李慧娟，金小剛，涂 婧，魏瑞均，李海濤，楊 濤

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430051；2.北京數(shù)碼視訊科技股份有限公司，北京 100085；3.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；4.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

0 引言

巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害是制約巖溶地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的主要地質(zhì)環(huán)境問題之一。近來年，隨著武漢城市化進(jìn)程的不斷深入發(fā)展，人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的擾動日益增大，巖溶塌陷事件發(fā)生頻率有逐年增高之勢。2010年以來，發(fā)生的巖溶塌陷就多達(dá)10余次，給人民的生命和財產(chǎn)安全造成了損失。巖溶塌陷已經(jīng)成為武漢市城區(qū)危害最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。

武漢市位于我國中部，地處江漢平原東部、長江和漢江交匯處，為長江中游特大城市。武漢市內(nèi)的巖溶地質(zhì)條件十分復(fù)雜。早在2008年，官善友等[1]就已經(jīng)對武漢市的巖溶發(fā)育規(guī)律做過初步分析研究，但是研究范圍小，且并不詳盡。2014年，涂婧等[2]利用GIS技術(shù)，對武漢市巖溶塌陷區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究。本文以“武漢市巖溶塌陷調(diào)查”項目為依托，在收集以往有關(guān)武漢市巖溶發(fā)育規(guī)律研究資料[3-5]和2012～2015年度開展的“武漢市巖溶塌陷調(diào)查”項目[6]的基礎(chǔ)上，對武漢市典型地區(qū)的巖溶發(fā)育特征及影響因素進(jìn)行了分析總結(jié)，系統(tǒng)闡述了武漢市典型地區(qū)的巖溶發(fā)育特征，為武漢市城市規(guī)劃建設(shè)、巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治等提供重要技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)“武漢市巖溶塌陷調(diào)查”項目的實際工作范圍，研究區(qū)共包括漢陽縣幅、武漢市幅、陽邏鎮(zhèn)幅、金口鎮(zhèn)幅、武昌縣幅及豹子澥幅等6個1∶5萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅，覆蓋了武漢市主城區(qū)以及大部分近郊地區(qū)(圖1)。

研究區(qū)位于我國東南季風(fēng)氣候區(qū)，屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡地帶，多年平均氣溫為16.5 ℃，多年平均降水量1 233.3 mm。區(qū)內(nèi)地表水體分布面積廣，主要地表水體為長江、漢江以及東湖、湯遜湖等。研究區(qū)位于江漢平原與鄂東丘陵山地的交接地帶，地形特征帶有明顯的過渡性質(zhì)，總體地勢為西南、南部、中部高，西北、北部及東部低，地貌以波狀起伏壟崗地形為主，丘陵呈近東西向條帶狀殘丘展布，屬丘陵、平原地形。

武漢市居于長江經(jīng)濟帶的中部核心位置，也是聯(lián)絡(luò)“一帶一路”和長江經(jīng)濟帶的重要樞紐城市。因此，掌握武漢市巖溶發(fā)育特征及規(guī)律，做好必要的地質(zhì)基礎(chǔ)支撐，對整個國家戰(zhàn)略規(guī)劃的意義是十分重大的。

2 可溶巖分布及埋藏特征

研究區(qū)內(nèi)可溶巖地層主要包括三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組(T1-2j)和下統(tǒng)大冶組(T1d)、二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)、石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h)—大埔組(C2d)，其中大冶組灰?guī)r、棲霞組灰?guī)r、黃龍組—大埔組白云質(zhì)灰?guī)r有零星出露，嘉陵江組未見露頭，大部分隱伏于第四系松散層之下。本文所述巖溶特征及規(guī)律，主要針對隱伏可溶巖。

研究區(qū)內(nèi)隱伏可溶巖總體呈NWW—SEE向條帶狀分布，局部受構(gòu)造影響巖溶條帶發(fā)生折曲或間斷，條帶寬度約0.8～4.1 km。自北向南可大致分為5條各自相對獨立的隱伏可溶巖條帶(圖2)，分別為：①天興洲可溶巖條帶；②大橋可溶巖條帶；③白沙洲可溶巖條帶；④沌口可溶巖條帶；⑤軍山可溶巖條帶。各可溶巖條帶的分布面積見表1，其中，第④可溶巖條帶-沌口條帶的分布面積最大，占總可溶巖面積的64.7%。

