岩溶成因

2024-05-20

岩溶成因（精选六篇）

岩溶成因篇1

关键词：岩溶地面塌陷,成因分析,防治

2005年4月25日, 广东省佛山市高明区富湾江湾社区李家村发生地面塌陷地质灾害, 至5月8日发展为4个塌坑的地面塌陷群, 严重威胁李家村7户26人的生命财产安全。随后当地政府和相关部门立刻组织地质灾害专家和技术人员对其进行勘查和治理, 抑制了灾情的继续发展。至2009年初, 该处再没有岩溶地面塌陷地质灾害发生, 说明采取的防治措施取得了预期的效果。本文以此为例, 对其地质环境条件、灾害特征、成因分析和防治措施4个方面展开论述, 希望能为岩溶地面塌陷地质灾害防治工作者提供帮助。

1 地质环境条件

(1) 气象水文。高明区地处北回归线以南, 属南亚热带季风型气候。日照充足, 热量丰富, 长夏无冬, 雨量充沛, 干湿季节明显。年均降水量1400~1900mm, 最大月降雨量662.0mm, 最大日降雨量279.8mm, 最大1小时降雨量102.6mm。

(2) 地形地貌。地貌类型主要为冲积平原, 海拔高度一般为6.2~23.8m;冲积平原主要为鱼塘和稻田, 北侧水体较发育。南部冲积平原稻田和部分鱼塘已填土开发为工业区, 地形起伏不大, 海拔高度一般为2~5m, 人类活动不强烈。

(3) 地层岩性。灾害发生区为第四系所覆盖, 下伏基岩为三叠系上统~下侏罗统 (T3~J1) , 其特征为:

(1) 石炭系石磴子组 (Csd) :岩性为灰色中厚层—厚层状灰岩、泥质灰岩、生物碎屑灰岩, 夹炭质钙质泥岩, 是易发生岩溶的岩性段, 分布于李家村外围区域, 厚约48~244m。

(2) 上三叠统—下侏罗统 (T3~J1) :岩性为砾状灰岩、砂砾岩、岩屑砂岩、细砂岩、泥岩、页岩等, 夹煤线、煤层。区域上, 岩性变化较大, 区内李家村隐伏基岩为砾状灰岩。

(3) 第四系 (Q) :第四纪松散沉积物分布广泛, 上部为海陆交互相冲淤积之流塑状淤泥、软塑~可塑粉质粘土及松散~稍密的粉细砂, 中部为第四系河流相沉积之砾石、砾砂和中粗砂、细砂, 底部为第四系坡残积层, 覆盖厚度几米~几十米。

(4) 地质构造。区域地质构造发育, 有许多大断裂从附近穿过, 同时在区内钻探中于发现岩石破碎带, 并有褐铁矿化, 推测有北西向断裂从区内通过。

(5) 水文地质条件。地下水按其赋存介质的不同可划分为松散土层孔隙水 (砂、砾层, 碎石土层中孔隙水) 、碳酸盐岩类裂隙溶洞水 (岩溶水) 及基岩裂隙水三大类型。地质灾害区处于沧江河流域河谷中, 周边水系发育, 西江从东侧流经, 沧江河支流西安河从区中间穿过 (图1) , 区内地形平坦, 地势较低, 地面标高4.0~6.0 m之间, 与东、西、北侧丘陵地形高差50~200m, 汇水条件好, 砾状灰岩岩溶发育, 河谷中河流相松散砂层厚度大、分布广, 有利于地下水的储存和汇集。据区域水文地质资料和现场水文地质钻探, 该区地下水丰富。

2 岩溶地面塌陷发育特征

(1) 岩溶地面塌陷发育特征

2005年4月, 该区降雨量200~230mm, 比常年略偏多。2005年4月25日勘查区内李家村发生地面塌陷地质灾害, 至5月8日发展为5个塌坑的地面塌陷群, 至10月西安河水底又发现有3处塌坑, 11月14日关家31号、3 2号、3 3号、4 7号和8 2号住房之间地面出现裂缝, 裂缝长度2~5 m, 宽度5~15 mm, 严重威胁村民的生命财产安全。岩溶地面塌陷灾害情况详见表1及图1。

(2) 土洞发育特征。据钻孔资料及物探资料分析, 勘查区内已发现的土洞有18处, 土洞顶板埋深2 6.2~4 5.8 m, 洞高0.5 0~9.53m。其中有13个土洞充填或半充填流塑~软塑粘性土, 含砂、砾石、碎石;5个土洞无充填物。土洞规模大小不一, 推测以椭圆状或扁椭球体为主。部分土洞与土洞之间连通性较好, 连结成大土洞。

(3) 溶洞发育特征。据钻孔资料, 在钻孔揭露深度范围内, 77个钻孔中有74个揭露到灰岩, 其中23个钻孔见溶洞, 见溶率为31.08%。溶洞埋深27.80~43.90m, 洞高0.30~10.80m, 洞顶板砾状灰岩厚度0.20~6.20m, 洞顶板覆盖土层厚度26.20~37.5 0 m。

溶洞多呈充填或半充填状态, 仅5个溶洞无充填物, 充填溶洞占溶洞总数的6 3.33%, 半充填溶洞占20%。充填物为流塑~软塑粘性土的溶洞占46.67%, 充填物为砂、砾石的占36.67%, 少量溶洞无充填。其中充填及半充填溶洞分布于砾状灰岩的上部, 埋藏浅, 与古河道连通性好。无充填的溶洞分布部位稍深, 规模小, 连通性较差。

3 成因分析

(1) 形成原因。富湾岩溶地面塌陷的发生与可溶性基岩、透水性较好的上覆土层和丰富的地下水有密切的关系, 其成因主要有以下几点:

