官善友，陶良 ，謝紀(jì)海，夏冬生

(1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022； 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

武漢市都市發(fā)展區(qū)巖溶發(fā)育特征

官善友1*，陶良2，謝紀(jì)海2，夏冬生2

(1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022； 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

為查明武漢地區(qū)巖溶發(fā)育特征，通過對(duì)大量揭露碳酸鹽巖的工程鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，劃定了武漢市都市發(fā)展區(qū)不同時(shí)代碳酸鹽巖的分布范圍，分析了巖溶發(fā)育特征，提出延米線巖溶率的概念劃分了垂向上巖溶發(fā)育的強(qiáng)弱程度分區(qū)，探討了巖溶發(fā)育的影響因素。得出了武漢地區(qū)距離灰?guī)r頂板埋深 1 m～4 m的深度范圍是強(qiáng)烈?guī)r溶活動(dòng)區(qū)、 4 m～10 m是中等巖溶活動(dòng)區(qū)、10 m以下是弱巖溶活動(dòng)區(qū)的結(jié)論。

碳酸鹽巖分布；巖溶發(fā)育特征；線巖溶率；巖溶活動(dòng)程度分區(qū)

1 引 言

武漢市地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，部分地區(qū)屬巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，20世紀(jì)中葉以來先后發(fā)生了中南軋鋼廠、倒口湖、陸家街、毛坦村、白沙洲大道、市民政學(xué)校等30多起巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，在全國同類城市中罕見。尤其是近幾年，隨著武漢市城市建設(shè)強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，巖溶地面塌陷的發(fā)生頻率和危害程度也呈上升趨勢(shì)，2014年和2015年發(fā)生于江夏大橋新區(qū)、漢陽世貿(mào)錦繡長江的兩處巖溶地面塌陷造成了4人傷亡。巖溶地面塌陷災(zāi)害的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，制約著武漢市的建設(shè)和發(fā)展。

關(guān)于武漢市的巖溶地質(zhì)問題，前人做了大量的研究工作，范士凱對(duì)武漢市巖溶地面塌陷的形成條件和塌陷機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并歸納為潛蝕機(jī)理和真空吸蝕機(jī)理[1]。羅小杰通過對(duì)大量地鐵鉆孔進(jìn)行分析，總結(jié)了武漢市淺層巖溶的垂向發(fā)育特征，分析了區(qū)域構(gòu)造演化與巖溶發(fā)育史之間的關(guān)系，剖析了其工程意義[2]。針對(duì)武漢市的巖溶研究很多，但是由于缺乏大量的地質(zhì)資料作支撐，因此大部分的研究都是從定性的角度進(jìn)行塌陷機(jī)理、工程對(duì)策分析[3～7]。

本文以武漢城市地質(zhì)調(diào)查所取得的地質(zhì)資料和大量工程鉆孔為基礎(chǔ)，通過對(duì)鉆孔所揭示的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，旨在揭露武漢市都市發(fā)展區(qū)巖溶發(fā)育特征和規(guī)律，為巖溶區(qū)工程規(guī)劃、建設(shè)提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 碳酸鹽巖種類及分布

2.1 武漢地區(qū)碳酸鹽巖種類

以北西-南東走向、通過新洲陽邏附近的襄樊-廣濟(jì)斷裂為界，武漢市跨北側(cè)的秦嶺褶皺系和南側(cè)的揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元。秦嶺褶皺區(qū)主要發(fā)育有太古宙(Ar)和元古宙(Pt)古老變質(zhì)巖系，缺失碳酸鹽巖地層。揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)區(qū)則在中志留世(S2)至中三疊世(T2)時(shí)期處于濱海、淺海及開闊海臺(tái)地沉積環(huán)境，經(jīng)過晚古生代和中生代早期的兩次海進(jìn)-海退旋回，形成了石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)、二疊系下統(tǒng)棲霞組(P2q)和三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)三套碳酸鹽巖地層[8，9]。

(1)石炭系黃龍組(C2h)

指整合于大埔組之上、船山組之下或平行不整合于梁山組之下的一套碳酸鹽巖地層。主要為淺灰、灰色厚層-塊狀灰泥巖、生物屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰泥巖。巖石呈塊狀構(gòu)造，生物屑大小懸殊、形態(tài)各異、種類繁多。南部的烏龍泉靈山一帶實(shí)測(cè)地層厚度為 15.3 m～50 m。

(2)二疊系棲霞組(P2q)

