薄层灰岩浅部岩溶发育特征及分布模型

张 宽，唐朝晖，柴 波，孙 巧，张洁飞

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430074)

我国南方三叠系下统地层中普遍分布薄层灰岩。薄层灰岩岩溶发育程度较中厚层灰岩弱，在工程建设中容易被忽视，存在工程安全隐患。目前，针对薄层灰岩岩溶发育特征及分布模型的研究尚少，无法有效指导其分布区基础、边坡等工程活动的勘察设计。

岩溶发育规律和溶蚀机理的研究成果表明，在褶皱轴线和断裂带附近岩溶较发育，溶蚀程度与矿物成分密切相关，微生物可使溶蚀显著增强[1-3]。溶蚀速率与溶液酸度、温度和水动力条件呈正相关[4-6]；从不同尺度看，岩溶在水—岩界面发生选择性溶蚀[7-8]；溶蚀始于晶间结合面，并沿着节理裂隙发展[9-11]，局部形成溶蚀孔洞。具有一定规模的溶蚀孔洞往往是影响岩溶区工程地基稳定性的关键。而薄层灰岩含有较多泥质夹层，溶蚀孔洞规模小、分布不均匀，在传统勘探工程精度下，往往很难揭露。

广西合山市溯河矿区某道路工程在三叠系下统罗楼组薄层灰岩内建设，勘探未揭露明显的岩溶，但施工过程遇到了溶洞和溶蚀残积膨胀土。本文以该工程所揭露的岩溶分布为线索，通过溶蚀试验论证了化学溶蚀的作用规律，对比分析薄层和厚层灰岩岩溶发育特征，构建了薄层灰岩浅部岩溶的分布模型，对薄层灰岩区工程场地勘察设计具有指导意义。

1 区域地质概况

研究区拟建道路位于溯河矿区内，绕山而建。地处亚热带季风气候区，地表水丰富，地下水位主要受大气降水及人工排水影响，波动较大。溯河矿区位于低丘陵地带，出露三叠系下统罗楼组(T1l)地层(图1)，上层为灰色中厚层状灰岩，中部为浅灰色薄层状灰岩、泥质灰岩夹钙质页岩，下部为硅质、砂质页岩及薄层泥灰岩互层，呈单斜状产出，发育小褶皱和局部裂隙。该区实测缓倾岩层产状为125°∠9°，主要发育的两组节理产状分别为305°∠81°和5°∠90°。道路开挖形成的半路堑边坡高度为0～15 m。

图1 研究区地层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of the strata in the study area

2 浅部岩溶发育特征

采用实地调查、EKKO-PRO型探地雷达系统及钻探等方式，分别对该研究区路堑边坡浅部岩溶发育特征和路基影响范围内的隐伏溶洞进行探查(图2)。

2.1 路堑边坡浅部岩溶特征

绘制路堑边坡地质剖面图(图3)，可知坡面高度为8～15 m，上覆填土厚为0.2～0.5 m，地表以下0.5～5 m主要由黄褐色黏土夹少量碎石(10%～15%)组成。黏土层液限为59.5，涨缩性等级为弱膨胀土。地表以下5～15 m处可见薄层状黄褐色-青灰色灰岩，保留原岩层构造，竖向溶隙平均隙宽为1.5 m，最宽处为4 m，最窄处为0.5 m，均被黏土充填。溶隙沿水平和垂直两个方向发展，呈“井”字型；底部发育厚约0.3 m由黏土充填的水平向岩溶通道，随深度增加，溶隙发育程度降低。总体上，浅部溶蚀作用比较突出。

图2 研究区路基岩溶勘测平面布置图Fig.2 Subgrade karst survey plan layout in the study area

图3 边坡地质素描图Fig.3 Geological sketch map of the slops

为了区分浅部岩溶的溶蚀差异，按照溶蚀程度将其分为碎屑残留带、表层岩溶带和下部包气带。其中，碎屑残留带由黄褐色黏土夹少量碎石组成，这种黏性土是碳酸盐岩母岩风化或红土化作用的产物。表层岩溶带发育薄层状黄褐色-青灰色石灰岩，溶蚀裂隙被黏土充填。下部包气带内岩体较为完整，层面较清晰，岩、土的分界面清晰，表现为黏土包围的一个个孤立岩体。

