的塌陷或者是原先塌陷的复活，如吕田镇安山村塘田岩溶塌陷TX29，受台风“艾云尼”带来连续强降雨影响，导致在原塌陷坑（TX28）发生二次塌陷，且陷坑直径扩大化。

2.2 岩溶塌陷时间分布特征

从20 世纪50～60 年代至今，研究区岩溶塌陷地质灾害在年际尺度上时有发生（图3a），具有持续性。虽然发生岩溶塌陷的时间间隔不定，但可以大体划分出两个高峰期，即1994～2008 年和2014～2018 年。在1994～2008 年期间共计发生岩溶塌陷23 次，占研究区岩溶塌陷总数的65.71%，该时期大理石矿山开采兴盛，开采活动频繁且强度较大，岩溶塌陷诱发因素主要为矿山抽排地下水（17 次）和地下平巷突水（5 次）的人为活动引起的，占该时期塌陷的95.65%。为响应广州市政府节能减排政策，广州市从化区在2009 年全面关停小矿山，2009～2013年岩溶塌陷发生几率趋于零。2014～2018年高峰期共计9 次，占区内塌陷总数的25.71%，这时期在极端气象条件下，以自然因素诱发的塌陷为主（5次），其余为以深水井抽水和农机/交通工具振动的人为活动因素诱发塌陷（各2次）。

图3 岩溶塌陷发生时间频次图Fig.3 Frequency diagrams of karst collapse

岩溶塌陷地质灾害在月际尺度上具有周期性，主要发生于丰水期和枯水期（图3b）。在4～8月的丰水期发生塌陷8 次，占有月份记录岩溶塌陷的47.06%，其间塌陷次数随着降雨量的多少而变化（降雨量数据来源于广州统计年鉴从化站2002～2021年20年月均降雨量）；在12月～来年3月的枯水发生塌陷7 次，占有月份记录岩溶塌陷的41.18%。该时期地下水特点是水位波动幅度较大，枯水期和丰水期的地下水水位都处于一个极值（高/低）状态，在强降雨或者抽排地下水过程中，水位迅速上升或下降形成的水力梯度值大于土体临界水力梯度值时，易导致岩溶地面塌陷的发生，而外力（如振动等）将加速塌陷的形成。

2.3 岩溶塌陷形态特征与规模

研究区内的岩溶塌陷均为碳酸盐岩型的土层塌陷。塌陷坑一般呈单坑形式，部分塌陷坑为多坑，但数量小于5 处；塌陷坑直径一般在0.5～9.2 m，个别直径（长轴）达到31.0 m，下陷深度0.5～10.0 m；平面上，塌陷坑以圆形为主（94.29%），偶呈椭圆形；剖面上，以塌陷中后期的圆柱状为主（74.29%），其次为碟状（14.29%）和坛状（11.42%）。另外，由地下平巷突水诱发的塌陷部分伴生有地面裂缝，如良口镇石岭塌陷（TX16）形成多条裂缝，最大缝宽0.2 m，延伸十余米。

按《1∶50000 岩溶塌陷调查规范（征求意见稿）》中岩溶塌陷的直径、数量和影响范围来划分，研究区岩溶塌陷规模以小型为主，大型和中型塌陷仅各一处，分别为良口镇石岭塌陷群（TX16等）和鳌头镇中塘北西塌陷（TX08）。

2.4 岩溶塌陷诱发因素与危害

岩溶塌陷地质灾害的诱发因素一般可以概括为自然因素和人为因素（徐贵来，2016）。研究区岩溶塌陷以人为因素诱发为主，自然因素诱发为次（表2），其占比分别为74.28%、14.29%。人为诱发因素中抽排地下水和平巷突水因素诱发的塌陷占68.57%，抽排地下水因素诱发的塌陷主要分布在鳌头镇大氹、中塘、龙角以及吕田镇草铺、联丰地区，发生时期主要为2009年关停小矿山之前（2014年有两处岩溶塌陷诱发因素为深水井抽取地下水），平巷突水因素诱发的塌陷集中在良口镇石岭地区（2003～2005 年）；人为振动因素占比5.71%，该类塌陷也分布在良口镇石岭地区；自然因素的强降雨因素和自然因素发生比重较小，但已成为近年来主要的岩溶塌陷诱发因素。另外，由于部分塌陷发生时间较久，其塌陷成因等信息不明。

