长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响

[研究目的]岩溶塌陷是长江经济带主要环境地质问题之一,开展长江经济带岩溶塌陷分布、成因及其对工程建设的影响研究,对长江经济带立体综合交通走廊建设和新型城镇化建设地质环境安全保障具有重要意义。[研究方法]本文系统梳理了长江经济带岩溶塌陷研究成果,从岩溶环境特征、岩溶塌陷的成因类型和机制、发育及分布规律、对工程建设的影响及防控措施几个方面进行论述。[研究结果]研究结果表明,长江经济带岩溶塌陷易发区面积约25.4万km^(2),有记录的岩溶塌陷灾害2146处,矿山疏干排水、抽水、工程施工等是这一地区岩溶塌陷的主要诱发因素。长江经济带岩溶塌陷具有以下发育分布规律:一是具有区域性和地带性的分布特征;二是发育地层一般为均匀状纯碳酸盐岩,沿断裂破碎带、褶皱轴部裂隙发育带、可溶岩与非可溶岩接触地带等岩溶洞隙密集发育带分布;三是多发生在岩溶地下水强径流带、河流两岸等地下水位变化幅度大、水动力条件易发生急剧变化的地段;四是多发生在人类工程活动强烈的地区,塌陷的规模取决于人类活动的性质和强度。为了降低岩溶塌陷对工程建设和安全运营影响,本文同时提出了相关建议和对策。[结论]长江经济带岩溶塌陷分布广、危害大,高易发区内线性工程、重要城市群等规划建设应对这一环境地质问题引起重视,该研究成果可为长江经济带国土空间规划、地质灾害防治提供基础支撑和理论依据。

典型喀斯特白云岩小流域土壤-表层岩溶带厚度空间异质性特征

土壤-表层岩溶带厚度是喀斯特地球关键带的关键指标,明确其空间异质性特征对于理解地球关键带结构演化机理以及评估水源涵养功能具有重要意义。在广西环江木连小流域1.4 km 2范围内,通过高密度电法(ERT)探测45条样线,共获取1731个样点的土壤-表层岩溶带厚度及环境因子数据资料,研究了土壤和表层岩溶带厚度的空间分布格局及其影响因素。结果表明,土壤和表层岩溶带厚度平均值分别为1.15 m和6.44 m,且分别呈现强变异程度和中等变异程度。地统计分析结果表明球状模型和指数模型分别可以反映土壤和表层岩溶带的空间结构特征。土壤厚度呈现中等空间自相关性,变程长,空间连续性好;而表层岩溶带呈现强烈的空间自相关性,变程短,空间依赖性强。土壤厚度受到环境因子(地形湿度指数、垂直曲率、曲率、坡向、坡度、高程、覆盖度、出露基岩率和植被归一化指数)的多重影响,而表层岩溶带厚度受部分环境因子影响的同时,与土壤厚度和植被类型的相关性更高。研究结果有助于喀斯特区土壤-表层岩溶带演化机理认识,并为土壤-表层岩溶带厚度的空间预测提供科学依据。

碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展试验与模拟研究

研究表明碳酸盐岩的溶蚀过程可用溶解速率方程进行表征,但表征的形式存在较大差别,主要体现在远离平衡的欠饱和态下。为进一步确定碳酸盐岩在欠饱和态下的溶解特征及溶蚀速率的表征形式,首先开展了碳酸盐岩裂隙溶蚀试验研究,探讨了CO_(2)及溶液初始Ca^(2+)浓度对溶蚀过程的影响,并基于试验结果构建了欠饱和态下的溶解速率方程;而后采用碳酸盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型,通过数值模拟对量化模型的参数进行率定和检验。结果表明:(1)CO_(2)的参与加快了碳酸盐岩的溶蚀扩展,溶液初始Ca^(2+)浓度越高,对碳酸盐岩的溶解抑制程度就越高;(2)CO_(2)作用下碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展的平均溶蚀速率增加了1.82~2.29倍;(3)溶液不同初始Ca^(2+)浓度在同等区间流量条件下,蒸馏水为溶蚀溶液的样品中Ca^(2+)浓度差值下降了0.0915mmol/L,溶液初始Ca^(2+)浓度为0.352,0.476,0.581mmol/L的溶蚀溶液中,Ca^(2+)浓度差值分别下降了0.0742,0.0536,0.0474mmol/L;(4)在高度欠饱和状态下溶解动力学由线性速率定律控制,随着溶液中Ca^(2+)浓度的升高,溶解动力学将变为非线性关系,此时Ca^(2+)浓度为0.4倍的平衡时Ca^(2+)浓度。研究结果可为定量评价岩溶发育演化提供数据支撑。

