黎志豪，許光泉，高加林,張海濤，楊婷婷

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

0 引言

舜耕山位于華北板塊和華南板塊的交匯處，它是逆沖推覆構(gòu)造下產(chǎn)物，其碳酸鹽形成過程中所經(jīng)歷的先期沉積作用[1-3]、后期的構(gòu)造地質(zhì)作用[4-6]以及形成過程中的水文地質(zhì)作用[7-9]等，與華北板塊內(nèi)部相比，存在一定的區(qū)別。以往的巖溶形成機制及發(fā)育規(guī)律研究多集中在華北板塊內(nèi)部和西南巖溶塌陷地區(qū)[10-12]，板塊接觸碰撞邊緣地帶研究相對較少。

隨著安徽淮南礦區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，南部礦區(qū)隱伏煤層的持續(xù)開采，形成巖溶礦坑突水，導致了舜耕山露頭區(qū)和北側(cè)的大面積淺覆蓋巖溶區(qū)巖溶塌陷時常發(fā)生，給當?shù)鼐用竦纳钜约暗V山生產(chǎn)帶來安全隱患[13]，如何弄清區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育特征及其影響因素，以及形成機制，從而有效地預防災(zāi)害發(fā)生，成為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作重點，需亟待解決。

1 研究背景

1.1 地層與構(gòu)造

舜耕山位于合肥盆地北部邊緣，自三疊中統(tǒng)以來經(jīng)歷了印支運動、燕山、喜馬拉雅及新構(gòu)造等多期構(gòu)造地質(zhì)運動，使得不同時代的老地層向北覆于原地地層之上，不僅產(chǎn)生了近EW向的推覆體構(gòu)造帶，也產(chǎn)生了NNE和SN向的斷裂構(gòu)造。自東向西，從九龍崗—大通—洞山一帶，寒武系和奧陶系地層出露較好，由南向北，發(fā)育裸露的寒武系、奧陶系地層，以及被第四系松散層所覆蓋的石炭系和二疊系和三疊系地層，巖層走向近東西，傾向向南倒轉(zhuǎn)。受構(gòu)造擠壓力不均影響，從九龍崗至洞山，地層傾角由直立狀，逐漸變緩為60°，從洞山至泉山湖一帶，地層傾角變?yōu)?0°。除了寒武系、奧陶系地層發(fā)育外，隱伏的石炭和二疊系夾片地層變??；在泉山湖至羅山一帶，出露太古界、地青白口系、震旦系和三疊系等地層。從巖性和構(gòu)造角度，可將舜耕山東西劃分為兩個不同塊段，即九龍崗-泉山塊段和羅山塊段，塊段之間以斷層進行接觸；從南向北，由阜李正斷層、舜耕山逆斷層組形成的兩個推覆塊段，其中舜耕山斷層組形成的C-P夾片由九龍崗至羅山，逐漸變薄，最終在羅山一帶收斂。另外，受推覆構(gòu)造和塊段之間的平移錯動的共同影響，寒武系和奧陶系地層各組在泉山水庫附近的廟山不同程度變薄(圖1)。

圖1 舜耕山地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Comprehensive geological map of Shungeng Mountain

1.2 水文地質(zhì)特征

地下水賦存狀態(tài)不僅受巖層和巖性控制，同時更受構(gòu)造地質(zhì)條件制約。依此，將本區(qū)地下水劃分為四大類型：第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類砂巖裂隙水、碳酸巖類裂隙巖溶水、其他巖類孔隙-裂隙水(圖2)。其中寒武-奧陶系地層在舜耕山一帶分布廣泛，寒武系以灰?guī)r為主，主要出露在舜耕山脊以南，厚度在700～1 200 m，露頭區(qū)裂隙、溶隙發(fā)育，接受大氣降水垂向入滲補給，其富水性強，在寒武系的饅頭組和毛莊組泥巖段受到了阻隔作用后，往往在此形成間歇泉。奧陶系出露在舜耕山的北坡，厚度200～500 m，主要以白云巖和灰質(zhì)白云巖為主，其次為灰?guī)r，野外調(diào)查和鉆探揭露表明，其溶蝕程度強烈，受巖性、構(gòu)造及水流侵蝕作用共同影響，溶洞面高低不平。在寒武系地層中，沿碳酸鹽地層走向上，在灰?guī)r與泥巖的層間裂隙上，因泥巖層的阻隔作用，有明顯條帶狀分布潛蝕溶洞。

本區(qū)巖溶地下水補給源主要來自大氣降水和地表水入滲。在巖溶裸露區(qū)，主要通過溶溝、溶槽以及溶洞等通道，垂直入滲到下部巖溶含水層，并發(fā)生側(cè)向流動；在巖溶覆蓋區(qū)，大氣降水通過第四系松散層垂向下補給巖溶水。地下水排泄受地形控制，由地形高處向低處徑流，最后在地層低洼處以泉或散流形式排泄，或在斷裂破碎帶處出現(xiàn)泉。

