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1环境地球科学(2010)59:1309-1318日期10.1007/s12665-009-0118-1原创论文中国北方和南方岩溶塌陷及其分布规律的对比分析HeKeqiangDuRulinJiangWenfu收稿日期:2008年10月21日/接受日期:2009年2月17日/出版:2009年3月7日德国施普林格出版集团摘要:中国的北方和南方是两个不同的岩溶塌陷区划,由于基本地质条件,地下水动力条件,和气候因素的差异,中国北方的岩溶塌陷在类型、分布特点、发展密度、范围和形成机制方面与南方不同,基于对大量统计资料的分析和对中国岩溶塌陷基本规则的分析,本文系统分析南北基本地质条件,地下水动力条件,气候条件,研究总结在功能,规模,密度,区域分布规则,形成机制等方面的差异,对比和总结具有重要意义,对探索和防范岩溶塌陷及岩溶塌陷区有关的工程建设的规划和布局有重要价值。关键词:中国北方和南方岩溶塌陷分布规律对比分析引言喀斯特地貌广泛分布于世界各地,主要地中海沿岸,东欧,中东,中国南部,东南亚,美国东南部,中美洲,和其他人口稠密,人类活动强烈的地区。因此,这些地区的岩溶灾害问题也很严重,引起国际社会的广泛关注。20世纪70年代以来,关于岩溶问题的国际会议提供了来自不同国家的调查和研究人员交流和讨论各国地质灾害的机会。由于俄罗斯院士Shevyakov提议在1933年举行第一次苏联岩溶会议,国内外许多学者进行了对不同程度岩溶塌陷的研究,并获得一些有价值的研究成果(张1985)。岩溶塌陷的分类在1941年由Gremer首次提出(Sowers1984;SridharanandJayadeva1982)。1974年,Maksivich教授发起并举行了第二次岩溶会议,决定把岩溶作为一个独立学科,来推动岩溶研究的深入发展。随后,许多学者发表文章和作品,讨论有关岩溶塌陷机制的问题(lu2000)。A.B.Pavlov发现了岩溶塌陷机制的理论,该理论认为地下侵蚀导致岩溶塌陷。利用遥感和和地震波反射等地球物理勘探方法,Yechieli等,成功找到了控制以色列和约旦沿死海海岸线水下洞穴岩溶发展的因素。2005年DamienClossonz利用高精度称重法探索约旦GhorAlHaditha的地下洞穴,也取得了令人满意的成果。(Clossonetal.2005)在1992年,KangYanren提出形成岩溶的崩塌模式,提供了8种岩溶崩塌模式(Kang1992;XuandZhao1981;Wang1982)。他和王分别建立了在内部坍塌以及地下渗透压力作用下的临界高度理论,通过M.M.Promojiyfakonov的平衡拱理论以及极限平衡理论,而且建立的规则和模型,他们完成了回归测试,对枣庄的岩溶塌陷进行了预测和评估(HeandWang2002)。LeiMingtang,JiangXiaozhen和其他学者还对利用模型试验和地理信息系统预测和评估岩溶塌陷进行了系统研究(LeiandJiang1994;Leietal.1997,2002;Achari21999).。基于岩溶塌陷的地质调查和对大量统计数据的系统分析,本文系统的对比中国南北岩溶塌陷在分布规律,类型,范围,地下水动力条件和形成机制方面的不同,通过获得对比结论和规律,为探索和防治岩溶塌陷和有关的项目建设提供科学的参考。现代中国岩溶塌陷类型调查中国式世界上受岩溶危害最广泛最严重的国家之一,在中国的南方和北方,有大量的岩溶塌陷发生,据不完全统计,除上海外,宁夏,新疆以及其他一些地区,大约有897处岩溶塌陷,32000处塌陷,总面积达到330×104平方公里,大约分布在22个省份(城市和自治区)(Gaoetal.2003)(图1)。岩溶塌陷主要分布在广西,贵州,江西,云南,湖南,四川,河北,山西,山东,辽宁和其他省份。以长江为分界线,中国可以分为两个大区域,即南方和北方(图1)。就一般特点而言,中国南北岩溶塌陷有共同点,同时也发现在(发展特色),密度和范围,分布规律和形成机制等方面有差异。