西山煤田岩溶陷落柱柱壁角特征研究及其意义

【意义】随着采掘向深部延伸,岩溶陷落柱已成为华北煤田矿井开采最隐蔽的致灾地质因素之一。柱壁角是描述陷落柱形态特征的重要指标之一。【方法和结果】以西山煤田上下煤层综采均切割过的265个岩溶陷落柱为数据源,通过分区、统计、函数构建、地质类比,挖掘西山煤田岩溶陷落柱柱壁角中蕴藏的地质信息,获得如下认识:(1)西山煤田陷落柱平均柱壁角为84.29°,超50%的陷落柱柱壁角在85°~90°,平均柱壁角自西北到东南逐渐增大,从82.05°增大到87.57°。(2)西山煤田陷落柱柱壁角与8号煤层揭露的陷落柱面积成反比,依据柱壁角与陷落柱面积大小关系,陷落柱划分为:充分塌陷陷落柱(90°~85°)、次充分塌陷陷落柱(<85°~81°)、不充分塌陷陷落柱(<81°);对应的2号煤层陷落柱面积分别为<556、556~1 700、>1 700 m^(2),等效半径为<13.3、13.3~23.3、>23.3 m;对应的8号煤层陷落柱面积分别为<1 250、1 250~2 750、>2 750 m^(2),半径分别为<20、20~30、>30 m。充分塌陷陷落柱一般发育有柱顶空腔,柱体结构较为松散,可导通顶板裂隙水与柱顶空腔水,以及底板承压奥灰水,是西山煤田导水陷落柱的一种重要类型。【结论】类比地质历史时期降雨量结果显示,具有“北柱南相”的西山煤田岩溶陷落柱,可能形成于气候湿热的古近纪渐新世时期,强烈的岩溶作用吸收了大气中的CO_(2),并锁定在沉积区,可能是导致全球大气CO_(2)含量急剧降低的重要原因。

水位下降速率对岩溶土洞塌陷的影响分析

水位升降引起的水气压力变化会导致岩溶土洞塌陷。通过开展物理模型试验与FLAC3D数值模拟相结合的方式,模拟相同供水速率不同排水速率下的水位升降波动对岩溶土洞的致塌过程,分析了水位升降波动过程中不同排水速率对既有土洞内水气压力的变化、覆盖层土压、变形的影响,建立了排水速率,覆盖层变形、塌陷与水气压力的关系,提出了水位波动对土洞塌陷的作用规律。结果表明:(1)排水速率对水气压力变化的影响规律基本一致但变化程度不同。水气压力的变化程度、响应时间与排水速率呈正相关。(2)覆盖层变形量、土压的变化与水气压力变化呈正相关,但影响程度不同,排水速率只是加快了其变化程度。(3)土洞变形、塌陷程度是综合因素所致。排水速率、水位波动次数对既有土洞中水气压力变化、以及土体变形效应均具有不同程度的影响。(4)数值模拟结果与试验室模型试验所得结论基本吻合。这些规律为进一步研究水动力因素对岩溶塌陷的作用规律提供了重要的理论支撑,为合理防治、预测岩溶塌陷提供了依据。