表2 岩溶塌陷诱发因素分类Table 2 Classification of induced factors of karst collapse

丘陵山区的隐伏岩溶区地势平坦，是乡村居住商贸集聚区，也是乡镇主要的农用地分布区，因此岩溶塌陷造成一定的危害，主要有两种类型。危害一是岩溶塌陷影响范围在乡村集聚区内，造成地表多处建筑损坏，墙体产生裂缝、房屋下沉、地基掏空（图4）等，如鳌头镇中塘村长期的矿山抽排地下水引起的岩溶塌陷，造成村屋墙体发育多处裂缝，最宽达3.0～13.0 cm，损毁房屋数十间，甚至部分房屋下沉；危害二是岩溶塌陷发生在耕地等农用地中，形成的坑洞对于当地群众的农业生产、生命财产安全都是潜在威胁。目前部分岩溶塌陷引起的建筑损毁和耕地破坏已得到相关治理。

图4 岩溶塌陷地质灾害引发的危害（鳌头镇）Fig.4 Hazards caused by karst collapse geological disasters（Aotou Town）

3 岩溶塌陷地质模式

岩溶塌陷的形成机理比较复杂（肖攀等，2015；涂婧等，2018；郑晓明等，2019），目前研究主要认为有潜蚀效应、垂直渗压效应、真空吸蚀效应、失托增荷效应、压强差效应、气爆效应、振动效应、荷载效应等（陈国亮，1994；郑小战，2010）。岩溶塌陷的形成发展往往是一种或多种效应叠加作用的结果，研究区岩溶塌陷地质模式主要有潜蚀效应致塌，潜蚀、失托增荷和吸蚀效应叠加致塌，潜蚀和振动效应叠加致塌和潜蚀和垂直渗压效应叠加致塌四种类型。

3.1 潜蚀效应致塌

该地质模式形成的塌陷主要是抽排地下水诱发的岩溶塌陷，以鳌头镇中塘村岩溶塌陷（TX04等）最为典型。中塘村塌陷区下伏基岩岩性为石磴子组（C1ŝ）灰岩，岩溶非常发育且发育有土洞，单孔线岩溶率达61.05%（钻孔ATXG08）；土层结构以岩性为粉质黏土或含碎石黏性土的单层结构为主，土层厚度7.70～18.20 m；位于山前地下水补给区和可溶岩与非可溶岩接触带，地下水交替循环迅速。地下水在径流过程中，细小土颗粒体随水流沿溶蚀裂隙、溶洞等岩溶通道进行物质运移而发生潜蚀效应。当矿坑抽排地下水时，地下水水位的波动使水力梯度值大于底部土层临界水力梯度值，潜蚀效应增强，岩面上土体掏空形成土洞（图5a）。由于土体较薄且力学性质差，当持续抽排地下水，土洞进一步扩大到顶板距地面一定厚度后，上覆土体由于自身重力作用发生失稳造成塌陷，上覆建筑物受到损毁（图5b）。

图5 潜蚀效应致塌地质模式图（鳌头镇中塘村）Fig.5 Geological models of karst collapse caused by subsurface erosion effect （ Zhongtang Village， Aotou Town ）

