天津新生界固结特征与地面沉降

2010-05-25白晋斌牛修俊

中国地质灾害与防治学报 2010年1期

白晋斌，牛修俊

（天津市地质调查研究院，天津 300191）

0 引言

（1）研究背景及意义

天津地面沉降始于二十世纪初，有监测资料至今最大累计沉降量达3.3m［1］，累计沉降量大于0.5m的面积已超过6500km2。过量开采地下水是引起天津地面沉降的主要原因，同时地层的固结特征也是影响地面沉降的重要因素。新生界属松散岩类孔隙含水岩系，也是天津的流体资源主要开采层，因此，分析研究地层的固结特征，特别是第四系、新近系的固结特征对深入研究地面沉降的原因、机理及地面沉降的预测、治理等都具有十分重要的意义。

（2）研究现状

固结作用是使沉积物固结成岩的主要地质作用之一，其压力主要来自上覆沉积物和水体静水压力，地下水位下降也是使地层固结压密的主要因素。固结作用不仅可以排出沉积物中的水，缩小体积、降低孔隙比、孔隙度，而且伴有地层结构构造的变化及新矿物形成。一般的情况是泥质沉积物比砂质沉积物更容易固结压密。

国内外学者对沉积物的固结压实作用进行了大量的研究。早在20世纪初Sorby（1908）就提出：孔隙度与年代成反比关系，并认为沉积物的压实作用主要是孔隙度上的变化［2］。国外的一些学者根据泥岩孔隙度、泥质沉积物的脱水、矿物的变化等将压实作用划分3～4个阶段，我国的研究者根据孔隙流体压力、孔隙度和脱水情况等划分泥岩的压实阶段［3］。

（3）本次工作研究基础和思路

天津已先后在中心城区、塘沽区、汉沽区、大港区、西青区、北辰区等地进行了以防治地面沉降为目的的工程地质勘查，施工的勘查孔孔深一般在500m，最深的达近千米。在这些勘查孔中采取原状土样，进行了土的常规物理力学测试和深层土的高压固结试验，得到土的孔隙度、前期固结压力Pc等一系列试验结果。

本次工作以大量的室内试验资料为基础，结合大港油田测井资料，分析不同开采条件下地层的固结状态，同时，采用我国学者对压实阶段的划分方法，明确了地层固结的阶段。从地层的固结状态和固结阶段两个方面系统分析天津地区新生界固结特征与地面沉降的关系，以期能为天津地面沉降预测和防治提供科学依据。

1 地质环境条件概况

1.1 构造轮廓

天津地处华北准地台东北部，北部为燕山台褶带，南部为华北断拗，Ⅲ级构造单元自西向东分为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷。主要断裂有宝坻——蓟运河断裂、沧东断裂、海河断裂及天津断裂等。

天津基岩埋深在沧县隆起区约为1000m，坳陷区4000～5000m，地面沉降就分布在宝坻断裂以南的广大平原地区。

1.2 地层概况

天津地层由老至新主要有中新元古界长城系、蓟县系、青白口系，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二迭系，中生界三迭系中下部、侏罗系、白垩系下部及新生界的古近系、新近系及第四系。本文中所涉及的地层是新生界的古近系、新近系及第四系，主要特征如表1所列。

1.3 地下水含水组划分

地下流体资源开采层的划分概况如表1所列，潜水、微承压含水组以及第Ⅰ含水组是以咸水为主，基本未开发利用，其它各含水组都有不同程度的开采，不同地区地下水各含水组开发利用的程度也不同。

表1 新生界特征及开采层（组）划分Table 1 Cenozoic strata characteristics and exploitation strata

2 地层固结状态分析

2.1 不同开采条件下地层的固结状态

2.1.1 地下水基本未开发地区

地层前期固结压力pc的测试结果表明，地层的前期固结压力与地下水位的下降关系密切。天津市平原地区，地下水基本上都处于超采状态，近年来随着天津滨海新区的快速发展，在原来渤海湾的滩涂地区，大范围的填海造陆。这些地区比较远离地下水集中开采的城镇，地下水位下降不大，可以认为是地下水未经开发的地区。以天津临港工业区为例（图1），该地区除浅部第一海相层为欠固结状态以外，以下在钻孔揭露的深度范围内，基本是处于正常固结状态的。

2.1.2 地下水长期超采的地区

天津宝坻城关以南的广大平原地区，除沿海滩涂地带远离地下水开采中心，基本未开发外，其它地区都属于地下水超采甚至严重超采的地区，地下水位已普遍下降，出现多个地下水位下降漏斗，漏斗中心水位已超过百米。以西青区和中心城区为例，

