蔣金柱，蔣艷嬌

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 安徽合肥 230001）

0 引言

淮南煤炭礦區(qū)地處安徽省北部淮河中游地區(qū)，礦區(qū)面積約2800km2，礦區(qū)共分布各類煤礦80 多家，是我國主要煤炭能源基地之一。采礦至今，淮南煤田八公山礦區(qū)發(fā)生過不同程度的塌陷（圖1），塌陷破壞了城市建筑、管線和農(nóng)田，威脅鐵路、公路的正常運(yùn)行和城鄉(xiāng)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，影響了居民的正常生活。

為了保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，巖溶塌陷的研究越來越受到重視。近年來，國內(nèi)專家學(xué)者大多致力于國內(nèi)巖溶塌陷宏觀分布規(guī)律、巖溶塌陷成因機(jī)制、巖溶塌陷的模型構(gòu)建、基于GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)等方面研究?；茨系貐^(qū)巖溶塌陷研究，主要圍繞露頭區(qū)和淺部隱伏埋藏區(qū)。本文在充分調(diào)研國內(nèi)外巖溶發(fā)育條件及控制因素基礎(chǔ)上，開展淮南八公山地區(qū)巖溶地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查，總結(jié)和歸納了露頭區(qū)及隱伏區(qū)的巖溶發(fā)育特征，分析和研究了控制巖溶發(fā)育的主要因素，并采用GIS方法，構(gòu)建了巖溶塌陷地質(zhì)模型，開展基于GIS的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分。

1 基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境背景

圖1 淮南煤田八公山礦區(qū)巖溶塌陷分布圖Figure 1. Distribution map of karst collapse in Bagongshan mining area of Huainan coalfield

研究區(qū)位于華北板塊南緣，遭受多期次構(gòu)造地質(zhì)作用和風(fēng)化剝蝕作用，地質(zhì)及水文條件極其復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造主體為近東西向的復(fù)向斜構(gòu)造，由北至南可分為三個(gè)次級(jí)構(gòu)造帶：明龍山—上窯構(gòu)造帶、淮南扇形復(fù)向斜帶和八公山—舜耕山構(gòu)造帶。其中以八公山—舜耕山斷裂帶為主，走向?yàn)榻鼥|西或北北西向，傾向南，傾角上部較陡，往深部變緩，斷裂帶寬度幾米至50m不等。研究區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)還發(fā)育有阜李斷裂、阜鳳斷裂、舜耕山斷裂、山王集斷裂等較大斷裂及古溝向斜等。

研究區(qū)地層總體與華北大區(qū)地層相似。根據(jù)區(qū)域地層出露及鉆孔揭示，研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖主要分布在寒武系、奧陶系以及石炭系，而巖溶多發(fā)育于后寒武系和奧陶系。

研究區(qū)大氣降水是地下水主要補(bǔ)給來源。區(qū)內(nèi)多年平均降水量900mm，雨量充沛，降雨多集中在春夏兩季。寒武系、奧陶系、石炭系的灰?guī)r直接裸露或半裸露分布區(qū)，是地表水入滲的直接通道。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 裸露區(qū)巖溶發(fā)育特征

碳酸鹽巖裸露區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，CaO/SiO2比值大者，巖溶通常強(qiáng)烈發(fā)育。質(zhì)純層厚的奧陶系馬家溝組（O1m）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為裸露區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。地表巖溶形態(tài)發(fā)育，多形成溶洞、溶溝、溶槽等巖溶微地貌。

區(qū)內(nèi)SiO2含量超過20%的地層中巖溶發(fā)育。如寒武系張夏組地表風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖溶形態(tài)特征較明顯，地表未見有溶溝、溶槽（圖2～圖5）。

圖2 八公山張夏組鮞?；?guī)r巖溶發(fā)育特征Figure 2. Karst development characteristics of Oolitic Limestone in Zhangxia formation in Bagongshan

圖3 八公山水泥廠南西側(cè)張夏組巖溶發(fā)育特征Figure 3. Karst development characteristics of the Zhangxia Formation on the southwest side of the Bagongshan cement plant

圖4 八公山地質(zhì)公園毛莊組巖溶發(fā)育特征Figure 4. Karst development characteristics of the Maozhuang Formation in the Bagongshan Geopark

