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(xiàn)標(biāo)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(shè)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(zhì)災(zāi)害防治,巖溶地區(qū)建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)資料和鉆孔資料,總結(jié)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(guān)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(xué)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(zhì)作用所產(chǎn)生的水文現(xiàn)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(dá)344萬km,占國土面積的1/3強(qiáng);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(fēng)氣候;區(qū)內(nèi)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(tǒng)黃龍組(Ch1)灰?guī)r,二迭系下統(tǒng)棲霞組(Pq)灰?guī)r夾炭質(zhì)灰?guī)r及三疊系下統(tǒng)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(qiáng)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(shè),地質(zhì)災(zāi)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(xué)反應(yīng)所致,其反應(yīng)方程式為:CaCO3+CO2+H20Ca+2HCQ-這是一個總反應(yīng)方程式,根據(jù)Plummer等(1978),巖溶作用由H0一C0系統(tǒng)對方解石表面的3個不同的溶解反應(yīng)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(qiáng)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(yīng),化學(xué)態(tài)的CO在水中電離成H,nco;離子,生成的H與第一階段產(chǎn)生的CO一結(jié)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(xué)態(tài)CO:不斷與水結(jié)合,生成碳酸,其平衡也被破壞,使物理態(tài)的CO與水結(jié)合而轉(zhuǎn)化為化學(xué)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(guān)系.3武漢市巖溶分布3.1巖溶空間分布根據(jù)蓋層的特點(diǎn),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(zhì)災(zāi)害防治等技術(shù)管理工作.城市勘測2008益受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(jīng)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(zhì)灰?guī)r為主,礦物成分含碳酸鎂,相對較難溶蝕,溶蝕現(xiàn)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(zhì)災(zāi)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(jīng)龜山南側(cè)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(guān)山向斜核部,西起漢陽三里坡,經(jīng)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(dá)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(cè)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(nóng)機(jī)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(cè)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(zhì)災(zāi)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(guān)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(xiàn)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(guān)山向斜桂子山至關(guān)山和漢陽七里廟以東地段,地下水位表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(qiáng)為灰?guī)r,其次為白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖,再次為泥質(zhì)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(qiáng),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(qiáng)烈的區(qū)域,巖溶發(fā)育強(qiáng)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(zhuǎn).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(nèi),最深者達(dá)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(xì)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(shè)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(shù)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(shù)據(jù),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(shù)據(jù)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(shù)的31.O%;半充填溶洞64個,占溶洞總數(shù)的30.5%;無充填物溶洞81個,占溶洞總數(shù)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(qiáng)度變異很大.這些數(shù)據(jù)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(qiáng)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(qiáng)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(tǒng)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(shù)量,分別占總數(shù)量的13.3%,33.3%,21.9%,16.7%,10.5%,3.3%和1.0%.結(jié)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(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,溶洞高度h大部分位于0.51.5m區(qū)間,占總數(shù)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(chǔ)設(shè)計與施工,巖溶地面塌陷分析預(yù)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(yīng)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(shù)量分別為86個,49個,34個,10個,2個,分別占總數(shù)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(shù)的74.6%),樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工,巖溶地面塌陷分析預(yù)測時,

16、應(yīng)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(shè)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(shù)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(shù)的69.7%;半充填溶洞9個,占溶洞總數(shù)的27.3%;無充填物溶洞1個,占溶?同總數(shù)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(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,大部分溶洞高度小于2.0m,占總數(shù)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(yīng)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(shù)量分別為5個,8個,6個,2個,2個,分別占總數(shù)的21.7%,34.8%,26.1%,8.7%和8.7%.5結(jié)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(qiáng)度變異很大;溶洞連通性較好,巖溶地下水活動較強(qiáng)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(xiàn)1劉再華,WolfgangDreybrodt.巖溶作用動力學(xué)與環(huán)境M.北京:

21、地質(zhì)出版社,20072李志毅,葉俊林.武漢市陸家街地面塌陷的形成機(jī)制J.地球科學(xué),1989,(2):2072113官善友,龐設(shè)典,龍治國.論武漢市環(huán)境工程地質(zhì)問題J.工程地質(zhì),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(shù)推廣應(yīng)用地源與工程,VOL.20,2006,增刊資源評價報告R.武漢市勘測設(shè)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