根據(jù)上覆蓋層的不同，隱伏巖溶可分為覆蓋型和埋藏型兩種類型。區(qū)內(nèi)覆蓋型巖溶區(qū)分布較廣(圖2、表1)，覆蓋型可溶巖面積約492.55 km2，占總可溶巖面積的64.47%，該區(qū)域也是巖溶塌陷經(jīng)常發(fā)生的區(qū)域。

表1 研究區(qū)可溶巖分布面積一覽表(單位：km2)

3 巖溶層組類型

根據(jù)巖礦樣品測試結(jié)果(主要包括常規(guī)薄片鑒定及常量元素測試)及收集資料統(tǒng)計分析，研究區(qū)內(nèi)除砂屑灰?guī)r、石灰?guī)r角礫巖、粉屑灰?guī)r、含生物石灰?guī)r外，碳酸鹽巖整體純度較高。根據(jù)碳酸鹽巖層厚度的比例，可將巖溶沉積組合類型大致分為4類：連續(xù)式(厚度比例>90%)、間層式(厚度比例60%～90%)、互層式(厚度比例40%～60%)、夾層式(<40%)。武漢市巖溶層組類型劃分見表2。

4 巖溶水發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)5個巖溶條帶之間被志留系墳頭組粉砂質(zhì)泥巖阻隔，為獨立的地下巖溶水系統(tǒng)。碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖溶蝕裂隙及溶洞中，巖溶發(fā)育不均衡，靠近斷裂帶處較發(fā)育，一般不受大氣降雨及地表水影響(武昌區(qū)體育局等個別地段除外)，裂隙巖溶水水位不隨長江水位上升和下降而上下波動，與長江等地表水沒有直接互補關(guān)系。在長江、漢江一級階地的局部地區(qū)，全新統(tǒng)孔隙承壓水含水巖組，直接覆蓋于碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水巖組之上，裂隙巖溶水與全新統(tǒng)孔隙承壓水呈互補關(guān)系。大部分地區(qū)二者之間存在較薄的含碎石黏土相對隔水層，致使巖溶水與全新統(tǒng)孔隙承壓水水力聯(lián)系變?nèi)?。在埋藏型巖溶區(qū)，碳酸鹽巖裂隙巖溶水與上覆碎屑巖類裂隙水相通，可接受碎屑巖類裂隙水補給，二者有互補關(guān)系。

圖1 武漢市交通位置圖Fig.1 Location map of Wuhan City

圖2 研究區(qū)巖溶分布及類型分區(qū)圖Fig.2 Map of karst distribution and type zonation

巖溶層組類型地層代號巖性特征連續(xù)式碳酸鹽巖組合純灰?guī)r巖組C2h巖性以灰?guī)r、生物屑灰?guī)r,生物屑以藍(lán)藻類和棘皮類為主,為開闊臺地相碳酸鹽巖沉積,底部整合于大埔組。P2q巖性主要為生物屑灰?guī)r、瘤狀碳質(zhì)灰?guī)r和燧石結(jié)核灰?guī)r,間夾炭質(zhì)頁巖、燧石條帶等。生物碎屑主要為腕足類、棘皮類及介形蟲、藍(lán)藻類,生物屑含量由下而上減少。間層式碳酸鹽巖夾碎屑巖組合灰?guī)r夾泥巖、頁巖巖組T1d中上部為砂屑灰?guī)r、顆?；?guī)r、鮞粒灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾有薄層灰泥巖,底部為黃綠色頁巖夾灰泥巖,為一套濱海相碳酸鹽巖沉積。白云巖夾白云巖角礫巖巖組C2d巖性主要為泥晶白云巖、生物屑微晶白云巖及白云巖角礫巖,白云巖角礫巖多位于底部。白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾巖溶角礫巖、灰泥巖巖組T1-2j下部和上部為狀白云巖夾“巖溶角礫巖”。中部為灰泥巖夾白云質(zhì)灰?guī)r,為局限臺地相-開闊臺地相-局限臺地相沉積,底部整合于大冶組。

5 巖溶發(fā)育特征

5.1 巖溶發(fā)育形態(tài)及規(guī)模

圖3 紙坊鎮(zhèn)白云洞溶蝕圖Fig.3 Karst in Baiyun Cave，Zhifang Town

圖4 豹子澥鎮(zhèn)龍泉山灰?guī)r裂隙Fig.4 Limestone fracture in Longquan Mountain，Baizixie Town