圖2 舜耕山地區(qū)地下水類型分類圖Fig.2 Classifications and distribution of groundwater in Shungeng Mountain

1.3 碳酸鹽巖分布狀況

碳酸鹽巖在區(qū)內(nèi)分布較廣，依據(jù)地層露頭和埋藏條件的不同，將其分為埋藏型巖溶、覆蓋型巖溶、裸露型巖溶以及非巖溶這四大類[14](圖3)。其中埋藏型巖溶區(qū)為碳酸巖頂部有厚度超過5 m的非均一性的土體覆蓋，分布在舜耕山兩翼山前區(qū)域；覆蓋型巖溶主要為第四系的坡積物和植被所覆蓋，厚度一般在1～5 m，在舜耕山北麓分布；裸露型巖溶指碳酸鹽巖出露于地表或其局部覆土厚度小于1 m的區(qū)域，其范圍基本包含整個舜耕山山脈；非巖溶主要為二疊系和三疊系的紫紅色砂巖，為裂隙發(fā)育區(qū)。分布情況如圖3所示。

圖3 舜耕山地區(qū)巖溶類型分區(qū)圖Fig.3 Partition map of different karst types in Shunggeng Mountain

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 露頭區(qū)巖溶特征

巖溶角礫的出現(xiàn)是本區(qū)古巖溶最直觀的標志之一，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)巖溶角礫按其成因，可分為原始沉積和后期構(gòu)造作用形成。其中，前者鑲嵌結(jié)構(gòu)巖溶角礫，可細分為角礫支撐的巖溶角礫、角礫支撐基質(zhì)填隙的巖溶角礫二種類型，多發(fā)育在馬家溝組地層中，其表現(xiàn)為沿巖溶縫隙原地溶蝕和垮塌的角礫(圖4(a)、(b)、(d))。而后期構(gòu)造形成的巖溶裂隙帶內(nèi)，往往形成方解石脈體充填復成分巖溶角礫巖(圖4(c))，多發(fā)育在張夏組近南北向的張裂隙中，角礫大小在3～80 cm不等，其形成大多是裂隙充填物垮塌形成角礫雜亂堆積，微觀結(jié)構(gòu)見圖4(e)，4(f)。

圖4 巖溶角礫宏觀和微觀照片F(xiàn)ig.4 Macroscopic and microscopic photographs of karst breccia

通過野外調(diào)查顯示，露頭區(qū)巖溶發(fā)育且形態(tài)各異，其中溶溝、溶逢形態(tài)的巖溶主要沿可溶性裂隙面發(fā)育，經(jīng)過溶蝕和沖蝕作用，以溝狀、漏斗狀以及其他形態(tài)與地層垂直和斜交，向深部變緩；溶洞大都充填第四系松散沉積厚層黏土，巖溶塌陷(溶洞)發(fā)育的位置多發(fā)生在二組或三組以上不同類型巖溶裂隙交匯處，或發(fā)生在可溶巖與非可溶巖接觸面上；巖溶發(fā)育層位主要集中在饅頭組、毛莊組、張夏組、崮山組以及馬家溝組等地層中(圖5、表1)。

2.2 隱伏區(qū)巖溶特征

舜耕山隱伏區(qū)巖溶多發(fā)育在馬家溝組地層中(圖6)，在九龍崗、大通礦井鉆孔資料中均有揭露(表2)，在奧灰段，地面有7個孔實際揭露溶洞總高度46.3 m，遇溶洞33個，其中揭露最大高度在九龍崗沈家崗為8.32 m，在大通老龍窩問為4.51 m。溶洞率為1.4%～20.9%。奧灰?guī)r溶發(fā)育沿走向主要分布在九大井田兩端，在垂向上由淺入深巖溶發(fā)育有相對減弱的趨勢。

