白晉斌，牛修俊

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

0 引言

（1）研究背景及意義

天津地面沉降始于二十世紀(jì)初，有監(jiān)測(cè)資料至今最大累計(jì)沉降量達(dá)3.3m［1］，累計(jì)沉降量大于0.5m的面積已超過6500km2。過量開采地下水是引起天津地面沉降的主要原因，同時(shí)地層的固結(jié)特征也是影響地面沉降的重要因素。新生界屬松散巖類孔隙含水巖系，也是天津的流體資源主要開采層，因此，分析研究地層的固結(jié)特征，特別是第四系、新近系的固結(jié)特征對(duì)深入研究地面沉降的原因、機(jī)理及地面沉降的預(yù)測(cè)、治理等都具有十分重要的意義。

（2）研究現(xiàn)狀

固結(jié)作用是使沉積物固結(jié)成巖的主要地質(zhì)作用之一，其壓力主要來自上覆沉積物和水體靜水壓力，地下水位下降也是使地層固結(jié)壓密的主要因素。固結(jié)作用不僅可以排出沉積物中的水，縮小體積、降低孔隙比、孔隙度，而且伴有地層結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化及新礦物形成。一般的情況是泥質(zhì)沉積物比砂質(zhì)沉積物更容易固結(jié)壓密。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)沉積物的固結(jié)壓實(shí)作用進(jìn)行了大量的研究。早在20世紀(jì)初Sorby（1908）就提出：孔隙度與年代成反比關(guān)系，并認(rèn)為沉積物的壓實(shí)作用主要是孔隙度上的變化［2］。國外的一些學(xué)者根據(jù)泥巖孔隙度、泥質(zhì)沉積物的脫水、礦物的變化等將壓實(shí)作用劃分3～4個(gè)階段，我國的研究者根據(jù)孔隙流體壓力、孔隙度和脫水情況等劃分泥巖的壓實(shí)階段［3］。

（3）本次工作研究基礎(chǔ)和思路

天津已先后在中心城區(qū)、塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、大港區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)等地進(jìn)行了以防治地面沉降為目的的工程地質(zhì)勘查，施工的勘查孔孔深一般在500m，最深的達(dá)近千米。在這些勘查孔中采取原狀土樣，進(jìn)行了土的常規(guī)物理力學(xué)測(cè)試和深層土的高壓固結(jié)試驗(yàn)，得到土的孔隙度、前期固結(jié)壓力Pc等一系列試驗(yàn)結(jié)果。

本次工作以大量的室內(nèi)試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合大港油田測(cè)井資料，分析不同開采條件下地層的固結(jié)狀態(tài)，同時(shí)，采用我國學(xué)者對(duì)壓實(shí)階段的劃分方法，明確了地層固結(jié)的階段。從地層的固結(jié)狀態(tài)和固結(jié)階段兩個(gè)方面系統(tǒng)分析天津地區(qū)新生界固結(jié)特征與地面沉降的關(guān)系，以期能為天津地面沉降預(yù)測(cè)和防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件概況

1.1 構(gòu)造輪廓

天津地處華北準(zhǔn)地臺(tái)東北部，北部為燕山臺(tái)褶帶，南部為華北斷拗，Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元自西向東分為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷。主要斷裂有寶坻——薊運(yùn)河斷裂、滄東斷裂、海河斷裂及天津斷裂等。

天津基巖埋深在滄縣隆起區(qū)約為1000m，坳陷區(qū)4000～5000m，地面沉降就分布在寶坻斷裂以南的廣大平原地區(qū)。

1.2 地層概況

天津地層由老至新主要有中新元古界長城系、薊縣系、青白口系，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二迭系，中生界三迭系中下部、侏羅系、白堊系下部及新生界的古近系、新近系及第四系。本文中所涉及的地層是新生界的古近系、新近系及第四系，主要特征如表1所列。

1.3 地下水含水組劃分

地下流體資源開采層的劃分概況如表1所列，潛水、微承壓含水組以及第Ⅰ含水組是以咸水為主，基本未開發(fā)利用，其它各含水組都有不同程度的開采，不同地區(qū)地下水各含水組開發(fā)利用的程度也不同。

表1 新生界特征及開采層（組）劃分Table 1 Cenozoic strata characteristics and exploitation strata

2 地層固結(jié)狀態(tài)分析

2.1 不同開采條件下地層的固結(jié)狀態(tài)

2.1.1 地下水基本未開發(fā)地區(qū)

地層前期固結(jié)壓力pc的測(cè)試結(jié)果表明，地層的前期固結(jié)壓力與地下水位的下降關(guān)系密切。天津市平原地區(qū)，地下水基本上都處于超采狀態(tài)，近年來隨著天津?yàn)I海新區(qū)的快速發(fā)展，在原來渤海灣的灘涂地區(qū)，大范圍的填海造陸。這些地區(qū)比較遠(yuǎn)離地下水集中開采的城鎮(zhèn)，地下水位下降不大，可以認(rèn)為是地下水未經(jīng)開發(fā)的地區(qū)。以天津臨港工業(yè)區(qū)為例（圖1），該地區(qū)除淺部第一海相層為欠固結(jié)狀態(tài)以外，以下在鉆孔揭露的深度范圍內(nèi)，基本是處于正常固結(jié)狀態(tài)的。