研究區(qū)巖溶發(fā)育空間分布不均，各種巖溶現(xiàn)象表現(xiàn)甚為明顯和普遍?？傮w上，研究區(qū)巖溶發(fā)育主要以地下為主，地表巖溶現(xiàn)象極少，僅在白云洞、龍泉山等地有灰?guī)r零星的出露(圖3、圖4)。主要有二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)灰?guī)r及石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h)白云質(zhì)灰?guī)r，發(fā)育溶洞、溶溝、溶槽及天窗、巖溶洼地等巖溶現(xiàn)象。僅在武昌縣幅牌樓舒村和蔣家山兩處看到出露的三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r(T1d)，為人工采石后遺留邊坡，巖溶現(xiàn)象有溶孔、溶隙、溶坑等，未見大型溶洞、溶蝕裂隙。

從研究區(qū)內(nèi)可溶巖地層中鉆孔所揭露的巖溶特征來看，巖溶形態(tài)主要為溶洞、溶蝕裂隙、溶槽、及小溶孔等，多沿地層不整合面、巖石層面、裂隙面及破碎帶發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)共收集有鉆孔2 169個，對其中有效的碳酸鹽巖鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計分析，全區(qū)遇洞率達(dá)37.67%，平均線巖溶率為7.3%。

溶洞洞高一般為0.1～6 m，多數(shù)在4 m以內(nèi)(91%)，僅少數(shù)溶洞洞高大于10 m(1.67%)。溶洞大多呈全充填(65.15%)或半充填狀態(tài)(16.18%)，充填物一般為黏性土、黏土夾碎塊及砂，個別少數(shù)溶洞充填物為灰?guī)r碎塊或方解石礦物晶體顆粒，小部分溶洞無充填(18.67%)。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究區(qū)巖溶總體中等發(fā)育，巖溶形態(tài)以小規(guī)模溶洞為主，較大規(guī)模的溶洞較少，溶洞充填物主要來源于上覆第四系地層。

5.2 不同巖溶條帶巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)分布有五條巖溶條帶(圖2)，各條帶之間以志留系墳頭組碎屑巖為核部的背斜相分隔，使得各條帶為相對獨立的巖溶發(fā)育系統(tǒng)。不同巖溶條帶的發(fā)育特征見表3。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，遇洞率、線巖溶率由大到小的排列順序分別為白沙洲條帶>軍山條帶>沌口條帶>天興洲條帶>大橋條帶，軍山條帶>白沙洲條帶>沌口條帶>大橋條帶>天興洲條帶。軍山條帶、白沙洲條帶巖溶最為發(fā)育；其次為沌口條帶、大橋條帶；天興洲條帶巖溶發(fā)育最弱。最高溶洞出現(xiàn)在沌口條帶，高度達(dá)11.9 m。

表3 各巖溶條帶線巖溶率和鉆孔遇洞率統(tǒng)計表

5.3 不同構(gòu)造條件下巖溶發(fā)育特征

圖5為研究區(qū)構(gòu)造綱要圖。不同構(gòu)造條件主要指褶皺、斷裂或斷層等。

圖5 研究區(qū)基巖構(gòu)造綱要圖Fig.5 Outline map of bedrock structure1—向斜；2—背斜；3—隱伏向斜；4—隱伏背斜；5—正斷層及斷面產(chǎn)狀；6—逆斷層及斷面產(chǎn)狀；7—性質(zhì)不明斷層；8—隱伏斷層；9—露頭斷層編號；10—隱伏斷層編號；11—褶皺編號；12—基巖：元古代變質(zhì)基底；13—基巖：志留紀(jì)-三疊紀(jì)積蓋層；14—基巖：三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)陸相凹陷盆地；15—基巖：白堊紀(jì)-新近紀(jì)陸相斷陷凹陷盆地；16—角度不整合界線。

(1)褶皺：褶皺與裂隙發(fā)育密切相關(guān)，向斜核部彎曲程度、軸面產(chǎn)狀和褶皺傾伏角不同是確定裂隙發(fā)育程度的主要依據(jù)之一。沌口向斜南側(cè)翼間角大于30°，為中常褶皺，北側(cè)翼間角大多小于30°屬緊閉褶皺。天興洲向斜和大橋向斜在研究區(qū)內(nèi)樞紐傾伏角近于水平，為水平褶皺。大軍山向斜樞紐波狀起伏，褶皺寬度及核部地層均有所變化，為開闊褶皺，西段局部倒轉(zhuǎn)，軸面南傾，傾角陡。新隆—豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜東西分別于北港咀和湯家山揚起，向斜樞紐傾伏角急劇變化，在向斜核部產(chǎn)生次生壓力而形成南北向的壓性斷裂。疊加于區(qū)域南北擠壓所形成的近東西向壓性斷裂之上，向斜核部形成網(wǎng)格狀裂隙系統(tǒng)。因此，新隆豹子澥復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜中的節(jié)理裂隙最為發(fā)育。裂隙發(fā)育程度不一致決定滲透性大小有明顯差別，從而影響地下水和地表水的運移，進(jìn)而影響巖溶發(fā)育程度。