(1) 可溶性基岩。基岩为上三叠统下侏罗统 (T3~J1) 砾状灰岩, 厚层状, 砾石成分为灰岩, 钙质胶结, 滴酸强烈起泡, 属纯度较高的碳酸盐岩。受北东向、北西向断裂构造的挤压作用, 基岩裂隙发育, 为地下水流动提供了通道, 使岩层中形成了大大小小的溶洞。在砾状灰岩顶面形成了岩溶谷地和岩溶漏斗, 使第四系的沉积基底高低不平。

(2) 渗透性较好的残坡积土。残坡积土层的土类和厚度是土洞发育的重要因素。区内存在两种类型的残坡积土层:一种是由砂页岩风化而成的残坡积砂土、粘性土, 其下伏基岩为全风化、强风化或中风化砂页岩, 砂页岩之下才是砾状灰岩, 钻孔中未发现有土洞。另一种是由砾状灰岩风化而成的残坡积粘性土, 含灰岩碎石, 这类残坡积土具有一定的粘结力, 也具有一定的透水性。残坡积层是孕育土洞的主要地质体, 其成分和结构、厚度决定了土洞的发育程度。

(3) 丰富的地下水。受北东向、北西向断裂构造的挤压作用, 基岩裂隙、土洞和溶洞发育, 碳酸盐岩类裂隙溶洞水 (岩溶水) 及基岩裂隙水丰富。区内地面平坦, 水位埋深浅 (1.05~3.08m) , 周围水系发育, 并与地下水具有良好的连通性。同时该区第四纪早期曾一度是古河道, 沉积了第四系底部的粉细砂、中粗砂和砾砂, 属中~强透水层, 对残坡积土层和基岩产生强渗流作用。

(2) 形成机制。区内砾状灰岩中溶洞发育, 粉细砂、中粗砂、砾砂和残坡积层分布于砾状灰岩的顶部。在漫长的地质历程中, 第四纪从河流相冲积演变到海陆交互相冲淤积, 随着季节的变化和海进海退的演变, 地下水位也随之升降变化, 地下水侵蚀基准面升降循环复往。当地下水位上升时, 干燥的残坡积土体逐渐被软化成软弱层;当地下水位持续下降时, 土体失去水的浮托力的同时, 水力坡度也急剧增大, 使孔隙水对土体的潜蚀作用加强, 在孔隙间真空负压及地下水的潜蚀作用下, 土体不断流失, 被搬运到下伏砾状灰岩溶洞中或随水流带走, 于是在砾状灰岩与上覆残坡积土层之间形成土洞。随着地下水位的频繁升降作用, 土洞向上发展扩大。当潜蚀作用穿透残坡积土层顶部时, 第四系冲积砂层就快速塌落, 上覆土层失稳, 便发生地面塌陷。

4 治理措施

根据地岩溶地面塌陷特征, 综合考虑经济、环境和效果等因素, 采用如下3种治理方法:

(1) 清除填堵法:主要用于塌坑较浅或浅埋的土洞。首先清除其中的松散土体, 然后填入块石、碎石, 做成反漏层, 最后在表层填筑粘性土, 并夯实。

(2) 灌注法:通过钻探或物探等查明土洞、溶洞后, 通过钻孔或岩溶洞口进行注浆, 注浆材料主要为水泥、碎石、砂和速凝剂等。灌浆方式可采用低压间歇定量式或循环式灌注, 间歇时间为7~8 h。

(3) 截排水法:对已发生岩溶地面塌陷的点, 应快速填筑粘性土或水泥土;范围较大或重要建筑物附近等, 还应修建必要的排水设施。防止水流汇聚于塌坑, 并下渗, 再次引发或加剧岩溶地面塌陷。

参考文献

[1]黄芝惠, 叶伟何, 李锋.广东省佛山市高明区富湾镇地面塌陷地质灾害勘查报告.广东省佛山地质局.2005.

岩溶成因篇2

浅析四川通江诺水河地质公园岩溶景观成因

诺水河地质公园内完整保留了岩溶作用各阶段的地质现象,形成了主题突出、类型多样的地质遗迹景观组合.该区出露了厚达2 248m的石灰岩地层,为岩溶作用提供了丰富的物质基础.自0.65亿年的古近纪以来受推覆构造影响,使区内地壳呈阶段式上升,产生大量水平裂隙和纵张裂隙,为岩溶作用提供了良好的通道.岩溶洞内形态万千、绚丽多彩的`钙华景观则是含Ca2+的水流经滴水作用、面状流水作用、池水作用、协同水作用、毛细管和旋卷流水作用的杰作.

作者：曹俊杨俊义郭建强杨更 CAO Jun YANG Jun-yi GUO Jian-qiang YANG Geng 作者单位：四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队,成都,610213刊名：四川地质学报英文刊名：ACTA GEOLOGICA SICHUAN年，卷(期)：29(2)分类号：P642.25关键词：岩溶景观米仓山台穹通江诺水河

岩溶成因篇3

关键词：塌陷；岩溶地面；地下水；防治

1、前言

2013年7月13号上午，某村庄发生地面沉降，对房屋墙体产生不同程度的破坏，居民家中房屋地面产生不同程度的裂缝，地面产生不同程度的下陷。

在地面沉降点附近，2010年5月，发生两处地面塌陷，塌陷坑长5m，宽5m，深5m。2012年4月，又发生两处地面塌陷，一处塌陷坑长4.5m，宽3.6m，深5.1m，另一处塌陷坑长4m，宽3.6m，深4m。2012年10月，发生地面塌陷，塌陷坑长16m，宽10m，深30m。

