尹 歐，楊 帆，彭祖武，向 鋒

(湖南省地質調查院，湖南 長沙 410014)

長沙市煤炭壩地區(qū)構造地質條件復雜，地下巖溶發(fā)育，水文地質條件差異性大，是中國著名的巖溶大水礦區(qū)之一[1-5]。區(qū)內(nèi)可溶巖地層分布廣泛，地下巖溶管網(wǎng)極其發(fā)育，受強地下工程活動影響，形成大成橋、歐家大沖、涌泉沖、洋泉湖、賀石橋、岳家橋等六個塌陷災害嚴重區(qū)，總面積達32.0 km2，直接影響近萬人的生命財產(chǎn)安全[6-7]。2012—2018年期間，針對區(qū)內(nèi)嚴重的災情險情，開展了災害調查、勘察、監(jiān)測預警、搬遷避讓等工作。本次重點對該區(qū)巖溶空間發(fā)育特征及巖溶發(fā)育機理進行研究，探討巖溶空間分布規(guī)律，以期為該區(qū)巖溶災害防治提供地質依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為丘陵緩坡沖溝地形，屬于構造侵蝕—剝蝕巖溶地貌[2]。區(qū)內(nèi)地形標高為110～150 m，相對高差一般<50 m。地形地貌呈波狀起伏，丘頂呈渾圓狀，丘頂面近似平面，丘坡極緩，一般為10°～15°。丘間溝谷呈枝狀，一般為“U”型谷，谷底開闊平緩。

區(qū)內(nèi)出露地層主要為二疊系、石炭系、白堊系和第四系。二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)巖性為灰?guī)r和硅質灰?guī)r。茅口組(P2m)巖性為頁巖、硅質灰?guī)r，厚約400 m。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)發(fā)育煤層、泥巖、砂巖、灰?guī)r，厚約17 m。大隆組(P3d)發(fā)育灰白色硅質灰?guī)r，厚度約440 m。石炭系上統(tǒng)大埔組(C2d)巖性為灰白色厚層灰?guī)r、白云巖，厚度約200 m。白堊系—古近系百花亭組(KEb)上段為粉砂巖、礫巖，厚約480 m；下段為鈣質礫巖、鈣質粉砂巖，厚度約40～120 m。第四系主要發(fā)育粉質粘土、含礫粉質粘土，厚度為3～40 m。

區(qū)內(nèi)構造發(fā)育，主要有NE向的沙子坡、竹山塘、板塘沖、賀家灣等正斷層，近EW的顏家沖、顏家灣、鐵家沖等正斷層，以及縱貫礦區(qū)南北的龍花逆斷層(圖1)。眾多的大小斷層將礦區(qū)巖層切割或錯開，溝通斷層上下含水層在平面上的水力聯(lián)系，致使斷層破碎帶成為礦井充水的良好通道，形成一個統(tǒng)一的地下水系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)水文地質條件簡圖Fig.1 Hydrogeological conditions of the study area1河流水系；2.地下水流向；3.礦山抽排水點；4.礦區(qū)界線；5.斷層；6.碳酸鹽巖含水層；7.碳酸鹽巖夾碎屑巖含水層；8.碎屑巖含水層；9.松散孔隙水含水層；10.殘坡積物；11.第四系全新統(tǒng)；12.第四系更新統(tǒng)；13.白堊系—古近系百花亭組；14.上二疊統(tǒng)大隆組；15.上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M；16.中二疊統(tǒng)茅口組；17.中二疊統(tǒng)棲霞組；18.上石炭統(tǒng)大埔組。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 形態(tài)特征

區(qū)內(nèi)地形較平緩，第四系覆蓋層分布較厚，其成因類型包括殘坡積、沖洪積等。區(qū)內(nèi)可溶巖地層以覆蓋型為主，埋藏型次之，裸露型少見。出露的巖溶個體形態(tài)以溶溝、溶隙為主；而地下巖溶個體形態(tài)以溶洞為主，溶隙次之[7-10]。本區(qū)各巖溶個體形態(tài)特征見表1。