图1中国南北岩溶塌陷对比分布图【据中国岩溶地质学会(1993)和xiang等人(1986)补充。】1-人为塌陷;2-现代自然塌陷;3-古岩溶塌陷中国的岩溶塌陷可以分为两大类,现代岩溶塌陷和古代岩溶塌陷(LeiandJiang1998)(图1;表1)。现代岩溶塌陷可以分为两大类:自然塌陷和人为塌陷。现代岩溶自然塌陷的主要原因是地震,降雨,洪水,干旱,岩石和土体的自重,一般来说,这与人类的经济活动和项目活动无关,已知的258个自然塌陷中,约占总数的28%,包括河北唐山和辽宁海城的地震型塌陷,榆林和广西交界处的干旱型塌陷,在广西恭城的降雨型塌陷。3表1中国岩溶塌陷统计表编号省份现代岩溶塌陷古岩溶塌陷总计自然塌陷(处)人为岩溶塌陷Waterbursting抽水蓄水其他不明因素1广西112111044627–3002贵州411232115–1013江西34152559–884云南73201635–815Wunan61926194–746武备16211745–637四川3283141–588河北274148269山西–5–––192410广东361013–2311山东159––11612辽宁3341111313江苏–23––71214安徽–72––11015陕西––2–1316河南–3––––317福建––2–––218青海2–––––219海南––1–––120黑龙江––1–––121吉林––1–––122内蒙古1–––––1总计26011625513010438903百分比(%)28.8%12.8%28.2%14.4%11.5%4.3%100%中国的大部分现代岩溶塌陷,总共601处,是人为塌陷,占塌陷总数的67%,人为抽水造成的塌陷255处,占塌陷总数的28.2%。在中国的大部分缺水地区,无论在北方或者南方,抽水引起塌陷的问题在城市水源地尤为普遍和严重。例如,有1023处遭受抽水导致的塌陷,包括贵州省水城钢铁厂。特别是中国北方干旱和半干旱地区,水资源短缺往往更为严重,例如辽宁省瓦房店,河北秦皇岛,山东枣庄,江苏徐州,和其他有代表性的地方都是抽水导致塌陷的。二是排水造成的塌陷。这种塌陷发生非常广泛,在116处造成最严重的破坏,占总数的12.8%,首要的是采矿排水造成塌陷,其次是隧道和地下工程引起的。在山西,河北,河南,山东,广西,江西,湖南,湖北,广东及其他省份有丰富的地质资源,这些地区大部分由排水系统造成严重塌陷是由矿井引起的。例如,在山西有数百个矿坑,50个矿井,19个采矿区,6个煤田中有5个遭受过危险的突水塌陷。4三是水库蓄水引起的塌陷,这类塌陷分布在中国南部许多省份而在北方很少,共130处,占14.4%。对于这一类的塌陷,通常塌陷坑洞的数量不是太多,而且范围很小。但是他们能引起水的渗漏,这将影响到水库的运转和大坝的安全。有代表性的蓄水引起塌陷有云南省力合水槽子水库,广西省大龙洞水库,湖南省(樱桃奥)水库,贵州省火石坡水库,山西省桃曲坡水库。除上述塌陷外,还有一些负载塌陷,振动塌陷,渗漏塌陷,和不明原因引起的塌陷,共104处,占总数的11.2%。中国南北基本地质条件和地下水动力条件的差异基本地质条件的差异中国南部和北部基本地质条件的差异,大致上代表了地质历史,由此给出在分布,地层,岩石,和区域大地构造单元上的差异。中国北部基本地质条件从区域大地构造单元看,中国北部属于中国地台(或中国板块),中韩准地台或北中国地台的范围,这是中国最古老的板块,它的基础包括太古宙和早古生代的变质岩,在古生代-元古代的吕梁运动(18—19亿年)造成基础岩石的褶皱形成一系列山脉,然后进入不比较稳定的板块发展阶段,沉积物的表面覆盖着厚厚的中新元古代和早古生代碳酸盐,在中生代燕山期,有剧烈的造山运动,形成了基本的地形,在新生代,喜马拉雅运动剧烈的升降运动占主导地位,中国北方古岩溶的发育是时间最长,频率最大的(总共15次,lu1982),且中新元古代和古生代岩溶发育得最好,尤其是在那期间,古生代岩溶地貌的发展代替了古生代-岩溶陷落柱形成的基础。