灰质白云岩可溶性影响研究

目的常温常压条件下方解石与白云石含量组成相近的碳酸盐岩溶蚀研究较少,为揭示此类岩石溶蚀特性,方法选取灰质白云岩作为试验对象,开展常温常压下不同酸性与流态条件下的溶蚀模拟试验,通过分析酸液pH、试样质量与孔隙变化、钙镁离子释放量等碳酸盐岩溶蚀参量,探讨影响灰质白云岩溶蚀速率的因素。结果结果表明:(1)pH≤3时,H+消耗量大于钙镁离子生成量,电导率值呈快速降低趋势;pH>3时,H+消耗量略大于钙镁离子生成量,电导率呈缓慢降低趋势,pH=3是电导率值由大变小转折的关键点,突出体现了H+消耗量与钙镁离子生成量的关系。(2)灰质白云岩方解石溶解速度与溶蚀量均远大于白云石的,初始酸液摩尔浓度较高条件下溶蚀效果更明显。(3)孔隙数量增加会加大岩石与酸溶液接触面积,进而加快岩石溶蚀速度。(4)杂质充填岩石孔隙减小了酸液对岩石的破坏。(5)高摩尔浓度酸液(pH≤3)与较强流态环境下溶蚀速率更大,岩石表面可溶物质溶出能力更强,酸液摩尔浓度较低时(pH≥4),流态变化对溶蚀速率影响较小。结论研究结果可为碳酸盐岩溶蚀研究、溶蚀程度评价与工程建设提供参考。

岩溶地质资料管理服务系统设计与实现

岩溶地质资料是岩溶领域科学研究积累的宝贵科研资料。自岩溶地质研究所建所以来,承担各类项目超过1000项,积累了大量岩溶地质资料,这些资料存在分散管理、多源异构、数据孤岛、查询困难等问题。为进一步发挥岩溶地质资料的科学价值,让各类数据资源能够更好的被利用,本文根据岩溶地质资料的特点,利用开源平台架构,采用Web开发技术,设计开发了岩溶地质资料管理服务系统。系统实现了各类岩溶地质资料的元数据管理、目录查询、空间查询、地图服务等功能,可为岩溶科技人员开展科学研究、地质调查、市场服务等工作提供数据信息支撑。

云南革香河流域嘉河五级流域岩溶发育特征

云南革香河流域嘉河五级流域内出露大面积泥盆系~三叠系碳酸盐岩地层,主要岩性为藻灰岩、微晶灰岩、生屑灰岩及白云岩,属强岩溶层组,流域内岩溶发育强烈。地表岩溶主要发育溶丘、洼地、槽谷、溶沟、溶槽、石芽、干谷、岩溶峡谷等。地下岩溶主要发育溶隙、天窗、竖井、落水洞、天坑、溶洞、地下河等。岩溶发育的主控因素一方面受到岩性控制,另一方面受到构造控制作用明显。

越南岩溶地质概况

越南岩溶发育面积大,岩溶地质有关研究比较广泛,为了更全面地掌握越南岩溶地质的研究成果,本文综合分析前人研究成果,结合遥感资料、地质图、洞穴图集等有关资料,编制越南岩溶地质分布图,结合地质构造、岩性组合、水文气候、生物活动等特征分析岩溶作用的背景条件,总结越南岩溶地质、地貌特征和岩溶分布规律,为“全球岩溶地质”数据库提供基础支持。越南岩溶分布面积60000 km^(2),占国土面积的20%,主要分布在越南的北部和中部,南部有零星分布,发育峰丛、峰林、岩溶盆地、洞穴等岩溶景观。多期构造运动、厚层石炭系-二叠系、三叠系纯石灰岩、温润多雨的热带季风气候、活跃的生物活动均有利于岩溶作用的发生。越南岩溶属于典型的热带岩溶,与中国南部岩溶具相似的起源。

山东荆泉地区岩溶地面塌陷预警分区研究

以荆泉断块岩溶水系统为研究对象,通过建立地下水流模型和数学模型,旨在实现不同环境条件下岩溶塌陷预警分区,指导岩溶水资源开发利用。结果显示:在其它条件保持不变的情况下,随着降雨量的不断减小,研究区红色预警区面积不断增大,抽水井越密集的地方,越容易产生岩溶塌陷,岩溶水开采量的增加和降雨量的变化都是诱发岩溶塌陷的主要原因。建议以岩溶塌陷为约束条件,加强区内地下水开采优化控制与布局,在保证生产生活用水的前提下,降低岩溶塌陷发生概率。

