Analysis on development characteristics and inducement of karst collapse in Shandong Province
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摘要:
在归纳山东省岩溶塌陷时空分布规律的基础上，从基岩特征、覆盖层特征、水动力条件、外界扰动4个方面分别阐述多处主要塌陷区的背景条件及影响因素，分析其主要诱发因素。结果表明：山东省岩溶塌陷主要分布于济南、泰安、枣庄、临沂等6个地市，且近年来烟台、济宁等新发塌陷区的岩溶塌陷呈现加剧趋势；山东省岩溶塌陷主要发生在薄覆盖型岩溶区，地层以奥陶系马家沟群为主，其次是三山子组、寒武系炒米店组；岩溶塌陷区土层厚度均小于30 m，覆盖层结构类型以多元结构为主，其次为二元结构和一元结构，且由试验得出黏性土的抗塌性能与其含水率、孔隙比等物理力学性质有关；岩溶水的大幅度波动是塌陷发生的最主要因素，且岩溶地下水位在基岩面附近波动时最易引发塌陷。山东省岩溶塌陷区主要分布于各重要地下水水源地，地下水不合理开发利用引发的水位大幅下降或波动是主要人为诱因，莱芜铁矿区水位受矿区排水影响明显，另外在泰安市城区铁路三角区和东平县东王庄—西王庄运输线路的震动荷载也是另一重要人为诱因。
Abstract:The karst collapse in Shandong Province has occurred continuously since 1960s, showing the characteristics of wide distribution and great harm. In recent years, with the development of China’s economy, the geological disasters caused by karst collapse have taken place widely and frequently. Therefore, it is significant for us to study development characteristics and inducement of karst collapse. Carbonate rocks chiefly compose soluble rock, and the main rock types are limestone and dolomite, including the transitional type and metamorphic product—marble, which are mainly distributed in the Sinian, Late Cambrian and Ordovician periods. The main geological structure in the study area is fault structure, and most of karst collapses are located in the fault zone, its effecting zones and fold developing area. The aquifer rock group of karst water include limestone and dolomite of Cambrian and Ordovician, and karst development is conducive to vertical precipitation and pore water infiltration. Artificial groundwater exploitation is the main route of water discharge, and mass exploitation has led to landing funnels of karst water in the study area. The change of hydrodynamic field is the most important factor causing karst collapse.
Based on previous studies and the results of investigation and monitoring, the spatial and temporal distribution law of karst collapse in Shandong is summarized. Then the background conditions and influencing factors of several main subsidence areas are expounded from the aspects of bedrock characteristics, overburden characteristics, hydrodynamic conditions and external disturbance. Statistical analyses show that the karst collapse in Shandong is mainly distributed in 6 cities such as Jinan, Tai’an, Zaozhuang, Linyi, etc. But new subsidence areas such as Yantai, Jining, etc. have recently experienced increasing trend of karst collapse. Besides, the karst collapse usually occurs in the thin-covered karst area, and the strata are mainly Ordovician Majiagou group, followed by Sanshanzi formation and Cambrian Chaomidian formation. The thickness of soil layer in karst collapse area is less than 30 m, and the structure of overburden layer is mainly composed of multi-element structure, then binary structure and single-element structure, and the sloughing resistance of cohesive soil is related to its water content and porosity ratio. A large fluctuation of karst water level is the most important factor of collapse, and karst groundwater level is most likely to cause collapse when it fluctuates around the bedrock surface. Karst collapse areas in Shandong are mainly distributed in important groundwater source areas; therefore, the water level drop or fluctuation caused by irrational exploitation and utilization of groundwater is the main human-induced factor. The karst collapses in Laiwu iron mining area is obviously affected by the drainage in this area. In addition, the vibration load of the railway in Tai'an City and Dongwangzhuang-Xiwangzhuang of Dongping town is another important human factor.