表1 巖溶形態(tài)發(fā)育特征表Table 1 Characteristics of karst morphology development

2.2 平面發(fā)育規(guī)律

區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度在平面上主要受可溶巖地層的空間分布控制，淺部巖溶集中發(fā)育于煤炭壩向斜外側北東段、東段以及南端，在煤炭壩向斜核部一帶發(fā)育較弱，總體呈現(xiàn)“環(huán)狀分布、北東向輻射”的特征。巖溶塌陷是覆蓋型巖溶強發(fā)育區(qū)的地表土體受地下水徑流作用而產(chǎn)生的土體塌陷微地貌。受強地下工程活動影響，形成大成橋、歐家大沖、涌泉沖、洋泉湖、賀石橋、岳家橋等六個巖溶塌陷災害嚴重區(qū)，均分布于煤炭壩礦區(qū)外圍，集中分布于研究區(qū)的東北側、東側、東南側三個區(qū)域(圖2)。

圖2 研究區(qū)巖溶塌陷災害分布圖Fig.2 Distribution map of karst collapse disaster in study area1.河流水系；2.地下水流向；3.斷層及編號；4.礦區(qū)界線；5.巖溶塌陷點。

2.3 垂向發(fā)育規(guī)律

通過對煤炭壩地區(qū)歷年鉆孔中的巖溶發(fā)育情況進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度在垂向上差異明顯(圖3、圖4)。埋深0～100 m區(qū)間的巖溶發(fā)育程度最強烈，線巖溶率為7%～8%，共揭露溶洞的數(shù)量為74個；在埋深100 m以下，隨著埋深的增大，巖溶發(fā)育程度逐步降低，線巖溶率由3.4%下降至0.2%，揭露溶洞的數(shù)量逐漸從65個下降至5個，巖芯趨于完整，風化程度逐漸減弱；但從埋深分級來看，溶洞數(shù)量在埋深100～150 m之間達到極值，揭露溶洞為65個。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育程度隨標高也表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性(圖4)。在標高100～-50 m范圍內(nèi)，隨著標高的降低，巖溶發(fā)育程度逐漸變強；在-50 m標高以下，隨著深度的增加，巖溶發(fā)育程度逐漸降低；以50～-50 m標高的巖溶最為發(fā)育，在標高50～-150 m線巖溶率分布較為接近，為2.5%～3.9%。綜上可將區(qū)內(nèi)巖溶劃分為三個垂向區(qū)帶，即淺部巖溶強發(fā)育帶、中部溶洞裂隙中等發(fā)育帶、深部巖溶弱發(fā)育帶。

圖3 溶洞個數(shù)、線巖溶率與埋深關系圖Fig.3 Relationship between the number of caves,linear karst rate and buried depth

圖4 溶洞個數(shù)、線巖溶率與標高關系圖Fig.4 Relationship between cave number,linear karst rate and elevation

3 巖溶發(fā)育程度影響因素

3.1 地層巖性

可溶巖是巖溶賴以產(chǎn)生的物質基礎，可溶巖地層的巖性、結構構造及層組類型對巖溶發(fā)育起著基礎性作用[11]。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆探揭露的巖溶發(fā)育情況資料來看，各地層的巖溶發(fā)育程度存在較大差異(表2)。

表2 鉆孔線性溶蝕率統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of linear dissolution rate of borehole

