东庄水库工程区岩溶发育特征研究

苗 旺，万伟锋，邹剑峰，卜新峰

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

1 工程概况

泾河东庄水利枢纽是陕西省“十二五”重点建设工程，根据《渭河流域重点治理规划》，水库建设任务以防洪、减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态环境。水库位于陕西省礼泉县与淳化县交界处泾河下游峡谷段，推荐坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高230 m，坝顶高程804 m，水库总库容30.62×108m3。坝址上游约2.7 km范围内为碳酸盐岩地层，地表存在溶洞、溶隙、溶孔等溶蚀现象，地下一定深度范围内也同样存在岩溶现象，且地下水位低于河水位30～45 m，存在岩溶渗漏问题。

本区碳酸盐岩地层沉积环境、构造条件、古岩溶和深部岩溶的分布及发育规模等一直是岩溶渗漏问题的制约性因素。为了加快东庄项目的建设速度，近几年，勘测设计人员围绕着东庄水库建坝条件开展了大量工作，本文根据项目成果资料，对区内碳酸盐岩地层的沉积建造环境、岩溶发育背景进行了深入的研究，研究成果对分析碳酸盐岩库坝段的岩溶发育特征和水库渗控工程设计具有重要的指导作用。

2 区域岩溶发育背景

2.1 区域碳酸盐岩沉积建造环境

东庄水库所在的渭北中部地区处于华北台地西端，位于华北稳定克拉通被动大陆边缘—秦祁海槽的过渡地带(见图1)。震旦纪之后，鄂尔多斯地区于早寒武世辛集期开始海侵，海水从西缘和南缘进入鄂尔多斯地区，开启了研究区漫长的碳酸盐岩沉积历史［1］。中、晚寒武世和早、中奥陶世沉积环境比较稳定，研究区沉积了巨厚的浅海相碳酸岩地层，直至奥陶纪中晚期(平凉期―唐王陵期)，鄂尔多斯大部分地区抬升形成古陆，海水从西南缘完全退去，才结束了地层的沉积。在此期间，鄂尔多斯地区在早奥陶世冶里―亮甲山期发生过一次大规模海退，并在中奥陶世马家沟期的海进阶段经历过三次小规模的海退［2－4］。虽然奥陶纪海水有多期韵律性进退变化，甚至间歇性短暂露出水面，但因抬升时间短，连续沉积时间长，位于台地南缘斜坡带上的东庄水库地区，地层发育完整，厚度大，相带演化层序清楚［5］。

图1 早古生代研究区沉积环境Fig.1 Sedimentary environment of study area in Early Paleozoic

碳酸盐岩地层形成后，经历加里东运动和燕山运动两次大的造山运动，区域上存在两次沉积间断，在这两次沉积间断期间，碳酸盐岩普遍裸露地表，遭受风化、淋滤和剥蚀，形成岩溶风化夷平面［6－8］。同时受断层所分割块体间差异升降的影响，下降地块的岩溶风化夷平面被后期沉积物埋藏于地下，岩溶形迹得以保存，并在后期构造和地下水活动的影响下，进一步发展，而上升地块则由于长期裸露地表而被剥蚀殆尽。

2.2 区域岩溶发育分期

本区碳酸盐岩有两个大的沉积间断期，第一次发生在晚奥陶纪—中石炭纪;第二次发生在三叠纪末—新近纪，历时都在1亿年以上，期间碳酸盐岩裸露地表，接受风化剥蚀作用，形成岩溶。这两个阶段发育的岩溶可分别称为古老岩溶和古岩溶，而第四纪以来形成的岩溶称为近代岩溶。

根据上述分析，对研究区的岩溶可划分为如下几期:①沉积期同生岩溶，寒武纪—奥陶纪地层沉积期形成的岩溶;②古老岩溶，中奥陶纪末—石炭纪碳酸盐岩裸露期(区域第一次沉积间断期)形成的岩溶，后进入埋藏发育阶段;③古岩溶，三叠纪末—新近纪碳酸盐岩裸露期(区域第二次沉积间断期)形成的岩溶，后进入埋藏发育阶段;④近代岩溶，第四纪以来形成的岩溶。