另外，褶皺構(gòu)造中的向斜或背斜核部或轉(zhuǎn)折端巖溶發(fā)育。如白沙洲向斜，據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，核部地層內(nèi)鉆孔平均線巖溶率為10.87%，遇洞率為48.2%，翼部地層內(nèi)鉆孔平均線巖溶率為8.74%，遇洞率為47.9%。該地段巖石一般較破碎，有利于大氣降水和地表水的滲入和徑流，形成強徑流帶，有利于巖溶發(fā)育。

(2)斷裂或斷層：斷裂或斷層帶附近，鉆孔巖溶率及線巖溶率均高于其他地區(qū)。如F11曾家大山斷裂，對其周邊鉆孔按距離斷裂200 m內(nèi)、200～1 000 m和1 000 m外三段進(jìn)行統(tǒng)計，平均線巖溶率、遇洞率由大到小排列順序分別為21.47%(200 m內(nèi))>13.08%(200～1 000 m)>3.0%(1 000 m外)、87.5%(200 m內(nèi))>75%(200～1 000 m)>0(1 000 m外)。

從斷裂角度分析，其影響帶內(nèi)巖體破碎，裂隙連通性好，利于溶蝕、侵蝕作用發(fā)展，巖溶發(fā)育程度較強。陸家街-青菱鄉(xiāng)地區(qū)為北北東向的金口斷裂和蔣家墩斷裂與近東西帶斷裂交匯地段，斷裂就成為地下水徑流的主要通道，形成地下水強徑流帶，增強了地下水對巖土體的溶蝕和潛蝕作用，使得巖溶發(fā)育程度增高。該地段多數(shù)鉆孔中存在與斷裂破碎帶或裂隙密集帶相關(guān)的溶蝕現(xiàn)象，深部發(fā)育大面積斷裂破碎帶、縱橫交錯的方解石脈、以北西西向張裂隙為主控制的巖溶孔洞，在白沙洲條帶中的巖溶發(fā)育最強，巖溶塌陷事件也最為集中。

5.4 不同地層巖溶發(fā)育特征

根據(jù)統(tǒng)計分析，不同巖溶地層的巖溶發(fā)育特征見表4。

表4 不同巖溶地層巖溶發(fā)育特征一覽表

碳酸鹽巖巖性越純、連續(xù)分布厚度越大，對巖溶發(fā)育越有利，而不溶巖夾層往往對巖溶發(fā)育起阻斷作用。研究區(qū)在C2h、C2d和P2q地層中，碳酸鹽巖整體純度較高，方解石和白云石含量超過95%；在P2q地層中，局部夾砂、燧石條帶和頁巖等不可溶巖；在T1d和T1-2j地層中，有頁巖、灰泥巖、泥質(zhì)條帶等不可溶巖夾層。

根據(jù)地層巖性統(tǒng)計，線巖溶率、鉆孔遇洞率由大到小依次為P2q>T1d>C2h+d>T1-2j，C2h+d>T1d>P2q>T1-2j，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的巖溶塌陷大多數(shù)分布在三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r中。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)統(tǒng)計綜合分析，研究區(qū)可溶巖地層的巖溶發(fā)育強度依次為P2q>T1d>C2h+d>T1-2j。

5.5 不同埋深巖溶發(fā)育特征

圖6 碳酸鹽巖線巖溶率隨埋深的變化Fig.6 Variety of linear karst rate of carbonate rock with the depth below rock face

選取區(qū)內(nèi)典型地段的鉆孔線巖溶率與基巖面下的埋深進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖6)，區(qū)內(nèi)淺層溶蝕發(fā)育，該區(qū)域地下水的交換比較頻繁，可溶巖容易受到地下水的溶蝕作用。2013年，羅小杰[7]在對大橋條帶和白沙洲條帶碳酸鹽巖線巖溶率與埋深的關(guān)系研究中，也得出類似結(jié)論。在0～5 m范圍內(nèi)巖溶強發(fā)育，平均線巖溶率達(dá)12.46%。隨著深度繼續(xù)加大，線巖溶率逐漸減小，在5～20 m范圍內(nèi)巖溶中等發(fā)育，平均線巖溶率8.05%～5.40%。據(jù)區(qū)域面上統(tǒng)計結(jié)果，在基巖面以下20 m處開始巖溶弱發(fā)育。

