徐州岩溶地质调查及其发育特征分析

徐州岩溶地质调查及其发育特征分析
缪世贤;黄敬军;武鑫;姜国庆;王艺霖
【摘要】Based on the projects of Xuzhou urban geological survey and Xuzhou karst collapse investigation,stuck to karst geological characteristics and urban construction demand for karst geological survey with full use of the previous data,the geological survey of bare karst area and covered karst area has been respectively carried out,which is aimed to find out the karst development characteristic in urban planning area.At the same time,the geophysical exploration,drilling and some other methods have been used for exploration and validation.Then the accuracy of karst geological survey in this area has been improved effectively.As well,the author has analyzed the karst formations,karst exposed conditions and development degree.The karst development in this area is mainly superficial karst since the Cenozoic and the degree is generally controlled by geological structure which is distributed with the type of "strong-weak" in the northeast direction.Along the Old Yellow River fault zone,the karst of O2m and ∈ 2z develops very well.%基于徐州城市地质调查与徐州地区岩溶塌陷调查的平台,紧扣徐州岩溶地质特征和徐州城市建设对岩溶地质调查的需求,以查明城市规划区岩溶发育特征为目标,在充分利用前人资料的基础上,分别针对裸露型岩溶区和覆盖型岩溶区展开地质调查,并辅以物探及钻探等进行勘察验证,有力地提高了区内岩溶地质调查成果的精度.同时,对徐州城市规划区岩溶层组、岩溶出露条件以及发育程度等进行了分析,区内岩溶发育主要为新生代以来的浅表性岩溶,岩溶
发育程度总体受构造控制呈北东向“强-弱”相间展布,废黄河断裂带沿线,奥陶系马家沟组和寒武系张夏组碳酸盐岩分布区岩溶极为发育.
【期刊名称】《水文地质工程地质》
【年(卷),期】2017(044)002
【总页数】6页(P172-177)
【关键词】裸露型岩溶;覆盖型岩溶;岩溶层组;岩溶发育程度;徐州
【作者】缪世贤;黄敬军;武鑫;姜国庆;王艺霖
【作者单位】国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院),江苏南京210049;国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院),江苏南京210049;国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院),江苏南京210049;国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院),江苏南京210049;中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】P642.25
徐州地处苏鲁豫皖四省接壤处，属于中温、暖温带亚干旱-半湿润气候型溶蚀侵蚀区，是江苏岩溶最发育的城市。

前人对区内的研究多集中于岩溶地下水资源的评价，张志忠等[1]利用数值建立了徐州岩溶地下水资源管理模型；钱家忠等[2]针对张集
水源地，运用时序马尔可夫模型和有关系，为裸露型岩溶区和覆盖型岩溶分布区。

熊彩霞等[3]则进一步分析岩溶水开采与岩溶塌陷的关系。

而针对徐州岩溶的分布
特征和发育规律，尚无系统的研究和总结。

因此，基于徐州城市规划建设对岩溶地质调查的需求，结合以往地质调查积累的各类相关资料，参考《1∶50 000岩溶地
面塌陷调查规范(送审稿)》的要求，开展徐州岩溶区相关地质调查工作。

1.1 岩溶地质资料收集利用
系统收集岩溶区及周边地层岩性、地质构造、岩溶泉及溶洞分布、岩溶塌陷、岩溶水开采井等详细资料，将其统一投在同一底图上，编制岩溶地质草图，反映岩溶区的分布范围、岩溶发育程度及岩溶水开采强度、分析存在的主要问题，为进一步的工作部署提供依据[4]。

1.2 钻孔资料筛选分析
(1)根据钻孔类型进行钻孔的初步筛选，将水文孔和工程孔进行分类整理，工程孔
一般孔深较浅，揭露基岩有限，但其分层信息详尽，可用于进行覆盖层及浅部岩溶分析。

水文孔孔深较大，一般揭露岩溶主发育层，并有抽水试验及水样测试资料，是岩溶发育特征分析的重要依据。

(2)根据钻孔资料的完整性及可靠程度，进一步筛选出有效钻孔，主要考虑孔号、
坐标、孔口高程、孔深、基岩埋深、分层描述、土工测试数据以及抽水试验等指标，优先选择见基岩较深，揭露到溶(土)洞且地层岩性不尽相同的钻孔。