2、地面塌陷发生的环境

地面沉降区属第四系覆盖型石灰岩地带，地势比较平坦、开阔。地面沉降区发生地段地点，为正在养殖的螺旋藻养殖基地及养鳗厂附近。

沉降区及周边出露地层为：

一、第四系联圩组（Qhl）

岩性为粉质粘土、砂砾石层。厚度变化较大，粉质粘土厚度2.4～3.0m，砂砾石层厚度在6.0～30.0m之间。

二、石炭系上统壶天群（C2h）

属石炭系上统壶天群，岩性为灰岩、细晶灰岩，底部白云岩、白云质灰岩。灰岩溶洞与溶蚀裂隙发育，利于地下水渗入，储存与运移。上覆第四系。

3、塌陷区地下水开采现状

地下水开采主要由居民生活饮用水、养鳗场、螺旋藻养殖基地组成。

（1）居民生活饮用水：塌陷区附近居民约有5770人，按每人用水量0.15m3/d3，则居民生活饮用水用水量为866m3/d。

（2）养鳗场用水：采用四口机井开采岩溶地下水，从8月至今，开采量为1336 m3/d，之前开采量为现在的三倍，计4008m3/d。

（3）螺旋藻养殖基地：有五口机井开采岩溶地下水，地下水开采量平时为943m3/d，每月最大开采量1716m3/d。

地下水开采总量为866+4008+943=6760m3/d。超出地下水允许开采量（3470m3/d）的0.95倍。

4、地面塌陷的发生成因

导致塌陷区发生地面塌陷的因素比较复杂，它不仅与地质构造、地层岩性、水文地质条件有关，也与地形、地貌及地下水活动有关，还与开采地下水以及其它人类活动都有着直接或间接的关系。引发地面塌陷的原因既有地质环境因素，也有人为因素。主要因素有：

1）可溶岩地层是产生地面塌陷的基础条件

塌陷区为覆盖型灰岩区，上覆11.26～26.20米厚的第四系地层，下伏石炭系上统壶天群厚层状灰岩、白云质灰岩，灰岩主要化学成分为碳酸钙，具可溶性，在具流动性的地下水介质作用下易被溶蚀成溶洞，而溶洞，特别是第四系下伏的浅部溶洞又是产生塌陷的主导因素。溶洞形成后，在地下水的作用下，把溶洞上部土层颗粒逐渐带走，形成土洞，使土层工程性质局部变差，在一定条件下，产生塌陷。

塌陷区岩溶发育，在施工的7个钻孔中，有6个钻孔见有溶洞，钻孔遇洞率为85.7%，钻孔遇见溶洞洞高0.67～9.65米，线岩溶率23.6%。岩溶发育地段，塌陷也发育。

2）地下水水位的剧烈变动是产生地面塌陷的主要条件

岩溶地面塌陷的形成与地下水的作用密切相关，主要机理包括：

① 渗透变形效应

由于岩溶水位的下降，第四系土层孔隙水向下渗透补给岩溶水的作用增强，在集中渗流点（岩溶管道开口、裂缝）附近，作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形破坏。

②真空负压效应

由于岩溶水水位下降过快、幅度过大，第四系孔隙水（气）来不及补给岩溶含水层，在基岩面附近的岩溶管道裂隙系统中，就会瞬时产生负压，最大负压值可以达到相当于岩溶水位下降幅度的水柱高度，为了达到新的压力平衡，将会加速土层中的孔隙水（气）向下补给岩溶含水层，提高在集中渗流点（岩溶管道开口、裂缝）附近作用于上覆土层的水力坡度，当水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形破坏。因此，从这一角度看，真空负压效应诱发塌陷的本质还是土体的渗透变形，其主要发生在人类活动导致的水位大幅度快速下降条件下，本勘查区的大量抽取地下水导致水位快速下降，就会引起这种真空负压效应，而产生塌陷。

③浮托力丧失

土洞的形成导致了地下水位的降低，土体由于浮托力减小而出现下榻和破坏，同时充填在岩溶裂缝中的流塑状粘土随着地下水位的下降而发生流动，使得上覆土层出现变形，从而引起塌陷的发生。

④土体崩解

基岩面溶槽和天窗顶上的粘土在岩溶水的反复波动下不断经历脱水、饱水，导致土体崩解后形成土洞，随着土洞的不断扩大，就很容易最终形成塌陷。

3）地下水位的持续下降是产生地面沉降的主要因素

地下水位下降后得不到恢复，使部分原在水位以下的饱和土层出现在水位以上，土中的含水量逐渐变小，并丧失水的浮托力，土体有效应力增大，产生压缩固结作用，土层孔隙度变小，引起地面下沉。由于土层具不均匀性，还会产生不均匀沉降，导致房屋墙体开裂。

据现场调查和访问，塌陷区由于长期过量开采地下水，当地地下水位多年来逐渐下降，下降幅度为0.6～1.1米，部分民井枯水期已干涸。因此，过量开采地下水是产生地面沉降的主要原因。

5、地面塌陷的防治措施

根据资料分析，塌陷区产生地面塌陷的主要诱因为地下水开采量过大，地下水位长期得不到恢复，处于逐渐下降的趋势，为此，提出如下措施。

1）严格控制地下水开采量

地下水开采量达6760m3/d，其中居民生活饮用水866m3/d，螺旋藻养殖基地943m3/d，最大开采量1716m3/d，养鳗场4008m3/d。而地下水允许开采量为3470m3/d，实际开采量是允许开采量的1.95倍，区域地下水位已下降了0.60～1.10米。为控制地下水位下降，并逐渐恢复至正常水位，建议严格控制地下水开采量。为科学、合理开采地下水，控制主要地面沉降点的地下水位降深，根据多井抽水过程，按干扰井群抽水计算，预测各主要地面沉降点的地下水位降深。