中国北方元古代的可溶岩主要是白云岩,但在古生代是石灰岩占优势,板块的覆盖层大致上分布范围大,且平坦有褶皱。反映到地形和新构造运动,大致上表现出单一的断块山地,和沉积盆地。岩溶地区地面的形状有正常的山地,正常的丘陵,干涸的山谷,干涸堤防,岩溶洼地,岩溶山丘,岩溶山峰,岩溶泉占优势地位。中国南部基本地质条件中国南部属于中国地台(中国板块),扬子地台(或扬子板块,东南沿海地区,福建和浙江,中国南部褶皱带江西的一部分)。这是在晋宁运动(8.5亿年)之后形成的地台,1.2亿年后中国北部地台形成,自古生代时代经历了加里东期,华力西,印支,燕山期和喜马拉雅期,这些时期有许多岩溶发育。从新元古代第一期岩溶阶段,(太古大别山中一期)到新生代喜马拉雅末期的三峡阶段,有22个岩溶发展周期,晚古生代和三叠纪时期的可溶性岩石主要是碳酸盐岩,厚度相对较大,通常大于1500米,一般是2000-3000米。包含岩盐和石膏的红色碎屑岩(红色地层)是分布在西南区域独有的碳酸盐岩,占总数的1.4%。在区域构造上,相对激烈的褶皱通常形成在这一地区,形态学特征类型相对复杂,宏观上可分为高原,山地,丘陵,和平原。由于强烈的岩溶作用,地表形态结构复杂,类型多样,森林平台也很完善,包括峰丛洼地,锥形石峰,封闭洼地,灰岩盆地,落水洞,峰林平原(塔状石峰,石海,单独峰,和残余丘陵)。有代表性的完整的大片山峰地形在桂林-阳朔地区发育的很好。5岩溶地下水动力条件的差异地下水是影响岩溶塌陷最活跃的因素。岩溶塌陷主要分布在地下水位低且活跃的地带。以秦岭构造带为界,中国东部的地下水系统可以分为两个系统:北方干旱和半干旱岩溶地下水系统和南方湿润热带和亚热带岩溶地下水系统,无论在水文地质单元范围,岩溶地下水的类型和特征,或地下水动力条件上,都有相当大差异。中国北方的岩溶地下水动力条件中国北方的的岩溶水文地质单元受区域断裂构造的限制,区域和范围都非常大,通常有数百平方公里,有的甚至达到数千平方公里,岩溶地下水岩溶裂隙水,包括裂隙—岩溶裂隙类型和岩溶裂隙—岩溶裂隙类型(岩溶裂隙—岩溶裂隙类型仅在北方有发现)。溶解裂隙网络主要由沿着构造裂隙和层状裂隙区溶蚀形成,当水的渗透性相对较好分布时,裂隙连接良好,并有宏观渗透特征。从补给区到排泄区的距离往往非常长,水力坡度很小,所以流量小,流量率低,侵蚀和搬运很少,这是因为地下水的相互流通相对较少。从浅层岩溶水压和强烈交流区到深层弱交流区,水的温度,溶质,和硫酸根离子有逐渐增加的趋势,。在岩溶水文地质条件中,岩溶水动力条件是基础,它把岩溶薄层含水层,边界条件(地形和地质结构),普遍接受的三种(孔隙水,裂隙水,溶洞管道流)和水力条件的特点和多元化(流动方向,流速,瞬时压力和流量)联系起来。显然不同的岩溶地区有不同的岩溶水力学条件,例如,辽宁省的岩溶丘陵和太子河流域,它的岩溶水力条件如图2(lu1986)。因此,辽宁省的寒武纪-奥陶纪岩层是岩溶发育很好的区域,而且在石炭纪以后的一些时期也是这种情况。截至目前,发现了大范围地溶洞,地下河流和岩溶流。图2古岩溶塌陷水动力情况图1干旱季节地下水位2古岩溶地下水等水位线3古岩溶地下水流动方向4透镜形非碳酸盐岩带5碳酸盐岩体中不含水的岩体A悬挂泉B上层地下河C古岩溶管道盆地(地下河)D季节性古岩溶泉中国北方干旱半干旱岩溶地区的重要水力学条件是很多大型岩溶泉已经形成(han1985)。据统计,有超过50个大型泉流速超过1立方米每秒(见图3)。这些大型泉的水供应有两种来源。一是岩溶流域的降雨直接渗漏,裸露岩溶地质构造渗透因子大约为0.2-0.3,和覆盖着相对较厚的黄土的半裸露岩溶地质结构大约为0.15-0.2;另一个就是地表水的非岩溶地质供应,和冲击层地下水。有时候,这种供给会占到岩溶流域水供应的四分之6一到二分之一。图3中国北方大岩溶泉分布图1NiangziguanSpring,2WeizhouSpring,3P
本文标题:中国北方和南方岩溶塌陷及其分布规律的对比分析
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