武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律

1、武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律第4期官善友等.武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律145文章編號:16728262(2008)o414505中圖分類號P642.252文獻標識碼:B武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律官善友,蒙核量,周淼(武漢市勘測設計研究院,湖北武漢430022)摘要:研究武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律,對于巖溶地面塌陷地質災害防治,巖溶地區(qū)建(構)筑物基礎設計與施工,巖溶地下水研究等有重要作用.文章研究了大量區(qū)域地質資料和鉆孔資料,總結了武漢市巖溶的空間分布,得出了淺部巖溶較發(fā)育,溶洞發(fā)育規(guī)模較小等規(guī)律;中,南部三疊系大冶組(Td)灰?guī)r鉆孔見洞率為19.5%,溶洞平均高度1.19m,洞頂完整灰?guī)r平均厚度0.7

2、5in;中,南部石炭系黃龍組(C2h1)二迭系棲霞組(Pq)灰?guī)r鉆孔見洞率為22.8%,溶洞平均高度1.15in,洞頂完整灰?guī)r平均厚度1.94in.關鍵詞:武漢市;巖溶分布;發(fā)育規(guī)律;巖溶特征1引言巖溶是發(fā)育在可溶性巖石地區(qū)的景觀,是水(地表水,地下水)對可溶性巖石(碳酸鹽巖,硫酸鹽巖,鹵素巖等)的化學作用(溶蝕,沉淀)和物理作用(流水侵蝕,沉積,崩塌和堆積)等,以及這些地質作用所產生的水文現象.可溶性巖石以碳酸鹽類巖石為主,硫酸鹽,鹵素巖分布面積小,巖體較小,巖溶發(fā)育也不典型.巖溶形態(tài)按照地貌形態(tài)分為巖溶侵蝕地貌形態(tài)(溶隙,溶溝,溶槽,溶洞,落水洞,暗河,巖溶湖,溶蝕洼地,溶蝕盆地,峰林,孤

3、峰等),巖溶堆積地貌形態(tài)(石灰華,石鐘乳,石筍,石柱等)兩類,巖溶類型按照埋藏條件分為裸露型巖溶,覆蓋性巖溶和埋藏型巖溶3類.我國是一個巖溶大國,面積達344萬km,占國土面積的1/3強;從溫帶到熱帶,從半干旱到濕潤,我國的巖溶類型發(fā)育齊全.武漢市地處我國中部,屬亞熱帶大陸季風氣候;區(qū)內分布南北3條近東西向覆蓋型碳酸鹽巖條帶,碳酸鹽巖主要為石炭系中統黃龍組(Ch1)灰?guī)r,二迭系下統棲霞組(Pq)灰?guī)r夾炭質灰?guī)r及三疊系下統大冶組(Td)灰?guī)r,泥灰?guī)r2;南部碳酸鹽巖條帶巖溶發(fā)育明顯強于北面條帶,武漢市近幾十年發(fā)生的巖溶地面塌陷全部位于南部碳酸鹽巖條帶之上.研究武漢市巖溶分布及發(fā)育規(guī)律,對于城市規(guī)劃

4、,工程建設,地質災害防治作用重大.2巖溶作用巖溶作用的基本原理是水,二氧化碳和碳酸鹽巖的化學反應所致,其反應方程式為:CaCO3+CO2+H20Ca+2HCQ-這是一個總反應方程式,根據Plummer等(1978),巖溶作用由H0一C0系統對方解石表面的3個不同的溶解反應組成:CaCO3+H甘Ca¨+nco;CaCO3+H2C03甘Ca+2HC03-CaCO3+H2OCa+c0;一+H20從以上方程式可以看出,巖溶作用的強烈程度主要受方解石表面的H,HC03-,CO;一,HCO和ca濃度的控制.含CO的水對方解石的溶蝕過程一般分為4個階段:首先是CaCO溶解于水,生成Ca和CO;一離