2）在地面塌陷隐患区，对各地面沉降点进行定期监测，当发现沉降加剧时，应加密监测，并划出危险区，设立警示牌，及时疏散沉降危险区居民。

3）在地面塌陷重点防治区，除对各地面沉降点进行定期监测外，对沉降明显，影响居住安全的地段，建议进行地基加固处理，加固方法可采用注浆法，即按一定间距钻孔往地基土内注入水泥浆，加固深度以8米为宜。

参考文献：

[1] 郑彦华；李昌存；；唐山市典型岩溶塌陷概述[A]；中国地质学会工程地质专业委员会、贵州省岩石力学与工程学会2005年学术年会暨“岩溶·工程·环境”学术论坛论文集[C]；2005年

[2]肖明贵；桂林市岩溶塌陷形成机制与危险性预测[D]；吉林大学；2005年

作者简介：易教材，男，1965年7月生，籍贯江西吉水，汉族，华东地质学院（东华理工大学）地质勘查专业毕业，本科学历，现供职于赣州市矿产资源管理局，工程师职称。

岩溶成因篇4

1 井田地质概况

保利金庄煤矿位于山西省灵石县境内, 井田范围内地表黄土广泛覆盖, 切割剧烈, 沟谷发育。发育的主要地层有寒武系、奥陶系中下统、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、第四系;地质构造相对简单, 总体为一倾向NE的单斜构造, 地层倾角3~10°;宽缓褶曲轴迹呈NE-SW向展布, 断层不发育, 仅在井田西南部有一大型正断层, 走向近SN, 倾向NEE~E, 落差60m。主要含煤地层为太原组和山西组地层。矿井设计生产能力0.60Mt/a, 面积7.92平方公里, 目前2煤、4煤采空, 主采9煤、10下煤。

2 岩溶陷落柱发育特征

通过对金庄矿井上下地质调查, 发现了井田范围内岩溶陷落柱的诸多的地质特征:

2.1 地表出露特征。

地表地质调查共发现了岩溶陷落柱6个, 疑似岩溶陷落柱6个。其中确认的6个岩溶陷落柱均分布在基岩出露的沟谷中, 其出露的一般特征表现为:剖面两侧地层产状水平连续性好, 或两侧地层受塌陷牵引而向柱体中心倾斜, 倾角明显增大;柱体内部岩性混杂、大小不一的岩块或岩屑杂乱堆积, 岩性主要以砂岩、砂质泥岩为主, 未见第四系黄土塌陷、混杂堆积, 而是因风化作用、自然剥落, 黄土少量覆盖在柱体表面。出露的柱体宽度主要在10~40m之间;此外, 地表发现的岩溶陷落柱主要特征表现为盆状塌陷坑, 塌陷坑的规模或大或小, 一般坑底的植被较为发育。

2.2 井下出露特征。

井下采掘工程揭露了大量的岩溶陷落柱, 截止2012年11月底, 共发现111个岩溶陷落柱, 大小不一, 柱体剖面有全剖面亦有局部剖面, 主要出露特征归纳如下:岩溶陷落柱柱面形态有锯齿状、凹凸状、折线状等, 对称型或不对称;柱体与围岩边界有的为直接接触边, 清晰可见, 个别存在过渡带。柱体内的陷落充填物皆表现为岩性混杂、岩块 (岩屑) 大小不一、杂乱堆积的一般特征;充填物主要岩性有灰岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、泥状物质, 压实程度为松散~较紧密, 胶结程度以半胶结为主。此外, 岩溶陷落柱附近多见小型的正断层, 为岩溶陷落柱的伴生构造。

2.3 岩溶陷落柱形态特征。

岩溶陷落柱平面形态主要以椭圆状为主, 次圆状为辅, 且岩溶陷落柱大小规模悬殊较大, 最大者长轴长135.43m, 短轴长111.03m, 最小者长轴6.1m, 短轴仅3.5m;柱体剖面形态一般为锥形, 塌陷角相对比较大, 一般为600~800。由于未见完整岩溶陷落柱, 通过粗略估算, 井田内岩溶陷落柱发育的最大高度为185m, 一般高度以奥陶系灰岩顶面至井田内2号煤层的距离计算, 约为105~150m。岩溶陷落柱中心轴形态有近似竖直状, 歪斜状及轻微起伏的波状, 以近似竖直状为主。

3 岩溶陷落柱规律浅析

3.1 岩溶陷落柱分布规律。

井田内岩溶陷落柱发育数量很多, 密集程度大, 以群落形式出现, 总体呈NE-SW展布, 在井田东南或西南有岩溶陷落柱零星分布。井田内地质构造、地表冲沟地貌及奥灰岩溶水赋存情况等与岩溶陷落柱的发育关系密切:①井田内背斜倾伏端、向斜轴部、转折端、张性断裂两侧及断层交汇处等主要构造部位的岩溶陷落柱比较发育, 但密集程度有所不同, 以向斜轴部附近的发育密度最大 (图1) 。②岩溶陷落柱群的发育位置与井田内的冲沟一致, 柱群主要分布在冲沟的斜坡带上, 两者的基本方向也一致, 均沿着NE-SW方向展布;③岩溶陷落柱的展布方向亦与奥陶系灰岩地下水的径流方向一致, 为NE-SW向, 且主要分布在径流带中心轴两侧。

3.2 陷落柱伴生小断层发育规律。

井田内岩溶陷落柱的大量发育, 伴生了许多的小断层 (图2) , 这些小断层的特征主要表现为断层倾角大, 落差小 (0.1~5m) , 延伸长度短等, 主要集中分布在距离岩溶陷落柱0~25m的范围内, 走向延伸并无特定的方向, 但都与岩溶陷落柱的边缘呈相切的关系。

