北京东部地区深部岩溶塌陷危险性综合评价

摘  要：关于岩溶塌陷的研究常见于50m以浅，而事实表明，在钻孔施工及岩溶水大量抽取等人为活动的影响下，具有发生深层隐伏岩溶塌陷的风险。结合地质背景，参考岩溶塌陷调查规范，提出深部岩溶塌陷的控制性因素为4大类5种影响因子，分别是碳酸盐岩地层条件（顶板破碎程度）、第四系条件（覆盖层厚度与底部土层性质）、构造条件（断裂构造）、地下水动力条件（水位变幅）。在系统调查分析各因子的基础上，通过基于层次分析的模糊综合评判法，评价了北京东部地区深部岩溶塌陷的危险性，将研究区分为3个等级，提出了地下水位监测、下管固井等工程防控措施。

关键词：深部岩溶塌陷;张家湾断裂;燕郊断裂;模糊综合评价

中图分类号：P642.25    文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2018）04-0024-08

0 前言

研究区覆盖层厚度一般大于200m，自然条件下不易产生岩溶塌陷。但广泛分布有寒武系灰岩和蓟县系雾迷山组白云岩等以碳酸盐岩为主的易溶岩层，存在发生深部岩溶塌陷的可能。且据贺可强等（2005）对中国岩溶塌陷情况的统计数据显示，我国现代岩溶塌陷绝大多数为人为塌陷，约占塌陷总数的67%，尤其是城市水源地开采地下水引起的塌陷最为普遍和强烈。1995年，通州自来水厂水井施工过程中曾发生塌孔埋钻事故，事故原因有两点：首先具备形成塌陷的自然条件，该区域基岩岩性为寒武系昌平组灰岩，在288～298m处岩溶裂隙发育，其上覆第四系底部为砂砾石层，易被地下水流带走;其次在钻孔将穿透覆盖层时未采取下管固孔防塌措施。饵磊等（2000）通过对鞍山岩溶塌陷机制分析，发现深埋岩溶区也存在发生岩溶塌陷的风险，且覆盖层结构对深埋岩溶塌陷具有重要控制作用。钟立勋（2001）和吕晓俭等（1999）从隐伏基岩岩性、构造和水文地质条件等方面，结合国内外类似实例，综合认为京郊平原区具有发生深层隐伏岩溶塌陷的风险。因此，不能完全排除在人类活动影响下存在塌陷风险。特别是钻进至岩溶含水层时，强烈扰动会构成塌陷的潜在风险。近年来施工的地热井，如TC-2号井，揭露岩溶含水层后发生了大量漏失，可能钻遇了古溶洞，但该井提前采取了下管固孔的防控措施，并未诱发岩溶塌陷。故对研究区岩溶发育情况展开调查，分析深部岩溶塌陷风险，可为城市工程建设提供预防和控制建议。

1 地质背景

研究区位于北京东部平原区，区内覆盖层主要为第四系沉积物，属冲洪积河流相沉积，偶见湖沼相。下伏基岩地层主要有古生代寒武系、新元古代青白口系和中元古代蓟县系。其中碳酸盐岩地层主要为寒武系灰岩和蓟县系白云岩（图1）。受区域构造应力作用控制，断裂构造走向主要有NE和NW两组。NE向断裂主要有南苑-通县断裂、宋庄断裂、燕郊斷裂和姚辛庄断裂;NW向断裂主要是张家湾断裂（北京市地质勘察技术院，2007）。另外，在东南部北东向的夏垫断裂及西南部的牛堡屯断裂，由于附近覆盖层厚度较大，不是本次重点考虑断裂。

2 深部岩溶塌陷主控因子调查

岩溶塌陷的影响因素包括地质条件和水动力条件两大方面，地质条件是岩溶塌陷的内因;地下水是岩溶塌陷物质迁移及能量转换的载体，易受人类活动影响，是岩溶塌陷的外因。结合具体地质背景特征，参考岩溶塌陷调查规范，将影响深部岩溶塌陷的控制性因素归结为4大类5种因子，分别是碳酸盐岩地层条件（顶板破碎程度）、第四系条件（覆盖层厚度与底部土层性质）、构造条件（断裂构造）、地下水动力条件（水位变幅）（程星，2002;李文科等，2014）。在此基础上，综合利用多种地球物理勘探手段，查明碳酸盐岩地层分布范围，对岩溶塌陷的主控因子展开调查，根据调查结果，采用基于层次分析的模糊综合评判法对研究区岩溶塌陷进行危险性评价。