(3)将筛选出来的钻孔进行统一坐标换算，投影到地理底图上，然后综合考虑空间
分布密度和分析评价精度等因素，进行进一步取舍，最终形成工作区钻孔平面分布图，结合后期施工钻孔，即构成工作区基础数据库。

2.1 裸露型岩溶区地质调查
裸露型岩溶区地质调查工作充分利用已有的1∶50 000区调资料，以划分岩溶层
组类型为重点，选择岩溶发育的区段，分析不同碳酸盐岩类型与岩溶发育特征，对典型岩溶地貌，如泉、溶洞等进行形态特征、成因等研究，基本查明工作区岩溶地质背景条件、岩溶分布特征及发育程度等。

在此基础上，进一步分析、判断相邻覆盖岩溶区的构造格架和碳酸盐岩地层的空间展布格局。

2.2 覆盖型岩溶区地质调查
根据岩溶发育类型、覆盖层厚度以及城市功能规划等，将工作区分为一般调查区、重点调查区及典型调查区。

对于覆盖层较厚(30 m以上)的一般调查区，主要通过可利用资料的相关分析，并配合少量的实物工作进行调查评价工作。

对于覆盖层较薄(30 m以浅)、岩溶比较发育等重点调查区，在收集利用各类资料的基础上，采取地面调查(以开采井调查为主)与物探及钻探等实物工作相结合的方法进行调查评价。

考虑到新生街地区在1986—2006年期间多次发生过岩溶塌陷事件，故进行大比例尺(1∶5 000)调查，结合物探、钻探以及监测等手段，进行岩溶塌陷典型剖析。

勘探是开展覆盖型岩溶区调查的重要手段[5～6]，工作区采用物探(包括高密度电阻率法、瞬变电磁法)与钻探相结合的勘探手段(图1)，旨在查明隐伏岩溶区基岩面起伏情况、覆盖层结构和厚度、土(溶)洞及裂隙等发育情况，揭露废黄河断裂带沿线岩溶地质情况。

3.1 岩土体地球物理特征分析
高密度电阻率法和瞬变电磁法主要用到的电性参数为电阻率，根据区内已有物性资料，对调查区内各类岩矿石电阻率特征描述如下：
工作区第四系中砂电阻率为30～40 Ω·m，粉砂电阻率为20～30 Ω·m，粉土、粉质黏土电阻率为15～25 Ω·m，黏土电阻率为10～20 Ω·m。

其中砂层电阻率在地表干燥时可达数百个单位。

而岩溶区灰岩、白云岩等高阻基岩电阻率大于覆盖其上的松散层的数十倍、百倍，为本区良好的电性高阻标志层。

这种电阻率的差异，适合采用高密度电阻率法及瞬变电磁法进行隐伏岩溶区剖面勘测，探明灰岩埋深、分布范围以及岩溶(洞)及裂隙发育情况。

3.2 电阻率探测与钻探验证应用实例
在地质调查及资料分析的基础上，采用高密度电阻率法和瞬变电磁法进行探测，对电阻率探测异常辅以钻探验证。

图2为徐州新城区彭祖大道西侧一条高密度电阻率和瞬变电磁综合物探线，测线
长1 495 m，测线方向为NE向，最小电极距5 m。

由高密度电阻率法断面图可
以看出，横向电阻率等值线成层性较好，纵向上由浅到深表现为“H”型曲线特征。

第一电性层深度自地表到地下15 m左右，电阻率值在20～100 Ω·m之间，为相对高阻层，推断为第四系(Q)粉砂、粉土，测线中部800 m桩号附近地层厚度最大，可达20 m左右，向两端逐渐减小到15 m左右；第二电性层深度15～40 m左右，电阻率值在10～20 Ω·m之间，为相对低阻层，推断为第四系(Q)黏土层，地层厚度25 m左右。

由此可知，该测线下方土层结构为“砂性土-黏土”双层结构；第
三电性层深度在40 m以下，为相对高阻层，电阻率值在20～500 Ω·m之间，推断地层为寒武系(∈)，岩性以页岩、粉砂质页岩为主，夹泥灰岩、灰岩、砂岩。

