广州从化岭南村岩溶塌陷成因机制分析

Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０１８

广州从化岭南村岩溶塌陷成因机制分析

杜成亮１，赵　伟２，梁东辉２，贾　龙２

（１．桂林理工大学，广西桂林　５４１００４；２．中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林　５４１００４）摘　要：广州市从化区岭南村步美社农田中，在不到１ｋｍ２的范围内短时间先后出现４７处岩溶塌陷。发生塌陷的区域位于人口密集的城镇附近，安全隐患极大。为尽快查明塌陷成因，应用水文地质、地球物理和钻探的综合方法对塌陷区进行了实地调查，查明了塌陷形成的原因。同时对塌陷的成因机制进行分析总结。研究表明：塌陷区构造上处于向斜核部、可溶性灰岩与非可溶性花岗岩接触带，地层属于强岩溶发育区，８～１５ｍ的土层厚度以及由粘土和中砂组合而成的多样的土体结构是岩溶塌陷形成的内在因素；地下水的循环抽取与补给，周边的机械振动是形成岩溶塌陷的外在因素。通过本次调查工作，为该地区岩溶塌陷的防治和城镇建设的规划提供了决策依据。

关键词：岩溶塌陷；成因机制；内在因素；外在因素；广州从化中图分类号：Ｐ６４２．２　　　　　　文献标识码：Ａ

文章编号：１６７３－８０４７（２０１８）０２－００３３－０６

０　引言

广州—从化断裂以西的广花盆地是岩溶塌陷的多发区，塌陷具有塌陷点少，单个塌陷点塌坑多的特点［１－２］，广花盆地是国家重要城市群广州城市群所在地，对该地区地质灾害的研究全面且系统。其中，岩溶塌陷地质灾害方面的研究主要有：刘勇健［３］等对广花盆地岩溶地面塌陷特征及形成机理进行了研究，张永定等［４］对广州西北部岩溶发育特征及岩溶塌陷规律进行了调查研究；雷金山［５］对广花盆地内岩溶塌陷形成的多种成因特别是动力条件进行了分析。刘江龙［６］、魏爱华［７］等对广州市及周边部分地区岩溶塌陷危险性从各种角度进行了预测评价。林培源［８］通过分析钻孔及物探资源，对岩溶地层的工程地质风险进行了评估研究。邓超文等［９］对相关的岩溶勘察方法进行了探索研究。前人的研究多以定性研究为主，具有重要的参考价值。但是通过对典型岩溶塌陷区系统调查研究，从而总结岩溶塌陷形成机理的研究较少。本文通过应用地质、地球物理、钻探的综

收稿日期：２０１８－０３－２３

基金项目：中国地质调查局地质调查子项目（１２１２０１１５０４４６０１）

合方法对岭南村步美社农田中的典型岩溶塌陷区进行了深入、系统的调查，对典型岩溶塌陷区岩溶塌陷的形成的原因进行了全面的分析，以查找岩溶塌陷的形成原因。

１　岩溶塌陷形成的内在因素

１􀆰１　地质构造

地质构造对岩溶塌陷形成的影响主要体现在构造对岩溶发育程度的控制上，构造成因的岩溶裂隙为地下水的活动提供良好的运移通道，同时为地下水对覆盖层的潜蚀和对围岩的侵蚀提供活动场所。断裂破碎带、褶皱轴部以及可溶岩与非可溶岩接触带是岩溶发育的主要部位［１０－１１］。

研究区大地构造位置属广花断陷盆地，形成

于白垩纪之前，受广州―从化断裂控制，自第四纪晚更新世中期以来，该区域进入了沉积阶段，其间经历了３次海进和３次海退的沉积旋回，形成了广花复式向斜构造。

系［１２］。分别为东西向的罗村—石坑向斜、铺锦主断裂、塘背主断裂、旗杆断裂和北西—南东向小坑

研究区存在东西、北西—南东向两个构造体

作者简介：杜成亮（１９８３—），男，博士研究生，工程师，研究方向岩溶灾害探测。

·３４·

防灾科技学院学报第２０卷

主断裂。罗村—石坑向斜为一开阔不完整向斜，核部为石炭系下统大塘阶测水组、石磴子组和孟山坳组，翼部依次出露泥盆系上统帽子峰组、天子３４０°～５°，倾角２０°～３０°，北翼被花岗岩吞蚀或第四系覆盖。向斜轴向近东西向。罗村—石坑向斜为研究区主要褶皱构造，核部为石炭系下统大塘阶石磴子组主要为富含炭质的灰岩，是主要的岩溶发育地层。塘背断裂和铺锦断裂分别位于棋岭组及泥盆系中统老虎坳组。南翼岩层倾向