指位于梁山組與茅口組之間一套灰?guī)r地層。下部為深灰色中-厚層狀生物屑灰?guī)r、瘤狀碳質(zhì)灰?guī)r夾碳質(zhì)頁巖組成，中上部為深灰色中層狀含生物屑微細(xì)晶灰?guī)r夾燧石條帶，上部為深灰、灰色燧石結(jié)核灰?guī)r、厚層狀生物碎屑灰?guī)r組成。

(3)三疊系大冶組(T1d)

指位于大隆組或吳家坪組與嘉陵江組之間一套灰?guī)r地層。底部為黃綠色頁巖夾灰泥巖；下部為灰色中厚層狀砂屑灰?guī)r夾薄層灰泥巖；中部為薄層狀灰泥巖，生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育；上部為厚層狀亮晶砂屑灰?guī)r、顆?；?guī)r、鮞?；?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。

(4)其他碳酸鹽巖

除了上述三種在武漢市都市發(fā)展區(qū)分布的主要三種碳酸鹽巖外，在研究區(qū)內(nèi)尚有石炭系大埔組(C2d)、二疊系船山組(P1c)、茅口組(P2m)、三疊系嘉陵江組(T1-2j)四套地層中存在碳酸鹽巖。由于這四套地層在研究區(qū)內(nèi)分布較少，且一般厚度不大，在鉆孔中難以區(qū)分，因此在本項(xiàng)目中不對(duì)其進(jìn)行討論研究。另外值得注意的是，白堊—第三系的公安寨組中，以灰?guī)r、白云巖礫石為主的鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖，局部也可能發(fā)生巖溶。

2.2 碳酸鹽巖分布

前人關(guān)于武漢市碳酸鹽巖的分布范圍，被廣泛接受的劃分方法主要為三分法和六分法[10]。本研究在綜合武漢城市地質(zhì)調(diào)查取得的基巖地質(zhì)成果基礎(chǔ)上，利用近萬個(gè)揭露碳酸鹽巖的鉆孔資料，將武漢市都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖的分布劃分為6個(gè)條帶，即：北部(天興洲)條帶(L1)、中部(大橋)條帶(L2)、南部(白沙洲)條帶(L3)、沌口條帶(L4)、軍山條帶(L5)、漢南條帶(L6)，如圖1所示。

圖1 武漢市都市發(fā)展區(qū)碳酸鹽巖分布圖

3 巖溶發(fā)育特征

為了解釋武漢地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律與特征，對(duì)收集到的 6 300個(gè)進(jìn)入碳酸鹽巖 5 m以上的鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中揭露三疊系大冶組(T1d)的鉆孔 3 254個(gè)、二疊系棲霞組(P2q)鉆孔 2 206個(gè)、石炭系黃龍組(C2h)鉆孔840個(gè)。利用鉆孔分布如圖2所示。

圖2 利用鉆孔分布圖

3.1 巖溶發(fā)育程度

巖溶發(fā)育程度是指碳酸鹽巖遭受巖溶作用的程度，用一定范圍內(nèi)碳酸鹽巖溶蝕體積與碳酸鹽巖總體積的百分比來表示。在工程實(shí)踐中，碳酸鹽巖溶蝕體積一般很難確定，通常用鉆孔遇洞率和線巖溶率描述巖溶發(fā)育程度[10]。

通過對(duì)6 300個(gè)鉆孔遇洞率和平均線巖溶率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

武漢市不同時(shí)代碳酸鹽巖鉆孔遇洞率統(tǒng)計(jì)表 表1

從表1中可以看出武漢市不同時(shí)代的碳酸鹽巖中鉆孔遇洞率由大到小依次為：黃龍組>棲霞組>大冶組，鉆孔平均線巖溶率的大小關(guān)系為：棲霞組>黃龍組>大冶組，且大冶組中平均線巖溶率遠(yuǎn)小于另外兩種。

3.2 溶洞規(guī)模

所利用的6 300個(gè)揭露碳酸鹽巖的鉆孔中，共揭露各種規(guī)模的溶洞 2 333個(gè)，平均洞高 2.52 m，如圖3所示。

圖3 溶洞規(guī)模統(tǒng)計(jì)圖

通過溶洞規(guī)模統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：大部分溶洞為洞高在 2 m以內(nèi)的小型溶洞，達(dá)到 1 557個(gè)，占到總數(shù)的66.74%，洞高大于 6 m的溶洞個(gè)數(shù)僅為172個(gè)，占總數(shù)的7.37%，說明在武漢地區(qū)的碳酸鹽巖中溶洞發(fā)育規(guī)模的特征為以小型溶洞為主，大型溶洞較為少見，這一點(diǎn)對(duì)于工程建設(shè)是有利的。