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Key words:
- karst collapse /
- law of development /
- distribution characteristics /
- inducing factor /
- Shandong Province
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表 1 山东省各地市岩溶塌陷分布情况统计表
Table 1. Karst collapse distribution in different cities of Shandong Province
地市 塌陷分布区域 塌陷规模 塌陷数量/处 泰安 泰安城区—旧县水源地，大汶口水源地，岱岳区徂徕镇、
祝阳镇，东平县大羊镇，宁阳县伏山镇，
新泰市翟镇、泉沟镇、果都镇、禹村镇小型 46 济南 莱芜区大王庄—寨里，莱芜铁矿区，
钢城区鹏山水源地、清泥沟水源地小型 273 长清区孝里镇，平阴县安城镇、孔村镇、洪范池镇 小型 6 枣庄 市中区十里泉水源地、丁庄—东王庄水源地，
薛城区清凉泉水源地和峄城区峄城水源地大型1处，中型1处，小型39处 41 临沂 临沂市城区，沂南县双驼—双堠镇，蒙阴县高都镇 小型 16 烟台 栖霞市臧家庄镇中桥村，牟平区大窑街道李家庄村 小型 13 济宁 曲阜市息陬镇刘家庄村、汶上县军屯乡王庄村、
嘉祥县疃里镇土山村和泗水县泗水镇尖山村小型 4 合计 大型1处，中型1处，小型397处 399 
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表 2 山东省主要岩溶塌陷发育区基岩地层统计表
Table 2. Bedrock strata of the main karst collapse areas in Shandong Province
市 塌陷点（区）名称 基岩地层 岩性 泰安 城区 铁路三角区塌陷 奥陶系马家沟群、三山子组 厚层灰岩、白云岩、泥质灰岩 訾家灌庄—南上高塌陷区 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩、白云岩、泥质灰岩 旧县水源地塌陷区 奥陶系马家沟群、寒武纪炒米店组、
寒武系馒头组厚层灰岩、白云质灰岩 岱岳区 徂徕镇 边家庄塌陷 寒武系炒米店组 薄层灰岩夹页岩 桥沟塌陷区 寒武系朱砂洞组 厚层—薄层灰岩、泥质灰岩 祝阳镇 二王安塌陷区 寒武系炒米店组、奥陶系三山子组 厚层灰岩、泥质灰岩 大汶口镇 土门、大侯塌陷 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩、白云岩 东平县 大羊乡 西王庄—东王庄塌陷 奥陶系马家沟群、三山子组 厚层灰岩、泥质灰岩 新泰市 果都镇 王家庄塌陷区 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩 宫里镇 马家庄塌陷区 奥陶系马家沟群、三山子组 厚层灰岩、白云岩、 泰安 新泰市 禹村镇 东杜村塌陷 奥陶系马家沟群 厚层灰岩、泥质灰岩 宁阳县 伏山镇 东代村塌陷 寒武系张夏组 厚层状灰岩 济南 莱芜区、钢城区 大王庄—寨里塌陷区 奥陶系马家沟群、三山子组 厚层灰岩、白云岩、泥质灰岩 莱芜铁矿塌陷区 奥陶系马家沟群为主 中厚层灰岩、白云岩 鹏山水源地塌陷区 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩、白云岩 清泥沟水源地塌陷区 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩、泥质灰岩 长清区 潘庄区塌陷区 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩 平阴县 平阴县塌陷区 奥陶系马家沟群为主 厚层灰岩 枣庄 荆泉水源地塌陷区 奥陶系马家沟群、三山子组 厚层灰岩、白云岩、泥质灰岩 十里泉、丁庄—东王庄水源地塌陷 奥陶系马家沟群 厚层灰岩、白云岩、泥质灰岩 台儿庄小龚庄水源地塌陷区 奥陶系马家沟群 厚层灰岩、白云岩 临沂 城区 临沂城区塌陷区 奥陶系马家沟群 厚层灰岩、白云岩 罗庄区 铁匠—常旺塌陷区 奥陶系马家沟群 厚层灰岩、白云岩 沂南县 双堠—青驼塌陷区 寒武系朱砂洞组 厚层灰岩、白云岩 孙祖镇塌陷区 寒武系朱砂洞组 薄层灰岩夹页岩 铜井镇塌陷区 奥陶系马家沟群、寒武系张夏组 厚层灰岩、白云岩、泥质灰岩 大庄镇塌陷区 奥陶系马家沟群 薄层状灰岩、白云岩 岸堤—马牧池塌陷 奥陶系三山子组 薄层状白云岩 蒙阴县 高都镇洪沟塌陷 奥陶系马家沟群 厚层灰岩 济宁 嘉祥县 疃里镇塌陷区 奥陶系马家沟群 厚层灰岩 曲阜市 息陬镇西夏—刘家庄村塌陷 奥陶系三山子组 中—厚层状白云岩 姚村镇竹子园塌陷 奥陶系马家沟群 厚层灰岩、白云岩 烟台 栖霞市 中桥地区塌陷区 新元古界蓬莱群 灰岩夹薄层泥灰岩 牟平区 李家庄塌陷区 古元古代荆山群 白云石化大理岩