5、子;其次是溶解于水的CO與水反應,化學態(tài)的CO在水中電離成H,nco;離子,生成的H與第一階段產生的CO一結合生成nco;離子,打破第一階段CaCO.的溶解平衡,引起CaCO的不斷溶解;化學態(tài)CO:不斷與水結合,生成碳酸,其平衡也被破壞,使物理態(tài)的CO與水結合而轉化為化學態(tài)CO,成為新碳酸;第四階段也就是水中CO與外界CO”平衡一平衡破壞一再平衡”的平衡關系.3武漢市巖溶分布3.1巖溶空間分布根據蓋層的特點,武漢市巖溶主要分為覆蓋型和埋藏型兩種類型,裸露型巖溶在武漢市區(qū)極少分布.覆蓋型是指碳酸鹽巖之上直接覆蓋第四系松散堆積物,埋藏型是指碳酸鹽巖之上有白堊下第三系巖層覆蓋.(1)覆蓋型巖溶空間分

6、布收稿日期:2OO80409作者簡介:官善友(1968一),男,高級工程師,主要從事巖土工程及地質災害防治等技術管理工作.城市勘測2008益受區(qū)域地質構造的控制,覆蓋型碳酸鹽巖自北向南主要呈3個近東西向條帶分布(圖1):北部碳酸鹽巖條帶分布于武漢市北部,自岱家山,經天興洲,蔣家墩,至武漢鋼鐵公司,東西長約17km,南北寬0.52.0kmJ.由于該條帶以白云質灰?guī)r為主,礦物成分含碳酸鎂,相對較難溶蝕,溶蝕現象不明顯,僅在鉆探巖芯表面發(fā)育小溶孑L;至今未發(fā)生巖溶地面塌陷地質災害.中部碳酸鹽巖條帶分布于大橋向斜的核部,西起漢陽七里廟,經龜山南側蓮花湖一帶,跨過長江,穿過蛇山與鳳凰山之間的平地,東至洪

7、山以北的水果湖一帶,呈近東西走向,南北寬約1.52.0km,其上主要覆蓋Q粘性土,頂板埋深12.951.om.雖然溶洞較為發(fā)育,但未發(fā)生巖溶地面塌陷.南部碳酸鹽巖條帶分為兩個亞條帶.第一亞條帶分布于關山向斜核部,西起漢陽三里坡,經鸚鵡洲,過江后穿阮家巷,陸家街,東至武昌車輛段一帶,寬1.52.0km,最寬處達3.0km;在鸚鵡洲一陸家街一帶,碳酸鹽巖頂板埋深13.0832.81m,為巖溶地面塌陷集中多發(fā)地段;僅紫陽湖南側武昌火車站武昌車輛段一帶上覆Q老粘性土,其余均為Q松散沉積物覆蓋.第二亞條帶處于獅子山向斜的核部,主要分布在南湖的周圍,西起永安寺,東至武昌牛奶場,寬約1.5km,上部覆蓋Q松

8、散沉積物(局部為Q沉積物),厚約30m,近幾年發(fā)生的青菱寺,喬木灣巖溶地面塌陷均位于本帶.另外,在毛坦港省農機研究所一帶分布有小范圍呈天窗狀石炭系三疊系碳酸鹽巖,面積約0.57km.(2)埋藏型巖溶分布埋藏型碳酸鹽巖在漢陽主要分布于墨水湖以南,東側與上述南部碳酸鹽巖條帶在鸚鵡洲接壤,南北寬約3km,東西長約2km,上覆蓋第四系地層,其下為白堊下第三系砂巖,泥巖,下伏碳酸鹽巖埋深在51.4103.6m.在武昌主要分布在白沙洲至南湖之間,東西長約9km,南北寬約3km,碳酸鹽巖埋藏較深.埋藏型碳酸鹽巖分布區(qū)巖溶地面塌陷地質災害不發(fā)育.圖1武漢市區(qū)碳酸鹽巖分布圖3.2巖溶地下水動態(tài)特征(1)三疊系大