2.1 碳酸盐岩地层条件

（1）碳酸盐岩地层分布范围

通过系统搜集前人研究成果资料，结合最新掌握的钻孔资料及综合物探成果，对研究区碳酸盐岩易产生岩溶塌陷的地层分析如下：

寒武系厚度变化比较大，大部分地区顶面遭受剥蚀，地层不全，一般小于500m，主要岩性为灰白色、灰色豹斑状灰岩和白云岩、细晶灰岩，底部普遍发育灰质和白云质角砾岩，最底部有时可见古风化壳。该套地层岩溶较为发育，与第四系有直接的水力联系，具有较强的水动力条件和岩溶发育条件，在20世纪90年代通州钻井施工曾发生过岩溶塌陷掩埋钻机的事故，是该区具有隐伏岩溶塌陷风险的地层。

蓟县系主要由白云岩组成，岩溶裂隙较为发育，有较强的赋水性，在区东南部直接下伏于第四系，与第四系有一定的水力联系，也是该区具有隐伏岩溶塌陷风险的地层之一。

区内碳酸盐岩地层平面分布如图1所示，分布范围主要包括4个部分：蓟县系碳酸盐岩（I-1和I-2）和寒武系灰岩（II-1和II-2）。通州向斜核部为寒武系灰岩（II-1），张家湾背斜核部为蓟县系铁岭组灰岩和雾迷山组白云岩（I-2），二者受构造影响，裂隙发育，是存在发生深部岩溶塌陷隐患的主要地层。而东南部的寒武系灰岩，受夏垫断裂影响，埋藏深度达2000m以上，不具备产生岩溶塌陷的条件。故东南部寒武系灰岩与青白口系砂页岩分布区在本次评价过程中，做稳定区处理。

（2）碳酸盐岩地层顶板破碎程度

碳酸盐岩地层顶板附近裂隙发育程度越高，越易发生岩溶塌陷。龙旺庄水源地分布有北东方向大范围寒武系，历史上发生过深部岩溶塌陷事件，即TJ-1井处。而探采-2井在钻遇蓟县系时出现漏失现象，通过双侧向电阻率和声波时差测井，发现该处蓟县系白云岩岩溶裂隙发育，有明显漏失。因此，区内寒武系灰岩和蓟县系白云岩，均有可能发育大型孔洞。碳酸盐岩地层在物性上表现为高密度、高阻特征。在裂隙发育程度高甚至形成溶洞的地区，会出现局部低密度、低阻异常。故可根据高精度重力和电测深资料，圈定裂隙发育程度相对较高区域。结合地质资料，将研究区碳酸盐岩地层顶板破碎程度分为3个级别：

①Ⅰ级区：碳酸盐岩地层相对较破碎区。该区域同时满足以下特征：位于碳酸盐岩地层分布范围内;张性断裂在附近交汇;电测深视电阻率值表现为高阻背景场中的低阻;有详实钻孔等资料可以指示基岩地层相对较破碎。本次共推断两处Ⅰ级区，见图2中深紫色区域：一处位于历史塌陷地TJ-1井及周边地区，该区碳酸盐岩为寒武系灰岩;另外一处位于探采-2井一带，该区碳酸盐岩为蓟县系白云岩。

②Ⅱ级区：碳酸盐岩地层较完整区。该区需具备以下特征：碳酸盐岩地层属寒武系灰岩;电测深视电阻率值表现为高阻背景场中的低阻。本次推断Ⅱ级两处，见图2中粉紫色区域，位于区内中西部。