4 岩溶陷落柱成因探讨

华北型煤田岩溶陷落柱的形成是在下奥陶统含水可溶性岩层中古岩溶 (溶孔、溶洞) 的发育基础上, 地下水的强烈交替和水-岩作用下, 上覆石炭系、二叠系、三叠系等地层以自身重力、地应力集中以及溶洞内的真空负压 (图3) 三重作用为动力, 经过垮落、溶蚀、搬运、塌陷、冒落等周而复始的过程, 分阶段逐步形成的[3]。

4.1 奥陶系灰岩溶洞的形成。

根据井田周围的资料分析, 煤系地层之下, 奥陶系下统峰峰组和马家沟组可溶性岩层总厚度约500~600m。这些灰岩、泥灰岩、白云岩等可溶岩层构成了区域最主要的含水层, 广泛出露于区域东部、西部及北部地区, 富含岩溶裂隙水。此外, 该厚层可溶性岩中含有大量石膏层, 在构造作用下易发生膏溶作用;随着中生代以来的地壳升降运动不断地发生与发展, 在奥陶系地层中形成众多的裂隙、孔洞。

4.2 强烈的地下水径流活动。

井田范围属黄河流域汾河水系, 水文地质单元属郭庄泉域, 位于郭庄泉域北中部径流区。泉域的东部, 西部和北部出露的寒武、奥陶系石灰岩直接接受大气降水和河床渗漏补给, 地下水由东北及西北向南运动, 在汾河断层西南段汇合, 沿汾河水流方向由北向南运动[5]。据周边水文井统计资料显示, 井田范围内奥灰水含水丰富, 地下水径流条件较好。地下水径流的强烈活动, 导致煤系底板灰岩岩组不断溶蚀、冲蚀, 进一步扩大了底部可溶性岩层中的裂隙和孔洞, 为岩溶陷落柱的形成提供了塌陷的空间。

4.3 地质构造的控制作用。

地质构造条件与岩溶陷落柱的形成有着密切的关系, 主要表现着两个方面:一是区域地质构造作用控制着岩溶的发育分布, 二是小范围内的小型构造变动提供了岩溶陷落柱发育的动力条件。多次的构造运动, 特别是燕山运动和喜山运动在研究区形成了一系列褶皱和断裂, 出现大量构造裂隙和破碎带, 这些构造节理及裂隙带的存在, 成为岩溶发育的重要控制因素[6,7]。构造运动所引起的区域差异性的升降, 对研究区地下水径流方向的改变也起到了重要的控制作用。此外由于构造作用所引起的地下水水位的不断升降、向斜核部的“真空吸蚀”、岩体沿临空面的拉裂破坏、构造应力集中等作用, 也对岩溶陷落柱的发育起到了很好的促进作用。综合以上分析, 认为研究区岩溶陷落柱的形成是在晚奥陶世之后构造运动的作用以及区域的埋藏与抬升、地下水径流的作用下不断地溶蚀垮落、堆积、运移、塌陷, 在诸多因素的影响下最终形成的。并分析陷落柱的特征认为, 井田内岩溶陷落柱形成时代主要集中在中生代晚期的侏罗纪 (或白垩纪) 到第四纪以前的这一段地质历史时期内。

5 结论

5.1 金庄煤矿陷落柱发育, 部分出露地表, 平面形态主要以椭圆状为主, 次圆状为辅, 陷落柱发育规模大小不一, 相差悬殊, 主内充填物多为灰岩、砂岩、粉砂岩、泥岩, 且压实较为紧密。

5.2 研究区陷落柱发育分布具有一定规律性, 表现为:在褶曲、断层附近发育, 同时, 与研究区内冲沟及奥灰水径流带的展布方向具有一致性。

5.3 研究区内众多陷落柱的形成与区内构造及奥灰水活动密不可分, 主要是晚奥陶世之后构造运动的作用以及区域的埋藏与抬升、地下水径流的作用下不断地溶蚀垮落、堆积、运移、塌陷而成, 同时, 研究认为区内陷落柱主要形成于中生代晚期的侏罗纪 (或白垩纪) 至第四纪时期。

摘要：以陷落柱发育的山西金庄煤矿为研究区, 研究了区内岩溶陷落柱的发育特征与发育规律, 发现研究区陷落柱平面形态以椭圆状为主, 次圆状为辅, 发育规模相差悬殊, 最大者长轴长135.43m, 最小者长轴仅6.1m;同时, 区内陷落柱的发育位置主要的分布于褶曲、断层、冲沟、奥灰水径流带附近, 且与研究区构造展布方向一致。在此基础上探讨了陷落柱的成因, 认为区内陷落柱主要是在晚奥陶世后构造运动作用以及区域的埋藏与抬升、地下水径流作用下不断地溶蚀垮落、塌陷而成, 同时, 研究认为区内陷落柱主要形成于中生代晚期的侏罗纪 (或白垩纪) 至第四纪时期。

关键词：金庄煤矿,岩溶陷落柱,发育规律,成因探讨

参考文献

[1]付晋清.西铭矿陷落柱的分布规律及预测[J].应用研究, 2010, (10) 10:55-56, 67.

[2]尹尚先, 武强, 王尚旭.华北煤矿区岩溶陷落柱特征及成因探讨[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23 (1) :120-123.

[3]张书林, 张子敏, 王运革等.潞安常村井田陷落柱分布规律与成因初探[J].河南理工大学学报 (自然科学版) , 2011, 30 (3) :283-287.

[4]尹尚先, 吴文金, 李永辉等.华北煤田岩溶陷落柱及其突水研究[M].北京:煤炭工业出版社, 2008, 45-50.

[5]张敬凯.山西曹村井田岩溶陷落柱发育规律研究[D].邯郸:河北工程大学, 2009.