9、冶組(T1d)碳酸鹽巖裂隙巖溶水大橋向斜武昌小熊村以東,漢陽七里廟以西以及關山向斜廟山以東地段,巖裂隙巖溶水水位明顯受大氣降水影響,表現為天然動態(tài)型,地下水位年變幅4.8113.大橋向斜大東門至南望山,關山向斜桂子山至關山和漢陽七里廟以東地段,地下水位表現為人為動態(tài)型,地下水位16.7523.83113.,年變幅7.18m.第4期官善友等.武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律147(2)石炭系黃龍組(C2h1)二疊系棲霞組(Pg)碳酸鹽巖裂隙巖溶水武昌馬鞍山一帶石炭系黃龍組(C2h1)二疊系棲霞組(Pg)碳酸鹽巖裂隙巖溶水,水位動態(tài)表現為人為動態(tài)型(圖2),地下水位為23.8426.27m,年變幅2.43

10、m圖2碳酸鹽巖(C2hlPIq】裂隙巖溶水地下水水位歷時曲線圖【其他地段裂隙巖溶水水位動態(tài)表現天然動態(tài)型,主要受大氣降水影響,沿江地段受長江動水位影響,地下水位一般為15.4124.09m,年變幅7.68m.4武漢市巖溶發(fā)育規(guī)律4.1巖溶發(fā)育的一般規(guī)律一般情況下,巖溶化程度最強為灰?guī)r,其次為白云質灰?guī)r和白云巖,再次為泥質灰?guī)r.碳酸鹽晶粒愈粗,溶解度就愈大,巖溶愈發(fā)育;巖層愈厚,巖溶就愈發(fā)育;張性斷層附近的巖溶發(fā)育程度較強,壓性斷層附近巖溶發(fā)育程度相對較弱;背斜,向斜的軸部,巖溶較發(fā)育;碳酸巖鹽與非可溶巖的不整合接觸帶巖溶較發(fā)育;地下水活動強烈的區(qū)域,巖溶發(fā)育強烈.武漢市區(qū)分布的近東西向條帶狀隱

11、伏碳酸鹽巖,多呈緊閉型褶皺,厚度均不大(黃龍組灰?guī)r厚約30m,棲霞組灰?guī)r厚約150m).灰?guī)r傾斜較陡,局部直立甚至倒轉.巖溶較發(fā)育的地層以棲霞組中厚層灰?guī)r為主,其次為黃龍組和大冶組灰?guī)r.巖溶發(fā)育的深度從基巖面直至一100m以內,最深者達一127.5m;其間可劃分為35個溶洞層,每層溶洞高度0.510.0m不等;一級階地巖溶連通f生較好,特別是碳酸鹽巖和碎屑巖的不整合接觸部位.4.2三疊系大冶組灰?guī)r(T.d)淺部巖溶發(fā)育規(guī)律某場區(qū)位于武昌巡司河旁,長江沖積一級階地,屬覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū);第四系覆蓋層厚度18.230.3m,自地面至基巖面依次為人工填土,軟至可塑粘性土和稍密至中密粉細砂;地下水以孔隙

12、承壓水和巖溶裂隙水為主;為武漢市巖溶及巖溶地面塌陷研究的代表l生區(qū)域.因工程建設的需要,共完成了927個鉆孔,所有鉆孔均鉆入完整灰?guī)r5m,揭露了該地區(qū)三疊系大冶灰?guī)r(Td)淺部巖溶發(fā)育規(guī)律.(1)鉆孔見洞率927個鉆孔中,遇溶洞鉆孔為181個,見洞率19.5%;遇溶洞總數210個.共23個鉆孔遇多層溶洞,其中19個鉆孔遇2層溶洞,2層溶洞見洞率2.0%;3個鉆孔遇3層溶洞,3層溶洞見洞率0.3%;1個鉆孔遇4層溶洞,4層溶洞見洞率0.1%.分析這些數據,說明該地區(qū)淺部巖溶較發(fā)育,鉆孔見洞率19.5%,與武漢市其他地區(qū)數據相近,約為20%.(2)溶洞充填物鉆孔揭露的210個溶洞中,全充填溶洞65