为进一步探明薄层灰岩浅部岩溶发育特征，联合利用物探和钻探方式对路基影响区域进行岩溶探查。探测溶洞结果见图2。

2.2 薄层灰岩浅部岩溶发育程度与微地貌

在不同的地貌位置，浅部岩溶的发育程度不同。对比分析A-A′段和B-B′段的反射波频谱特征图(图4),结果显示:两段雷达反射波信号在上部变化剧烈，下部变化相对较小，与前文已开挖路堑边坡素面图上反映特征相符。此外，位于山脊处的A-A′段在深度约5 m处明显出现大致水平的低频反射波与高频反射波分界线，亦为表层岩溶带-下部包气带分界线，上部反射强烈为表层岩溶带，下部较平稳为下部包气带。位于山谷处的B-B′段低频反射波与高频反射波分界线较不明显，在深度约为5 m上部反射强烈为表层岩溶带，但下部内部反射和闪射多，说明岩体结构局部破碎，其溶蚀程度明显高于同等深度下的A-A′段，说明位于山谷处的薄层灰岩浅部岩溶的溶蚀作用较山脊处更为强烈。地形较凹的山坡是雨洪径流汇集的区域，水流侵蚀能力增强，其垂向水流作用强烈，加强了水流的垂向侵蚀，促进浅部岩溶向深部发育。

图4 反射波频谱特征图波谱图Fig.4 Map showinp the reflected wave spectrum features

5、6号隐伏溶洞位于水塘附近，为地下水流动通道。钻探和开挖均揭露此处溶洞未完全充填。此外，在里程K0+400～K0+500段路基面出现5处岩溶塌陷(图5)，最大洞口直径约1 m，溶洞垂向延伸好，相邻溶洞有管道联通，形成串珠状岩溶，平面延伸方向与节理方向基本一致，并指向邻近的山谷。从塌陷体规模来看，2号溶洞发育向下的直筒状岩溶管道，与地表调查岩溶裂隙形态一致，但无充填。薄层灰岩浅部岩溶发育与地下水强径流密切相关，由于岩溶发育，岩层裸露现象严重且溶隙发育，降雨一般通过溶隙补给岩溶地下水，径流经粗大裂隙管道在流域出口排泄。薄层灰岩浅部岩溶选择地下水流集中和水交替能力强的部位发育，地下水强径流带岩溶溶蚀作用更为强烈。

图5 降雨后岩溶塌陷分布Fig.5 Map showing the karst collapse distribution after rainfall

图6 2号岩溶塌陷地质结构示意Fig.6 Schematic diapram showing the geological structure of the No.2 karst collapse

3 室内溶蚀实验

岩溶除受控于岩体结构和微地貌外，与岩石本身性质和水动力条件有关。为从微观及定量化分析矿物组成、CO2及水动力条件研究薄层灰岩浅部岩溶作用过程，在保持温度和压力一致的条件下，通过改变CO2占比进行溶蚀模拟实验，分析溶蚀过程中样品溶蚀量和溶蚀速率的变化规律；同时结合SEM扫描电镜对比观察溶蚀作用形成的次生孔洞等微观形貌变化特征，以期了解薄层灰岩溶蚀作用特征，为探究薄层灰岩浅部岩溶发育机理及分布提供理论依据和指导。

3.1 实验设备

本试验采用静态溶蚀装置(图7)，将岩样置于盛溶液的烧杯中并置于压力罐中，模拟岩体与水的相互作用。通过控制 CO2分压、温度等参数来控制溶蚀条件，通过按溶蚀时间更换溶液来模拟实际岩体经历的水流冲刷变化过程。

图7 实验装置Fig.7 Experimental device

3.2 岩样设计

试验用岩样采自溯河矿道路K0+800处，岩性为三叠系下统罗楼组(T1l)新鲜灰岩，同时对岩石进行 X 摄像衍射(X-ray diffraction)测试矿物组成。将岩样加工成约为40 mm×20 mm×10 mm 规格长方体，表面细磨后通经三级去离子水冲洗，置于干燥箱内烘干，过扫描电镜进行点扫描并称重。岩样物理指标和化学成分如表 1 所示。

