徐州市区岩溶发育特征及成因机理研究

刘沂轩 杜珍应

（1.中国矿业大学资源学院，江苏 徐州 221008；2.徐州水文水资源勘测局，江苏 徐州 221006）

0 引言

徐州市区地下岩溶较为发育，成为岩溶地下水的天然“容器”，由此形成诸如七里沟、丁楼等多个大型水源地，岩溶地下水成为城市供水主要水源之一。相关部门先后于1959年、1971年、1985年在徐州市区开展了专门性水文地质工作，对岩溶发育进行了全面、系统、深入的研究，取得了大量成果，这些成果为研究岩溶发育规律和岩溶地下水资源开发利用提供了理论依据。

1 地质、水文地质条件

1.1 地质条件

研究区内地层属华北地层区鲁西分区徐宿地层小区，基底为太古界变质岩（未出露）；上元古界仅见青白口系、震旦系（不全），为一套碎屑岩沉积；古生界寒武系—奥陶系中统以碳酸岩为主，下部夹碎屑岩，缺失奥陶系上统—石炭系下统；石炭系中—上统为碎屑岩、煤层及灰岩互层；二叠系为碎屑岩夹煤层沉积。

1.2 水文地质条件

研究区内地下水按其赋存的介质岩性条件，可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类裂隙水三种类型。

松散岩类孔隙水主要赋存在第四系全新统粉砂、粉土及上更新统砂层中，属潜水—弱承压水。根据取样测试，全新统粉砂渗透系数K区间值为 0.025～1.32 m/d，平均值 0.56 m/d；粉土渗透系数区间值为0.0062～0.13 m/d；属弱透水层。孔隙水含水层分布及厚度变化较大，一般为4～22 m，富水性不均匀。单井涌水量一般小于500 m3/d。

碳酸盐岩类裂隙岩溶水赋存在纯碳酸盐岩中，包括寒武系中统张夏组、寒武系上统及奥陶系下—中统等含水层。岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩，富水性不均匀，主要与岩溶发育程度有关，岩溶发育强，富水性好，岩溶发育弱，富水性差。单井涌水量一般在1000～10000 m3/d，局部大于10000 m3/d。

碎屑岩裂隙溶洞水赋存在寒武系下统猴家山组—中统徐庄组及石炭系中—上统含水层中，岩性为灰岩、页岩、砂岩，裂隙岩溶发育一般较弱，富水性较差。单井涌水量一般在500～1000 m3/d［1］。

2 岩溶形态

研究区岩溶类型属北方岩溶类型，按碳酸盐岩的埋藏条件可分为裸露型岩溶和覆盖型岩溶。区内的岩溶发育形态主要包括溶沟、石芽、溶蚀裂隙、溶孔及溶洞等。

2.1 溶沟及石芽

溶沟、石芽是碳酸盐岩裸露区较普遍发育的岩溶形态，特别是在山麓部位，由于地表汇水条件较好，溶沟、石芽十分发育。溶沟一般是沿层面裂隙和构造裂隙发育，局部也沿水流方向发育，宽度一般为0.2～0.5 m，深度一般为0.5～2.0 m，溶沟之间的石芽宽度一般在0.5～1.0 m左右。不同方向的溶沟构成网络状。

2.2 溶蚀裂隙

溶蚀裂隙是区内普遍发育的岩溶形态，是岩溶地下水补给和运移的主要通道。溶蚀裂隙可分为三种：

（1）节理溶蚀裂隙。沿分散的构造节理溶蚀扩大而成，切穿性差，延伸长度小，宽几毫米至十几厘米，裂隙面常见水蚀痕迹。

（2）层面溶蚀裂隙。沿碳酸盐岩层面裂隙发育，特别是在鲕状灰岩与砂岩、O1x灰岩与O1j泥质白云岩接触部位更为发育，有时发育成溶洞，区内部分岩溶塌陷即与之有关。

（3）溶蚀裂隙带。沿断层带或裂隙密集带溶蚀扩大而成，切穿性强，溶蚀强烈，局部发育成溶洞，延伸较长，是地下水运动的主要通道，构成岩溶水强径流带。如：沿废黄河断裂带即形成了这种类型的溶蚀裂隙带。

2.3 溶孔

溶孔是区内地下岩溶的常见形态，多呈蜂窝状或网格状。以O1x～O1m中角砾状灰岩、豹皮状灰岩及其它结晶碳酸盐岩地层中最为常见。

2.4 溶洞

区内发现的溶洞属于中小型溶洞，沿断裂构造或层面裂隙发育，形成廊道式水平洞穴形态，最大延伸可达数十米。如：九里山白云洞，洞口标高90 m左右，延伸长40.2 m，宽2.0～8.7 m，高 1.0～1.4 m（1982年调查资料）。

隐伏区溶洞更为发育，特别是在构造断裂带中，发育深度可达100 m［2］。

3 岩溶发育特征

3.1 地层岩性与岩溶发育的关系

岩石的可溶性是影响岩溶发育的主要因素，岩石的可溶性主要取决于岩石成份和岩石结构。徐州市区存在的可溶岩为碳酸盐岩，该地层广泛分布，沉积厚度数千米，是岩溶发育的物质基础。根据矿物成分碳酸盐岩分为：石灰岩类（包括泥质灰岩、白云质灰岩）和白云岩类（包括泥质白云岩）。石灰岩的成份以方解石为主，白云岩的成份以白云石为主，方解石和白云石含量是决定岩石溶解度的主要因素。岩溶发育程度与岩性关系见表1。