反演电阻率断面图上750～900 m桩号基岩面附近电阻率等值线明显下凹，符合
基岩面附近岩溶异常的电性特征，推断为岩溶异常区。

由于该异常区位于F1断层附近，推断岩溶异常区的形成受断层活动影响。

考虑到地层岩性因素，不排除该低阻异常是由于基岩中粉砂质页岩、砂岩等受断层活动影响，局部裂隙发育，富水性增强所引起。

工程孔YGC46位于测线830 m桩号附近，钻孔深度50 m。

根据钻孔资料第四系松散层厚度为40 m，土层结构为粉土-黏土双层结构，其中粉土层厚度14.8 m，基岩岩性为灰岩、页岩，并在41.2～41.5 m揭露溶洞。

钻探揭露地层结构及岩溶发育情况与物探成果基本吻合。

4.1 岩溶层组分析
徐州城市规划区碳酸盐岩主要分布于震旦系、寒武系、奥陶系及石炭系地层中，面积约1 980 km2，占徐州城市规划区面积的63.3%，受原生沉积环境的变化在剖
面上岩性变化较为复杂，组合特点也各不相同。

根据地层岩性及组合特点，可划分为纯碳酸盐岩(岩石中酸不溶物含量<10%)、不
纯碳酸盐岩(岩石中酸不溶物含量10%～50%)和非碳酸盐岩(岩石中酸不溶物含量>50%)三种岩石类型。

这三种岩石类型在地层剖面上的组合，即为岩溶岩组类型，根据徐州城市规划区碳酸盐岩地层的特征可以划分为三种岩溶岩组类型(表1)。

运用GIS软件可求得区内各岩溶层组的分布面积及其占岩溶区面积的比例(表2)。

其中，马家沟组、馒头组、倪园组、张夏组、炒米店组等分布面积较大，出露较广，而馒头组、昌平-猴家山组以及金山寨组等出露面积十分有限。

4.2 岩溶出露条件分析
按岩溶地层的出露条件，可划分为裸露型岩溶区、覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区。

其中裸露型岩溶区面积约620 km2，主要分布于复式背斜核部，以普遍发育溶沟、石芽为特色，尤其是在山麓部位，区内沿断裂构造或层面裂隙溶洞发育，形成廊道式水平洞穴形态，最大可延伸数十米。

覆盖型岩溶区面积1 260 km2，呈条带状
分布于复式背斜两翼，其中奥陶系、寒武系岩溶区多位于城市规划区中部，覆盖层厚度10～30 m，局部可达50 m以上，土(溶)洞发育，以市中心新生街一带为例，曾多次发生岩溶塌陷地质灾害(图3)。

4.3 岩溶发育控制性因素分析
(1)岩性对岩溶发育的控制
岩石的可溶性是影响岩溶发育的主要因素。

徐州城市规划区可溶岩为碳酸盐岩，从地层岩性角度，质纯的厚层状灰岩最发育，白云岩次之，泥质灰岩最差。

因此，马家沟组、三山子组、张夏组、昌平组、九顶山组和赵圩组等纯碳酸盐岩层组，是区内最有利于岩溶发育的岩溶岩组；炒米店组、倪园组和张渠组等不纯碳酸盐岩层组岩溶发育次之，太原组、馒头组和史家组等非碳酸盐岩层组岩溶发育最弱。

可溶岩的厚度也影响岩溶发育，厚层状的碳酸盐岩一般是在相对稳定的环境下沉积而成，其不溶(难溶)性物质含量较少，而薄层状或碎屑岩互层的碳酸盐岩一般表现为环境多变，含不溶性物质偏多，抗溶蚀能力强，不利于岩溶发育。

(2)地下水活动对岩溶发育的控制
水的侵蚀作用是岩溶发育的另一个基础条件。

徐州城市规划区地下水的水化学成分在不同岩层或同一岩层中的不同深度差异较大，水化学成分的改变和不同地段富水程度的强弱，造成岩溶发育程度上的差异。

徐州城市规划区覆盖型岩溶分布广泛，第四系孔隙水与岩溶水之间存在着水力联系，第四系孔隙水也是岩溶水的重要补给来源，而孔隙水中侵蚀性CO2的浓度较高，溶蚀性更强，更易形成强烈的溶蚀作用，形成溶沟、溶槽和溶洞等。

