貴州省開陽縣巖溶發(fā)育特征規(guī)律研究

焦 恒，王若帆，胡暑月，易 瑞

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563000)

1 研究區(qū)的地質(zhì)背景

研究區(qū)位于貴州省中部黔中經(jīng)濟(jì)核心區(qū)開陽縣，為貴州省主體功能區(qū)劃中的國家重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，處于貴陽—安順都市圈內(nèi)，南距貴陽市約70 km，北距遵義市約90 km，總體交通條件較好。

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的黔北臺隆下的遵義斷拱地帶，即鳳岡北北東構(gòu)造變形區(qū)與貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)兩個四級構(gòu)造單元的鑲嵌部位。北部處于鳳岡北北東構(gòu)造變形區(qū)，南部處于貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)。

2 碳酸鹽巖巖性與組合類型及分布特征

2.1 碳酸鹽巖礦物化學(xué)成分

表1 研究區(qū)碳酸鹽巖石地球化學(xué)分類表 %

2.2 碳酸鹽巖巖性組合特征及分布

將碳酸鹽巖含量大于70%的劃為純碳酸鹽巖巖組(包含石灰?guī)r和白云巖含水巖組)；碳酸鹽巖含量30%～70%的劃為碳酸鹽巖與碎屑巖互層巖組。按碳酸鹽巖與碎屑巖的巖性組合特征，將研究區(qū)巖溶含水層組劃分為純碳酸鹽巖含水巖組、碳酸鹽巖與碎屑巖互層含水巖組以及非碳酸鹽巖夾碳酸鹽巖含水巖組三類。

研究區(qū)純碳酸鹽巖分布面積約644.18 km2，占研究區(qū)總面積70.33%，其中石灰?guī)r地層岀露面積為287.60 km2，白云巖地層岀露面積為356.58 km2，礦物組成的差異導(dǎo)致了其具有相異的巖性特征、巖溶發(fā)育特征以及其分布區(qū)域等特征，見表2。

表2 研究區(qū)純碳酸鹽巖巖組特征表

碎屑巖夾碳酸鹽巖含水巖組為二疊系樂平統(tǒng)合山組(P3h)，巖性為泥巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r。零星分布于研究區(qū)南側(cè)。

1-燈影組地層區(qū) 2-明心寺組第三段地層區(qū) 3-清虛洞組地層區(qū) 4-高臺組地層區(qū) 5-石冷水組地層區(qū) 6-婁山關(guān)組地層區(qū) 7-棲霞-茅口組地層區(qū) 8-長興組地層區(qū) 9-夜郎組地層區(qū) 10-嘉陵江組地層區(qū) 11-關(guān)嶺組地層區(qū) 12-向斜及名稱 13-背斜及名稱 14-活動斷層 15-斷層 16-節(jié)理裂隙 17-落水洞 18-洼地 19-有水落水洞 20-天窗 21-伏流出口 22-巖溶潭 23-巖溶漏斗 24-豎井 25-縣政府駐地 26-鄉(xiāng)政府駐地

3 巖溶地貌形態(tài)特征

可溶巖的大面積出露加之地下水的溶蝕作用，造就區(qū)內(nèi)巖溶個體形態(tài)的多樣性，如洼地、谷地、溶洞、落水洞、漏斗、豎井、天窗、石芽、頂流石、溶溝、溶槽等星羅棋布，并有著各自的特點(diǎn)及水文地質(zhì)意義。各種巖溶個體形態(tài)發(fā)育于不同的地貌部位、不同地層層位以及不同構(gòu)造條件，造成研究區(qū)巖溶地表個體的規(guī)模大小及其可利用性亦不盡相同(圖1)。

3.1 洼地

洼地是巖溶地區(qū)特有的封閉負(fù)地形，尤其是在峰叢洼地地區(qū)更為發(fā)育。一般分布于山峰相間部位，平面上呈橢圓形、圓形或長條形，空間上呈漏斗狀、盆狀或碟狀等，洼地邊緣或最低位置一般有落水洞發(fā)育。大面積碳酸鹽巖出露地區(qū)，洼地沿北西—南東向構(gòu)造線的橫張、縱張節(jié)理呈串珠狀發(fā)育，而在條帶狀分布的褶皺帶中，洼地則沿地層走向呈線狀排列。洼地的分布形態(tài)、數(shù)量和規(guī)模，對區(qū)域地下水的補(bǔ)給有極大影響，往往影響著地下河的發(fā)育。