3.3 溶洞充填特征

根據(jù)充填物的多少將溶洞充填類型分為全充填、半充填和無充填，對(duì)所有溶洞充填類型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

溶洞充填類型統(tǒng)計(jì)表 表2

結(jié)合鉆孔所揭露的溶洞充填物和碳酸鹽巖的上覆地層情況可以看出，溶洞充填物的類型與上覆地層基本為一致的，這說明溶洞充填物主要來源于上覆地層。

3.4 溶洞頂板垂向分布特征

溶洞的垂向分布特征包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是溶洞頂板標(biāo)高的分布特征；另一個(gè)是溶洞頂板距灰?guī)r頂板埋深的分布特征。由于武漢地區(qū)不同時(shí)代碳酸鹽巖的頂板標(biāo)高變化范圍太大，根據(jù)本次所統(tǒng)計(jì)的所有鉆孔中灰?guī)r頂板的標(biāo)高范圍為 -71.85 m～68.48 m，如果以溶洞頂板標(biāo)高來分析其垂向分布特征，可能會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤的判斷。因此，在本文中選用溶洞頂板距基巖面的埋深作為分析溶洞垂向分布特征的指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 溶洞頂板距離基巖面埋深統(tǒng)計(jì)圖

溶洞頂板在基巖面以下1 m以內(nèi)的溶洞有636個(gè)，占總?cè)芏磾?shù)的27.45%，在基巖面以下 2.5 m以內(nèi)溶洞有 1 221個(gè)，占總數(shù)的52.7%，在基巖面以下埋深 10 m以上的溶洞僅有223個(gè)，占總數(shù)的9.62%。說明在武漢地區(qū)碳酸鹽巖中所發(fā)育的溶洞大部分為淺層溶洞，尤其在基巖面以下 2.5 m范圍內(nèi)的居多。

三種不同時(shí)代的碳酸鹽巖中發(fā)育的溶洞均呈現(xiàn)淺層溶洞數(shù)量遠(yuǎn)大于深層溶洞數(shù)量的特點(diǎn)，不過在棲霞組中所發(fā)育的深層溶洞數(shù)量則明顯偏多，達(dá)到146個(gè)。因此，在揭露地層為棲霞組灰?guī)r的地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加勘察深度，注意有深層溶洞發(fā)育影響工程建設(shè)。

4 平面和垂向巖溶發(fā)育變化規(guī)律

4.1 巖溶發(fā)育的垂向變化規(guī)律及巖溶活動(dòng)強(qiáng)弱分區(qū)

通過對(duì)巖溶發(fā)育特征的分析發(fā)現(xiàn)，武漢地區(qū)碳酸鹽巖中溶洞發(fā)育的規(guī)律為以淺層、小型溶洞為主。為了進(jìn)一步揭示武漢地區(qū)巖溶發(fā)育在垂向上的變化規(guī)律，劃定垂向上巖溶活動(dòng)強(qiáng)弱分區(qū)，提出延米線巖溶率的概念，即基巖面以下每延米碳酸鹽巖中溶洞進(jìn)尺所占的百分比，并對(duì)利用鉆孔自基巖面以下延米線巖溶率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，在武漢地區(qū)不同時(shí)代時(shí)代碳酸鹽巖中延米線巖溶率隨灰?guī)r埋深變化均呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律如下：

(1)在三種不同時(shí)代的碳酸鹽巖中自灰?guī)r面往下，延米線巖溶率首先逐漸增大，在 1 m～3 m處達(dá)到最大，大冶組、棲霞組、黃龍組的最大延米線巖溶率分別為39.00%、44.60%、43.08%；

(2)在延米線巖溶率達(dá)到最大值后，隨著深度的增大，延米線巖溶率逐漸減小，在埋深 10 m～20 m的范圍內(nèi)，三種不同時(shí)代碳酸鹽巖的延米線巖溶率變化曲線均呈現(xiàn)一段較為平穩(wěn)、變化不大的曲線，大冶組基本穩(wěn)定在5%左右，棲霞組穩(wěn)定在16%左右，黃龍組穩(wěn)定在9%左右；