[6]周建军, 王经明, 侯大勇.任楼煤矿陷落柱的成因与分布规律探讨[J].煤田地质与勘探, 2005 (1) :112-115.

岩溶成因篇5

1 云南省岩溶区石漠化成因

云南省喀斯特地区地处湿润季风气候, 年降水量丰沛但季节性分配极不均, 在降雨或径流等运营力的作用下, 造成表土逐层丧失, 基岩裸露, 植被覆盖率迅速下降, 造成严重的水土流失, 生物群落不发育, 甚至向低级发展, 区域环境恶化, 一个完整的岩溶生态系统走向恶性循环。高强度的集中连片樵采容易导致植被破坏、土壤流失, 加重了石漠化;过度放牧加重了水土流失和石漠化;无序的工矿建设开发的原因。总的来说, 地质、地貌、植被、土壤、气候等自然因素和不合理的人类活动综合作用导致了石漠化[2]。

1.1 干旱缺水

云南省岩溶区属于中亚热带到北热带湿润季风气候, 大部分地区冬季温暖而夏季炎热, 年降水量丰沛但季节性分配极度不均, 使得域内时常会发生伏旱, 石漠化问题严重。

1.2 特殊地貌土壤

构造运动产生较大的地表切割和较高的地形坡度使得岩溶地区地形陡峭, 季风气候为石漠化、碳酸岩地貌强烈发育和土壤淋溶提供了必要的侵蚀营力和溶蚀条件, 陡峭形势更加严峻。岩溶区土壤“挂葫芦”不连续, 土壤富钙而偏碱性, 岩石裸露率高, 由于成土母岩多为碳酸盐岩, 自然造土能力低, 成土速度缓慢, 土壤风化层簿, 极易淋溶风化的碳酸岩地貌为石漠化提供了物质基础。

1.3 表土流失严重

土地是人类生存发展的物质基础, 在云南的大部分山地岩溶区, 土层浅薄, 坡陡岩峭, 植被覆盖率低, 强烈的地表径流, 土壤极难固持, 季节性集中的大雨、暴雨为水土流失提供了强大的动能[3], 地表植被覆盖少, 土壤裸露, 降雨集中, 强烈的地表径流造成严重的水土流失带走了肥沃的表土, 使耕地质量越来越低, 土层越来越薄, 石头出露, 久而久之形成大面积石漠化, 导致人们生存条件的丧失[4]。

1.4 开发建设、人口增长等人为因素加快石漠化进程

人为因素系局部地区石漠化扩展的主要原因之一, 陡坡耕种, 毁林开垦、毁草开垦的现象非常严重。大规模的开发建设活动对岩溶区域的水、土、生态环境、小气候造成了极大的压力, 总结调研县的实际情况, 开矿, 交通、水利、电力等建设不可避免的造成大面积的土地开挖和植被破坏, 使得地表裸露开挖坡面无防护、松散堆积、重塑地貌甚至改变水系, 并产生了大量弃土、弃渣, 加剧了区域土流失, 更加快了石漠化进程。

2 云南岩溶区石漠化目前的治理模式

云南省在岩溶区四个试点县治理工程具体实施过程中总结出比较成功的治理方法, 总结分析主要有三种模式[5], 发挥了较好的生态、经济和社会效益。

(1) 生态经济型模式。以产生经济效益为目标, 以生态经果林 (草、药) 为主的植被恢复模式, 结合岩溶地区的环地貌气候点, 选取适应性较强的乡土植物种, 因地制宜的植树种草。

(2) 人工造林或封山育林模式。通过植树造林恢复林草植被, 在岩石严重裸露的地区实行全封或轮封, 在石漠化早期阶段实行封山;在国家政策支持下, 大于25°的陡坡地区严禁开荒垦殖, 根据土地禀赋大面积营林还草。

(3) 小流域治理模式。以小流域为治理单元, 在在石漠化、坡耕地等地貌类型区和不同岩石类型区, 采取不同的工程技术配置, 以植被修复、坡面径流调控、城郊经济开发型、清洁小流域为主题采取工程或植被措施, 调整流域内产业结构。

3 云南省岩溶区石漠化治理存在的问题

岩溶区石漠化的发生、发展过程实际是在脆弱的生态环境地质条件下, 人为活动破坏生态系统平衡导致地表覆盖减少的土壤侵蚀过程。云南省虽积累了大量石漠化治理的经验但仍旧存在一些问题:

(1) 治理对象局限性, 仅着重灌木林地、疏林地、中低覆盖草地以及裸岩石砾地的植被修复与土壤改良, 忽视了对水利水电、采矿、交通等开发建设项目的生态修复。

(2) 治理措施配置细化程度不够, 很多地方还存在山顶山脚山前山后一个模子, 没有彻底遵循“因地制宜、因害设防”原则。

(3) 治理观念有待加强, 很大程度上依托自然修复, 忽视人的主观能动性, 灾害预防的重视不够, 普遍存在“重治轻养”的现象。

4 云南省石漠化治理建议

4.1 人口密集地采取小流域治理综合治理模式

4.1.1 改善立地条件、调控坡面水系

岩溶区石漠化地区被称为造林困难地带和造林育林的“硬骨头”, 其关键原因是石漠化区域地表土壤贫瘠, 土层薄, 土壤水分严重缺失。因此, 开展石漠化化区域治理工作, 必须优化小流域立地条件;森林植被恢复与重建使岩溶地区可以有相对均衡的地下水出露, 调控区域内坡面水系。

4.1.2 注重沟道治理, 突出水系工程

石漠化地区由于地表覆被差, 在雨季具有汇流速度快, 地表径流量大等特点, 加之人为因素易造成局部地段的垮塌, 形成混合侵蚀, 致使下游农田、水库淤积严重的特点, 在石漠化治理工作中, 还需要加强沟道治理工作。通过修建防涝沟、排灌引水措施、维修和改造五小水利设施, 提高灌溉能力, 高效利用石漠化区域的水土资源。