圖5 八公山碳酸鹽巖巖溶發(fā)育特征Figure 5. Karst development characteristics of carbonate rocks in Bagongshan

2.2 覆蓋區(qū)巖溶發(fā)育特征

根據(jù)鉆孔揭露，覆蓋區(qū)內(nèi)的灰?guī)r巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙、溶孔為主?，F(xiàn)分述如下：

2.2.1 李一礦—謝一礦巖溶發(fā)育特征

李一礦—謝一礦灰?guī)r巖溶形態(tài)主要是溶蝕裂隙和溶孔。巖溶發(fā)育較強(qiáng)的是厚度較大的地層。其巖溶發(fā)育特征：

（1）沿碳酸鹽巖層面巖溶溶隙較發(fā)育。-600m以深水平石門于碳酸鹽巖層底發(fā)育平行于地層走向的溶隙，并有涌水。

（2）構(gòu)造發(fā)育處巖溶較發(fā)育。涌水量大于10m3/h的鉆孔大都分布在小斷層發(fā)育處。

（3）巖溶發(fā)育程度隨深度增加而減弱。

2.2.2 新莊孜礦巖溶發(fā)育特征

新莊孜礦灰?guī)r巖溶形態(tài)主要是溶蝕裂隙和溶孔，且以溶蝕裂隙為主。構(gòu)造薄弱帶的灰?guī)r巖溶化發(fā)育，有多個(gè)巖溶裂隙和溶裂通道，存在有多條尺度不同的巖溶導(dǎo)水通道。

2.2.3 李嘴孜礦巖溶發(fā)育特征

李嘴孜礦巖溶多發(fā)育在奧陶系和石炭系太原組中。

（1）奧陶系灰?guī)r由白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r和白云巖等組成，總厚225～270m。巖溶主要發(fā)育為溶隙、次為溶孔和溶洞，鉆孔可見溶洞高度0.23～9.15m，平均巖溶率為2.51%。巖溶發(fā)育不均一，總體隨深度增加而遞減，-450～-850m 標(biāo)高段巖溶不發(fā)育。

（2）石炭系太原組由石灰?guī)r及含白云質(zhì)灰?guī)r組成，厚101～127m。巖溶主要發(fā)育為溶隙、次為溶孔和溶洞，鉆孔可見溶洞高度0.10～3.43m，平均巖溶率為0.897%，巖溶發(fā)育不均一，總體隨深度增加而遞減。

2.2.4 孔集礦巖溶發(fā)育特征

（1）巖溶平面分布特征：孔集礦巖溶發(fā)育的平面分布是不均一的，其奧陶系灰?guī)r西部巖溶發(fā)育，石炭系太原組灰?guī)r東部巖溶發(fā)育。

（2）不同組的巖溶發(fā)育特征：通過對(duì)不同灰?guī)r層鉆孔溶洞空洞率、能見溶洞率、鉆孔漏水率和巖溶率的比較曲線可知：發(fā)育程度為奧陶系灰?guī)r巖溶最強(qiáng)，其次是寒武系灰?guī)r，最差的是石炭系太原組灰?guī)r，巖溶率分別為2.51%，1.71%，0.897%；在太原組灰?guī)r中，巖溶發(fā)育最強(qiáng)的為，其次為，最差的為，巖溶率分別為2.95%，0.746%，0.216%。如圖6所示。

圖6 不同層組巖溶比較曲線Figure 6. Comparison curves of karsts in different strata

（3）隨深度變化的特征：巖溶現(xiàn)象發(fā)育在淺部，0～-60m 由上到下發(fā)育減弱，但并不是隨深度的增加而減少；-300～-400m 仍然有奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育；-450～-850m奧陶系灰?guī)r巖溶均不發(fā)育。

（4）巖溶與構(gòu)造的關(guān)系：斷層交叉地帶巖溶最發(fā)育，其次是倒轉(zhuǎn)及傾斜地層背斜軸附近，最弱的是斷層尖滅端；斷層下盤巖溶發(fā)育弱于上盤。