綜合武漢地區(qū)所有揭露溶洞鉆孔中延米線巖溶率隨埋深的變化情況，如圖5(b)所示，可以看出：在距離灰?guī)r頂板埋深 1 m～4 m的深度范圍是巖溶活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)，在該深度范圍內(nèi)灰?guī)r延米線巖溶率基本都在30%以上，然后灰?guī)r延米線巖溶率隨著埋深的增大而減小，在深度 10 m～20 m的深度內(nèi)，灰?guī)r延米線巖溶率基本穩(wěn)定在9.5%左右，說明在該深度內(nèi)巖溶活動(dòng)性較弱。

圖5 延米線巖溶率統(tǒng)計(jì)圖

4.2 巖溶發(fā)育的平面變化規(guī)律

為了探究平面上不同區(qū)域的巖溶發(fā)育變化規(guī)律，對(duì)分布在五條不同碳酸鹽巖條帶(由于所收集到的漢南條帶上的鉆孔數(shù)量太少，因此本文中至討論另外五條條帶)的鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以圖揭示武漢地區(qū)巖溶發(fā)育在平面上的變化特征。

(1)不同條帶巖溶發(fā)育程度分析

對(duì)五條碳酸鹽巖條帶上不同時(shí)代的灰?guī)r鉆孔的鉆孔遇洞率和線巖溶率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示。五條碳酸鹽巖條帶的鉆孔遇洞率和線巖溶率統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，北部條帶最小，軍山條帶最大，且鉆孔遇洞率和平均線巖溶率呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的特點(diǎn)。

不同條帶上碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度統(tǒng)計(jì)表 表3

(2)不同條帶溶洞規(guī)模分析

通過對(duì)鉆孔遇洞率和平均線巖溶率的統(tǒng)計(jì)可以看出在不同條帶上巖溶發(fā)育程度的變化規(guī)律，但是在分析鉆孔遇洞率和平均線巖溶率之間的關(guān)系之后可以看出兩者之間的大小關(guān)系并不完全對(duì)應(yīng)，因此進(jìn)一步對(duì)各條帶上發(fā)育的溶洞規(guī)模進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)南部條帶上所發(fā)育的溶洞平均洞高最大，達(dá)到 3.12 m，北部條帶最小，僅 1.33 m，也從一定程度解釋了巖溶地面塌陷多發(fā)在南部條帶的原因。

不同碳酸鹽巖條帶上所發(fā)育溶洞規(guī)模統(tǒng)計(jì) 表4

5 巖溶發(fā)育的影響因素淺析

前人研究認(rèn)為影響巖溶發(fā)育的因素主要包括：碳酸鹽巖的化學(xué)成分、地下水活動(dòng)、區(qū)域構(gòu)造等因素，下面將結(jié)合相關(guān)的基礎(chǔ)資料，力圖從碳酸鹽巖成分、地貌單元、區(qū)域構(gòu)造、不同區(qū)域四個(gè)方面探討武漢市巖溶發(fā)育的影響因素。

5.1 巖性對(duì)巖溶發(fā)育的影響分析

根據(jù)不同時(shí)代碳酸鹽巖中鉆孔遇洞率和平均線巖溶率的統(tǒng)計(jì)分析中得知，武漢地區(qū)三種主要碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育程度的大小關(guān)系為：大冶組巖溶發(fā)育程度最低，其次為棲霞組，黃龍組巖溶發(fā)育程度最高。

結(jié)合城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目以及所收集到的武漢地區(qū)碳酸鹽巖的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，三種不同時(shí)代碳酸鹽巖中CaO的含量大小關(guān)系為：黃龍組>棲霞組>大冶組。且影響碳酸鹽巖類巖石溶解度的關(guān)鍵指標(biāo)CaO/MgO的大小關(guān)系為黃龍組>棲霞組>大冶組。如表5所示。因此，認(rèn)為不同時(shí)代碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育程度不同的主要原因?yàn)閹r石中的CaO含量和CaO/MgO比值的大小所決定的。