据水质分析，徐州城市规划区孔隙水中的游离CO2平均含量为32 mg/L，侵蚀性CO2约为
0.7 mg/L，岩溶泉水中含量约为7 mg/L，而地面下150 m附近的岩溶水中含量
约为8 mg/L。

(3)构造裂隙对岩溶发育的控制
地质构造与岩溶发育的关系极为密切，不仅控制着岩溶发育的方向，而且还影响着岩溶发育的规模和大小。

一方面，构造运动使岩层发生形变或者改变碳酸盐岩与非碳酸盐岩地层的组合关系，从而控制岩溶的发育规律及岩溶地下水的富集和运移规律；另一方面，构造运动使岩层发生破裂与位移，加大了岩溶地层的溶蚀空间，提高岩层的透水性，从而对岩溶及其岩溶地下水起到了控制作用。

区内NW向张性
断裂较NE向压性断裂岩溶发育，岩溶主要沿断裂构造带的两侧发育，岩溶多发育在背斜核部以及向斜翼部可溶岩与隔水层的接触部位。

岩溶岩组中裂隙的发育特征不仅影响其获得地下水补给以及赋存地下水多少，更重要的是会影响地下水径流条件的差异，进而影响到岩溶岩组发育的程度。

徐州城市规划区碳酸盐岩地层的裂隙发育特点如下：①泥质含量高的碳酸盐岩岩组裂隙发育较弱，纯碳酸盐岩裂隙发育较强；②白云岩裂隙发育密度大，但都以微裂隙为主，裂隙的张开性和延伸性差；③单层厚度较薄的地层，虽然裂隙的密度很大，但裂隙的张开性和延展性较差，而厚层碳酸盐岩地层裂隙发育的密度虽小，但张开
性和延伸长度大；④岩层的层面往往构成延伸性极好的导水通道，尤其是两种溶蚀性差异较大的岩溶岩组分界面，其溶蚀性较强一侧的层面往往构成极好的导水通道。

4.4 岩溶发育程度分析
垂向上岩溶发育随深度增加而减弱，据筛选的408个水文孔资料，徐州城市规划
区岩溶发育在垂直方向分三带。

强岩溶发育带：分布在地表下60 m以浅，线岩溶率为21.64%，遇洞率为30.07%；中等岩溶发育带：分布在地表下60～120 m，线岩溶率为9.07%，遇洞率为13.65%；弱岩溶发育带，分布在地表下120 m以深，溶洞发育较少(图4)。

平面上岩溶发育主要受岩石的空间组合特征、地下水的补给、赋存和径流排泄条件的控制。

而地下水的赋存、补给和径流排泄条件又受岩溶岩组的空间分布特征、裂隙发育特征、构造特征以及新构造运动等因素的影响。

在岩溶层组分级的基础上，考虑断裂构造的发育、钻孔遇洞率及岩溶率等指标，将徐州城市规划区岩溶发育程度分为岩溶发育强、岩溶发育较强、岩溶发育中等和岩溶发育弱四个区(图5、表3)。

(1)徐州城市规划区以往地质调查及研究工作程度较高，充分收集整理前人研究资料，尤其是岩溶地质资料和钻孔资料，是开展徐州城市岩溶地质调查研究工作的重要前提。

裸露岩溶区作为岩溶的地表出露区，是近距离接触岩溶的最佳场所，通过对裸露区的调查研究，可以直观认知岩溶的形态特征、空间展布等，结合物探及钻探等手段，有助于进一步开展覆盖区岩溶分布特征和发育规律研究。

(2)徐州城市规划区的岩溶发育主要以新生代以来的浅表性岩溶为主，埋藏型岩溶
区的岩溶相对不发育。

裸露型和覆盖型岩溶区受地层岩性、岩溶岩组类型、地层厚度、裂隙断裂发育、出露范围等因素的影响呈现出岩溶发育程度空间差异较大的特点。

(3)徐州城市规划区岩溶发育程度总体受构造控制呈NE向“强-弱”相间展布；废
黄河断裂带沿线，尤其在丁楼、七里沟一带奥陶系马家沟组和寒武系张夏组碳酸盐岩分布区岩溶极为发育，也是岩溶塌陷最易发生的区域。

【相关文献】
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