贛南青塘地區巖溶發育特征與規律

王 璽,彭依宏,劉前進

(江西有色地質礦產勘查開發院,330030,南昌)

0 引言

喀斯特地貌在我國又稱為巖溶,是指可溶性巖層(石灰巖、白云巖、硫酸鹽類巖石、鹵化物類巖石)分布地區[1]。巖溶是以巖石結構為基礎,構造為條件,地下水為動力綜合作用的產物[2]。由于區內水的溶蝕能力和水動力條件在三維空間上的差異,巖溶發育強度在垂直方向上和平面上有明顯的變化規律[3]。斷裂是地下水運移的通道,是巖溶發育的條件之一[4]。地質構造與巖溶的發育強度及發育方向有著十分密切的關系,可以使巖層發生形變、破裂與位移,從而控制了地下水的運動方向,進而決定了巖溶發育的特征[5-6]。巖溶發育強度與斷裂構造有著密切的關系?？拷鼣嗔褞?巖溶發育強度大,遠離斷裂帶則減弱[7]。斷裂和褶皺及其附近,由于巖石破碎,利于地下水活動,為水巖作用提供了空間[8]。巖溶沿斷裂及構造裂隙發育,成為巖溶發育的主要特征[9]。本文在1：5萬青塘幅水文地質調查基礎上,通過地面調查、水文地質鉆探等工作手段,系統梳理總結了區內巖溶發育特征及巖溶發育規律,為區域內重大工程選址及巖溶塌陷等地質災害防治提供技術支撐。

1 區域地質概況

研究區位于華夏板塊南嶺東段隆起帶之寧(都)于(都)坳陷,構造變形強烈,巖漿活動頻繁,在漫長復雜的地質發展過程中,經歷了晉寧、加里東、印支、燕山及喜馬拉雅等多次構造運動。印支、燕山運動對本區影響最大,以強烈的斷裂活動為特色,形成了本區最為壯觀、最為醒目的疊瓦式逆沖推覆構造。區內巖溶可分為裸露型、覆蓋型(圖1)。裸露型主要分布青塘幅青塘盆地、黃貫、賴村;覆蓋型巖溶主要分布于寧都縣青塘盆地一帶,一般上覆10～50 m的第四系全新統沖積物和中更新統殘坡積物。

1.第四系;2.覆蓋型巖溶;3.一般碎屑巖;4.紅色碎屑巖;5.碳酸鹽巖;6.變質巖;7.花崗巖圖1 青塘幅巖溶分布略圖

區內碳酸鹽巖的分布共構成梅窖與青塘、王干3個巖溶盆地。盆地為狹長的山間向斜谷地,各盆地多為封閉型,四周高中間低,盆地內地形平坦寬闊。河流多發源于四周分水嶺,然后匯集于盆地中由統一出口排出。盆地內巖溶發育,石芽、溶洞、溶溝、溶槽、巖溶孤山、巖溶洼地等巖溶地貌景觀屢見不鮮,單泉比比皆是,地下暗河也有所見。

梅窖巖溶盆地與青塘巖溶盆地由青塘向斜構造控制形成,原屬一體,后由于盆地中段核部受茶山逕巖體侵入、抬高,將向斜分成兩段,形成現今梅窖巖溶盆地、青塘巖溶盆地;同時在侵入過程中,北部邊界處石炭系黃龍組(C2h)灰巖、白云質灰巖等大理巖化,巖層可溶性明顯降低;根據本次野外調查,在地形地貌上,可見明顯地表分水嶺,兩者分屬不同地表水系統;梅窖巖溶盆地北東側所發現地下暗河流向為南西向,而青塘巖溶盆地北西側所發現地下暗河流向整體為南東向。綜上,推斷梅窖巖溶盆地與青塘巖溶盆地分屬2個不同的地下水系統,兩者無水力聯系。

梅窖與青塘、王干巖溶盆地的結構、巖性大致相同。于盆底主要為第四系沖積層與殘坡積層,沖積層分布在沿河兩岸,為二元結構,上部為亞砂土,下部為砂礫石層。殘積層分布在山腳、坡底,巖性主要為粘土碎石。第四系可見厚度見表1。

表1 研究區巖溶盆地第四系厚度一覽表/m

2 水文地質條件

巖溶發育離不開水,且水要具有一定的侵蝕性和循環運動條件,即由構造運動產生的斷層、裂隙、節理提供水運移的通道[10]。當盆地周圍地下水源源不斷地向盆地徑流時,受灰巖巖溶水成層發育的控制,多數地下水沿各種通道向盆地中匯集,在向斜軸部形成頂底均是灰巖的承壓含水層,并在向斜軸部附近以泉的形式集中排泄。在第四系覆蓋層較薄地區,承壓水沿裂隙沖破第四系沖積物形成巖溶上升泉,而在第四系殘坡積的粘土、粘土碎石層分布區,因其厚度較大,略有膠結,隔水能力較強,一般不易形成巖溶上升泉。