圖5 舜耕山地區(qū)巖溶發(fā)育層位Fig.5 Karst development horizon in Shungeng Mountain

發(fā)育層位巖性組成巖溶發(fā)育情況饅頭組下段為頁巖,中段以豹皮灰?guī)r、含白云質(zhì)灰?guī)r為主,上段為頁巖與中薄層灰?guī)r互層發(fā)育小型或中型溶洞,沿非可溶巖界面發(fā)育,圖5(a)毛莊組白云質(zhì)灰?guī)r夾粉砂質(zhì)頁巖溶蝕作用使得巖體整體巖溶化,發(fā)育多而較為密集的小型溶洞,圖5(b)、(c)張夏組厚層狀灰?guī)r,鮞狀灰質(zhì)為主沿層面裂隙以及構(gòu)造破碎帶發(fā)育較大規(guī)模的溶洞和巖溶通道,圖5(d)、(e)、(j)崮山組下段巖性為灰、黃灰色中厚層鮞狀含白云質(zhì)灰?guī)r,上段為含硅質(zhì)灰質(zhì)白云巖與頁狀泥質(zhì)白云巖互層溶洞發(fā)育規(guī)模較大,沿非可溶巖界面發(fā)育,圖5(f)馬家溝組下段為褐灰色豹皮狀灰質(zhì)白云巖,上段為灰、灰褐色厚層白云巖、灰質(zhì)白云巖以溶溝、溶縫的形態(tài)發(fā)育,溶縫大都被方解石充填,巖溶角礫發(fā)育,圖5(g)、(h)、(i)

隱伏區(qū)的巖溶塌陷特征主要表現(xiàn)為兩種情況，一種是與地層走向近垂直與斜交的巖溶塌陷坑，這是由于奧灰淺部巖溶極為發(fā)育，再加上排洪溝，造成巖溶塌陷頻繁發(fā)生。第二種情況是與地層走向平行的潛蝕帶，均分布在奧灰地層上方，并具有區(qū)段性，它的形成是由于頂板巖石傾倒，在露頭產(chǎn)生巖石倒坎形狀的張裂縫，再加上礦山排水，致使地下水的坡度和速度增大，將洞穴中細顆粒的沉積物帶走，地面便下沉，以潛蝕帶的形式顯現(xiàn)。

3 巖溶發(fā)育模式及形成機理

3.1 巖溶發(fā)育模式

通過對比分析舜耕山地區(qū)巖溶塌陷區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及埋藏特點，根據(jù)巖溶塌陷所受的構(gòu)造運動以及地下水運動的影響，建立了四種巖溶塌陷模式(圖7)。

圖6 九龍崗-大通井田隱伏巖溶區(qū)調(diào)查Fig.6 Survey of concealed karst area in Jiulong and Datong Mine Fields

井田位置孔號鉆孔傾角/(°)終孔深度/m溶洞層位揭露灰?guī)r厚度/m遇溶洞高度/m溶洞率/%溶洞個數(shù)最高溶洞大通西Ⅶ線56-大水-0290104.43奧灰93.0919.4220.9124.51西Ⅶ線53-大-0260245.58太灰0.3老壩溝54-大水08287.1奧灰234.613.791.632.04老壩溝53-007137.56奧灰大于10個1.36九龍崗西Ⅵ線56-九-0670227.21奧灰74.571.371.811.37西Ⅲ線56-建-0863139.37奧灰77.4722.612重華村西56-九-0990150.36奧灰143.631.991.431.53西半線56-建-1270162.52奧灰35.312.737.631.88沈家崗56-九沈水-0390150.01奧灰125.041512108.32

圖7 不同埋藏條件下巖溶塌陷發(fā)育模式Fig.7 Development model of karst collapse under different burial conditions

(1)構(gòu)造裂隙引起的重力致塌：該模式地質(zhì)基礎(chǔ)主要由較為純凈的灰?guī)r組成的一元結(jié)構(gòu)，主要分布在舜耕山脈寒武系張夏組地層中，其巖性受構(gòu)造運動的影響，巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育并呈一定的方向性。

(2)巖性組合引起的潛蝕致塌：該模式是碳酸鹽巖地層中發(fā)育一層或多層非可溶巖地層的二元組合結(jié)構(gòu)，指示可溶巖與非可溶巖貼合處發(fā)生的塌陷，多發(fā)育在舜耕山寒武系饅頭組以及崮山組地層中。

(3)淺覆蓋型巖溶真空吸蝕致塌：該模式即基底為碳酸鹽巖，上覆為厚度小于5 m的亞黏土或亞砂土地層覆蓋的二元結(jié)構(gòu)，指示巖溶淺覆蓋區(qū)塌陷，其分布范圍主要在舜耕山北坡山前一帶。

(4)深埋藏型巖溶真空吸蝕致塌：該模式即基底為碳酸鹽巖，上覆為厚度大于5 m的多層土層(黏土、砂土、亞黏土、亞砂土)覆蓋的多元結(jié)構(gòu)組成，指示巖溶深埋藏區(qū)塌陷，主要分布在舜耕山以南區(qū)域。