２９０°～３１０°，断面近直立，切割了下石炭统与燕山二期花岗岩。旗杆断裂是对研究区影响最直接的东西向断裂构造（图１）。研究区地表为第四系所覆盖，应用地球物理方法（高密度电法和音频大地电测深法ＥＨ４）探测，发现地下有２条断层贯穿［１３］。同时，研究区位于燕山二期花岗岩侵入石炭系下统大塘阶灰岩的外接触带上，是岩溶强烈发育的构造地带（图２）。

杆镇的北部和南部，近东西走向。小坑断裂走向

图１　旗杆构造纲要图（据１∶５万从化幅（Ｆ－４９－２４－Ａ））

Ｆｉｇ．１　ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｕｔｌｉｎｅｍａｐｉｎＱｉｇａｎ

图２　研究区地质及岩溶发育分布图

Ｆｉｇ．２　ＧｅｎｅｒａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＫａｒｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ

第２期１􀆰２　地层岩性

杜成亮等：广州从化岭南村岩溶塌陷成因机制分析

·３５·

微晶碳酸盐岩、白云质碳酸盐岩，局部见角砾状碳酸盐岩、碳质碳酸盐岩，夹薄层状石英粉砂岩，岩溶较为发育，形成强岩溶区。天子岭组岩性主要为泥质碳酸盐岩，岩溶发育强度弱于石磴子组，形成弱岩溶发育区。

据典型塌陷附近钻探资料，钻孔岩芯可见不规则细脉状、闭合－半闭合状方解石脉以及大小、形态各异的晶洞构造，节理裂隙发育，透水性强，是岩溶发育地段，也是岩溶塌陷的易发区（图３）。

岩溶发育程度是岩溶塌陷形成的基础，决定着塌陷形成机率。岩溶愈发育，塌陷形成的机率愈大。可溶性岩基岩面上的各类溶蚀构造，往往与地下岩溶管道相通，这些通道是地下水运移及溶蚀作用的主要场所，对土洞、塌陷的形成至关重要。

研究区地貌属冲积平原，上覆第四系冲积层，下伏地层为石炭系大塘阶石磴子组（Ｃ１ｄｓ）富炭灰岩和泥盆系天子岭组（Ｄ３ｔ）。石磴子组岩性为

图３　广州从化岭南村典型岩溶塌陷区钻孔对比图

Ｆｉｇ．３　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｙｐｉｃａｌｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅａｒｅａｉｎＬｉｎｎａｎｖｉｌｌａｇｅ，

Ｃｏｎｇｈｕａ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ

　　研究区属南亚热带季候风气候，雨量充沛，年平均降水量１８００～２２００ｍｍ。附近有两条常年性河流补给地下水，饱水水位较高。研究区岩石节理裂隙发育，赋存大量的裂隙水和岩溶水，覆盖层主要由粘土、中砂组成，赋存丰富的孔隙水。各类型地下水的富集，加剧了该区域岩溶塌陷的形成。１􀆰３　土质、土体结构及土层厚度

康彦仁等［１４］对岩溶塌陷形成的土质、土层厚度及土层结构进行统计分析，认为均一的粘土，粘土与中粗砂互层的多层土体结构最容易引起塌陷，岩溶塌陷的多发区土层厚度一般小于１０ｍ。土洞是潜在的塌陷，岩溶地区第四系沉积物中，尤其是粘土中常常发育有土洞。土洞一般为球状、半球状及少数不规则状，其形成与所处岩土体部位及地下水活动情况有直接联系。岩体与土体接

触界面是其产生的有利部位，同时地下水位发生季节性变化的地带也是其形成的有利部位。基岩面上土体长期受地下水侵蚀，土体结构逐渐由塑性变为流性，土体流失形成土洞。

研究区覆盖层主要为粘性土及少量中砂。土层结构有两种，第一种为上部粘土，中部中砂，下部粘土的多层结构，即粘土－中砂－粘土；第二种为上部中砂，中间粘土，下部中砂的多层结构，即中砂－粘土－中砂（图４）。使用意大利ＴＲＯＭＩＮＯ地脉动仪，对研究区进行１∶１０００的扫面测量，将测得的数据应用专业软件进行处理［１５］，通过“去伪存真”、与钻孔拟合等一系列处理后绘制了区域基岩面埋深等值线图（图５），反映出地表覆盖层厚度一般在７􀆰９～２４􀆰８ｍ之间，大部分塌陷发生在８􀆰５～１５ｍ。研究区土质、土体