3 基于GIS的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分

3.1 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)方法

本次評(píng)價(jià)采用ArcGIS劃分評(píng)價(jià)單元和定性與定量相結(jié)合的方法。根據(jù)巖溶塌陷發(fā)育特征、發(fā)育背景及發(fā)育現(xiàn)狀，以及巖溶塌陷形成機(jī)理等確定評(píng)價(jià)因子；利用層次分析法確定各因子權(quán)重；利用綜合指數(shù)法進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)流程：在不同的評(píng)價(jià)單元上采取各評(píng)價(jià)因子量化數(shù)值，用數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型計(jì)算出各評(píng)價(jià)單元的巖溶塌陷易發(fā)程度指數(shù)，通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)化處理進(jìn)行巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)[1]。巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)結(jié)果經(jīng)專家審核，不符合實(shí)際的應(yīng)重新調(diào)整權(quán)重進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)主要評(píng)價(jià)流程見評(píng)價(jià)流程圖（圖7）。

圖7 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)流程圖Figure 7. Flow chart of evaluation of karst collapse susceptibility

3.1.1 評(píng)價(jià)因子確定

在充分分析研究區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)環(huán)境狀況基礎(chǔ)上，依據(jù)以下原則進(jìn)行評(píng)價(jià)因子的選?。?/p>

（1）從巖溶塌陷的形成機(jī)理出發(fā)，選取影響巖溶塌陷的內(nèi)在因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；同時(shí)考慮反映巖溶塌陷發(fā)生潛能的指標(biāo)，比如巖溶塌陷頻數(shù)比等。

（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)要選取基礎(chǔ)資料完整性較好，且便于定量分析。

（3）評(píng)價(jià)因子要代表全面，且與巖溶塌陷關(guān)聯(lián)性較好；各因子能代表不同的層次且相互獨(dú)立。

本次研究選取了表1 中4 個(gè)條件6 個(gè)因子作為評(píng)價(jià)因子。

3.1.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

本次巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定采用層次分析法。本方法基本原理首先是把所有問題進(jìn)行層次化處理，即按問題的性質(zhì)及與總目標(biāo)關(guān)系將問題分解處理為不同層次，構(gòu)建一個(gè)多層次的分析模型[2]。其具體步驟如下：

（1）建立包括目標(biāo)層和指標(biāo)層的模型層次結(jié)構(gòu)。其中目標(biāo)層是巖溶塌陷易發(fā)程度和危險(xiǎn)程度等；指標(biāo)層是巖溶發(fā)育情況、松散層覆蓋條件、地下水條件等影響巖溶塌陷因子。

表1 巖溶地面塌陷評(píng)價(jià)因子表Table 1. Evaluation factors of karst surface collapse

（2）建立判斷矩陣（公式1），分析比較同一層諸因素與某一特定因素的相對(duì)關(guān)系。設(shè)D層次中的元素D1，D2，D3……，Dn與上層次C中的元素Ck有關(guān)系。通過標(biāo)度方式打分分析比較不同因素，根據(jù)其重要程度則賦以不同的值，見表2。

表2 判斷矩陣元素Ck的1～9標(biāo)度方法Table 2. 1～9 scaling method of judgment matrix element Ck

（3）根據(jù)建立的要素指數(shù)劃分表計(jì)算各級(jí)別因子有序權(quán)向量，并進(jìn)行歸一化處理，確定處理計(jì)算系統(tǒng)評(píng)分規(guī)則。

（4）由于客觀事件復(fù)雜性及對(duì)事物認(rèn)識(shí)的片面性，所以構(gòu)造判斷矩陣不一定是一致性矩陣，但當(dāng)偏離一致性過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一些問題的產(chǎn)生。故需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI見表3。

表3 1～9階矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值（n代表維數(shù)）Table 3. Average random consistency index value of matrix of order 1 to 9（n represents dimension）

一致性指標(biāo)（CI）的公式為：

其CR=CI/RI值判斷矩陣一致性標(biāo)準(zhǔn)是：

CR＜0.1：一致性很好，則判斷合理；

CR=0.1：一致性較好，屬判斷較合理；

CR＞0.1：不符合一致性原則，需重新調(diào)整，調(diào)整到滿意為止。

3.1.3 巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

利用綜合指數(shù)法進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。綜合指數(shù)法數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型為：