表1 岩样物理指标和化学成分Table 1 Physical indicators and chemical composition of the rock samples

3.3 实验结果与分析

比溶解度Kcv计算公式如下：

比溶蚀度Kv计算公式如下：

累积单位体积溶蚀量：

m0、m1——溶蚀前、后岩样的质量/mg；

ms——岩样溶蚀量/mg；

V、V′——岩样体积、标准岩样的平均体积/cm3。

实验组溶液pH约为6.7，呈弱酸性；标准组溶液(空气环境)的pH值大约为8。电导率反映了溶液中离子的浓度，实验组的电导率470 μS/cm明显高于标准组106 μS/cm，说明实验组的溶蚀速率高。由图8(a)得比溶蚀度为1.5～3.2，比溶解度为4.3～5.9。

图8 静态溶蚀指标Fig.8 Static corrosion indicators

岩样溶蚀量一直处于上下波动的状态，40 d后，累计单位体积溶蚀量增长速度开始减慢。随着溶蚀时间增加，岩样表面变得粗糙后，岩样表面的机械破坏量开始减少，而岩样内部不易发生机械破坏，因而单位体积总溶蚀量增加速率变缓。

图9(a)显示溶蚀前灰岩发育极完善的解理，利于水进行选择性溶蚀。图 9(b)显示空气中标准岩样在溶蚀实验结束后发生一般程度溶蚀，方解石晶体被不同程度溶解，可观察到矿物晶体棱角被圆化，出现直径1～10 μm的溶孔。加入CO2气体的实验样，解理张开较大，呈锯齿状，沿解理发育有极为破碎的棱片状矿物，通过能谱分析表明为方解石溶蚀残留不溶物质(图9c)，并可见多组大致沿解理向发育溶孔(隙)组，局部可见溶蚀骨架(图9d、e、f)，类似于宏观岩溶通道。

所选灰岩试样化学成分中方解石含量高达85.07%，对比溶蚀前(图9a)和不同程度溶蚀后(图9b、c)SEM下灰岩溶蚀形态，可见镜下方解石晶体呈现不同程度溶解，方解石表面的选择性吸附和溶蚀作用是方解石表面化学反应的基本特征[12]，且溶蚀持续性进程中游离Ca2+的浓度随溶蚀量的增加而增加，因而表征浅部灰岩溶蚀作用优先选择方解石进行。

图9 SEM 下灰岩溶蚀形态Fig.9 Dissolution morphology of limestone under SEM

4 薄层和厚层灰岩岩溶分布的对比分析

4.1 薄层和厚层灰岩岩溶分布对比

薄层灰岩岩溶受地层岩性、微地貌、CO2及水动力条件影响，呈现出与厚层灰岩不同的岩溶发育特征和分布。以南方薄层灰岩地层罗楼组(T1l)和大冶组(T1d)、厚层灰岩地层茅口组(P2m)和栖霞组(P2q)为代表，对比分析其地层岩性、岩溶现象、介质结构、含水空间、地质模式及发育特征等，结果见表2。

溶蚀沿着裂隙导水带发生，薄层灰岩厚度较小，裂隙密集，溶蚀发育相对均匀，裂隙溶蚀后多有松散层充填物存在，呈溶隙—孔隙型含水和导水结构。然而，厚层灰岩岩质坚硬厚度大，裂隙数量少、规模大，溶蚀作用极不均匀，容易形成分异后的管道流，管道内水动力强，往往无充填。此外，由于薄层灰岩多含泥质夹层，相对隔水，常形成多层水平溶蚀带。在靠近山谷、水塘附近，水动力条件较好处出现小型无填充岩溶。厚层灰岩夹层少，当遇到泥质夹层时，水量和水流均较大，为大型水平溶蚀管道形成创造了条件。

表2 薄层和厚层灰岩岩溶分布的对比分析Table 2 Comparative analysis of karst distribution of thin and thick layer limestones