從表2可以看出，線巖溶率最高的地層為大埔組，該地層為一套質純層厚的灰?guī)r、白云巖，局部夾有少量硅質巖結核，成分較單一，其平均線巖溶率為9.96%，同時巖溶發(fā)育較均勻，線巖溶率最大值與最小值比僅為6.8；茅口組灰?guī)r、硅質灰?guī)r的平均線巖溶率為4.70%；百花亭組下段(鈣質礫巖、鈣質粉砂巖段)平均線巖溶率為4.13%；棲霞組灰?guī)r夾硅質灰?guī)r的平均線巖溶率為4.03%；巖溶發(fā)育最弱的為大隆組硅質灰?guī)r中偶夾硅質巖、硅質頁巖等非可溶巖夾層，其平均線巖溶率僅為2.03%。大隆組和茅口組巖性差異最大，夾有硅質巖、硅質灰?guī)r等碎屑巖，阻礙了巖溶裂隙垂向延伸發(fā)育，造成鉆孔線巖溶率差異大，最大值與最小值比接近400，這表明碎屑巖夾層對地層巖溶發(fā)育影響極大。此外，研究區(qū)東側及東南側百花亭組上段砂礫巖、粉砂質泥巖段不具備巖溶特征，巖溶不發(fā)育。

3.2 地形地貌

研究區(qū)內(nèi)的地形地貌影響水文網(wǎng)的發(fā)育特點，南側大成河及北側群英河控制著區(qū)域侵蝕溶蝕基準面，在天然條件下影響地下水的運動趨勢和循環(huán)交替，從而控制了巖溶發(fā)育的總趨勢[12]。區(qū)內(nèi)巖溶塌陷以礦區(qū)為核心，沿北東向輻射，密集于溝谷之中，主要集中于大成河、群英河階地以及洋泉湖沖溝內(nèi)，顯然說明區(qū)內(nèi)強巖溶發(fā)育區(qū)主要位于溝谷地貌之中。研究發(fā)現(xiàn)大成橋一帶下伏基巖具明顯的溶蝕溶溝、溶槽，鉆探揭露的基巖埋深厚度差異大；賀石橋一帶下伏基巖巖體破碎，巖溶裂隙極為發(fā)育，均表明溝谷一帶地下水水體對灰?guī)r溶蝕有很強的控制因素。這說明覆蓋型可溶巖分布區(qū)中的沖溝及侵蝕堆積一級階地，多有雙層含水介質(上為松散孔隙水，下為巖溶裂隙水)分布，地下水水位埋藏淺，變幅大，在基巖面上下頻繁波動，同時降雨、溪流地表水體活躍。

3.3 地質構造

3.3.1復式褶皺主控巖溶分布

研究區(qū)內(nèi)有四個塌陷重點區(qū)位于復式向斜轉折端，其中賀石橋徑流帶位于煤炭壩復式向斜北側的尾部，洋湖(分為上、下兩支)徑流帶位于復式背斜南側的尾部，大成橋徑流帶位于復式向斜西南側的尾部。徑流帶上的塌陷區(qū)本身為天然條件下的地下水排泄區(qū)，如大成橋鎮(zhèn)沿河一帶曾經(jīng)有大成橋泉、上泉塘兩處巖溶大泉(已于1972年斷流)。后期受礦區(qū)抽排水影響，地下水排泄區(qū)反而發(fā)展為地下水的補給區(qū)，特別是大成河、洋泉湖、賀石橋等地段的地表水下滲劇烈。

巖溶帶受復式向斜影響強烈，特別是煤炭壩復向斜的轉折端強烈發(fā)育巖溶裂隙。西峰侖礦井有30多個突水點分布在該區(qū)域，井下50%以上的巖溶沿走向NE40°～50°、NE55°～70°、NE80°～85°三組節(jié)理裂隙發(fā)育，與轉折端特征基本一致，這表明煤炭壩向斜轉折端地應力集中，節(jié)理裂隙密集，對巖溶發(fā)育起到重要控制作用。

3.3.2斷裂構造帶影響巖溶發(fā)育程度

研究區(qū)的巖溶發(fā)育受斷裂構造控制，NNE向板塘沖正斷層控制大成橋老街巖溶發(fā)育帶，NE向沙子坡正斷層控制賀石橋巖溶發(fā)育帶，NEE向斷裂帶控制涌泉山、洋泉湖巖溶發(fā)育帶，說明斷裂帶附近節(jié)理裂隙發(fā)育，錯開地層后使彼此隔離的灰?guī)r條帶得到溝通，利于地下水的徑流，加劇了巖溶發(fā)育?？傮w上，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育帶多與主要構造線一致，NE向構造帶附近巖溶最為發(fā)育。