13、個,占溶洞總數的31.O%;半充填溶洞64個,占溶洞總數的30.5%;無充填物溶洞81個,占溶洞總數的38.5%.含充填物的129個溶洞,充填物為碳酸鹽碎石,塊石的溶洞7個,占5.4%;充填物為粘性土,碎石混合物的溶洞34個,占26.4%;充填物為粘性土的溶洞88個,占68.2%,粘性土充填物呈軟塑硬塑狀態(tài),強度變異很大.這些數據表明,該地區(qū)碳酸鹽淺部發(fā)育溶洞絕大部分為無充填或半充填(占69.0%),2/3的充填物為軟塑硬塑粘性土,強度變異很大.說明該地區(qū)巖溶連通性較好,巖溶地下水活動較強烈.(3)溶洞高度鉆孔揭露的210個溶洞的鉛直高度h從0.16.6m不等,平均高度1.19m.統計溶洞高度

14、位于h<0.5m,0.5mh<1.0m,1.0mh<1.5m,1.5mh<2.0m,2.0mh<3.0m,3.0mh<5.0m,h5.0m區(qū)間的數量,分別占總數量的13.3%,33.3%,21.9%,16.7%,10.5%,3.3%和1.0%.結果見圖3.0.51.0t,52,02.53.03.54,0455,05.5溶洞島/m圖3溶洞高度分布圖如加城市勘測2008正統計數據表明,溶洞高度h大部分位于0.51.5m區(qū)間,占總數的55.2%,說明該地區(qū)溶洞發(fā)育規(guī)模相對較小.(4)洞頂完整灰?guī)r厚度溶洞頂完整灰?guī)r的厚

15、度,對于樁基礎設計與施工,巖溶地面塌陷分析預測有較大作用.研究遇到灰?guī)r的181個鉆孑L揭露的洞頂完整灰?guī)r厚度日,最小為0.1m,最大為4.0m,平均0.75m.對應于H<0.51TI,0.51TIH<1.0m,1.0m<2.0m,2.0mH<3.01TI,H>t3.0m區(qū)間的鉆孑L數量分別為86個,49個,34個,10個,2個,分別占總數的47.5%,27.1%,18.8%,5.5%和1.1%,表明該地區(qū)淺部巖溶較發(fā)育,溶洞頂完整灰?guī)r厚度較小,一般小于1.0m(占總數的74.6%),樁基礎設計與施工,巖溶地面塌陷分析預測時,

16、應充分考慮其不利影響.4.3石炭系黃龍組(C:z)二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育規(guī)律某場區(qū)位于武昌虎泉街,地處剝蝕堆積壟崗,屬覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū);第四系覆蓋層厚度20.229.3m,自地面至基巖面依次為人工填土,可塑粘性土和硬塑粘性土;地下水以上層滯水和巖溶裂隙水為主.因工程建設需要,共完成了101個鉆孔,所有鉆孔均鉆人完整灰?guī)r5m,揭露了石炭系黃龍組(C,h1)二疊系棲霞組(Pg)灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育規(guī)律.(1)鉆孔見洞率101個鉆孔中,遇溶洞鉆孔為23個,見洞率22.8%;溶洞總數33個.共8個鉆孔遇多層溶洞,其中6個鉆孔遇2層溶洞,2層溶洞見洞率6.0%;2個鉆孔遇3層溶洞,3層溶洞見洞

17、率2%.說明該地區(qū)淺部巖溶較發(fā)育.(2)溶洞充填物鉆孑L揭露的33個溶洞中,全充填溶洞23個,占溶洞總數的69.7%;半充填溶洞9個,占溶洞總數的27.3%;無充填物溶洞1個,占溶?同總數的3.0%.含充填物的32個溶洞,充填物為碳酸鹽碎石,塊石的溶洞1個,占3.0%;充填物為粘性土,碎石混合物的溶洞2個,占6.0%;充填物為粘性土的溶同29個,占91.0%,粘性土充填物呈軟塑可塑狀態(tài).由此可見,該地區(qū)淺部發(fā)育溶洞絕大部分為全充填或半充填(占97.0%),說明該地區(qū)巖溶連通性較差,巖溶地下水活動較弱.(3)溶洞高度鉆孔揭露的33個溶洞的鉛直高度h從0.12.8m不等,平均高度1.15m.h&a

18、mp;lt;0.5m的溶洞4個,占12.1%;0.5mh<1.0m的溶洞13個,占39.4%;1.0mh<2.0in的溶洞10個,占30.3%;2.0mh<3.0m的溶洞6個,占18.2%.統計數據表明,大部分溶洞高度小于2.0m,占總數的51.5%,說明該地區(qū)溶洞發(fā)育規(guī)模相對較小.(4)洞頂完整灰?guī)r厚度遇到灰?guī)r的23個鉆孑L揭露的洞頂完整灰?guī)r厚度日,最小為0.11TI,最大為4.41TI,平均1.9111.對應于H<1.0m,1.01TIH<2.0111_,2.0mH<3.0m,3.0mH<4.