2.1.2 地下水長期超采的地區(qū)

天津?qū)氎娉顷P(guān)以南的廣大平原地區(qū)，除沿海灘涂地帶遠(yuǎn)離地下水開采中心，基本未開發(fā)外，其它地區(qū)都屬于地下水超采甚至嚴(yán)重超采的地區(qū)，地下水位已普遍下降，出現(xiàn)多個(gè)地下水位下降漏斗，漏斗中心水位已超過百米。以西青區(qū)和中心城區(qū)為例，

據(jù)西青區(qū)地層前期固結(jié)壓力pc隨深度變化圖（圖2），地表5～6m之內(nèi)，第一陸相層為超固結(jié)；淺部第一海相層為欠固結(jié)或正常固結(jié)；180m以上地層為正常固結(jié)，以下地層基本為超固結(jié)，而超固結(jié)地層中大致又可以分為兩段，界線大約在350～400m，即此界線以下地層超固結(jié)程度更高。前期固結(jié)壓力之所以有這樣的特征，與西青區(qū)地下水開采狀況關(guān)系密切。180m以上為第Ⅰ、第Ⅱ含水組，這兩個(gè)含水組在西青區(qū)基本未開發(fā)利用，水位下降不明顯，地層仍保持原始的應(yīng)力狀態(tài)，所以地層仍處于原來的正常固結(jié)狀態(tài)。180m以下為第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水組，是該地區(qū)地下水的主要開采層位，如第Ⅲ含水組水位埋深已接近100m，而400m深度以下的第Ⅴ含水組水位埋深已超過100m。

圖1 天津臨港工業(yè)區(qū)前期固結(jié)壓力P c隨深度變化圖Fig.1 Relationship between pre-consolidationstrass Pc with depth in Ling Gang Industry Park

圖2 西青前期結(jié)壓力P c隨深度變化圖Fig.2 Relationship between pre-consolidation stress Pc with depth in XiQing District

天津市中心城區(qū)是歷史沉降中心，也是曾經(jīng)的地下水超采區(qū)。在20世紀(jì)70、80年代主要開采180m以上的第Ⅱ含水組的地下水，開采量占總量的近50％，水位大幅下降，長期超采，中心城區(qū)第Ⅱ含水組地層為超固結(jié)地層（圖3）。

圖3 中心城區(qū)前期固結(jié)壓力P c隨深度變化圖Fig.3 Relationship between pre-consolidation stress Pc with depth in the urban area

這兩個(gè)地區(qū)都是由于地下水位在大幅下降過程中，地層中的孔隙水逐漸排出，地層進(jìn)一步固結(jié)壓密，進(jìn)而由正常固結(jié)的變?yōu)槌探Y(jié)地層，并且地下水下降幅度越大的地區(qū)地層的超固結(jié)值越大。

2.2 不同沉積環(huán)境形成的地層固結(jié)狀態(tài)

陳發(fā)景［3］等認(rèn)為：在一定地層中聲波測(cè)井時(shí)差值的大小取決于巖石性質(zhì)、壓實(shí)固結(jié)程度、孔隙度及孔隙中所充填的流體性質(zhì)。并建立了聲波時(shí)差值與它們之間相關(guān)關(guān)系，得出正常地層壓力普遍存在于埋藏深度小于2500m的地層中，當(dāng)?shù)貙勇癫厣疃瘸^2500m，普遍出現(xiàn)異常地層為欠固結(jié)的地層（圖4）。這是由于在盆地的深湖及半深湖區(qū)沉積物顆粒較細(xì)，含砂量很低，流體排泄不暢等原因，極易形成異常高的孔隙流體壓力，出現(xiàn)了欠固結(jié)地層。

另外，黃驊坳陷在地質(zhì)歷史上未經(jīng)歷明顯的抬升剝蝕，沉積過程基本上是連續(xù)的。因此，通過實(shí)測(cè)孔隙度與正常壓實(shí)孔隙度的比較也可反映地層的固結(jié)特征（表2據(jù)大港油田資料編制）。2500m以下地層實(shí)測(cè)孔隙度明顯大于正常壓實(shí)孔隙度，表明地層處于欠固結(jié)狀態(tài)。

圖4 黃驊拗陷壓實(shí)曲線［1］Fig.4 Compaction curve of Huanghua sagged area

表2 黃驊坳陷區(qū)正常壓實(shí)孔隙度與實(shí)測(cè)值的比較Table 2 Comparison of the measured porosity and the normal estimations in Huanghua sag

綜上認(rèn)為：在天津地下水未開發(fā)利用之前，2500m以淺的地層，除第一海相層外基本上是處于正常固結(jié)的狀態(tài)，地層連續(xù)沉積，沒有明顯的抬升剝蝕作用；而2500m以下的地層，特別是在盆地的中心，由于沉積物顆粒細(xì)，沉積速率較快，排水不暢，出現(xiàn)了高孔隙水壓力的欠固結(jié)地層。