3.2 溶洞

區(qū)內(nèi)溶洞主要有伏流入口、地下河出口以及干溶洞等三種類型。伏流入口多發(fā)育于洼地或谷地內(nèi)部地勢最低處，地下河出口多發(fā)育在河流陡坎或峽谷坡腳處，干溶洞多位于低山、中低山的半坡。研究區(qū)溶洞的發(fā)育規(guī)模一般以地下河最大，長度可達(dá)數(shù)公里至十幾公里，高、寬數(shù)米至數(shù)十米。

3.3 落水洞、漏斗

3.4 地下河天窗

地下河天窗多見于地下水垂直循環(huán)強(qiáng)烈地帶，一般發(fā)育在地下水徑流區(qū)，沿地下河發(fā)育方向分布。其深度可達(dá)數(shù)十米至百余米，寬者可達(dá)百余米，窄者呈裂縫狀。如雙流鎮(zhèn)許家壩村石家寨地下河天窗，其位于溶蝕峰叢溝谷北側(cè)山腳，天窗平面上呈不規(guī)則形態(tài)，長軸方向約200°，長約40 m，短軸長約30 m，垂向下發(fā)育，深約25 m，水沿180°方向流動，調(diào)查時地下河流量60.50 L/s。受區(qū)域北東-南西向斷層及其破碎帶控制，地下水沿管道由北西向南東徑流，受約330°走向裂隙作用，地下河管道在此塌陷，出露于地表。

3.5 穿洞與天生橋

在喀斯特地區(qū)，暗河造成了規(guī)模宏大的地下洞穴，并因溶蝕發(fā)展、洞穴擴(kuò)大，終于導(dǎo)致洞穴頂部發(fā)生串珠狀的塌陷。在洞頂塌陷的地段，形成巨大的天坑，暗河暴露成了地表河。而在若干天坑之間尚未塌陷的窄窄的殘留洞穴段，便形成了喀斯特天生橋。如果殘留的洞穴段較長，則稱為穿洞。如涼水井村回水塘天生橋整體呈拱形，橋洞延伸方向約40°，長約40 m，高約15 m，洞廳寬近40 m，洞壁頂部見頂流石，洞內(nèi)有小河沿220°方向流穿橋洞，河水流量約40 L/s。

4 巖溶發(fā)育的控制因素

4.1 巖性對巖溶發(fā)育的控制作用

巖性為巖溶發(fā)育的先決條件，質(zhì)純層厚的碳酸鹽巖是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，其巖石的成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、厚度及巖性組合關(guān)系不盡相同，其溶蝕作用的強(qiáng)弱程度亦不同，也就影響了巖溶的發(fā)育程度、發(fā)育深度及巖溶水的富集。

4.1.1 碳酸鹽巖的成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

碳酸鹽巖區(qū)巖溶發(fā)育程度與其化學(xué)成分中可溶性成分(CaO和MgO等)含量的多少、均勻程度關(guān)系密切，碳酸鹽巖的化學(xué)成分主要由CaO、MgO及不溶物組成，巖石化學(xué)成分中的CaO含量越多，純度越高，巖溶發(fā)育程度越強(qiáng)烈；而當(dāng)酸性不溶物的含量較高，純度較低，巖溶發(fā)育程度越弱，不同地層的巖石化學(xué)組分見表2。

表2 研究區(qū)碳酸鹽巖巖石地球化學(xué)組分表 %

從研究區(qū)碳酸鹽巖巖石地球化學(xué)組分表可以看出，研究區(qū)石灰?guī)r的CaO/MgO值多大于32，僅部分樣品由于其含有一定量的砂屑、燧石以及白云石化等作用，使得部分研究區(qū)石灰?guī)r的CaO/MgO值為25左右，最具代表性的樣品為Y12和Y18號樣品。另外，作為可溶性碳酸鹽巖的巖石地球化學(xué)分析中，極為重要的一項指標(biāo)為燒失量(LOI)，從表中可以看到，研究區(qū)碳酸鹽巖LOI值普遍大于40%，而理想狀態(tài)下純石灰?guī)r的LOI為44%，純白云巖則為47.9%，因此，總體上研究區(qū)碳酸鹽巖質(zhì)地較純。僅Y09、Y15、Y18以及Y20四個巖石樣品的LOI值偏低，主要是由于此類樣品含有一定量的砂礫屑和燧石等，導(dǎo)致其總體LOI低于40%。