19、0in,H4.0m區(qū)間的鉆孑L數量分別為5個,8個,6個,2個,2個,分別占總數的21.7%,34.8%,26.1%,8.7%和8.7%.5結論(1)武漢市區(qū)主要分布近東西向3個碳酸鹽巖條帶,中部,南部條帶巖溶相對較發(fā)育.(2)武漢市中部,南部碳酸鹽巖條帶淺部巖溶較發(fā)育,三疊系大冶灰?guī)r(Td)鉆孑L見洞率約19.5%,石炭系黃龍組(C.hi)二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r鉆孔見洞率約22.8%;絕大部分發(fā)育1層溶洞,少量發(fā)育多層(24層)溶洞.(3)武漢市中部,南部碳酸鹽巖條帶淺部溶洞發(fā)育規(guī)模較小,大部分溶洞高度小于2.0m,三疊系大冶灰?guī)r(Td)溶洞平均高度為1.19m,石炭系黃龍組(ch1)二疊

20、系棲霞組(Pq)灰?guī)r溶洞平均高度為1.15m;溶洞頂完整灰?guī)r平均厚度三疊系大冶灰?guī)r(Td)為0.75m,石炭系黃龍組(C:h1)二疊系棲霞組(P.q)灰?guī)r為1.94m.(4)武漢市中部,南部一級階地分布的三疊系大冶灰?guī)r(T.d)淺部溶洞絕大部分為無充填或半充填(占69.0%),2/3的充填物為軟塑硬塑粘性土,強度變異很大;溶洞連通性較好,巖溶地下水活動較強烈;剝蝕堆積壟崗分布的石炭系黃龍組(C:h1)一二疊系棲霞組(Pq)灰?guī)r淺部溶洞絕大部分為全充填或半充填(占97.0%),溶洞連通性較差,巖溶地下水活動較弱.參考文獻1劉再華,WolfgangDreybrodt.巖溶作用動力學與環(huán)境M.北京:

21、地質出版社,20072李志毅,葉俊林.武漢市陸家街地面塌陷的形成機制J.地球科學,1989,(2):2072113官善友,龐設典,龍治國.論武漢市環(huán)境工程地質問題J.工程地質,2007,增刊第4期官善友等.武漢市巖溶分布與發(fā)育規(guī)律14943范士凱.武漢(湖北)地區(qū)巖溶地面塌陷J.資源環(huán)境5龍治國,官善友等.武漢市地源熱泵技術推廣應用地源與工程,VOL.20,2006,增刊資源評價報告R.武漢市勘測設計研究院,2006TheDistributingandGrowingRulesofKarstinWuhanGuanShanYou,MengHeLiang,ZhouMiao(WuhanGeotechn

22、icalEngineeringandSurveyingInstitute,Wuhan430022,China)Abstract:Itisveryimportanttothepreventiortandcureofkarstcollapse,designandconstructionofbuildingfoundation,researchofkarstgroundwaterthatstudythedistributingandgrowingrulesofkarstinWuhan.Thispaperpresentsplentifuldataofgeologyandexploration,summ

23、arizesthedistributingofkarstinWuhan,andmakestheconclusionthattherearealotofkarstinthelOWlayerandholeofkarstissmal1.InmiddleandsourthcarstofT1d,thereis19.5%ofdrillholesthatareconfrontedwithkarst,theaverageheightofkarstholeis1.19meters,thethicknessonthetopofintactkarstis0.75meter.InmiddleandsourthcarstofC2hlP1q,thereis22.8%ofdrillholesthatareconfrontedwithkarst,theaverageheightofkarstholeis1.15meters,thethicknessonthetopofintactkarstis1.94meters.Keywords:Wuhancity;distributingofkarst;growingrules;charac