3.2 潜蚀、失托增荷和吸蚀效应叠加致塌

该地质模式形成的塌陷主要是矿山地下平巷突水诱发的岩溶塌陷，以良口镇石岭村高龙围岩溶塌陷（TX16等）最为典型。高龙围塌陷区下伏基岩岩性为石磴子组（C1ŝ）灰岩，受构造影响发育两条北西向岩溶强发育带，单孔线岩溶率1.80%～74.23%，并发育土洞；土层结构以岩性为黏性土-砂性土-黏性土的多层结构为主，土层厚度10.90～23.30 m；地下水与大气降水响应度高，水力交替循环强烈。在石岭矿山地下开采期间，地下平巷中大量抽排地下水时，多层结构且厚度相对较薄的土体在地下水波动过程中长期受到潜蚀（图6a），局部土体掏空发育成土洞，随着地下水波动，土洞持续扩大。在地下平巷突水发生后，区域地下水位骤然下降发生失托增重效应（图6b），消减了对上覆土层或土洞顶板的浮托力，使上覆土层或土洞失稳、坍塌；地下水快速流动带走岩溶土洞中的充填物，使岩溶土洞的内应力受到破坏；同时，由于区域地下水突降，地下水由承压迅速转为无压，在岩溶空腔里的水气形成了负压，对盖层产生了附加吸力，使盖层物质遭到吸蚀剥落并被水流搬运，从而导致地面塌陷和地面变形，继而发生地面下沉和房屋开裂。

图6 潜蚀、失托增荷和吸蚀效应叠加致塌地质模式图（良口镇石岭村）Fig.6 Geological models of karst collapse caused by the superposition of latent erosion， load increase and suction erosion effect（ Shiling Village， Liangkou Town ）

3.3 潜蚀和振动效应叠加致塌

该地质模式形成的塌陷主要是人工振动诱发的塌陷，以良口镇石岭中元岗塌陷（TX17）最为典型。中元岗塌陷区地质条件与高龙围塌陷区基本相同。上述矿山地下平巷突水造成矿山地下采空区与矿区岩溶网络系统相沟通，在后期降水等多种条件下导致水位波动，发生潜蚀效应，在岩面上发育形成土洞或使原有土洞扩大（图7a）。人类农耕活动中拖拉机的机械振动形成振动效应，导致土洞上覆多层结构的土体发生黏性土触变或砂土液化，其强度降低；地表水田蓄水使上覆土层充水，含水量增大，重度增加，自重力也增加；加之土层厚度相对较薄，土洞结构稳定性极易失稳破坏，造成地面塌陷（图7b）。

图7 潜蚀和振动效应叠加致塌地质模式图（良口镇石岭村中元岗）Fig.7 Geological models of karst collapse caused by the superposition of latent erosion and vibration effect（ Zhongyuangang，Shiling Village， Liangkou Town ）

3.4 潜蚀和垂直渗压效应叠加致塌

该地质模式形成的塌陷主要是自然（强降雨）诱发岩溶塌陷，以吕田镇安山村旱田岩溶塌陷（TX29）最为典型。旱田塌陷为复活塌陷，其下伏基岩岩性为长垑组（D3C1cl）灰岩，溶蚀强烈，岩溶发育，单孔线岩溶率55.69%（LTGC02）；土层结构以岩性为回填土的单层结构为主，厚度较薄，小于10 m；塌陷区处于山前地下水补给区，且在水口断裂影响带上，是地下水强径流带，易发生潜蚀效应形成土洞且不断扩大（图8a）。当发生强降水时，地表水入渗补给地下水，对土颗粒施加垂向渗透压力（图8b）；塌陷坑内土体主要是土体力学性质较差的砂石回填土，由于雨势大且作用时间较长，地下水水位骤升，当垂直渗透压力大到超过阈值时，叠加潜蚀效应，土洞上覆土层结构破坏，导致岩溶塌陷（图8c）。

图8 潜蚀和垂直渗压效应叠加致塌地质模式图（吕田镇安山村）Fig.8 Geological models of karst collapse caused by superposition of subsurface erosion and vertical seepage pressure effect （ Anshan Village， Lütian Town ）

4 岩溶塌陷防治措施

根据研究区地质环境条件和岩溶塌陷特征及形成机理，结合发展规划，把防治工作重心放在岩溶塌陷高易发的人口密集区、重要工程项目建设区，防治分为上层决策方面和工程技术方面。

4.1 上层决策方面防治措施

以保护、改善生态环境条件为前提，乡镇功能区划布局要根据岩溶塌陷地质环境条件及城镇功能、产业分区要求合理布局。研究区的生态旅游、生态农业示范基地、物流园区等在规划建设过程中，需要建立各相关职能部门协调联动机制，在规划、审批、设计、施工各环节充分发挥其监督管理作用，对地质灾害的预防在不同阶段得以体现。健全岩溶塌陷专业监测和群测群防结合的监测预警与应急反馈机制，联网搭建监测预警应急反应系统。重视岩溶塌陷地质灾害防治知识的宣传与普及，提高群众对岩溶塌陷的认识，形成全社会广泛参与的联动体系。