③III级区：碳酸盐岩地层完整区以及下伏基岩为非碳酸盐岩区。区内除去Ⅰ级区和Ⅱ级区以外的区域推断为III级区，见图2中浅紫色区域。

2.2 断裂构造

岩溶发育程度与断裂构造位置密切相关。断裂构造发育区，尤其是张性活动断裂交汇区，由于受到多角度的应力影响，岩石破碎程度高，易于汇集地下水，引发岩溶塌陷（冯佐海等，2000）。石建省等人（1996）在唐山市的研究表明，80%的岩溶塌陷集中在距离活动断裂200m以内的范围，距离500m以上基本不会发生岩溶塌陷。历史上发生过严重的塌钻事件的TJ-1井位于张家湾断裂，白云岩地层较破碎的探采2号井位于燕郊分支断裂附近。因此，进行岩溶塌陷危险性评价时，与张性断裂的距离应作为主控因素之一加以考虑。根据高精度重力测量、可控源音频大地电磁测深剖面成果，结合搜集到的区域地质和地球物理资料，可对区内主要断裂在基岩内的发育情况进行解释推断。参考岩溶调查规范，根据主要断裂在基岩内部的延展特征及距离的远近，将断裂缓冲区分为3个级别：

（1）I级区：距离断裂构造线200m范围内，见图3中红紫色区域，地层相对破碎。

（2）II级区：距离断裂构造线200～500m范围内，见图3中粉紫色区域，地层完整性在一定程度上受断裂影响，尤其是区域性的深大断裂带，影响范围较大，地层可能局部相对较破碎。

（3）III级区：距离断裂构造线大于500m，见图3中浅紫色区域，地层受断裂影响较小。

综上所述，需要注意的两个交汇部位为：张家湾断裂与南苑-通县断裂和宋庄断裂交汇部位，基岩为寒武系灰岩;张家湾断裂与燕郊断裂交汇部位，基岩为蓟县系白云岩。此外，夏垫断裂与张家湾断裂交汇处由于上覆地层厚度较大，本次评价暂不重点考虑。

2.3 覆盖层条件

（1）覆盖层厚度

岩溶塌陷的发生概率在岩溶发育程度、富水性、水位降低等条件一致的情况下，与覆盖层厚度呈反比例关系，即覆盖层厚度越厚，越不易发生岩溶塌陷;覆盖层越薄，越易发生塌陷。故需研究第四系覆盖层的厚度问题。本次广泛搜集了研究区的钻孔资料，用以约束解释基岩起伏形态及岩性展布。通过抗干扰电法（李巧灵等，2018）和高密度电法资料，结合区内已有地质及地球物理资料，可反演地层电阻率特征，解釋地层岩性变化情况，勾勒覆盖层厚度。区内覆盖层厚度中部较浅，呈北东向条带状分布，厚度约在200m到300m之间变化;从中部向西北部覆盖层厚度逐渐加大，覆盖层厚度在500m到700m之间变化;从中部向东南角厚度亦逐渐增大，大约在400m到700m之间，至夏垫断裂带附近，受该断裂影响，上盘覆盖层厚度快速变化至2000m以上（图4）。据此，把区内覆盖层厚度分为3个级别：①Ⅰ级区：覆盖层厚度小于200m。主要位于区内东北部，见图4中深紫色区域。②Ⅱ级区：覆盖层厚度为200～300m。从区内东北部至西南部呈北东条带状分布，见图4中粉紫色区域。③Ⅲ级区：覆盖层厚度大于300m。东南部和西北部属于Ⅲ级区，见图4中浅紫色区域。

（2）覆盖层底部土层结构

覆盖层底部主要岩性若为砂性土，则由于砂粒间无粘结力，易被地下水侵蚀、掏空和搬运，容易在致塌因素影响下产生塌陷。故需对覆盖层内部结构进行调查，尤其是碳酸盐岩分布区的上覆土层岩性。第四系电阻率与岩性颗粒大小密切相关。如粘土电阻率一般小于20Ω·m，湿度大时还会更小，随着砂砾石含量的增加，电阻率值也有所增加。故本次利用抗干扰电法和高密度电阻率法综合确定了覆盖层内部土层结构和性质，结合电测深资料的极小值和尾支角对土层底部岩性进行了判别。将研究区覆盖层底部土层性质大致分为为中细砂、粉细砂和砂粘土3种类型：①Ⅰ级区：中细砂区域。该区域分两处，见图5中蓝紫色区域，一处位于北东部;一处位于中西部。该区域覆盖层底部土层粘结力较差，较易形成深部塌陷隐患。②II级区：粉细砂区域。见图5中天蓝色区域，位于Ⅰ级区周边。该区域土层粒级较小，较Ⅰ级区稳定。③III级区：砂粘土区域。见图5中浅紫色区域。该区域粘结性和膨胀性较强，不利于地下水侵蚀。