2.2.1 沉积期同生岩溶

在碳酸盐岩沉积期，受海退海进期间海水体深浅、碳酸盐岩易溶蒸发类膏盐含量影响，发育有溶孔、溶洞和溶缝等，但这些岩溶洞穴、溶孔等多被同时期的碳酸盐岩充填。这一岩溶现象在东庄坝址区的平硐中多见，多呈圆形和不规则多边形，边缘层理明显，规模一般数厘米—数十厘米，被碳酸盐岩和方解石充填，且已成岩，和周边岩石成为一体，不会对工程的渗漏产生影响。

2.2.2 古老岩溶

形成于晚奥陶世—中石炭世，即碳酸盐岩形成后的第一次沉积间断期。该时期受加里东运动影响，灰岩隆起，沉积间断长达1.4亿年，长期遭受剥蚀、溶蚀，造成灰岩起伏不平岩溶化地形，形成溶洞、漏斗、陷阱、溶槽等各种形态。古老岩溶发育方向，以正北向张性裂隙发育为主，其次北东及北西向，这与秦岭纬向构造相吻合。

该时期岩溶古地貌分为岩溶高地、岩溶台地、岩溶坡地和岩溶洼地。岩溶高地通常为岩溶水补给区，地下水以垂向运动为主，循环深度较浅，深部岩溶不发育;岩溶台地和坡地形成径流区，地下水除了垂向渗透外，还有水平运动，在层状和垂向上均有岩溶发育的特征;而岩溶洼地则形成排泄区，地下水以自下而上的垂向运动为主，不利于岩溶发育。另外，岩溶高地遭受剥蚀强烈，风化壳残留少，而岩溶台地和斜坡受剥蚀相对较差，风化壳保留较完整，古老岩溶较发育。水库工程区在古地貌类型上位于岩溶高地，地下水运动以垂向运动为主，水平径流活动弱，古老岩溶发育相对较弱。

晚石炭世以后，海水再次入侵，二叠、三叠系砂页岩沉积，超覆不整合在古老岩溶发育的碳酸盐岩地层上，并对古老岩溶进行了充填。一些古老岩溶空穴被河湖相沉积物充填，部分被保存下来。如横水河岸坡出露的溶蚀痕迹已被砂页岩充填，另外五峰山南侧灰岩(O2m)露头中有残存的楔形状浅肉红色含砾砂岩充填物，砂岩坚硬成岩并与灰岩相依无缝构成一个整体，岩性与邻近二叠系下统山西组粗砂砾岩相同。另据永寿县水泥厂钻孔资料，孔深99.5～165 m灰岩段夹厚约0.2～1.3 m的灰绿色砂岩互层，均为成岩状，坚实。工程区左岸钻孔资料显示，在孔深148～157 m白云岩段夹厚约9 m的灰绿色—棕红色砂岩，砂岩坚硬并与白云岩胶结紧密。这些充填现象同浅部溶洞中充填物砂砾、粘土、石灰岩碎块等显著不同。

但在构造活动和地下水活动强烈的地段，在古老岩溶的风化侵蚀面上往往形成规模较大的岩溶，如桃曲坡水库在0.15 km2范围内的O2灰岩中发现了149个溶洞、溶隙，溶洞充填有上石炭系(C3)铝土页岩，证明此类溶洞在石炭纪C3以前形成。岩溶形迹以垂直溶洞、溶隙、落水洞、溶斗为主，规模较大，洞径数米—数十米，长几十米—数百米。

2.2.3 古岩溶

是指三叠纪之后到新近纪之间，碳酸盐岩受燕山运动影响，再次隆起遭受剥蚀，开始第二个岩溶化阶段。期间区内老龙山断层逆冲上千米，断层以南的五峰山―钻天岭―嵯峨山一带形成渭北的区域性高地。

(1)渭河地堑形成前:后燕山运动使二叠系、三叠系地层发生形变，研究区老龙山断层大规模的逆冲活动使下奥陶系灰岩逆冲在二叠系砂岩、泥岩地层之上，垂直断距逾千米，下伏碳酸盐岩地层再次抬升，成为陕北鄂尔多斯盆地侏罗系及白垩系沉积物的物源供给区，长期遭受风化、剥蚀和溶蚀作用，历时0.8亿年。