現將各盆地水文地質條件分述如下。

王干盆地:地表發現溶洞13個,長度50～100 m,最長達360余米。調查暗河一條。盆地內見灰巖的孔24個,其中15個見溶洞,能見率62%。揭露大小溶洞35個,溶洞高一般為1～2 m,最高的11.28 m,最低的0.3 m,鉆孔線巖溶率達15%。鉆孔以承壓水為主,承壓含水層厚度50～64.59 m,含水層頂板埋深20.60～111.15 m(標高363.43～221.83 m),底板埋深117.11～170.22 m(標高267.92～162.76 m),水位埋深16～20 m,水位標高15～50 m,其中ZK水3高出地面7.8 m。

青塘盆地:該盆地為承壓水盆地,施工的44口灰巖鉆孔,有24個見溶洞,能見率55%。溶洞一般為1～5 m,最高的26.91 m,鉆孔線巖溶率13%,揭露含水層平均厚度19.556 m,地下水水位標高242.69～220.37 m,水頭高度9～20 m。地表調查中見溶洞1個,暗河一條,盆地內巖溶發育,巖溶水主要沿大小溶洞活動。

梅窖盆地:根據羅帶礦區資料,盆地為承壓水盆地。施工灰巖孔6個,孔孔見溶洞,能見率100%。溶洞高一般為0.59～1.80 m,最高的8 m,鉆孔巖線溶率3.6%,含水層厚度30.08～32.60 m,頂板埋深14.83～42.75 m(標高273.73～267.45 m);底板埋深71.99～153.58 m(標高210.29～162.90 m)。承壓水水位埋深3～17.6 m,水頭高度11.83～25.15 m。地表調查見暗河一條,巖溶泉27個,但流量小于1 L/s的占74%。由此可見,該盆地的巖溶水通道比較細小,地下水主要沿溶蝕裂隙以及小的溶蝕孔洞活動。

3 巖溶發育特征與規律

通過分析研究以往資料發現,盡管巖溶發育變化復雜,極不均一,但還是有規律可循。研究區內巖溶發育,主要受斷裂構造、層面及侵蝕基準面的控制,主要控制因素如下。

3.1 巖溶主要沿構造發育

區內巖溶盆地斷裂構造發育,構造裂隙密集。因此,巖溶沿斷裂及構造裂隙發育,成為該區巖溶發育的主要特征。在王干、梅窖盆地內均有表現,而在王干盆地尤為突出。其中,在王干盆地,發現的3個溶洞中2個是與斷裂有關的,一條暗河也與斷裂有關。當地有名的出風洞,全長180余米,寬4～8 m,高3～6 m,它的發育受走向北東的壓性斷裂控制,由于斷裂的存在,致使斷裂上盤裂隙發育,巖溶沿裂隙走向或裂隙面發育,溶洞則沿斷裂走向發育,然后又沿巖層層面、裂隙面及裂隙走向溶蝕,發育成現在的巖溶形態(圖2)。圖3中的35號暗河發育在王干盆地灰質白云巖中,地下暗河的流向與壓性斷裂的走向一致。

1.溶洞;2.暗河出口及流量;3.壓性斷裂;4.等高線圖3 35號暗河發育受斷裂控制

構造裂隙的發育,有利于地下水的活動和對巖石的侵蝕與溶解。在梅窖盆地發育的4個溶洞中,有3個是沿著構造裂隙發育的,另一個也是沿著裂隙溶蝕后再順層面溶蝕的。沿著構造裂隙發育的巖溶現象中,又尤以沿張性、張扭性裂隙交匯處突出。如梅窖盆地的g1353溶洞(圖4、圖5)其主洞體為北東及北西向,就是沿著北東和北西兩組張、張扭性構造裂隙發育的。特別是兩組裂隙相交的洞中心,溶蝕成寬敞的大廳狀,最大的洞高達30多米。

1.大理巖化白云巖圖5 溶洞沿張、張扭性構造裂隙發育

另外在張性裂隙中,裂隙膨大處、復合處巖溶亦較發育;而分支縮小處則次之。沿著壓性、扭性及壓扭性構造裂隙的溶蝕現象則比張裂隙的巖溶現象微弱得多。如在梅窖盆地石牙上見發育一組裂隙(產狀240∠70°)和一組扭裂隙(產狀135∠25°),張裂隙溶蝕寬30～60 mm,而扭裂隙寬度只有20～30 mm(圖6),溶蝕現象有明顯的差異。沿壓、壓扭性及扭性裂隙巖溶發育之所以弱,是由于裂隙一般閉合,不利于地下水的活動。