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表 3 山东省主要岩溶塌陷区覆盖层特征统计表
Table 3. Overburden characteristics of the karst collapse areas in Shandong Province
市 塌陷点（区）名称 覆盖层厚度/m 覆盖层结构类型 泰安 城区 铁路三角区塌陷 17~25 多元结构 訾家灌庄—南上高塌陷区 5~15 一元结构为主 旧县水源地塌陷区 11~15 二元结构为主 岱岳区 徂徕镇 边家庄塌陷区 5~10 多元结构 桥沟塌陷区 12~15 二元结构为主，少量多元结构 祝阳镇 二王安塌陷区 5~15 一元结构、二元结构 大汶口镇 土门、大候塌陷区 10~15 二元结构为主 东平县 大羊乡 西王庄—东王庄塌陷区 5~13 一元结构为主 新泰市 果都镇 王家庄塌陷区 3~10 多元结构 宫里镇 马家庄塌陷区 3~10 二元结构为主 禹村镇 东杜村、中杜村塌陷区 3~10 二元结构为主 宁阳县 伏山镇 东代村塌陷 1~5 多元结构 济南 莱芜区、
钢城区大王庄—寨里塌陷区 15~20 一元结构、多元结构 莱芜铁矿塌陷区 4~15 一元结构、多元结构 鹏山水源地塌陷区 10~12 二元结构为主 清泥沟水源地塌陷区 5~8 二元结构为主 长清区 潘庄区塌陷区 <10 二元结构为主 平阴县 平阴县塌陷区 <10 二元结构为主 枣庄 荆泉水源地塌陷区 10~30 多元结构为主 十里泉水源地、丁庄—东王庄水源地塌陷 2~10 一元结构为主，少量二元结构 台儿庄小龚庄水源地塌陷区 约20 二元结构 临沂 城区 临沂城区塌陷区 3~11 二元结构为主 罗庄区 铁匠—常旺塌陷区 5~12 一元及二元结构 沂南县 双堠—青驼塌陷区 <10 一元结构、二元结构 孙祖镇塌陷区 8~15 多元结构为主，少量二元结构 铜井镇塌陷区 15~20 二元结构 大庄镇塌陷区 <10 二元结构 岸堤—马牧池塌陷 <10 二元结构 蒙阴县 高都镇洪沟塌陷 <10 二元结构 嘉祥县 疃里镇塌陷区 <10 一元结构为主 曲阜市 息陬镇西夏—刘家庄村塌陷区 20~40 一元结构为主，少量二元结构 姚村镇竹子园塌陷 <30 一元结构为主，少量二元结构 烟台 栖霞市 中桥地区塌陷区 <20 一元结构为主，少量二元结构 牟平区 李家庄塌陷区 <14 一元结构为主
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表 4 山东省主要岩溶塌陷区水动力条件一览表
Table 4. Hydrodynamic conditions of the main karst collapse areas in Shandong Province
分布地区 塌陷始发水动力条件 塌陷盛发时水动力条件 始发年份 始发水位 开采量/
万m3·d-1盛发年份 盛发时水位 开采量/
万m3·d-1泰安 城区铁路三角区 1977 标高 105 m 6.0 1978~1985 标高 84~100 m 7.0~10.0 距岩面 −6 m 距岩面 −20~−10 m 城区訾家灌庄 1976 标高 108 m 6.5 1976~1983 标高 96~108 m 6.7 距岩面 −15 m 距岩面 −27~−15 m 旧县水源地 1983 标高 108 m 2.1 2002~2004 标高 86~116 m 5.0 距岩面 +2 m 距岩面 −20~+10 m 大汶口东武水源地 1964 2017年塌陷一次 标高 70~73 m 2.0~3.0 距岩面 −8~+3 m 临沂 临沂城区 1991 标高 62 m 1.2 2002~2012 标高 28~55 m 0.8 距岩面 −3 m 距岩面 −37~−2 m 枣庄 