石花洞8层溶洞展示北京西山新构造运动的隆升

北京大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河将其连为一体,称为石花洞系。石花洞系为多层溶洞,可分为上下8层,即洞外山顶穿洞（唐县期）和洞穴上下7层。多层溶洞的每一层形成于岩溶水的水平流动带,新近纪以来,随着北京西山间歇性隆升,形成上下不同海拔高度的8层溶洞,可以和北京西山永定河的8级阶地对比,也可以和G．B．Barbour划分的8次华北地文期对比。石花洞的8层溶洞显示北京西山的8次抬升。     

北京石花洞岩溶学研究进展

全面介绍北京石花洞发现与研究的历史、取得的重大成果,以及在岩溶学研究领域所起的作用。石花洞位于北京西山,发现于明朝正统十一年,开发于20世纪80年代。岩溶学研究表明,石花洞洞层多（8层）,石盾多（200多个）,为世界罕见。在全国范围内,首次发现月奶石,首次发现碳酸钙微层理,首次发现膜足硬肢马陆穴居动物。笔者从地质学、气象学和环境学全面研究了石花洞,测绘精度达到1：200,进行了氡浓度研究。从溶蚀形态来看,石花洞8层溶洞展示北京西山的8次隆升;从沉积形态来看,石花洞中的粗犷石笋代表中更新世沉积,杆状石笋代表晚更新世沉积,微层理石笋代表全球转暖以来的全新世沉积,奠定了首次建立第四纪石笋剖面的基础。     

北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系

形成中国北方岩溶的地层主要为奥陶系马家沟组石灰岩和中元古界蓟县系雾迷山组硅质条带白云岩。上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌主要形成于雾迷山组中,岩溶洞穴发育在马家沟组和雾迷山组中。大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河连为一体,称为石花洞系。石花洞系发育在北岭向斜东北扬起端的马家沟组顶部,与南面的周口店猿人洞系隔着房山闪长岩体。石花洞系中8层不同海拔高度的溶洞可以和永定河的8级阶地进行对比,也可以和8个华北地文期对比,代表了与之相互对应的北京西山新构造隆升的期次。     

北京石花洞结构特征及发育演化过程研究

北京石花洞是中国北方已探明洞穴中次生碳酸盐沉积规模最大、种类最丰富的洞穴;石花洞的景观美学价值和科学价值,在我国北方岩溶洞穴中占有重要地位。2013年7月,为了获取石花洞发育规模、空间结构等基本数据,采用国际通用洞穴测量方法,运用激光测距仪、罗盘和倾角仪,辅以Onstation洞穴绘图软件和ArcMap10软件对石花洞洞穴开展了全面的调查和测绘。结果显示:(1) 石花洞洞穴系统整体呈北西西-南东东向展布,长度为5 639 m,洞底投影面积为37 096 m2,洞底高差为172 m,洞内最高点海拔约为265 m,最低点海拔约为93 m。洞穴系统的发育演化主要受地层产状与北东向和北西向两组断层控制;(2) 石花洞洞穴系统分为五层,自上而下,各层洞道平均海拔依次为249 m, 211 m, 154 m, 111 m和95 m;(3) 最底第五层季节性地下河洞道长1 638 m,自西北向东南方向贯穿整个洞穴系统,依干湿季水文条件的差别,地下水以季节性涨落为主要特征,有多段有水通道;地下河道下游末端为叉状河道,崩塌明显,洞壁上无明显流纹发育;(4) 综合石花洞地下河走向和流向、洞穴发育控制因素和区域地层产状特征、石花洞与周边洞穴的空间位置关系,推测孔水洞是石花洞洪水期的排泄口。      

基于石花洞空间分布预测塔河油田6-7区盲端型剩余油

塔河油田6-7区为碳酸盐岩缝洞型油藏,储集体中存在着大量剩余油等待开采。由于储集体发育较复杂,导致剩余油预测难度较大。6-7区缝洞体空间展布特征不清楚,开发、增产措施作用机制不明确。为探究剩余油的潜在分布,以地表石花洞空间展布为基础,对比分析塔河6-7区地下溶洞分布情况。采用Level Set数值法对多层缝洞型油藏的剩余油分布进行模拟,提出盲端型剩余油概念。利用模拟结果对石花洞空间展布中盲端型剩余油进行预测。well 3井在C2储层段钻遇地下暗河河道,有剩余油分布,可通过钻新井进行开采。well 2井钻遇上游河道旁侧,对C2段进行酸压可沟通储集体。     