4.1.3 退耕还草还林, 发展养殖和经果林产业

石漠化地区贫困的主要原因是缺水, 其次是土壤肥力差。适宜发展养殖业, 应大力推广圈养鸡、羊、马、牛、猪等。退耕还林 (草) , 可在果林下种植牧草和绿肥, 不仅可以获得优质高产的饲草, 同时主观能动的保护了土壤, 饲草喂家畜, 粪便成为生产沼气的原料, 循环经济, 形成产业链[6]。

4.2 山区人少地采取生态修复治理模式

在云南岩溶区生态严重退化地区或森林植被保存较好的地区, 结合地区地貌、自然、社会、经济状况, 选择原生性、群落等级相对较高的自然保护区、原始森林区、野生动植物原生地、天然林区、岩溶风景区等特殊功能区, 建立特别保护区, 减少或避免人为扰动, 严禁各种开发建设活动, 这对于各种动植物的保护将起到非常重要的作用。设计在具有一定数量母树具有萌芽更新能力的植株或伐桩等无性繁殖体或邻近有母树种子来源的地段采用封山育林技术。在强度以上岩溶石漠化地块, 生境极度严酷, 如高山陡坡等造林极困难的地段, 也需进行封山育林, 防止生境进一步恶化。

5 研究展望

岩溶区山地石质化发展的趋势被认为是不可逆的过程, 一些早期被认为是有成效的治理模式目前也暴露出了很多问题, 取得的初步成效能否持续还有待进一步检验, 石漠化治理的任务依然艰难, 需要从理论上加以研究和总结。云南省岩溶石漠化研究应从如下几方面加强:

(1) 深入开展云南省岩溶石漠化机制研究;

(2) 石漠化敏感性研究, 建立岩溶山区生态安全监控预警系;

(3) 将地理信息系统科学运用在石漠化研究, 实时动态监测石漠化状况;

(4) 石漠化治理综合模式研究并对构建其效益评价指标体系;

(5) 综合治理模式中各单项技术研究, 岩溶水位选择及取水技术、工程防渗、水源保护、水质净化、节水灌溉、保土保水等技术的研究。

摘要：云南省是全国岩溶分布最广的省区之一, 也是岩溶石漠化严重的省份。本文通过现场调研, 总结归纳岩溶区石漠化成因为干旱缺水、特殊地貌土壤、表土流失严重、人为因素等, 并在此基础上分析云南省目前存在的石漠化治理模式, 结合小流域综合治理模式, 提出可操作性的建议, 为同类岩溶区石漠化治理提供借鉴。

关键词：岩溶区,水土流失,石漠化,生态修复

参考文献

[1]赖兴会.云南石漠化的生态特征及其危机表现[J].林业调查规划, 2004 (2) :80~82.

[2]李瑞玲.贵州岩溶地区土地石漠化形成的自然背景及其空间地域分异[D].中国科学院研究生院 (地球化学研究所) , 2004.

[3]谷晓平, 于飞, 刘云慧, 等.降雨因子对喀斯特石漠化发生发展的影响研究[J].水土保持通报, 2011 (3) :66~70.

[4]张静.酉阳石漠化现状评价及分区治理研究[D].重庆师范大学, 2006.

[5]刘建忠, 郭颖, 王六平, 等.贵州喀斯特石漠化地区生态修复现状及治理措施[J].安徽农业科学, 2011 (19) :84~86.

岩溶成因篇6

1 桂阳高速公路土洞及塌陷发育的地质背景

1.1 项目概况

桂林至阳朔高速公路位于广西桂林市的临桂县、雁山区和阳朔县,整条线路从岩溶峰林平原、峰丛洼地或谷地穿过,为典型的覆盖型及裸露型岩溶发育地区。仅路段K11～K23在施工时就揭露有200多个土洞,土洞最密集区域达到53个/km。最大规模塌陷发生在K16,塌坑直径达到10 m,坑深有6 m(见图1)。

1.2 桂阳路土洞发育条件

土洞是在有覆盖土的岩溶发育区,特定的水文地质条件使岩面以上的土体遭到溶蚀和冲刷流失迁移,从而形成的土中的洞穴和洞内塌落堆积物以及引发地面变形陷落破坏的地质现象总称。土洞或塌陷的形成和发展受诸多因素的影响。图2为桂阳路土洞发育模式,结合桂阳高速路工程地质条件具体分析如下。

(1)溶洞是土洞发育的基础

桂阳路K9～K23段地处地下河分水岭附近,为季节性湿地。下伏基岩岩溶洞隙主要发育在地层浅部,以地下溶槽、溶沟为主。岩溶洞隙由于浅部地下水活动频繁交替强烈,连通性较好,地下形成错综复杂的洞隙网络系统十分有利于土洞的发生。

(2)浅薄的覆盖层

覆盖层是土洞的物质来源。桂阳路土层为典型的残积黄红色粘土,土层厚度达3～4 m。红粘土网状裂隙发育,红粘土虽干燥时强度较高,但水稳定性较差,遇水后极易湿化崩解,而使其强度急剧降低。

(3)外界动力条件

水活动是岩溶塌陷形成的最重要的因素。K9～K23段位于地下水分水岭附近,垂向岩溶沟、槽发育,区内地下水位常年在基岩面上下波动;地下水位较高,一般为地表下2 m左右波动,特别随季节变化在岩土交界面往复升降,造成土洞的发育;加之附近人类的用水活动以及工程施工基坑降水等活动,造成水环境的剧烈改变,促使了土洞塌陷的发生。