式中：Pi—第i單元的易發(fā)性指數(shù)；

i—評(píng)價(jià)單元；

j—評(píng)價(jià)因子；

aj—第j個(gè)評(píng)價(jià)因子在第i評(píng)價(jià)單元的賦值；

wj—第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

3.2 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

采用正方網(wǎng)格劃分法對(duì)研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?。劃分網(wǎng)格的大小以保證大多數(shù)與巖溶塌陷相關(guān)的地質(zhì)信息能編入圖中。將劃分的評(píng)價(jià)單元網(wǎng)格面積為0.04km2（200m×200m）進(jìn)行剖分，共劃分1551個(gè)評(píng)價(jià)方格。

3.2.2 指標(biāo)及權(quán)重量化

采取層次分析法確定各判斷因子權(quán)重，以量化值1、2、3對(duì)應(yīng)指標(biāo)弱、中、強(qiáng)。根據(jù)巖溶塌陷易發(fā)性模型（圖8），對(duì)比研究區(qū)巖溶塌陷實(shí)際情況作出調(diào)整，按九標(biāo)度構(gòu)建權(quán)重分析矩陣（表4），算出各判別因子量值和權(quán)重（表5）。判斷矩陣一致性比例：0.0644<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

圖8 巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)層次模型Figure 8. Hierarchical model for evaluation of karst collapse risk

表4 巖溶地面塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)判斷指標(biāo)Table 4. Evaluation indexes of karst surface collapse risk

表5 巖溶地面塌陷評(píng)價(jià)指標(biāo)量化表Table 5. Quantization table of evaluation indexes of karst surface collapse

3.2.3 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)

依據(jù)易發(fā)性綜合指數(shù)Pi值劃分不同等級(jí)的巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)：Pi>2.4 為巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)；1.9

按照表6 確定的單元等級(jí)對(duì)疊加結(jié)果進(jìn)行重分類，從而形成巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖。研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度劃分為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)等3個(gè)區(qū)。分區(qū)結(jié)果見表7和圖9。

表6 易發(fā)性等級(jí)分級(jí)Table 6. Rating table of risks

表7 研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)Table 7. Zoning of karst collapse risks in the study area

圖9 研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖Figure 9. Zoning of evaluated risks of karst collapse in the study area

4 結(jié)語

本文對(duì)淮南八公山一帶巖溶發(fā)育特征、控制因素、成因機(jī)制及巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)的劃分等進(jìn)行了分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）巖溶發(fā)育是巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及地下水徑流共同作用產(chǎn)生的結(jié)果，其中巖性為厚層狀灰?guī)r的巖溶發(fā)育、巖性為白云質(zhì)灰?guī)r的巖溶發(fā)育次之；地質(zhì)構(gòu)造控制著巖溶發(fā)育層位，在斷層和褶皺部位巖溶較發(fā)育，尤其在斷裂交匯處巖溶發(fā)育。

（2）裸露區(qū)巖溶形態(tài)特征主要有溶溝、溶洞、溶隙等，巖溶發(fā)育地層有寒武系饅頭組、毛莊組和張夏組。隱伏區(qū)石炭系太原組組灰?guī)r較組灰?guī)r巖溶發(fā)育，但是溶蝕發(fā)育程度是向下減弱并非隨深度增加而遞減，往下仍可見發(fā)育規(guī)模較大的溶洞。奧陶系灰?guī)r淺部巖溶較深部發(fā)育，溶蝕發(fā)育程度隨埋藏深度增加而遞減。

（3）采用ArcGIS 劃分評(píng)價(jià)單元和定性與定量相結(jié)合的方法。根據(jù)巖溶塌陷發(fā)育特征、發(fā)育背景及發(fā)育現(xiàn)狀、巖溶塌陷形成機(jī)理等確定塌陷坑密度、巖溶發(fā)育程度、松散層厚度、結(jié)構(gòu)、第四系底部巖性、地下水年變幅等6個(gè)評(píng)價(jià)因子；利用層次分析法確定各因子權(quán)重，利用綜合指數(shù)法進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

（4）開展基于GIS 的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分，采用正方網(wǎng)格劃分法對(duì)研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?，劃分的評(píng)價(jià)單元網(wǎng)格面積為0.04km2（200m×200m），共劃分1551 個(gè)評(píng)價(jià)方格。將研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)。