岩溶水库藻源性有机质来源对表层沉积物有机碳矿化过程的影响

岩溶水生环境富含HCO-3,有利于内源藻类发生生物碳泵作用,形成大量藻源有机质沉积到库底。丰富的藻源性有机质在沉积物中发生矿化作用,影响有机质埋藏过程,影响岩溶水生环境碳循环过程和碳汇潜力。为探究藻源性有机质对矿化作用的影响和岩溶水生环境碳循环稳定性的影响,以岩溶地下水补给型水库(广西大龙洞水库)为研究对象,初步分析从上游到下游不同区域藻源有机质对表层沉积物有机质矿化过程的影响。结果表明:大龙洞水库有机质主要来源为内源藻类(20.9%~65%)和外源土壤(11.8%~53.4%)且具有一定的空间差异,水库上游以土壤来源为主,下游以藻类来源为主。大龙洞水库表层沉积物矿化过程在空间上呈现上游潜在矿化量高于下游潜在矿化量,产生差异的主要因素是在岩溶高溶解无机碳水环境中,藻源性有机碳对微生物矿化过程具有抑制性,降低矿化强度。在生物碳泵作用和无机碳保护下,以藻源性来源为主的岩溶水库表层沉积物有机碳潜在埋藏总量略高于岩溶区土壤的潜在埋藏总量,表明岩溶水库沉积物有着稳定的有机成分积累。

岩溶洞穴救援体系构建研究——以贵州省为例

完善的岩溶洞穴救援体系、促进岩溶地区体育产业和旅游行业发展,对岩溶洞穴旅游具有重要现实意义。文章通过对国外洞穴救援成果及洞穴救援手册分析洞穴救援要素,结合我国救援主体和洞穴救援技能特性以及贵州实际,构建贵州洞穴救援组织架构及救援响应机制。依据贵州洞穴发育特征和洞穴事故发生概率及性质,部署贵州洞穴救援力量。根据我国救援体制和洞穴救援人员技能需求及其分布特性,建立统一指挥平台和洞穴救援专家库(消防队洞穴救援专家,洞穴协会会员洞穴救援专家),实现指挥中心统一调度,政府与社会力量共同作战。完善的洞穴救援体系有利于合理利用资源,实现洞穴救援有序高效实施。

漓江流域喀斯特综合干扰评价及其空间特征

喀斯特地区具有特殊的地质结构,生态环境脆弱性较高,辨识和量化人为、自然多重干扰是减少人类干扰影响及制定喀斯特景观管理政策的重要依据。基于漓江流域喀斯特发育地貌特征,旨在建立包括地貌、水文、气候、生物、社会5类因素以及15个具体干扰指标的喀斯特综合干扰指数,并通过空间相关分析探究地理因子对综合干扰解释力以及因子与指标间交互作用力的特征。结果显示:(1)漓江流域中游综合干扰指数高于上下游,自然地形地貌本底以及不同类型喀斯特景观分布的地带性是分异的主要原因;(2)干扰等级为显著干扰,综合干扰指数为0.336,空间上呈现出东部与北部低、西部与南部高的分布特征,具有明显的空间异质性;(3)地理环境和社会经济因素对综合干扰具有较强解释力,采石采矿、各类灾害、生产活动等多项干扰指标以及海拔高度具有较强空间关联关系。评估了漓江流域喀斯特综合干扰并分析其空间特征,研究结果对喀斯特生态环境保护及景观资源可持续发展政策制定具有重要参考价值。