十里泉水源地 1991 标高 45 m 10.0 1995~2000 标高 26~42 m 8.0~12.0 距岩面 +1 m 距岩面 −19~+3 m 丁庄—东王庄水源地 1991 标高 42 m 6.0 1995~1998 标高 30~41 m 8.0 距岩面 −13 m 距岩面 −25~−14 m 荆泉水源地 2014 标高 68 m 8.0 2015~2016 标高 57~70 m 4.0~11.0 距岩面 −7 m 距岩面 −18~−5 m 济南 大王庄—寨里 2008 标高 162 m 3.0 2009~2016 标高 113~158 m 3.5 距岩面 −1 m 距岩面 −23~−1 m 铁矿区孟公清—主井 1973 标高 163 m 铁矿放水引发 1995~2000 标高 128~162 m 1.5~2.0 距岩面 +8 m 距岩面 −27~+12 m 铁矿区孟家庄一带 1975 标高 162 m 铁矿放水引发 1992-1993 标高 46~86 m 8.0 距岩面 +12 m 距岩面 −60~−20 铁矿区西泉河一带 1975 标高 155 m 铁矿放水引发 1992~1996 标高 80~130 m 5.0~7.0 距岩面 −1 m 距岩面 −20~−75 m
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表 5 山东省各塌陷区塌陷诱因一览表
Table 5. Inducement of karst collapse in Shandong Province
市 塌陷点（区）名称 诱发因素 人为因素 自然因素 泰安 城区 铁路三角区塌陷 地下水超采+震动荷载 降水 訾家灌庄—南上高塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 旧县水源地塌陷区 地下水超采 大气降水 岱
岳
区徂徕镇 边家庄塌陷区 地下水超采 大气降水 桥沟塌陷区 地下水超采 大气降水 祝阳镇 二王安塌陷区 地下水超采 大气降水 大汶口镇 土门—大候塌陷 地下水超采 大气降水 东平县 大羊乡 西王庄—东王庄塌陷 地下水超采+震动荷载 地表水 新
泰
市果都镇 王家庄塌陷区 地下水超采 大气降水 宫里镇 马家庄塌陷区 地下水超采 大气降水 禹村镇 东杜村塌陷 禹村煤矿抽水 大气降水 宁阳县 伏山镇 东代村塌陷 地下水超采 大气降水 济南 莱芜区、
钢城区大王庄—寨里塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 莱芜铁矿塌陷区 矿山排水 地表水、大气降水 鹏山水源地塌陷区 地下水超采 地表水 清泥沟水源地塌陷区 地下水超采 大气降水 长清区 潘庄区塌陷区 地下水超采 大气降水 平阴县 平阴县塌陷区 地下水超采 大气降水 枣庄 荆泉水源地塌陷区 地下水超采+震动荷载 大气降水 十里泉水源地 地下水超采 大气降水 丁庄—东王庄水源地塌陷 地下水超采 大气降水 小龚庄水源地塌陷区 地下水超采 地表水 临沂 城区 临沂城区塌陷区 地下水超采+震动荷载 地表水、大气降水 罗庄区 铁匠—常旺塌陷区 地下水超采 大气降水 沂南县 双堠—青驼塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 孙祖镇塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 铜井镇塌陷区 矿山排水 地表水、大气降水 大庄镇塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 岸堤—马牧池塌陷 地下水超采 地表水、大气降水 蒙阴县 高都镇洪沟塌陷 矿山突水 大气降水 济宁 嘉祥县 疃里镇塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 曲阜 息陬镇西夏—刘家庄村塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 姚村镇竹子园塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水 烟台 栖霞市 中桥地区塌陷区 地下水超采、爆破 大气降水 牟平区 李家庄塌陷区 地下水超采 地表水、大气降水
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