4.2 工程技术方面防治措施

在查明岩溶塌陷的规模、分布特征以及塌陷的诱发因素及机理的基础上，对岩溶塌陷地质灾害开展工程措施防治，并遵循“以防为主，治理为辅”原则。

在鳌头镇大氹村湴汾-大龙里、良口镇石岭高龙围-楼山下和吕田镇安山村-草埔村南部山前地带等存在岩溶塌陷地质灾害隐患的地区加强专业监测，利用光纤传感技术（蒋小珍等，2006）、水气压力（李瑜等，2005；蒋小珍和雷明堂，2018）、地球物理勘探（刘伟等，2019；刘道涵等，2022；梁东辉等，2023）等技术方法监测，并指派专人定期进行巡视，强降水期间加密巡视频率；合理规范人类工程活动作用的形式与强度，严控抽排地下水，做好地表水排放，防止地表水下渗潜蚀土体，做好各类工程施工排水工作，防止排水诱发岩溶塌陷，做好工程震动监测、评估工作，防止工程施工或动力基础与机械振动等诱发地面塌陷；利用新技术新方法（Chen et al.，2020；蒙彦等，2020；邹连庆等，2023）加强岩溶塌陷预警预测方法研究，提升预警能力。

对于深度较浅的小型塌陷坑、土洞和溶洞，工程处理措施以简易回填为主，回填时采用碎石或石块先大块后小块填堵夯实，防止塌陷复活（徐文，1991）；对于规模中等的塌陷坑、土洞、溶洞，可采用地面回填、夯实、灌浆封堵或跨越法等综合治理（钱建平，2007；邓启江等，2009；杨朋，2023）；对于深度较深、范围较大、危害较大的大规模塌陷、土洞、溶洞，则需采用回填封堵、压力灌浆、强夯、旋喷、锚杆、钢管桩穿越及地表水疏、排、围、改等方法综合治理（杜宇本等，2021；吴远斌等，2021；汤振，2022）。

5 结论

（1）研究区累计已发生岩溶塌陷地质灾害35处，受地貌、地层岩性及构造、人类工程活动等影响，空间分布上具有集中性和反复性特征；按年际和月际尺度看，时间分布上具有持续性和周期性特点。岩溶塌陷均为碳酸盐岩型的小型土层塌陷，其形态一般呈单坑形式，平面上以圆形为主；剖面上圆柱状为主，部分伴生有地面裂缝。

（2）岩溶塌陷以人为因素诱发为主，自然因素诱发为次；人为诱发因素中又以抽排地下水和平巷突水因素诱发的塌陷为主，其次为人为振动因素诱发的塌陷。近年来，自然因素已成为主要的岩溶塌陷诱发因素。岩溶塌陷危害主要为建筑损坏和农田破坏，潜在威胁当地群众的农业生产、生命财产安全。

（3）广州北部丘陵山区主要有四种岩溶塌陷地质模式：潜蚀效应致塌模式，潜蚀、失托增荷和吸蚀效应叠加致塌模式，潜蚀和振动效应叠加致塌模式和潜蚀和垂直渗压效应叠加致塌模式。

（4）从上层决策和工程技术角度提出了岩溶塌陷防治措施，为打造广州北部生态农业区、建设美丽宜居岭南乡村和乡村振兴示范区提供地质科学依据。

［注 释］

① 广东省地质调查院.2019.珠江-西江经济带梧州-肇庆先行试验区1∶5万环境地质调查报告（良口圩幅、吕田圩幅）［R］.

② 广东省地质调查院.2017.广州市从化区鳌头地区岩溶地面塌陷防控研究［R］.

③ 广东省地质调查院.2018.珠江-西江经济带梧州-肇庆先行试验区1∶5万环境地质调查成果报告（鳌头圩幅）［R］.

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