水位下降诱发覆盖型岩溶塌陷发育机理

岩溶塌陷是岩溶区主要的地质灾害类型,具有突发性和隐蔽性的特征,给当地人们的生命财产安全造成威胁。文章以曲靖市马龙区东侧岩溶塌陷为研究对象,以多元结构盖层的地面塌陷为例,在室内构建了与原型相符的地质物理模型,开展两种典型工况下的地下水位下降触发岩溶塌陷试验。基于试验数据分析,提出此类型盖层的致塌机理,并分析透-阻-透型塌陷变形演化特征。研究表明:(1)地下水位下降导致盖层和溶洞中均出现负压带,盖层内的孔隙水压力和溶洞中的真空压强会随着排水波动增长至峰值,地下水位降速越大,压强的增长速率和峰值就越大;(2)根据压强和盖层形变量随时间的演化特征,可将塌陷演化过程分为土洞发育阶段、土洞扩张阶段和盖层失稳塌陷3个阶段;(3)马龙区的水位降速达到0.1 cm·min^(-1)(1.44 m·d^(-1))时,所产生的真空压强能提供足够大的真空吸蚀力,联合渗透压力可导致覆盖层塌陷。研究结果可为马龙区岩溶塌陷灾害的防治减灾及其塌陷预警预报提供参考。

山地城市轨道交通工程岩溶勘察模式浅析

[目的]在贵阳城市轨道交通工程勘察中,岩溶是具有普遍性的不良地质,是地质上面临的首要问题。当今岩溶问题的勘察模式同贵阳城市轨道建设的需求是不相匹配的,故必须探索一种适用于岩溶山地城市轨道交通建设的岩溶勘察模式。[方法]从岩溶危害出发,总结分析岩溶勘察的技术手段、规范约束和贵阳市的实际经验共三个方面的内容后,明确指出现阶段采用的“工程地质调绘先行,工程钻探为主,工程物探为辅”的岩溶勘察模式是历史所形成的,并论述了当前轨道交通山地岩溶勘察的主要矛盾是对岩溶勘察的高分辨率要求与勘察方法的低分辨率水平之间的矛盾。[结果及结论]从现阶段岩溶勘察的主要矛盾出发,根据岩溶勘察技术手段的发展,结合具体案例分析,经研究提出:“工程地质调绘先行,工程钻探为主,工程物探为辅”的岩溶勘察模式必将走向“从工程需要出发,以地质思维为指导,地质调绘先行,地面物探普查,钻探和钻孔物探为补充和验证,多方法综合”的新勘察模式。

某岩溶项目岩土工程分析初步研究

勘察区内岩溶赋存特征主要受岩石的可溶性、地质构造和地下水等综合控制。通过开展工程测量、工程地质钻探、圆锥动力触探试验、室内水土试验、岩石饱和单轴抗压强度试验等工作,得到了工程场地地质条件和岩土参数,并对试验结果进行统计分析,最终对工程场地岩溶水的水腐蚀性和地基基础方案做出岩土工程分析评价[1]。

湖北省2019-2021年岩溶碳汇估算及其驱动因子分析

碳酸盐岩在水循环过程中的碳汇效应显著,加之岩溶地貌在我国分布广泛,所以探求岩溶碳汇潜力的研究对制定区域增汇策略具有重要意义。选取位于西南岩溶区的湖北省为重点研究区域,基于水化学径流法及入渗-平衡化学法进行定量化计算和比较,利用ArcGIS空间分析技术整体评估湖北省2019-2021年岩溶碳汇的空间格局与量级,探索更适宜应用于区域尺度的岩溶作用碳汇估算方法,综合分析岩溶碳汇的驱动因子,发掘更大的增汇潜力。研究结果表明:(1)采用入渗-平衡化学法估算3 a碳汇强度大小为2020年>2019年>2021年,丰水年(2020年)岩溶碳汇总量约为枯水年(2019年)的6倍,3 a年均碳汇强度为12.84 t/(km^(2)·a),碳汇总量达163.89×10^(4) t/a;(2)相较于水化学径流法,入渗-平衡化学法计算结果更为准确,获取数据资料较为简单,大小空间尺度都具有一定的普适性;(3)碳汇作用变化是高度动态的,气候变化下变化幅度主要由径流深决定,碳汇强度随径流深增大而变强,土地利用类型调控着岩溶作用碳汇强度;(4)鄂西南地区岩溶作用强烈,可建立岩溶碳汇试验区,定量评估人工干预所带来的增汇效果。研究结果不仅提供了精确易行的岩溶碳汇估算方法,而且确定了湖北省岩溶碳汇的量级与空间格局,摸清了碳汇强度驱动因子的共同耦合作用,体现了岩溶碳汇的人为可调控性以及复杂性,进一步为环境保护政策、人工增汇措施的制定提供了可靠的科学依据。