2.4 地下水动力条件

岩溶地下水具有搬运、迁移及其溶解碎屑物质的能力，其能力大小主要由水流速度、水力坡度以及水流量的大小来决定（贺可强等，2005）。据以往资料，研究区存在3个岩溶裂隙含水层组（炒米店组含水岩组、昌平组与景儿峪组含水岩组和铁岭组及雾迷山组含水岩组）、两个储水构造（通州向斜储水构造、张家湾背斜北西翼储水构造）。研究区中西部区域为多重构造复合区，根据已有资料分析，先后有多期构造形迹。北东--南西向的向斜储水构造中有后期褶皱叠加在其中，部分炒米店组已被风化剥蚀，部分区域昌平组与景儿峪组直接与第四系接触（北京市水文地质工程地质大队，1998）。因此，该区受复合构造影响，岩溶裂隙发育，赋存丰富的地下水资源。

地下水动力条件对岩溶塌陷的发育有重要影响。地下水动力条件除受基础地质条件的影响外，还与地下水开采等人类活动有密切关系。地下水水位上升与下降的速度对塌陷产生着重要的影响。在天然状态下，地下水缓慢升降，一般情况下不易引发塌陷。地下水的快速上升或下降产生的水力作用远大于缓慢升降时产生的水力作用，因此地下水的快速上升或下降导致致塌力相对增大。因此，可以通过收集水位监测资料，特别是深孔承压水位监测资料来分析水动力条件的变化。图6为研究区2014年6月与2015年6月之间承压水水位变幅图，图中负值代表水位降低，正值代表水位回升。中东部和中南部水位变幅较大，见图6中深蓝色区域，下降3m以上。根据以上分析可知，地下水水位升降速度越快，塌陷频率越高，故这两个区域需加以考虑。

3 深部岩溶塌陷危险性综合评价

层次分析法是以模糊聚类分析和模式识别为理论基础建立的，是一种综合评价模型的方法，可用于解决具有相互联系、相互制约的多因素复杂问题。由于岩溶是个非常复杂的综合体，具有明显的随机性和模糊性，岩溶塌陷危险性评价是一个典型的定性与定量相结合的问题，综合运用层次分析法（AHP）和模糊识别理论是评价岩溶塌陷危险性的一个重要手段（曾玉莹等，2007;姚春梅，2008）。由以往资料和本次综合物探成果资料分析可知，深部岩溶塌陷的控制性因素包括两个方面，地质条件和水文地质条件。本次将地质条件概化为岩溶发育程度、覆盖层厚度和底部土体性质、断裂构造位置。水文地质条件仅考虑承压水水位变幅。以上述4个条件、5个因子作为危险性评价因子，构造岩溶塌陷危险性评价层次结构模型。

3.1 评价因子分级

深部岩溶塌陷危險性评价因子的调查和分级，主要从以下角度加以考虑：

（1）碳酸盐岩的存在是发生岩溶塌陷的物质基础，故岩溶塌陷危险性评价首先要考虑碳酸盐岩分布范围及其破碎程度。

（2）岩溶塌陷一般仅发生在覆盖层厚度小于50m且岩溶较为发育的地区。覆盖层厚度大时地下水对土体的潜蚀作用弱，不利于形成有破坏性的深部岩溶塌陷。但如果覆盖层底部土层粒级类型为中、粗砂，则可能造成地下水活动相对强烈，可能形成一定岩溶发育的条件。故本次评价综合考虑了覆盖层厚度和底部土层结构。

（3）断裂构造发育地区受应力作用影响岩石破碎，易于汇集地下水。水与岩层中的碳酸盐岩反应，形成岩溶裂隙。如南苑-通县断裂与张家湾断裂交汇于通州老城区东北部的龙旺庄附近，该区覆盖层下伏基岩为寒武系灰岩，且历史有过深部岩溶塌陷的案例。故在深部岩溶勘查中，断裂构造是重点勘查对象。

（4）地下水上升与下降的速度也是岩溶塌陷的重要影响因素之一，水位升降速度越快，塌陷频率越高。年变幅大于3m的区域应引起注意。

除上述地质及水文地质因素外，还应考虑人类活动的扰动影响。如深部桩基工程、地热井勘探等，人为扰动越大，岩溶塌陷发生的可能性越大。同时，由于岩溶塌陷具有重复性的特点，已发生塌陷的地区很有可能继续发生塌陷，故在评价时考虑已发生岩溶塌陷点的分布。

