川东平行岭褶皱区岩溶发育规律特征研究

2018-06-20，，，，，

地下水 2018年3期

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(重庆地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队/重庆市地下水资源利用与环境保护实验室，重庆 401121)

缙云山、中梁山、铜锣山、明月山(简称“四山”)作为重庆主城区及其邻近区县森林覆盖率最高的区域，其生态地质环境在保持水土、涵养水源、净化空气等方面发挥着及其重要的作用。本文选取位于“四山”区域中梁山北段的歇马隧道隧址区，对其岩溶发育的规律特征及形成控制因素进行研究，对中梁山北段乃至整个“四山”地区其它具有类似地质条件的隧道规划建设具有很高的借鉴意义。

图1 研究区可溶岩与非可溶分布示意图 (剖面白色部分为可溶岩)

1 地质背景概况

研究区主要位于重庆市西部沙坪坝区的东部，歌乐山风景名胜区内，研究区岩溶槽谷属低山地貌，由观音峡背斜构成山地。山体两侧斜坡呈陡坡状，坡角在35°～60°之间，山体中部为相对较为平缓的岩溶槽谷地貌，地形特征为“一山三岭二槽”和“一山二岭一槽”，山体呈南北走向，整个区域地势北高南低，两边高中间低。岩溶主要位于中部峰丛残丘及槽谷内，地表出露地层从新到老分别有：三叠系中统雷口坡组(T2l)、下统嘉陵江组(T1j)、下统飞仙关组(T1f)。其中飞仙关二段(T1f2)、四段(T1f4)为非可溶岩，其余为可溶岩[1-2]，见图1。

2 岩溶发育规律特征分析

2.1 岩溶发育形态

研究区主要的岩溶形态有岩溶槽谷、残丘、岩溶洼地、落水洞、漏斗、天窗、竖井、暗河、溶洞等。

1)岩溶槽谷、残丘。槽谷主要位于背斜两翼的嘉陵江(T1j)地层内，在岩溶作用下，剥蚀呈槽谷地貌，槽谷的南北段和中部的垄岗状小丘(T1f)相间，谷状地形明显。垄岗槽谷地貌以溶蚀——构造作用为主，构成隔挡式构造。隔挡式构造发育成长条形平行槽谷，该槽谷是主要的汇水地貌形态，一般情况下，沿构造线走向发育，构成研究区的东西槽谷，槽谷中段主要以低矮残丘地貌为主。

2)岩溶洼地。基本分布在槽谷内的嘉陵江组(T1j)二段——四段地层，少数在雷口坡组和嘉陵江组一段地层中出露，平面形态多为椭圆形和不规则长条状。洼地多伴生有落水洞，常与垂直裂隙或管道相连。隧址区周边主要分布有两处岩溶洼地，均位于西槽谷嘉陵江组地层内。

3)落水洞、漏斗、天窗及竖井。落水洞和漏斗表面形态相似，平面形态多呈椭圆状或喇叭形。是地表及地下岩溶地貌的过渡类型。一般情况下，落水洞与洼地伴生，漏斗、天窗及竖井呈串珠状展布，下部一般情况下都与暗河有一定地关联，该标志是判明暗河走向的重要依据。

4)暗河。主要分布在研究区内嘉陵江(T1j)地层，暗河发育方向与构造方向一致，出口狭窄，大多为溶隙形态，和漏斗、落水洞及天窗构成系统性的岩溶体系。

研究区内主要发育有两条浅埋型暗河：主要位于槽谷边缘或槽谷之中，由于受横向沟谷的切割，一般出露于地表。(1)干堰塘——清凉庵暗河系统(见图2)：主要发育于嘉陵江组地层，位于东槽谷内，沿背斜走向延伸，暗河从北向南径流。(2)大烂池——五香庙暗河系统(见图3)：主要发育于嘉陵江组地层，位于西槽谷内，沿背斜走向延伸，暗河从北向南径流。

图2 清凉庵暗河系统示意图

图3 五香庙暗河系统示意图

5)溶洞。研究区内发育的溶洞主要是以浅埋型溶洞为主，分布在嘉陵江组(T1j)、飞仙关(T1f)地层之中，由于受岩性构造和裂隙的影响，溶洞延伸方向主要呈支状或蜿蜒曲折展布，据现场调查，大多数溶洞无水，但经暴雨后有水流出，表明浅表岩溶发育。按照研究区溶洞空间展布方向可分为：近似水平溶洞、垂直溶洞、倾斜溶洞。例如“龙洞”为一个沿岩层面发育的倾斜溶洞[3](见图4)。

图4 龙洞空间形态展布示意图

2.2 影响岩溶发育的主要因素

1)地层岩性。研究表明[4]，碳酸盐岩中的CaCO3含量越高时，则其可溶性就越强，反之，则越弱，即白云岩类、泥灰岩类、硅质、泥质、炭质石灰岩类岩溶发育较弱，纯灰岩类则岩溶发育最强。由于岩溶发育的强弱，不仅取决于岩性纯度，还取决于其连续沉积厚度，因此，研究区内大量出露的碳酸盐岩是其岩溶发育的物质基础。