4.1.2 碳酸鹽巖巖性組合特征

可溶巖是巖溶發(fā)育最基本的內(nèi)在因素，而可溶巖中CaO、MgO含量的多少又起著決定性的作用，因此碳酸鹽巖類的物質(zhì)成份、結(jié)構(gòu)及巖層組合控制巖溶發(fā)育強(qiáng)度。

表3 研究區(qū)各碳酸鹽巖地層巖溶個體發(fā)育統(tǒng)計表 個

純灰?guī)r巖溶最為發(fā)育，各類巖溶個體形態(tài)總計發(fā)育95個，占整個研究區(qū)約30.45%；其次為三疊系嘉陵江組、寒武系婁山關(guān)組以及清虛洞組，其發(fā)育各類巖溶個體分別為43、43和42個，均占整個研究區(qū)約13.78%；再次為三疊系關(guān)嶺組和寒武系石冷水組，其發(fā)育巖溶個體分別為23和20個，占比約7.37%；巖溶個體發(fā)育最少的碳酸鹽巖地層為寒武系高臺組，發(fā)育巖溶個體數(shù)為5個，占比約1.6%?？傮w上，研究區(qū)的碳酸鹽巖的巖溶發(fā)育特征與前述規(guī)律一致。

4.1.3 碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸帶

巖溶常沿碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸帶發(fā)育，主要表現(xiàn)在寒武系第二統(tǒng)清虛洞組白云巖與寒武系第二統(tǒng)金頂山組砂頁巖接觸帶等部位，在這些層位碳酸鹽巖的巖溶沿層面發(fā)育，巖層傾角小于40°區(qū)域，地下水的滯留時間較長，巖溶發(fā)育面積大，其發(fā)育深度相對較淺；巖層傾角大于40°區(qū)域，地下水動力強(qiáng)，巖溶多以裂隙、溶隙狀發(fā)育，空間較小，縱向發(fā)育深度相對較大(圖2)。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造對巖溶發(fā)育的控制作用

地質(zhì)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的主導(dǎo)因素，它不僅控制著巖溶發(fā)育的方向，而且還影響著巖溶發(fā)育的規(guī)模和大小。各種巖溶形態(tài)的發(fā)育延伸與分布方向即受斷裂面、裂隙面(也包括層間裂隙面)產(chǎn)狀的控制。而巖溶形態(tài)的發(fā)育規(guī)模與分布密度、巖溶總的發(fā)育強(qiáng)度與發(fā)育程度也主要取決于斷裂構(gòu)造的規(guī)模、性質(zhì)和裂隙發(fā)育密集程度以及充填膠結(jié)等情況。除規(guī)模大小外，不同力學(xué)性質(zhì)斷層對巖溶發(fā)育的影響作用也有很大差別。壓性斷層由于斷裂帶內(nèi)常發(fā)育有較厚的斷層泥或糜棱巖，溶蝕性微弱，因而斷裂帶本身通常都巖溶微弱，且常成為隔水帶。而巖溶主要發(fā)育于兩側(cè)影響帶、特別是主動盤(一般為上升盤)影響帶內(nèi)，這是因為主動盤影響規(guī)模一般較大、低序次小斷層與節(jié)理裂隙較發(fā)育也多較張開所致。