北京石花洞氡浓度的研究

通过对石花洞为各层氡浓度的测定，发现石花洞的氡浓度比广西岩溶洞穴的氡浓度要高，只是 与其周围的银狐洞、云水洞和国外洞穴相比要低。并根据国际放射防护委员会１９９０年建议书的规定，制定了石花洞内工作人员工作时间上限。     

北京石花洞降水至滴水下渗时间示踪观测

Tan等^[1]2003年报道了采用北京石花洞石笋年层厚度重建的北京2650年热月温度记录数据,并得到广泛引用。为了更好地了解北京石花洞石笋微层形成及其气候信号输入过程,笔者从2004年开始对北京石花洞进行了较为全面的监测工作。本文报道了大气降水下渗时间（大气降水落至地面到形成洞穴滴水的时间间隔）的示踪研究结果。示踪法是目前国内外进行岩溶地下水来源和补给,圈定流域边界以及水运移时间等研究广泛采用的一种方法^[2～4],也对信号的输入-输出和激励-响应机理的解释具有重要意义。     

甚年轻石笋的TIMS-230Th定年及其年层确定

自石笋微层古环境记录在我国于 １９９７年第一次报道以来,这一工作在国内迅速得到响应。但由于微层计时特性甚难确定,影响了这一工作的深入开展。研究表明,中国全新世石笋微层可大致分为南方型和北方型。１９９９年,谭明于中国云南宜良九乡溶洞风景区蝙蝠洞内采到一个接纳滴水正在生长的石笋(编号ＪＢＦ９９０１),高 １１０ｍｍ,顶部直径约 ４０ｍｍ,最大直径约 ７０ｍｍ。组成矿物主要为粉晶文石,白色微透明。石笋具有典型的中国南方型微生长层,即较厚的弱透光层与较薄的透光层互层旋回。同年,谭明又获得一个在１９９６年采于北京石花洞的正在生长石笋(编号ＬＳ９６０２),高１５５ｍｍ,最大直径８０ｍｍ,最小直径５０ｍｍ。     

北京石花洞地质遗迹环境和地质灾害问题

通过北京石花洞地质遗迹保护区实地调查和有关资料分析,提出了保护区的环境问题和治理建议。     

北京石花洞国家地质公园

北京石花洞国家地质公园位于北京市房山区河北镇与佛子庄乡境内的大石河两岸,距北京城区50公里,距房山不足30公里。地质公园属于岩溶洞穴及洞内次生化学沉积景观。石花洞是目前国内发现的岩溶洞穴中集规模大、洞层多、沉积类型全、次生化学沉积物数量大为一体的洞穴。洞体为多层多枝的层楼式结构,有上下七层,一至五层洞道全长5000米,六、七层为地下暗河的流水及充水洞层。     

缝洞型油藏井钻遇大尺度部分充填溶洞数学模型

缝洞型油藏不同介质间流体窜流的研究对于大尺度溶洞中原油是否能够得到有效开发具有重大意义.基于缝洞型油藏大尺度溶洞充填特征,建立了井钻遇大尺度部分充填溶洞数学模型,采用Laplace变换和Stehfest数值反演,分别得到了基岩-溶洞未充填区域窜流量、溶洞充填区域-溶洞未充填区域窜流量和大尺度溶洞无因次流量,并分析了不同参数对窜流特征曲线的影响.研究结果表明:流体窜流过程可划分为4个流动阶段,流动前期和中前期主要为基质中流体向溶洞未充填部分窜流;流动中后期和后期主要为溶洞充填物流体向溶洞未充填部分窜流.在流动前期,基质和未充填溶洞间流体交换对部分充填溶洞流量贡献较大;而流动后期,溶洞充填物和未充填溶洞间流体交换对部分充填溶洞流量贡献较大.重力会导致溶洞充填物-溶洞未充填部分窜流量减小,而基质-溶洞未充填部分窜流不受到重力影响.溶洞充填程度、溶洞未充填部分和基质系统能量等因素对窜流特征曲线具有重大的影响.研究方法和结果对合理分析缝洞型油藏大尺度溶洞流动特征具有一定的指导意义.      