·３６·类型［１］。

防灾科技学院学报第２０卷

结构以及土层厚度均是形成岩溶塌陷的有利可由人工抽水、矿山坑道排水、水库蓄水、引水、灌溉和给排水工程等人类工程活动引起。其中，尤图４　土体结构及厚度示意图（据钻孔资料）Ｆｉｇ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｏｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ

ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ（ｂａｓｅｄｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｄａｔａ）

图５　广州从化岭南村典型岩溶塌陷区基岩埋深

等值线图

Ｆｉｇ．５　Ｃｏｎｔｏｕｒｍａｐｏｆｂｅｄｒｏｃｋｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈ

ｉｎｔｙｐｉｃａｌｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅａｒｅａ

２　岩溶塌陷形成的诱发因素

２􀆰１　抽排地下水

地下水活动是岩溶塌陷形成的最基本、最重

要的条件［１６］水力坡降等是地下水的主要影响方式。水位的升降、地下水的流速。地下水活、流量、动是岩溶塌陷形成的动力因素，表现十分活跃，可以在自然条件下由气候变化、降雨、干旱引起，也

以抽排地下水对塌陷的影响最为显著［１７］研究区附近人口密度大、工业发达，。

对地下

水需求量很大，过度抽取地下水降低了地下水水位，改变了岩土体物理状态，减弱了岩土体承载力，加快了岩溶塌陷的形成。地下水位下降，是地下水自身势能向动能转变的过程，随着地下水的运移，原本饱水岩土体逐渐趋向非饱和态，其承载力也随之逐渐减弱，当下部承载力不

足以支撑上部压力时，便会产生土洞、塌陷等地质灾害［１８］边河流水位低于饱水层水位。调查发现，过度抽水致使研究区周，饱水层反向补给河流，岩溶水水位下降，岩溶发育区承载力降低，导致岩溶塌陷形成。

２􀆰２　机械振动随着社会的发展，生产活动日益扩大，各类重大型机械在施工过程中产生的振动引起土体变形，当振动足够大时，原本存在的土洞顶板陷落，塌陷形成。靠近铁路、公路的地区，交通工具频繁往来也可引起土体振动，是塌陷形成的另一个诱发因素。

研究区北侧施工场地中有重型打桩机长时间作业，振动产生的振动波破坏了岩土体的稳定性，是研究区发生岩溶塌陷一个外部因素。塌陷集中区北侧有Ｓ３５５省道，车流量大且重型货车多，其产生的振动是引起研究区塌陷的另一个诱发因素。

３　岩溶塌陷内外因的系统分析

岩溶塌陷的形成是各种内、外部因素的耦合，其实质是下部支撑体系，支撑力减弱或缺失，引起上覆岩土体的陷落［１９－２０］型、土体结构、地质构造。、岩溶发育程度研究区固有的土质类、地下水活动是岩溶塌陷形成的必要条件，机械震动、地下水的循环抽取与补给诱发了研究区内大量塌陷的集中形成。岩溶塌陷，内因是其必要因素，外因是其诱发因素。

在野外实地对所有岩溶塌陷的形态特征进行了系统的调查，发现塌陷土层中有因流土（沙）潜蚀作用引起土层破坏而导致塌陷形成的迹象，认为研究区的塌陷为潜蚀式塌陷（图６）。

第２期杜成亮等：广州从化岭南村岩溶塌陷成因机制分析

·３７·

图６　研究区岩溶塌陷内外成因框架图

Ｆｉｇ．６　Ｆｒａｍｅｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｒｎａｌａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｃａｕｓｅｓｏｆｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅｉｎｓｔｕｄｙａｒｅａ

４　结论

研究区所处广花盆地构造背景复杂，处于东西、北西—南东向两个构造体系结合部位，是可溶性灰岩与非可溶性花岗岩接触带部位，构造上是岩溶塌陷的多发区。出露的可岩溶地层分别为石炭系石磴子组和泥盆系天子岭组地层，石磴子组地层岩性为局部含角砾、含碳，夹石英粉砂岩的微晶碳酸盐岩，是强岩溶发育区。天子岭组地层岩性主要为泥质碳酸盐岩，是弱岩溶发育区。岩溶发育地层是岩溶塌陷形成的前提。