3.3.3不同強度的構造影響巖溶深部發(fā)育程度

受煤炭壩復式向斜強應力作用形成的斷裂規(guī)模一般較小，斷層切割較淺，淺中部表現(xiàn)為壓扭性特征，淺表部巖溶強發(fā)育，如歐家大沖一帶，巖溶發(fā)育不均勻。規(guī)模較大的斷裂越往深部，受巖體圍壓與地應力越大，裂隙空間逐漸變小，同時上部巖溶飽和巖溶水在下滲過程中逐漸鈣化，形成方解石脈充填裂隙，導致深部巖溶不發(fā)育。同時進入煤礦底板一定深度后，受含煤地層弱透水性特征影響，下部巖溶也逐漸減弱?？傮w上，淺、中部巖溶發(fā)育程度隨深度的增加而加強，中部—深部巖溶發(fā)育程度隨深度增加而減弱。

3.4 地下抽排水

研究區(qū)南部巖溶發(fā)育的白堊系—古近系鈣質礫巖、鈣質粉砂巖直接不整合于二疊系茅口組、棲霞組灰?guī)r之上，而中部、北東部斷裂構造將組內(nèi)隔水層破壞，從而將區(qū)內(nèi)可溶巖連成一個整體，形成統(tǒng)一的含水系統(tǒng)。綜合以往資料并實地調查分析后發(fā)現(xiàn)，在天然條件下地下水由西北向東、南排泄，在東部沿賀石橋、上洋泉湖、下洋泉湖向東徑流排泄(表3)，在南部向歐家大沖、大成河一帶排泄；而在礦區(qū)采礦排水條件下，地下水沿賀石橋、上洋泉湖、下洋泉湖、大成橋以及顏家沖等流向礦區(qū)深部，形成六個地下水集中徑流帶。

表3 天然泉點水位變化對比表[7]Table 3 Comparison table of water level change of natural spring

1970—2012年，受人類地下工程活動影響，地下徑流方向發(fā)生改變，地下水徑流速度逐漸增加，礦井排水量也在不斷增大，從1971年總排水量不到1 000 m3/h，增加至1973年的8 650 m3/h[4]，到2012年總排水量達到12 504 m3/h，疏干區(qū)范圍面積已達366 km2。在此條件下，地下水加劇向礦區(qū)徑流，每年近8 000萬m3的地表水滲入地下，巖溶地下水由地表水補給區(qū)向礦區(qū)巷道運移過程中，不斷通過主徑流帶對圍巖產(chǎn)生強烈的溶蝕侵蝕作用，加劇了主徑流帶的巖溶發(fā)育程度，原有溶洞充填物不斷地被淘蝕，過水斷面不斷擴大，致使這些地下水主徑流帶成為巖溶集中發(fā)育區(qū)。

4 結論

(1) 煤炭壩地區(qū)巖溶發(fā)育程度在平面上極不均勻，呈現(xiàn)“環(huán)狀分布、北東向輻射”的特征；在垂向上可分為三個區(qū)帶：淺部巖溶強發(fā)育帶、中部溶洞裂隙中等發(fā)育帶、深部巖溶弱發(fā)育帶，巖溶強度隨深度增加逐漸減弱，但在構造帶附近，垂向巖溶發(fā)育程度變化不一。

(2) 研究區(qū)影響巖溶發(fā)育程度的主要因素包括地層巖性、地質構造、地形地貌和地下抽排水，巖溶地層在面上控制巖溶分布，向斜轉折帶及北東向斷裂主控巖溶垂向發(fā)育程度，地形地貌以及地下水徑流加速巖溶發(fā)育，地下抽排水加速地下溶蝕。

(3) 地質構造是影響研究區(qū)巖溶發(fā)育程度的主控因素，煤炭壩復式向斜轉折帶地應力集中，節(jié)理裂隙密集，對研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育控制作用最為明顯。