不同充填介质下的溶洞跨孔电阻率CT探查数值模拟

城市地铁修建过程中常常会遇到溶洞等不良地质条件,为更加准确探查地下溶洞的位置和大小,采用有限元法和最小二乘法正反演数值模拟手段,利用孔距、电极距和与钻孔距离三个变量构建了地下溶洞的地电模型,分析并总结了跨孔电阻率CT法对充气、充水和部分充水溶洞的电阻率响应特征及规律。结果表明:部分充水溶洞的水、气分界面明显,低阻区域和高阻区域与溶洞充水、充气部分位置大小一致,且随着溶洞充水量的增加,溶洞低电阻率响应增强,其异常范围向溶洞顶部扩大;跨孔电阻率CT法能够有效识别溶洞充填性状。      

昆明新机场航站区下伏溶洞地基承载力分析

溶洞地基承载力的影响因素众多。溶洞埋深、溶洞直径（跨度）、水平相邻溶洞的间距,竖向相邻溶洞的间距及溶洞断面形态等对地基的承载力影响很大。应用工程地质分析和数值模拟相结合的方法,对昆明新机场下伏溶洞地基承载力进行了分析,得出当单个溶洞埋深大于2倍直径后,上部荷载与下部溶蚀空间的关系较小。当水平相邻溶洞的间距大于1倍跨度以及当竖向相邻溶洞间距大于0．5倍跨度后,可以忽略溶洞对上部荷载的影响。溶蚀率每增加5％,上部最大荷载qmax降低幅度约6％～10％。当跨度大于3倍洞高时,上部最大荷载的降低幅度相对较小,竖向型溶洞所能承受的荷载相对较大。     

北京石花洞地区大气沉降物可溶态稀土元素季节变化特征及来源初步分析

采用ICP-MS分析了北京石花洞地区连续12个月大气沉降样品中稀酸可溶态稀土元素,计算了其沉降通量,分析了其分布模式及可能来源。结果显示:(1)各稀土元素沉降通量均表现出显著的季节变化特征,高值出现在春季(4月、5月)和秋季(10月),可能主要受大气粉尘活动的影响;从冬季的12月、1月到春季的4月、5月以及从夏季的6月到秋季的10月呈现阶梯上升过程。(2)球粒陨石标准化的稀土元素分布模式与洛川黄土及2006年北京特大降尘的一致,均表现为轻稀土元素相对于重稀土元素明显富集和较明显的Eu负异常,表明北京石花洞地区大气沉降物可溶态稀土元素主要来源于大气粉尘物质。     

云南省溶洞的景观价值概述

云南省的溶洞数量多分布广,但过去没有进行过系统的调查,对溶洞资源的分布及价值不清。1987年初,我站协助省建委城建处进行全省溶洞景观调查,笔者参加了该项工作,现就两年来的调查成果简要综述成此文。 (一)溶洞景观的分布及形成条件溶洞主要是岩溶作用的产物。云南省碳酸盐岩分布面积9.7万平方公里,占全省总面积的26％,尚有部份隐伏于深部。这就成为溶洞发育良好的前提。     