2)地质构造。研究区岩溶发育的特征受地质构造的控制主要表现在以下两个方面：

(1)研究区岩溶管道的稳定展布方向与所处构造的延伸方向基本一致[5]：如区内干堰塘水库—田坝—贺家湾—小屋基—清凉庵、普照寺水库—干池塘—沈家池—窝子堡—燕儿洞—余家湾水库两条暗河管道的总体展布方向与背斜延伸方向基本一致。(2)岩溶管道是在可溶岩的基础上发生并发展的，受岩体中裂隙、层面格局的控制，主要存在两组裂隙：分别为横张和纵张，横张裂隙主要有越层补给的作用；纵张裂隙是构成岩溶水主要的通道。

3)新构造运动。本区岩溶发育经历了盆地期、盐井沟期、嘉陵江期等历史时期，这些地文期影响了岩溶在垂直分带起着决定性因素。研究区背斜分布的多级水平溶洞和槽谷所分布的大量的暗河出口均反映出该特征，接近排泄区的水平循环带，以水平溶洞为主；地下水补给区，则以垂直岩溶管道向地下延伸为特征[6]，如“新开寺、龙塘坎、凌云水库”等附近的岩溶槽谷内发育的大量的漏斗、落水洞、塌陷均为地下水的竖向补给区。

新构造运动促使研究区内的岩溶不断地叠加，岩溶形态的叠加以垂向岩溶发育方向达到改造和破坏前期的各种岩溶形态。据调查，研究区内的凌云水库就是这种逐渐被深部岩溶系统所替代，岩溶洼地中叠加水平溶洞、漏斗、落水洞的现象。

4)地下水流动作用。地下水流动特征主要是由边界条件和内部的介质特征决定。地下水的边界常常引起地下水在某些部位集中形成岩溶发育的优势部位，地下水集中流动增加对岩体的冲刷和侵蚀强度，有利于岩溶的发育，反之则较弱。岩溶发育演化的过程实际上是可溶岩在地下水作用下的分异过程，在地下水边界和介质的控制下，地下水能否形成高度汇集的强径流带或强径流区是能否造成岩溶分异的关键，在边界和介质的作用下存在地下水强径流带的地区一般能够形成大的岩溶洞穴。相反，地下水在系统内平均分布的地区则很少发育大的管道[7]。

研究区在大量的隧道施工后，大大地改变了地下水的流动速度和运移方向，从而加强了岩溶地发育及岩溶形态之间的相互联通。

2.3 岩溶发育特点及规律

研究区可溶性岩与非可溶性岩层相间，地表上多形成槽谷，其岩溶发育主要受构造、岩性和地形地貌控制。

1)岩溶发育的顺层性。研究区地层呈层状，局部含隔水层相间产出，相邻地层岩体岩溶化特征、规律存在差异性。研究区内的落水洞、岩溶漏斗、暗河及竖井呈串珠状延伸方向，其延伸方向与层面倾向、岩层走向方向基本相同。如“余家湾、清凉庵”两个水库所关联的地下暗河通道，具有沿岩层走向发育的特征。因此，研究区的岩溶发育特征由于在区域性侵蚀基面的制约下具有顺层岩溶化特点。

2)岩溶沿构造裂隙发育特征。受构造应力的影响，研究区内岩体形成的构造裂隙，由于岩体内的地

下水在裂隙中的流动及运移，促使裂隙逐渐扩大，最终形成较大的溶隙，进而加快地下水的流动，裂隙便慢慢由于地下水的溶蚀形成较大的岩溶管道，岩溶管道穿越地层在冲沟切割较深处出露形成地下水的排泄口。区内的清凉庵出口均为该岩溶特征的表现，另外，研究区北侧嘉陵江右岸的两处暗河走向与区内构造线也基本一致。因而，研究区内岩溶具有明显的沿构造裂隙发育的特征。

3)岩溶发育的垂直分带性。由于地壳的间歇性抬升，在相对稳定的时期形成水平岩溶管道，而在地壳上升期间则多形成竖向的岩溶形态，从而导致研究区内岩溶存在垂直分带的特征。

研究区可溶岩具有受非可溶岩隔水层和外围须家河砂泥岩山峰包围的地貌特征，其溶蚀最低侵蚀基准面受外围隔水层制约，地下水主要出露点往往位于与外围隔水层交界处沟谷内，因此，其岩溶垂直向发育带受此影响而变窄。本次研究区岩溶发育带主要分布于歌乐山槽谷，槽谷的地下水系统受后期人类工程活动改变，其岩溶的垂直分带特征对地下水的评价有直接紧密的联系[8]。

根据资料,由于地壳的间歇性抬升，在相对稳定的时期形成水平岩溶管道，而在地壳上升期间则多形成竖向的岩溶形态，从而导致区内岩溶存在垂直分带的特征。

4) 岩溶发育的不均匀性(地层)。从碳酸盐岩的结构来说，一般晶粒愈粗，溶解度就愈大，岩溶发育也就愈强烈，因为晶粒愈粗大，岩石的空隙也大，吸水率高，抗侵蚀能力弱，有利于溶蚀。区内碳酸盐岩主要有岩溶角砾岩、灰岩、白云岩及泥质灰岩等[9]，其岩石结构差异巨大，岩溶发育则产生巨大差异，区内岩溶角砾岩地层岩溶极发育，易形成沟槽或溶隙溶洞，其次为灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥质灰岩。同时，受构造节理裂隙影响，岩层中节理处空隙较大，易于岩溶化，形成溶隙溶孔，进而演化为岩溶管道。研究区内嘉陵江组二段、四段多为岩溶强烈发育段，飞仙关三段岩溶发育也较强烈，且同为一段地层岩溶发育差异也大。