褶皺構(gòu)造的不同部位節(jié)理裂隙發(fā)育程度有很大差別，巖層透水含水性能強(qiáng)弱不同，因此，巖溶發(fā)育強(qiáng)度與發(fā)育程度也顯著不同。這最明顯地反映在褶皺的軸部與翼部的差別上。軸部地帶(箱狀褶皺為軸部與翼部過渡帶)縱張裂隙非常發(fā)育,有時還存在“虛脫”現(xiàn)象，利于地下水滲入流動，因而巖溶一般都較翼部地帶強(qiáng)烈?guī)r溶水也較豐富。尤其是背斜軸部，巖溶常最強(qiáng)烈，發(fā)育程度也高，成為串球狀洼地或者進(jìn)而發(fā)育成縱向溝谷、河谷。

研究區(qū)巖溶發(fā)育在平面上具有一定的規(guī)律性：圖幅內(nèi)受北西南東向斷層、褶皺及大型“X”型節(jié)理控制，巖溶管道、洼地、落水洞等多追蹤指示斷裂構(gòu)造、大型節(jié)理及南東向展布的背、向斜發(fā)育特征明顯。

1-溶洞、溶隙 2-溶隙、裂隙 3-灰?guī)r 4-泥質(zhì)粉砂巖 5-地層代號 6-巖層產(chǎn)狀

4.3 水動力條件對巖溶發(fā)育的影響

水動力條件與巖溶的發(fā)育關(guān)系密切，互相影響。由地質(zhì)構(gòu)造、地貌、含水巖組等所決定的邊界、介質(zhì)等因素形成了水動力基本特征，不同的水動力特征又影響了地下水流運(yùn)動性質(zhì)，水動力特征又影響巖溶發(fā)育的方向和強(qiáng)度。

垂直巖溶發(fā)育帶：位于地下水位以上，大氣降水通過各種裂隙和層面滲入巖層中，主要做垂直運(yùn)動，因此主要發(fā)育垂直巖溶形態(tài)，如發(fā)育的漏斗、落水洞、溶蝕裂隙和豎井等均發(fā)育在此帶。

通過收集前期施工的地下水開采井及本項目實施的監(jiān)測井揭露的巖溶發(fā)育段進(jìn)行分析，共計16口鉆孔揭露的研究區(qū)垂向巖溶發(fā)育情況。對研究區(qū)鉆孔揭露的碳酸鹽巖地層垂向巖溶發(fā)育標(biāo)高進(jìn)行分析可以得出，研究區(qū)范圍內(nèi)垂向上巖溶多發(fā)育于距地表150 m以內(nèi)區(qū)域，局部鉆孔揭露其發(fā)育深度可達(dá)170 m，巖溶發(fā)育最大標(biāo)高約1 369.4 m。從編錄資料來看，垂向上隨深度的增加，巖溶發(fā)育越弱的趨勢明顯。分析其原因可能主要為隨深度的增加，地下水徑流強(qiáng)度、循環(huán)交替速度和溶蝕能力逐漸減弱，巖溶發(fā)育強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。

水平和垂直巖溶交替帶：位于地下水位最高水位和最低水位之間，地下水上升期，地下水呈水平運(yùn)動方向流動，而水位下降期，地下水做垂直方向運(yùn)動，由于水動力條件有利，因而巖溶作用最強(qiáng)烈(圖3)。

1-白云巖 2-機(jī)井及編號 3-地下水位線 4-溶孔溶洞及溶隙 5-婁山關(guān)組地層代號

水平巖溶帶：位于地下水最低水位以下，其下限為地方性侵蝕基準(zhǔn)面，本帶地下水主要做水平運(yùn)動，研究區(qū)內(nèi)大部分的地下河多發(fā)育于此帶。

深部巖溶循環(huán)帶：位于水平巖溶帶之下，地下水的流動方向不受當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面的影響，水循環(huán)交替在地質(zhì)構(gòu)造的控制下，向更遠(yuǎn)更低的區(qū)域運(yùn)動，由于埋藏，水循環(huán)交替緩慢，巖溶發(fā)育很弱，其形態(tài)多以溶蝕裂隙和溶孔為主。

5 結(jié)語

根據(jù)以上研究分析，巖溶發(fā)育主要受三個方面的因素控制，即巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水動力條件。巖性為其先決條件，地質(zhì)構(gòu)造是巖溶發(fā)育的主導(dǎo)因素，而水動力條件則是其發(fā)育的決定條件。三者相互結(jié)合，互相影響，最終造成了各式各樣的巖溶地貌。