通过以上分析，最终确定地层顶板破碎条件、第四系条件（厚度与底部土层性质）、构造条件（断裂构造）、地下水动力条件为研究区深部岩溶塌陷危险性评价因子，从而构造出评价层次结构模型，具体划分参数见表1。

3.2 隶属度矩阵的确定

根据岩溶塌陷条件及影响因素分析，结合实际经验，利用 “1-9标度”法，列出层次结构中条件层和因子层的判断矩阵（即深部岩溶塌陷的基本条件相对于深部岩溶塌陷评价目标的相对重要性比较和针对各基本条件的相关因子之间相对重要性的比较）。分别计算条件层和因子层特征向量，归一化后得到相对权重，再用条件层的相对权重乘以因子层的相对权重，得到评价因子的计算权重值。然后，分别选取几个塌陷程度不同，但已明确的单元进行反演，对个别矛盾的因子权重进行调整，调试合理后的权重值作为最终权重。即：

基本条件层（第四系、断裂构造、岩溶破碎程度、地下水动力条件）最终权重：

3.3 模糊综合评判

本次基于模糊层次综合评价法，利用Arcgis空间分析功能，以1km×1km的正方形网格作为评价单元，通过编制程序，逐单元确定模糊评价集。评价区共有470个单元，评判结果存到各预测单元的属性库中，把相同隶属度的单元划分为同一级别。根据各单元评判的结果，进行整体危险性分区评价（图7）。

（1）I级防控区：在人类深部工程（>200m）活动影响下，若不采取防控措施，存在较大岩溶塌陷风险的地区。包括I-1、I-2和I-3区，见图7中暗紫色区域，其中I-1区位于研究区中北部，面积约1.6km2;I-2区位于TJ-1井附近，面积约8.3km2;I-3区位于探采-2井附近，面积约10.5km2，总面积约20.4km2。

将I-1、I-2和I-3区划为I级防控区，除综合评价结果外，还因为：位于I-2区的TJ-1井曾在施工过程中发生严重的钻孔塌陷掩埋事件;位于I-3区的探采-2井在蓟县系出现漏失现象，对该钻孔进行双侧向声波时差、电阻率等测井测试，发现该处蓟县系白云岩裂隙发育，有明显漏失。

对于I级防控区在地下水开采、深部桩基工程、地热井勘探等人类活动扰动下，较可能发生岩溶塌陷。故该区在施工过程中，需提前做好规划，并做好地下水位监测及下管固孔等工程防控措施。

（2）II级防控区：在人类深部工程（穿透覆盖层厚度）活动影响下，若不采取防控措施，可能存在岩溶塌陷风险的地区，包括II-1、II-2、II-3和II-4区，见图7中蓝绿色区域。

II级防控区在自然条件下可不考虑岩溶塌陷地质灾害，但在深部工程建设或人类活动，如深部钻井施工、连续大流量抽取岩溶水、造成地下水位强烈波动时，可能导致深部岩溶塌陷。故当工程建设或人类活动穿透覆盖层底界时，需要做好预防控制工作。

（3）稳定区（III级）：将东南角碳酸盐岩顶板埋深大（约2000～3500m）的部分及青白口系分布区划为稳定区，即III级，见图7中浅蓝色区域，该区几乎没有发生岩溶塌陷的可能。

4 结论

（1）梳理并定量研究了影响深部岩溶塌陷危险性的五大主控因子，分别是碳酸盐岩地层岩溶发育程度、断裂构造位置、覆盖层厚度、覆盖层底部土层岩性和地下水动力条件（水位变幅）。

（2）在综合调查分析主控因子的基础上，采用模糊综合评价法，对研究区深部岩溶塌陷危险性进行了定量评价，针对不同的危险性确定了工程防控级别（Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级），提出了有针对性的防控措施。

（3）针对深部岩溶塌陷危险性的调查与评价，目前国内还没有成熟的方法和标准。本次是利用综合地球物理方法，通过调查深部岩溶塌陷主控因子，评估深部岩溶塌陷的危险性，可为相似区类似工作的开展提供借鉴。

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