研究区地下水类型齐全，有孔隙水、岩溶水和裂隙水，地下水活动活跃。同时，地下水的过度开采与补给，增强了地下水活性。地下水的活动是岩溶塌陷形成最为活跃的因素。典型塌陷区大部分岩溶塌陷发生在８􀆰５～１５ｍ之间由粘土、中砂组合成的各种土体结构中。这样的土质、土层厚度、土体结构，是岩溶塌陷的有利地区。对地下水的循环抽取与补给和机械振动是导致研究区发生岩溶塌陷的两个诱发因素。研究区构造背景，可岩溶地层，土质、土层厚度、土体结构，地下水的活动以及外部机械振动是现有岩溶塌陷形成的基础，也是隐伏岩溶塌陷存在的条件，须加强当地岩溶塌陷的监测和防治。

致谢：感谢参加本次野外工作的赵伟、梁东辉、贾龙助理研究员。特别感谢评审专家给予的耐心指导！在此对他们的辛勤劳动一并表示感谢！

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ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｏｒｍａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＫａｒｓｔＣｏｌｌａｐｓｅｉｎＬｉｎｇｎａｎＶｉｌｌａｇｅ

ｏｆＣｏｎｇｈｕａ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＣｉｔｙ

ＤｕＣｈｅｎｇｌｉａｎｇ１，ＺｈａｏＷｅｉ２，ＬｉａｎｇＤｏｎｇｈｕｉ２，ＪｉａＬｏｎｇ２

（１．ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ；

２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＫａｒｓｔＧｅｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙｏｃｃｕｒｒｅｄ４７Ｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅｄｕｒｉｎｇａｓｈｏｒｔｐｅｒｉｏｄｗｉｔｈｉｎａｎａｒｅａｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ１ｋｍ２ｉｎｔｈｅｔｏｗｎｗｉｔｈｇｒｅａｔｓｅｃｕｒｉｔｙｒｉｓｋｓ．Ｗｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｆｉｅｌｄｓｕｒｖｅｙｏｎｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａｗｉｔｈａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｏｌｕｂｌｅｉｍｅｓｔｏｎｅａｎｄｎｏｎ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｇｒａｎｉｔｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒａｔｕｍｂｅｌｏｎｇｓｔｏｔｈｅｓｔｒｏｎｇｋａｒｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｚｏｎｅ．Ｔｈｅｉｎｈｅｒｅｎｔ

ｆａｒｍｌａｎｄｏｆＬｉｎｇｎａｎＶｉｌｌａｇｅ，ＣｏｎｇｈｕａＤｉｓｔｒｉｃｔ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，ａｎｄｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅａｒｅａｉｓｌｏｃａｔｅｄｎｅａｒａｄｅｎｓｅｌｙｐｏｐｕｌａｔｅｄｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ，ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｃａｕｓｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｗｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｆａｃｔｏｒｓｉｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅａｒｅｔｈｅｓｏｉｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆ８～１５ｍａｎｄｔｈｅｄｉｖｅｒｓｅｓｏｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｍｅｄｂｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅ，ａｓｗｅｌｌａｓｆｏｒｔｈｅｕｒｂａｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ．

ｏｆｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅ．Ａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓ，ｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅａｒｅａｓａｒｅｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｚｏｎｅｏｆｓｙｎｃｌｉｎｅｎｕｃｌｅｕｓ，ｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｌａｙａｎｄｍｅｄｉｕｍｓａｎｄ，ａｎｄｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｆａｃｔｏｒｓａｒｅｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｒｅｃｈａｒｇｅ，ａｎｄ

ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｒｏｕｎｄｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅａｒｅａ．Ｔｈｉｓｓｕｒｖｅｙｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｄｅｃｉｓｉｏｎ⁃ｍａｋｉｎｇｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｋａｒｓｔｃｏｌｌａｐｓｅ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｉｎｈｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒｓ；ｅｘｔｅｒｎａｌｆａｃｔｏｒｓ；Ｃｏｎｇｈｕａ；Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