塔里木盆地西北缘露头区奥陶系古溶洞地质建模

塔里木盆地西北缘奥陶系大型古溶洞广泛出露,为古溶洞露头地质建模提供了优越的条件。综合野外资料和Google Earth影像分析,将大型古溶洞以形态结构特征为依据划分成管道—厅堂连通型溶洞、单一管道孤立型溶洞、流线型溶洞3种类型;以存在形式划分成单一溶洞和溶洞群。其中,管道—厅堂连通型溶洞以潜流带型为主,在平面上沿主方位通过岩溶管道连接厅堂分布,厅堂大小不等,在50～50000m³之间变化;单一管道孤立型溶洞以渗流带型为主,平面上呈现单一管道线条状;流线型溶洞分布在潜流带中,从剖面上看呈近圆形、椭圆形和豆荚状等多种形状,包括顺层和斜交地层2种类型。结合各露头剖面中构造、地层条件及发育溶洞类型,明确管道—厅堂联通型溶洞受不整合面控制,分布在三间房、五道班和西克尔剖面中;单一管道孤立型溶洞受断裂系统控制,分布在一间房和硫磺沟剖面中;流线型溶洞主要分布在西克尔剖面,沿溶蚀沟道两侧分布;多种不同因素的耦合控制了溶洞群的分布。以此建立了综合大型古溶洞特征及其控制因素的古溶洞发育概念地质模型,以溶洞群为主要体积计算单元,通过与塔北奥陶系串珠进行体积对比,明确了地质模型的油气勘探意义。     

溶洞顶板极限承载力研究

针对国标《工程岩体分级标准》[1]中Ⅲ、Ⅳ类岩体条件,采用显式有限差分法,对岩溶地区扩大基础下椭球状溶洞顶板稳定性进行了分析。通过对溶洞顶板的应力和位移变化规律及塑性区演化规律研究,得出在两种岩体条件下不同溶洞跨度和顶板厚度时溶洞顶板的极限承载力,绘出了溶洞跨度、顶板厚度对极限承载力的联合影响曲面。溶洞顶板的极限承载力随溶洞跨度的增大而减小,随溶洞顶板厚度的增大而增大。在其他条件相同时,Ⅳ类岩体的溶洞顶板极限承载力仅为Ⅲ类岩体的1/3左右。     

桩基下岩溶顶板稳定性有限元阶段分析

为了研究桩基下伏溶洞顶板的稳定性以及破坏模式,利用有限元软件DIANA进行阶段分析,模拟地基土体在溶洞不断扩大过程中渐进塑性变形及位移场特性,并以无溶洞时地基极限承载力为标准设置5个不同桩端载荷等级,对比分析荷载等级和溶洞发育对于围岩稳定性的耦合影响,并总结出溶洞发育过程中顶板的破坏模式和机理。得出如下结论:溶洞发育和桩端荷载等级均存在临界安全值。在荷载等级较小时,溶洞对地基起主要影响作用,溶洞不断发育使塑性应变沿桩基下方斜向下不断扩展。当荷载等级较大时,相同发育阶段溶洞顶板塑性应变显著增大,即使溶洞发育处于安全阶段,也可能使临界安全阶段提前,发生破坏。数值模拟较好地反应实际中溶洞随时间不断扩大演化过程中围岩的受力特点,对于岩溶顶板稳定性研究具有重要参考价值。     

重庆市张关溶洞景观照明研究

溶洞照明推进了溶洞旅游业的发展,不科学的溶洞照明引起溶洞内灯光植物生长,破坏了溶洞内部特殊环境。通过对张关溶洞内灯光植物和人工光源的调研测量,研究了人工光源光谱、光照强度与溶洞灯光植物的生长关系,结果表明:光照强度高于20 000 lux或低于100 lux的传统光源及光谱能量分布在500～600 nm的窄光谱光源,能够有效抑制溶洞内灯光植物的生长;根据人工光源光谱、光照强度对灯光植物生长的抑制作用,提出了保持溶洞内特殊生态环境的景观照明技术指标。      

侧部岩溶隧道围岩变形特征数值模拟分析

结合达(州)成(都)高速铁路宝石岩隧道施工过程,利用有限差分软件FLAC3D对隧道侧部含有溶洞的围岩变形特征进行了数值模拟研究,分析了隧道侧部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道开挖后,围岩分别向溶洞和隧道内变形。溶洞与隧道之间的围岩向两个相反的方向变形,是最危险区域;靠近溶洞附近的腰拱、边墙和拱顶处围岩的位移值要比远离溶洞侧的相应部位处的围岩位移值大;随着溶洞与隧道间的距离的不断增大,隧道主要特征位置的位移值均有不同程度的减小,最终趋于无溶洞状态时的位移。溶洞主要特征位置的位移值也减小,其值均趋近于零;随着溶洞尺寸的不断增大,隧道和溶洞主要特征位置的位移值均有不同程度的增大。