可溶岩是岩溶作用发生的基础，水的溶蚀力和水的流动性是岩溶发育的必要条件。水中的CO2含量决定了水的溶蚀能力，厚层灰岩发育区域，岩溶管道无充填，水样游离CO2较薄层灰岩发育区域高，地下水溶蚀更强。岩溶作用强度大的地方其土中CO2含量明显要高，且土中CO2浓度远较空气中高(10～60倍)[2,13-14]。然而，薄层灰岩浅部岩溶分带明显，仅在表层地下水含有较多侵蚀性CO2，随着深度增加，CO2浓度迅速越低，水的溶蚀能力减弱，溶蚀作用减弱。

4.2 薄层灰岩浅部岩溶发育分布模型

依据前文研究区罗楼组薄层灰岩岩溶特征研究，并结合薄层和厚层灰岩岩溶分布的对比分析，得出薄层灰岩浅部岩溶发育分布模型(图10)。在薄层灰岩层与含泥质灰岩层叠置中，土的渗透性对土下灰岩的溶蚀作用产生影响，泥质灰岩层在岩溶过程中存在一定的隔水作用，不利于水和CO2的渗透。薄层灰岩的强烈溶蚀作用主要发生在表层岩溶带，由于薄层灰岩层厚小而夹层多，极易发育均匀的微小溶蚀裂隙(图10a)，岩溶水因重力作用选择较大的孔隙扩容下渗，然而当溶蚀水沿裂隙下渗时遇泥化层时受阻会沿趋势面流动，从而形成水平岩溶裂隙(图10b)。随着溶蚀作用进一步发展，岩溶裂隙会逐步扩大并贯通(图10c)。由于薄层灰岩层裂隙规模小、发育均匀，溶蚀裂隙在发育过程中容易被泥化层充填(图10d)。泥质灰岩夹层的存在，水和CO2在垂向运动受阻，因而会倾向于水平方向运移，易在水平方向上形成贯通溶隙且被充填，在局部水动力条件好的地方会出现无填充岩溶，垂向深部发展时溶蚀作用逐步消散(图10e)。该模型岩溶分布特征同实际勘察、室内实验所得到的溶蚀特征一致，因此该模型符合薄层灰岩浅部岩溶分布特征。

图10 薄层灰岩岩溶发育模式图Fig.10 Mode of karst development of thin limestones

了解薄层灰岩浅部岩溶的发育特征和分布模型，对于不同地区的同类型岩溶场地的勘察和基础工程具有指导意义。例如在勘察工作方面，可依据岩溶发育特征选择在冲沟两侧、有岩溶泉出露处加强岩溶空洞的勘察；泥质条带往往发育在页岩层之上，故应注意分辨泥、页岩夹层、溶蚀残积层岩芯，这对岩溶区域的工程勘察工作部署精度差异具有指导作用；在基础工程选择时，其埋深应大于泥质条带发育深度。由于薄层灰岩岩溶发育规模较小，因此在岩溶发育区可利用碎石填充溶洞，无需过多复杂工程措施。

5 结论

(1)薄层灰岩浅部岩溶发育程度与微地貌有关，位于山谷处的溶蚀作用较山脊处更为强烈；岩溶选择地下水流集中和水交替能力强的部位发育，地下水强径流带岩溶溶蚀作用更为强烈。

(2)薄层灰岩溶蚀作用优先选择方解石进行，在岩石表面形成大小不等的溶孔，较溶蚀缓慢或不溶物更为凸起，使岩石表面粗糙，为侵蚀性溶液流动提供通道。

(3)薄层灰岩岩溶较厚层灰岩岩溶规模小，分布较为均匀，地表土体渗入地下岩体的地下水含有较多侵蚀性CO2水溶液，会促进岩溶作用的进行。

(4)薄层灰岩浅部岩溶发育分布模型为：由于薄层灰岩层层厚小，极易发育均匀的微小溶蚀裂隙，岩溶水因重力作用选择较大的孔隙扩容下渗，然而当溶蚀水沿裂隙下渗时遇泥化层时受阻会沿趋势面流动，从而形成水平岩溶裂隙。随着溶蚀作用发展，溶蚀裂隙在发育过程中容易被泥化层充填，夹层多易在水平方向上形成贯通溶隙且被充填，在局部水动力条件好的地方会出现无填充岩溶，垂向深部发展时溶蚀作用逐步消散。