据西青区地层前期固结压力pc随深度变化图（图2），地表5～6m之内，第一陆相层为超固结；浅部第一海相层为欠固结或正常固结；180m以上地层为正常固结，以下地层基本为超固结，而超固结地层中大致又可以分为两段，界线大约在350～400m，即此界线以下地层超固结程度更高。前期固结压力之所以有这样的特征，与西青区地下水开采状况关系密切。180m以上为第Ⅰ、第Ⅱ含水组，这两个含水组在西青区基本未开发利用，水位下降不明显，地层仍保持原始的应力状态，所以地层仍处于原来的正常固结状态。180m以下为第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ含水组，是该地区地下水的主要开采层位，如第Ⅲ含水组水位埋深已接近100m，而400m深度以下的第Ⅴ含水组水位埋深已超过100m。

图1 天津临港工业区前期固结压力P c随深度变化图Fig.1 Relationship between pre-consolidationstrass Pc with depth in Ling Gang Industry Park

图2 西青前期结压力P c随深度变化图Fig.2 Relationship between pre-consolidation stress Pc with depth in XiQing District

天津市中心城区是历史沉降中心，也是曾经的地下水超采区。在20世纪70、80年代主要开采180m以上的第Ⅱ含水组的地下水，开采量占总量的近50％，水位大幅下降，长期超采，中心城区第Ⅱ含水组地层为超固结地层（图3）。

图3 中心城区前期固结压力P c随深度变化图Fig.3 Relationship between pre-consolidation stress Pc with depth in the urban area

这两个地区都是由于地下水位在大幅下降过程中，地层中的孔隙水逐渐排出，地层进一步固结压密，进而由正常固结的变为超固结地层，并且地下水下降幅度越大的地区地层的超固结值越大。

2.2 不同沉积环境形成的地层固结状态

陈发景［3］等认为：在一定地层中声波测井时差值的大小取决于岩石性质、压实固结程度、孔隙度及孔隙中所充填的流体性质。并建立了声波时差值与它们之间相关关系，得出正常地层压力普遍存在于埋藏深度小于2500m的地层中，当地层埋藏深度超过2500m，普遍出现异常地层为欠固结的地层（图4）。这是由于在盆地的深湖及半深湖区沉积物颗粒较细，含砂量很低，流体排泄不畅等原因，极易形成异常高的孔隙流体压力，出现了欠固结地层。

另外，黄骅坳陷在地质历史上未经历明显的抬升剥蚀，沉积过程基本上是连续的。因此，通过实测孔隙度与正常压实孔隙度的比较也可反映地层的固结特征（表2据大港油田资料编制）。2500m以下地层实测孔隙度明显大于正常压实孔隙度，表明地层处于欠固结状态。

图4 黄骅拗陷压实曲线［1］Fig.4 Compaction curve of Huanghua sagged area

表2 黄骅坳陷区正常压实孔隙度与实测值的比较Table 2 Comparison of the measured porosity and the normal estimations in Huanghua sag

综上认为：在天津地下水未开发利用之前，2500m以浅的地层，除第一海相层外基本上是处于正常固结的状态，地层连续沉积，没有明显的抬升剥蚀作用；而2500m以下的地层，特别是在盆地的中心，由于沉积物颗粒细，沉积速率较快，排水不畅，出现了高孔隙水压力的欠固结地层。

2.3 地层固结状态与地面沉降

根据大港油田测井资料及地下水未开发地区（如临港工业区）地层前期固结压力，天津2500m以上地层除滨海地区第一海相层外，基本为正常固结地层，2500m以下地层，在坳陷区中心部分则出现了欠固结的地层。

欠固结地层在自重压力作用下固结尚未完成，这类地层即使没有任何外部荷载，在自重压力作用下，孔隙水仍将逐渐消散，使地层产生压密而引起地面沉降。如果在这类地层中开采地下水，引起水位下降，在同样水位降条件下，引起的沉降将最大。正常固结地层pc等于po，只要有外部附加荷载或水位下降，便可引起地层压密，从而导致地面沉降。超固结地层则是pc大于po，这类地层只是在附加荷载大于（pc-po）时，才产生明显的压密变形而引起地面沉降。超固结地层存在不引起地面沉降的临界水位值［4］。

因此，开采第四系各含水组地下水（第四系底界大约400～500m），开采新近系明化镇地热水（开采部位大致在550～900m），开采新近系馆陶组地热水（开采部位大致在1700～2100m）及开采古近系东营组、沙河街组的油气资源（开采部位在2500m以下），从理论上分析都会引起不同程度的地面沉降，这是不容置疑的。