2 土洞勘察及发育特征

2.1 地质雷达方法探测土洞结果

土洞在地下水位以上时,充入空气;在地下水位以下时,充水或淤泥。从表1对比结果可知,土洞与粘土之间存在物性差异,为物探方法的应用提供了基础。通过在施工过程中发生数次处地面塌陷的K22+920～K23+190段不同物探探测土洞试验表明:地质雷达具有效率高、成果直观等特点,是探测埋藏小于10 m、尺寸小于3 m土洞的最佳方法[3]。

采用100 MHz工作天线进行连续剖面扫描,移动速度约1 m/s。选择观测时窗200 ns,探测深度约10 m。地质雷达垂直分辨率约为0.1 m,在粘土中为0.25 m,可以满足土洞探测精度要求。在试验路段前后2次共发现土洞或土层异常点33个,见图3。

2.2 地质雷达探测土洞结果验证

为了验证物探工作成果的准确性,在现场对探测结果显示的土洞或异常点采用机械直接开挖的方法。Ⅰ、Ⅱ号探槽均揭露出土洞(见图4),反映探测方法是可靠和有效的。揭露的土洞的最大直径(或长轴)4 m,下部一般为充填软土,空腔高度较小约1 m。

2.3 隐伏土洞分布及发育特征

继续通过地质雷达对桂阳路其他土洞发育段进行了勘察。根据K12～K46共300多个隐伏土洞的统计,土洞的分布具有以下规律:

(1)全线土洞分布不均,多数集中分布在密集土洞带内,其中以K43+100～K43+400段最为密集,达到每百米路段43个(见图5);

(2)土洞跨度绝大部分为2～4 m,规模不大;

(3)埋深绝大部分为1～5 m,土洞与下伏基岩岩溶有密切联系,有的土洞发育在隐伏溶潭上;

(4)发育快。自然形成的土洞受施工等人工活动影响,向上发育速度很快,根据陆续出现的塌陷土洞顶板厚度分析,其向上发育速度最快约为1m/年。

(5)土洞主要分布在地下水波动带内。地下水位在雨季期间变化较大,旱季则低于基岩面,此类地下水在基岩面上下波动的水动力模式,对土洞的形成和发展极为有利。

3 公路路基岩溶土洞处治措施

3.1 桂阳路土洞分类

从桂阳路土洞发育机理上分析,属于地下水冲蚀(潜蚀)形成土洞。土洞应进一步分类,以下分类主要根据土洞规模和危害程度进行:

第1类,跨度≤4 m的一般土洞,大部分土洞属于此类;第2类,跨度>4 m的大型土洞,此类土洞埋深较大,埋深浅的多数已形成塌陷,此类危害较大;第3类,浅埋(<2 m)密集土洞或塌陷,此类危害程度最大。

不同类型土洞对公路潜在危害程度不同,工程上应针对不同土洞特点选择适合的处治措施。

3.2 土洞处治方法

(1)现有处治方法存在问题

一般方案对已暴露的土洞塌陷采用开挖清理后再回填片碎石,在顶部加铺土工格栅或土工布的方法,但回填片石的工艺未按反滤层进行处理;实际证明该方案施工3～5个月,多处路基先后发生不均匀沉降和塌陷,分析其原因有以下2个问题:

一是由于较强的动力地下水对填石体细料的冲刷和对填石体对周围土体的侧向作用,可能使填石细料被淘空和周围土体产生新的破坏区(见图6);二是简单地对已暴露出来的土洞进行开挖处理过程中,会局部改变水动力条件,引起土洞外侧地下水的流动,造成土洞周围地下水动力条件发生突变,有可能在相邻的地方形成新的土洞。图7为地质雷达探测已处理过的岩溶土洞图像证明了存在这种现象。

(2)改进思路

水动力条件的变化是土洞发育发展的驱动力,首先应阻止土洞的发展,其次才是采取措施保证上部路基的稳定。由于岩溶和岩溶水的复杂多变性,改变水动力条件可能引起更多其他问题,因此目前主要从改变土层的性质对土洞发展进行限制,如采用常见的各种灌浆加固、充填和换填土层措施等。

3.3 灌浆法

对小型土洞,或者埋深大于4m的土洞(第1、2类),如采用开挖的处理方法,可能出现图7的不利情况。而钻孔注浆的方法则具有成本低、速度快、水泥的胶结可以有效防止土洞扩展,对土洞周边土层影响较小等优点。只要是尚未产生塌陷的土洞,均可优先采用此方法。

3.4“开挖-反滤层填石+土工布”法

对于土层厚度较小的土洞密集区,或土洞塌陷已经暴露和探测结果显示土洞规模(跨度)大于2 m以上时(第3类),建议采取该方法(见图8)。

与原开挖处治方法相比较,该方法主要做了2方面的改进:

(1)反滤层填石的结构。采取块石+片石+顶部碎石的结构,反滤层的设置能防止地下水对土体的潜蚀和对填料的冲刷,阻止细料的流失。一般相邻2级滤层的相差粒径不应超过2～3倍。回填以前应尽可能将基岩面清土干净;

(2)设置土工布的隔滤夹层。在基岩面上或块石码砌以上,采用土工布帷幕的形式过滤隔细粒土的作用,防止随填石体空隙间地下水的流动导致细料及土的流失,进而导致周围土体的破坏。应注意反滤层顶部也应覆盖土工布,防止上部周围填土的流失。四周包围的土工布要注意保证搭接长度,应保障50 cm以上。

3.5 处治效果

在14#土洞处治后,采用地质雷达再次探测,并将结果和处治前的原图像进行比较表明,灌浆处理后土洞的轮廓尚在,但已没有空洞(见图9)。第3类土洞按要求开挖回填后路基稳定也未出现新土洞发育。

4 结论