2.3 地層固結(jié)狀態(tài)與地面沉降

根據(jù)大港油田測(cè)井資料及地下水未開發(fā)地區(qū)（如臨港工業(yè)區(qū)）地層前期固結(jié)壓力，天津2500m以上地層除濱海地區(qū)第一海相層外，基本為正常固結(jié)地層，2500m以下地層，在坳陷區(qū)中心部分則出現(xiàn)了欠固結(jié)的地層。

欠固結(jié)地層在自重壓力作用下固結(jié)尚未完成，這類地層即使沒有任何外部荷載，在自重壓力作用下，孔隙水仍將逐漸消散，使地層產(chǎn)生壓密而引起地面沉降。如果在這類地層中開采地下水，引起水位下降，在同樣水位降條件下，引起的沉降將最大。正常固結(jié)地層pc等于po，只要有外部附加荷載或水位下降，便可引起地層壓密，從而導(dǎo)致地面沉降。超固結(jié)地層則是pc大于po，這類地層只是在附加荷載大于（pc-po）時(shí)，才產(chǎn)生明顯的壓密變形而引起地面沉降。超固結(jié)地層存在不引起地面沉降的臨界水位值［4］。

因此，開采第四系各含水組地下水（第四系底界大約400～500m），開采新近系明化鎮(zhèn)地?zé)崴ㄩ_采部位大致在550～900m），開采新近系館陶組地?zé)崴ㄩ_采部位大致在1700～2100m）及開采古近系東營組、沙河街組的油氣資源（開采部位在2500m以下），從理論上分析都會(huì)引起不同程度的地面沉降，這是不容置疑的。

3 地層固結(jié)階段與地面沉降

3.1 地層固結(jié)階段的劃分

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)沉積物固結(jié)階段的劃分作了大量研究工作，我國的一些研究者根據(jù)地層孔隙度和脫水情況，分為四個(gè)壓實(shí)階段［3］（表3）。

表3 國內(nèi)關(guān)于泥巖壓實(shí)階段的劃分［3］Table 3 Mudstone’s compaction states proposed by different experts from China

3.2 天津地層的固結(jié)階段分析

根據(jù)臨港工業(yè)區(qū)和漢沽地區(qū)的工程地質(zhì)孔土工試驗(yàn)資料（表4）分析可得到：隨著深度增加，固結(jié)程度基本上越來越高，地層的孔隙度處于逐漸減少的趨勢(shì)。

表4 地層實(shí)測(cè)孔隙度Table 4 Measured porosities of strata in Ling Gang industry area and Hna Gu District

比較表3與表4中孔隙度數(shù)據(jù)，綜合分析地層的孔隙度隨深度基本處于逐漸減小的趨勢(shì)，但在1000m深度處的孔隙度仍在30％左右，仍處在初期壓實(shí)階段，這個(gè)階段要排出全部水量的64.66％，因此引起的地層固結(jié)壓密作用是比較明顯的，就是說開采這一層段的地下流體資源，仍將引起比較明顯的地面沉降。

4 結(jié)論

（1）天津新生界地層在原始應(yīng)力狀態(tài)下，除濱海地區(qū)第一海相地層和坳陷區(qū)局部2500m以下地層為欠固結(jié)狀態(tài)外，其余基本為正常固結(jié)；但在地下水長期超采區(qū)，由于超采地下水使水位大幅度下降，引起地層進(jìn)一步固結(jié)壓密，長期超采的含水組地層成為超固結(jié)狀態(tài)地層。

（2）超固結(jié)地層存在不引起明顯地面沉降的地下水臨界水位，在正常固結(jié)和欠固結(jié)地層中開采地下流體資源都將不同程度引起地面沉降。

（3）天津新生界地層孔隙度有隨深度的增加逐漸減小的趨勢(shì)。在1000m處孔隙度達(dá)到30％，地層仍處在初期壓實(shí)階段，仍會(huì)有較多的孔隙水被排除，而導(dǎo)致比較明顯的地面沉降。

［1］應(yīng)耀明，白晉娬，牛修俊，等.天津市地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)報(bào)告［R］.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，2008.

［2］HERMAN H.RIEKE，Ⅲ，GEORGE V.CHILINGARIAN.徐懷大，譯.泥質(zhì)沉積物的壓實(shí)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1984.

［3］陳發(fā)景，田世澄.壓實(shí)與油氣運(yùn)移［M］，武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1989

［4］牛修俊.地層的固結(jié)特征與地面沉降臨界水位控沉［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9（2）：68-74.

［5］牛修俊，應(yīng)耀明，白晉斌，等.天津?yàn)I海地區(qū)軟土特性及其對(duì)地面沉降影響的研究［R］.天津市環(huán)境地質(zhì)研究所，2003.

［6］牛修俊，應(yīng)耀明，白晉斌，等.對(duì)“用調(diào)整地下水開采層次方法控制地面沉降”的質(zhì)疑［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005，16（4）：69-73.

［7］牛修俊，崔小東，李宏，等.天津市地面沉降防治對(duì)策勘查報(bào)告［R］，天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1994.