兖州滋阳山地区岩溶塌陷分布规律及成因机制

以山东兖州滋阳山地区的岩溶塌陷为例,综合勘查基础成果资料,深入研究该地区岩溶塌陷的分布规律与成因机制。结果表明:2011年至今研究区发生岩溶塌陷两次,两处岩溶塌陷点平面形态具有椭圆形及不规则形状的特征,岩溶塌陷发生的季节性较为明显,发生时间集中在7-8月份,两处塌陷点发生于滋阳山东北侧的山前岩溶洼地,位于中源沟河床沟塘地段。根据碳酸盐岩与上覆第四系覆盖层的位置关系,主要有裸露型岩溶区、隐伏型岩溶区和埋藏型岩溶区;研究区岩溶塌陷受岩溶发育程度、第四系覆盖层厚度、自然因素等因素的制约;从动力机制来看,该处岩溶塌陷成因机制为真空吸蚀作用、潜蚀作用、地表水冲蚀增荷作用,诱发因素有为大气降水、地表水。研究结论为该地区岩溶塌陷的科学防灾减灾提供科学依据。

基于PCAS软件对孔隙结构的定量表征——以川北地区广元千佛崖组砂岩为例

使用川北地区广元千佛崖组砂岩薄片图像样品,开展基于孔、裂隙分析系统(PCAS)定量表征孔隙结构的研究,并探讨如何提升PCAS识别孔隙度的精度。研究表明:使用PCAS默认的单阈值分割法,识别的孔隙与人工圈定的孔隙范围不一致,并且孔隙度偏高,为31.21%。为了提高软件的识别效果,使用Adobe Photoshop对图像进行初步优化,然后采用多阈值分割法,根据孔隙的颜色差异设置各阈值的容差,最终得出孔隙度为14.18%,孔隙识别正确且内部结构更加完整,说明以上操作能够显著提升软件的识别效果。将优化后的孔隙度与默认的单阈值分割法识别的孔隙度、薄片估算的面孔率进行对比,发现优化后的孔隙度与薄片估算的孔隙度接近,仅相差1%~2%,并且参考邻区储层物性测试所得孔隙度,可确定该结果具有一定准确性。此外,PCAS还能快速、准确地提取各种孔隙特征参数,对于孔隙成因、孔隙评价、赋孔特征、赋气机制、渗流网络等研究具有重要意义。这些结果证实了PCAS软件在定量表征孔隙方面的潜力。

覆盖型岩溶土洞形成的临界水流速度数值模拟研究

覆盖型岩溶塌陷灾害具有隐蔽性、突发性、不确定性、机理复杂性等特点,致使其预防、治理工作十分困难。覆盖型岩溶塌陷过程中,覆盖层土体形成土洞,土洞发育、扩展直至地表塌陷。现阶段土洞塌陷研究方法多为有限单元法等数值模拟,但有限单元法无法解决颗粒迁移、土体崩落等岩体大变形问题。在浙江省江山市岩溶塌陷地质条件分析的基础上,利用颗粒流数值模拟方法(PFC)对覆盖型岩溶土洞的形成过程进行了模拟,从微观角度揭示土洞形成过程中特殊土体颗粒的位移、裂纹的发展趋势和系统不平衡力的变化情况等,再现外力作用下岩溶土洞形成的多场变化特征。结果表明:(1)岩溶土洞发育过程可概化为裂纹产生、连通面形成、颗粒剥落3个阶段;(2)岩溶土洞开始发育时,土体颗粒位移曲线、裂纹的贯通程度、不平衡力三者之间具有良好的一致性,且垂直方向扩展速度大于水平速度;(3)覆盖层土体为黏土时初始土洞形成的临界水流速度为0.104 cm/s。研究结果可为岩溶塌陷治理提供参考数据。