武漢地區(qū)碳酸鹽巖化學(xué)成分分析統(tǒng)計(jì)表 表5

5.2 不同地貌單元對(duì)巖溶發(fā)育的影響分析

根據(jù)武漢城市地質(zhì)調(diào)查所編制的武漢市都市發(fā)展區(qū)地貌分區(qū)圖中對(duì)武漢地貌單元的劃分，武漢市主要的地貌類型包括：沖湖積平原區(qū)(一級(jí)階地)，沖積堆積平原區(qū)(二級(jí)階地)，剝蝕堆積平原區(qū)和剝蝕丘陵區(qū)，在這四種地貌類型中所占比例最大的為沖湖積平原區(qū)和剝蝕堆積平原區(qū)。利用鉆孔中位于沖湖積平原區(qū)的鉆孔460個(gè)，位于剝蝕堆積平原區(qū)的鉆孔 5 840個(gè)。在本節(jié)中將結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)針對(duì)這兩種不同的地貌類型，探討不同地貌單元對(duì)巖溶發(fā)育的影響。不同地貌單元下鉆孔統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

不同地貌單元下碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育程度統(tǒng)計(jì)表 表6

根據(jù)表6中對(duì)于不同地貌單元下碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育程度的統(tǒng)計(jì)顯示：在一級(jí)階地下碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育程度較弱，總的鉆孔遇洞率僅10.65%，遠(yuǎn)低于剝蝕堆積平原區(qū)碳酸鹽巖中的鉆孔遇洞率。研究初步認(rèn)為，在沖湖積平原區(qū)碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育程度相比整個(gè)區(qū)域較弱。

5.3 斷裂構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的影響分析

前人研究一般認(rèn)為斷裂通過區(qū)域，尤其是多條斷裂交錯(cuò)的區(qū)域易于地下水的匯集，是巖溶發(fā)育的有利部位[10]。為了研究構(gòu)造作用對(duì)巖溶發(fā)育的影響，本文對(duì)斷裂帶周邊的鉆孔進(jìn)行了對(duì)不分析，結(jié)果如表7所示。根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的在距離斷裂在 50 m和 100 m范圍內(nèi)的鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔遇洞率相比較于整個(gè)區(qū)域來說均有明顯的增大，說明在斷裂通過部位巖溶發(fā)育程度尤為強(qiáng)烈，且大冶組所受影響最小，棲霞組所受影響最大，可能與斷裂形成年代有關(guān)。

斷裂對(duì)巖溶發(fā)育程度影響規(guī)律統(tǒng)計(jì)表 表7

6 結(jié) 論

本文依托大量工程鉆孔資料，系統(tǒng)分析了武漢地區(qū)巖溶發(fā)育特征，總結(jié)了平面和垂向的巖溶發(fā)育變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1)武漢市都市發(fā)展區(qū)范圍內(nèi)呈東西向的條帶狀分布有六條碳酸鹽巖條帶，主要的碳酸鹽巖時(shí)代為大冶組、棲霞組和黃龍組，且黃龍組的巖溶發(fā)育程度最高。

(2)武漢地區(qū)有的巖溶發(fā)育主要以淺層、小型、全充填的溶洞居多。

(3)巖溶發(fā)育程度在平面上的變化規(guī)律為：由北向南逐漸增強(qiáng)，在垂向上的變化規(guī)律為：在基巖面以下 1 m～4 m的范圍內(nèi)為巖溶強(qiáng)烈活動(dòng)區(qū)，在距基巖面埋深 10 m～20 m巖溶活動(dòng)相對(duì)較弱。

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The Developmental Characteristics of Karst in Wuhan Urban Development Area

Guan Shanyou1，Tao Liang2，Xie Jihai2，Xia Dongsheng2

(1.Wuhan Geotechnical Engineeringand Survering Co.，Ltd，Wuhan 430022，China；2.Wuhan Institute of Surveying and Mapping，Wuhan 430022，China)

In order to ascertain the characteristics of karst development in Wuhan area，the distribution range of carbonate rocks in Wuhan urban development area was delineated by statistical analysis of engineering drilling of large number of exposed carbonate rocks，and the characteristics of karst development were analyzed. The concept of line karst rate divides the degree of karst development in the vertical direction，and discusses the influencing factors of karst development. The results is Wuhan area from the limestone roof depth of 1m to 4m depth range is a strong karst activity area，4m to 10m is a medium karst active area，10m below is a weak karst activity area.

carbonate distribution；karst developmental characteristics；line karst rate；karst activity degree zoning

1672-8262(2017)04-157-06

P642.252

A

2017—05—20

官善友(1968—)，男，正高職高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，主要從事巖土工程技術(shù)管理工作。

武漢市城建科技計(jì)劃項(xiàng)目(201547)，2016年武漢市創(chuàng)新人才開發(fā)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目。