表1 岩溶发育程度与岩性关系统计表

3.2 岩溶发育与可溶岩厚度的关系

研究区岩溶发育程度还与可溶性岩层的厚度有关。厚层状的碳酸盐岩一般是在相对稳定的环境下沉积而成，其不溶（难溶）性物质含量较少，二薄层状或碎屑岩互层的碳酸盐岩一般表现为环境多变，含不溶性物质偏多，抗溶蚀能力强，不利于岩溶发育。如：区内张夏组、马家沟组、肖县组以厚层状的灰岩为主，且无非岩溶层的存在，岩溶发育较好，其它各组可溶性岩层相对较薄，多含不溶物质或夹有非岩溶层，岩溶发育相对较低。

3.3 水的侵蚀作用

水的侵蚀作用是岩溶发育的另一个基础条件，研究区地下水的水化学成份在不同岩层或同一岩层中的不同深度差异较大，水化学成份的改变和不同地段富水程度的强弱，造成岩溶发育程度上的差异和垂向的分带性。如：区内松散层中地下水的游离CO2平均含量约为32 mg/L，侵蚀性CO2约为0.7 mg/L，岩溶泉水中含量约为7 mg/L，而地面下150 m附近的岩溶水中含量约为8 mg/L。

3.4 地质构造对岩溶发育的控制作用

研究区岩溶发育除了受可溶岩层厚度、地层岩性的影响外，同时还受地质构造的控制。地质构造的控制作用主要表现为：一方面，构造运动使岩层发生形变或者改变碳酸盐岩与非碳酸盐岩地层的组合关系，从而控制岩溶的发育规律及岩溶地下水的富集和运移规律；另一方面，构造运动使岩层发生破裂与位移，加大了岩溶地层的溶蚀空间，提供岩层的透水性，从而对岩溶及其岩溶地下水起到了控制作用。如图1所示。

图1 岩溶溶洞分布与构造的关系图

3.4.1 褶皱的控制作用

褶皱控制了岩层的走向及空间形态，弧形构造体系的主要特征是隔挡式的褶皱，背斜紧密，而向斜宽缓。在背斜部位岩溶的发育方向及岩溶地下水的富集、运用空间均沿弧形方向呈条带状，而宽缓的向斜则往往形成富水的向斜蓄水盆地。

背斜的控制作用。徐州复背斜核部由土门组及城山组非碳酸盐岩组成，透水性强，构成斜贯全区的相对弱透水条带；在地形地貌有利条件下，补给水容易沿背斜枢纽汇流，形成富水带。

向斜的控制作用。一是向斜核部处于洼地活谷地时，岩溶水补给条件好，而且核部为碳酸盐岩地层，容易形成富水的向斜盆地，如：七里沟复向斜盆地；二是核部沉积很厚的石炭二叠系非碳酸盐岩地层，而两翼为寒武奥陶系的碳酸盐岩地层，地形地貌上容易形成洼地或谷地，地下水由两翼向核部运移，由于岩溶发育程度向深部减弱，地下水流受阻而富集于翼部，如：贾汪复向斜、拾屯复向斜南段东南翼及闸河复向斜的两翼。

3.4.2 断裂的控制作用

徐州弧形构造翼部多分布与构造线方向一致的压、压扭性断裂，规模大、延伸长，大多与褶皱平行，少数斜切，由于褶皱的强烈挤压，多为一些高角度的逆冲或逆掩断层，被断层泥、糜棱岩或胶结紧密的角砾填充，起相对弱透水作用，断裂带富水性差，单井涌水量小，不少为干孔。

弧形构造的内、外两侧常有一定宽度的裂隙密集带和断裂影响带，节理裂隙较为发育，易形成富水性较好的条带状富水带。同时，在弧形褶皱及断裂弯曲转折端，常发育羽状或放射状张扭性断裂，有利于岩溶发育和岩溶地下水的富集和运移。

研究区多个大型岩溶地下水水源地的形成都是断裂构造控制作用的结果。如：不牢河张扭性断裂和废黄河张扭性断裂带切穿多个含水层，使含水层直接沿断裂破碎带发生较为密切的水力联系，形成多个单井涌水量5000 m3/d以上的岩溶地下水供水水源地［3-5］。

4 结语

研究区影响岩溶发育因素包括岩石成份、地质构造、水的侵蚀、可溶岩厚度等。岩性是基础，构造是主导，水动力变化是条件，且受地形地貌等其他因素的综合影响，互为条件，互相制约。若其中某一因素发生变化，都会增大或减小溶蚀发育速度，这也是造成区内岩溶发育和分布不均匀的根本原因。另外，研究区为徐州市主城区，建筑物密集，特别是近几年来，高强度开采岩溶地下水，已出现岩溶塌陷、水位下降等环境地质问题，故探讨岩溶发育特征及成因机理有利于工程的安全建设和水资源的可持续利用［6］。

［1］熊彩霞，刘沂轩.徐州市区地面塌陷与岩溶水开采关系研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2009（1）：80-82.

［2］熊彩霞.徐州市环境岩土工程问题研究［D］.中国矿业大学，2003：55-60.

［3］胡昌林，等.江苏省徐州市城市供水水文地质勘察报告［R］.江苏省地质矿产局第二水文地质工程地质大队，1985：36-68.

［4］李义昌，胡建国，孙亚军，等.徐州市规划区岩溶地下水资源管理研究报告［R］.中国矿业大学，徐州市节约用水办公室，1999：31-32.

［5］江苏省徐州市岩溶地面塌陷灾害地质勘查报告［R］.江苏省地质矿产局，1996.

［6］刘功余.桂南红层岩溶及其发育控制因素探讨［J］.中国岩溶，2011（2）：153-154.