3.2 巖溶形成機制

(1)構(gòu)造裂隙引起的重力致塌，該模式形成的塌陷主要受構(gòu)造控制，經(jīng)過印支至新構(gòu)造運動后，基巖裂隙和孔隙發(fā)育，據(jù)統(tǒng)計主要裂隙發(fā)育可分為三組，其中傾向為NNW以及SSE的兩組裂隙發(fā)育導通地表，隨后大氣降水通過導通地表的裂隙以及傾向為NNE的張裂隙向下入滲，經(jīng)過不斷的沖刷和淘蝕，底部巖體破碎，無法支撐上部荷載，上部巖體失穩(wěn)，發(fā)生重力崩塌，見圖5(j)。

(2)巖性組合引起的潛蝕致塌，該種塌陷模式主要受巖性組合和地形地貌的控制，裸露的碳酸鹽巖直接接受大氣降水的垂向補給，地下水由水頭高向水頭低處流動，并在與非可溶巖接觸面(或阻水斷層附近)排泄，使得非可溶巖與可溶巖接觸面區(qū)域巖溶發(fā)育，同時與巖層斜交或近于垂直的溶縫、溶溝在地下水滲流溶蝕以及巖溶地貌影響在巖溶坡地上不斷發(fā)育，之后非在可溶巖與可溶巖貼合面處的巖溶受地下水的控制開始水平淘蝕，形成潛蝕帶，當暴雨季節(jié)來臨，地下水的坡度和流速增大，帶走潛蝕帶里的細粒充填物，導通地表的溶溝或溶洞就容易發(fā)生塌陷，見圖5(f)。

(3)淺覆蓋型巖溶真空吸蝕致塌，舜耕山地區(qū)巖溶塌陷形成機理以該模式為主。該區(qū)域地層厚度在1～5 m,土層以亞黏土為主，局部地段為亞黏土和亞砂土的多元結(jié)構(gòu)，下伏地層以奧陶系灰?guī)r為主的基巖面。塌陷多發(fā)生在本區(qū)，地下水位在基巖面上下波動，由于上覆地層為亞黏土，具有較好的密封性，使得巖溶水位的變化在巖溶腔體內(nèi)形成負壓，對巖溶洞口頂板的土體產(chǎn)生真空吸蝕的力學性質(zhì)，土層發(fā)生破壞形成早期的土洞[15]，隨著地下水位的波動，降水入滲以及震動影響，使得土洞周圍不斷垮塌以及裂隙不斷向上擴張，支撐力逐漸減小，當土洞頂板受力達到支撐上覆土體的重量的極限時時便會垮塌，在地面形成塌陷坑。

(4)深埋藏型巖溶真空吸蝕致塌，舜耕山脈以北一帶巖溶塌陷形成機理為該種類型。塌陷區(qū)覆土厚度一般大于5 m,下伏地層為奧陶系灰?guī)r，內(nèi)部溶洞發(fā)育，由于埋藏較深一般塌陷不發(fā)育到地表，但由于九龍崗、大通兩個礦區(qū)采煤疏放巖溶水的影響，使得水位迅速下降，適逢雨季時，大氣降水又通過碳酸鹽巖露頭區(qū)以及巖溶通道補給埋藏較深的碳酸鹽巖，水位快速上升，礦山又繼續(xù)加強排水，地下水位如此反復的波動，造成巖溶洞穴頂部上的土洞不斷擴大，土洞邊壁慢慢垮塌并向上延展，當土洞發(fā)展一定程度，導通第四系含水層下滲補給巖溶通道時，上覆地表土體在地下水作用下發(fā)生崩塌，地面塌陷坑形成。

4 結(jié)論

(1)舜耕山地區(qū)巖溶發(fā)育，在露頭區(qū)多發(fā)育在毛莊組、張夏組、崮山組以及馬家溝組地層中，受構(gòu)造斷裂以及地下水流控制，尤其是在組內(nèi)可溶巖與非可溶巖貼合面并且有地下水排泄點附近，巖溶極為發(fā)育。隱伏區(qū)巖溶多發(fā)育在奧陶系地層中，鉆孔揭露的溶洞率最高達20.9%,發(fā)育規(guī)律在水平方向呈條帶性，垂向上分層的特點，溶洞向深部逐漸減少。

(2)舜耕山巖溶塌陷模式按露頭區(qū)和隱伏區(qū)，可分為四種發(fā)育模式，其中露頭區(qū)巖溶發(fā)育的致塌模式有兩種，一種主要受構(gòu)造斷裂控制以重力崩塌形成的塌陷機制，還有一種主要受地層巖性組合控制，在可溶巖與非可溶巖貼合面以潛蝕為主的塌陷機制；隱伏區(qū)巖溶發(fā)育也分為兩類，一類為潛覆蓋巖溶發(fā)育模式，其形成機理為潛蝕與真空吸蝕形結(jié)合的方式致塌，一類為深埋藏型巖溶發(fā)育模式，主要是采礦疏排水致使地下水位波動引發(fā)真空吸蝕致的塌為主。

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