1.白云質灰巖;2.沿張裂隙溶蝕;3.沿扭裂隙溶蝕圖6 巖溶沿張裂隙扭裂隙的發育

3.2 巖溶沿層面發育

由于可溶巖在沉積形成過程中,是分沉積旋回進行的,沉積旋回之間有薄弱環節,造成層面有一定空隙,再加上裂隙的聯通作用,有利于地下水的活動,從而對巖石溶蝕形成裂隙和溶洞。沿層面發育的特征,主要表現在青塘盆地。青塘盆地地表發育的2個暗河天窗主要受層面控制,而暗河的發育也與層面有關。

據青塘獅吼山礦區資料,該礦區范圍內溶洞發育主要有兩種不同形態:溶洞底多近于水平的溶洞和溶洞底傾斜的溶洞,這主要是由于本區灰巖地層傾角很緩,地下水沿層面侵蝕溶解而形成的。再如梅窖盆地一溶洞(圖7),發育在白云巖中,其主要沿層面發育的。這一現象在裸露的殘丘表面也清晰可見,如梅窖盆地一溶蝕殘丘上,清楚可見巖溶層面和微層理發育(圖8),層面上溶蝕寬度100～350 mm,沿微層理溶蝕較弱,溶蝕寬僅有5～40 mm。

1.粉質粘土;2.灰巖圖7 溶洞沿層面發育縱剖面圖

3.3 侵蝕基準面以上巖溶發育

區內巖溶發育普遍表現為由淺至深部溶蝕由強變弱直至消失。據王干、梅窖、銀坑、南塘等地28個揭露灰巖的鉆孔統計,共揭露大小溶洞86個,其中0～100 m有54個,占62.8%,100～200 m之間28個,占32.5%,200 m以下4個,占4.7%。從各盆地的巖溶發育隨標高變化圖(圖9～圖11)中亦可看出,雖然由于各巖溶盆地的地形、構造條件不盡相同,巖溶發育強烈的標高位置與深度會有所變化,但總的趨勢依然是地表以下100 m以上巖溶最為發育。

圖9 王干盆地巖溶發育隨標高分布圖

圖10 青塘盆地巖溶發育隨標高分布圖

圖11 梅窖盆地巖溶發育隨標高分布圖

近地表巖溶發育的原因,一則是近地表一般風化裂隙、構造裂隙發育,有利于地表水的滲入,從而對巖石產生侵蝕和溶解;再則受侵蝕基準面的控制,在侵蝕基準面以上的地下水循環交替強烈,因而侵蝕基準面以上巖溶發育(圖12、圖13),而侵蝕基準面以下地下水活動弱,甚至處于停滯狀態,地下水對可溶巖的侵蝕溶解作用非常有限。

圖12 梅窖盆地巖溶發育與河床侵蝕基準面關系圖

圖13 王干盆地巖溶發育與河床侵蝕基準面關系圖

巖性差異影響著巖溶分布,不同成份和結構的碳酸鹽巖溶解的難易程度不同,其與巖石中氧化鈣與氧化鎂的比值有關[11-12]。除以上所述的3個巖溶發育規律在本區較普遍外,還可見到其他一些控制巖溶發育的因素,但僅在局部地區起作用。例如,梅窖盆地巖溶發育除上述的主要受斷裂與構造裂隙控制外,巖性也是一個控制因素。從鉆孔所見的19個溶洞與地表發育的4個溶洞來看,有20個溶洞發育在灰巖、結晶灰巖與大理巖中,占溶洞總數的87%,而發育在灰質白云巖、白云巖和白云質大理巖中的溶洞則較少。另外,厚層的灰巖比薄層的灰巖巖溶更為發育,王干、青塘、梅窖盆地多為厚層、巨厚層質純灰巖。因此,這3個盆地比起區內其他灰巖盆地巖溶更發育一些。

由于各灰巖盆地所處地形、地貌、地質、構造條件的不同,因此各盆地巖溶發育的主導因素也會因地而有所不同,導致了本區灰巖巖溶發育各有特色。

4 結論

1)青塘地區巖溶發育,主要受斷裂構造、層面及侵蝕基準面的控制。巖溶沿斷裂及構造裂隙發育,成為該區巖溶發育的主要特征。

2)可溶巖在沉積形成過程中,存在軟弱夾層,有利于地下水的活動,從而對巖石溶蝕形成裂隙和溶洞。

3)區內巖溶發育普遍表現為由淺至深部溶蝕由強變弱直至消失,總體表現為侵蝕基準面以上巖溶發育,地表以下100 m以上巖溶最為發育。