5.6 不同地貌區(qū)巖溶發(fā)育特征

針對不同地貌區(qū)，巖溶發(fā)育強烈的地方主要在長江一級階地和山前局部地區(qū)。

(1)長江一級階地：據(jù)區(qū)內(nèi)有效利用的碳酸鹽巖鉆孔資料統(tǒng)計，位于長江一級階地的鉆孔遇洞率為40.0%，線巖溶率為9.23%，位于二級、三級階地的鉆孔遇洞率為36.4%，線巖溶率為6.58%。一級階地上部含水巖組主要為第四系松散巖類孔隙承壓水，透水性好，與裂隙巖溶水水力聯(lián)系密切，有利于巖溶發(fā)育。另外，在臨江地段，由于長江深縱切穿了上部第四系含水層頂板，地下水與長江水水力聯(lián)系強，地下水位波動幅度大，巖溶發(fā)育強烈。

(2)山前補給區(qū)：在金雞山、二龍山、長嶺山等山前補給區(qū)巖溶發(fā)育相對強烈。該地區(qū)基巖裂隙與巖溶的連通性較好，第四系覆蓋層較薄，裂隙巖溶水接受大氣降水和碎屑巖類裂隙水補給，地下水交替循環(huán)強烈，巖溶發(fā)育也強烈。

5.7 可溶巖與非可溶巖接觸帶巖溶發(fā)育特征

圖7 ZK1鉆孔柱狀圖Fig.7 Histogram of borehole ZK1

在可溶巖與非可溶巖的不整合接觸帶，巖溶發(fā)育，溶洞、溶槽等溶蝕現(xiàn)象較多。如圖7和圖8分別顯示的是揭露了紅層與可溶巖接觸帶發(fā)育的溶洞和第四系與可溶巖接觸帶發(fā)育的溶洞。在可溶巖與非可溶巖的接觸帶，層理發(fā)育，非可溶巖作為隔水底板為地下水提供滯留場所和徑流通道，為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了有利條件。

圖8 ZK8鉆孔柱狀圖Fig.8 Histogram of borehole ZK8

6 結(jié)論

本文在闡述了武漢市可溶巖的分布及埋藏、巖溶層組類型等基礎(chǔ)條件后，從武漢市巖溶發(fā)育形態(tài)及規(guī)模、不同巖溶條帶、不同構(gòu)造條件、不同地層、不同深度、不同地貌及可溶巖與非可溶巖接觸帶等7個方面，系統(tǒng)分析和總結(jié)了武漢市巖溶發(fā)育的基本特征，主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)可溶巖空間分布不均勻，以隱伏型巖溶為主，覆蓋型巖溶區(qū)分布較廣。巖溶總體中等發(fā)育，巖溶形態(tài)以小規(guī)模溶洞為主，大規(guī)模的溶洞較少，溶洞多呈全充填或半充填狀態(tài)。

(2)研究區(qū)內(nèi)隱伏可溶巖在水平方向上總體呈NWW—SEE向條帶狀分布，軍山條帶、白沙洲條帶巖溶最為發(fā)育，其次為沌口條帶、大橋條帶，天興洲條帶巖溶發(fā)育最弱；在垂直方向上，淺層溶蝕發(fā)育。

(3)研究區(qū)內(nèi)各地層的巖溶發(fā)育強度依次為P2q>T1d>C2h+d>T1-2j。

(4)在褶皺核部或轉(zhuǎn)折端、斷層帶附近、斷裂交匯地帶、長江一級階地、山前補給局部地區(qū)等地下水交替循環(huán)強烈地帶和可溶巖與非可溶巖接觸帶，巖溶發(fā)育相對強烈。

巖溶塌陷是巖溶地區(qū)面臨的主要地質(zhì)環(huán)境問題之一，而做好巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治對于地方政府城市規(guī)劃、社會經(jīng)濟發(fā)展等具有十分重要的保障作用。本文分析總結(jié)的武漢市巖溶發(fā)育特征可為制定科學(xué)合理的武漢市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃和措施提供基礎(chǔ)地質(zhì)技術(shù)支撐。