此阶段渭北中西部地区在石炭纪、二叠纪和三叠纪形成的碎屑岩相对较薄，遭受风化、剥蚀较为强烈，碎屑岩和沿碳酸盐岩古风化壳形成的古老岩溶形迹多被剥蚀掉，碳酸盐岩再次裸露，遭受淋滤、溶蚀，形成古岩溶。而渭北东部遭受风化、剥蚀相对较弱，石炭纪、二叠纪和三叠纪形成的碎屑岩又较深厚，碎屑岩未被完全剥蚀掉，古老岩溶形迹仍得以保存，处于埋藏发育阶段。

(2)渭河地堑形成后:喜山运动使本区发生重大变化，北部鄂尔多斯台地上升隆起，而南部断陷下降，形成渭河地堑，包括工程区在内近东西一带的渭北山区和秦岭共同成为渭河沉降区古近纪沉积物的物源供给区，在盆地内接受沉积。

受断陷和地形控制，渭北东部重新接受沉积，形成三趾马红土层上覆于碳酸盐岩风化壳面，古岩溶得以保存并进入埋藏发育阶段;而东庄水库一带仍处于高地遭受风化、剥蚀，古岩溶形迹多被剥蚀掉;唐王陵以南虽遭受剥蚀，但古老岩溶仍被埋藏而被保存下来。

根据区域已有的岩溶调查资料，古岩溶形迹多沿层面、断裂带发育形成溶洞、溶斗、溶槽、溶孔等多种形态，部分岩溶形迹被红土层充填，如乾县水泥厂钻孔在深度93～200 m范围内，遇高度0.5～2 m不等的棕红色粘土充填的溶洞，并有灰岩碎块，呈半成岩状;南北村钻孔于孔深380～420 m范围内，揭露浅褐色黄泥灰质充填的溶洞(直径多＜1 m)、溶隙(宽数厘米)，泥灰质坚硬成岩，细晶质结构。

2.2.4 近代岩溶

第四纪以来，喜马拉雅山运动以强烈升降运动为主，渭河地堑形成，渭北山区继续隆起，现代地表水系相继形成，泾河快速下切，下古生界碳酸盐岩遭受剥蚀，沿河谷两岸产生新的岩溶现象，形成了河谷型近代岩溶。

图2 坝址区地表溶洞Fig.2 The surface karst caves in research area

近代岩溶特点是发育规模较小，一般深度数米，最深者10余米，形态上口大里小，多呈三角形，由口向内收缩很快，倾向河心，连续性差，多孤立存在，充填物为第四纪松散堆积物、粘土、砂、少量砾石以及钙质岩屑方解石等，图2所示为东庄水库坝址区地表溶洞。

3 库坝区岩溶发育特征

3.1 岩溶发育强弱分区

老龙山断层至东庄坝址为2.7 km碳酸盐岩库段，地层岩性变化不大，结构简单，呈单斜产出，倾向南西。根据库区钻孔所揭露的线性岩溶率和遇洞率来看，库坝区岩溶发育程度整体为弱发育，但A区地表溶洞数量明显多于B区和C区，故将其定为岩溶中等发育区。

库坝区由上游至坝址分为A区(中等发育区)、B区(弱发育区)和C区(弱发育区)。A区受老龙山断层影响，岩性以白云岩为主，岩体破碎，地表岩溶较为发育，共发育溶洞45个，平硐揭露的岩溶形迹多沿小断层、裂隙发育;B区为白云岩、灰岩、泥质白云岩韵律段，地表发育溶洞4个，岩溶形迹主要为沿断层、层面和软弱结构面发育的溶隙和溶孔，且大部分都沿河谷岸坡发育;C区为厚层、巨厚层灰岩段，地表发育溶洞7个，钻孔、平硐揭露的岩溶形迹主要为溶孔、溶隙。库坝区地表溶洞平面分布图见图3，高程分布图见图4。

3.2 岩溶发育特征

库坝区内岩溶以溶隙、溶孔为主，岩溶形迹主要沿断层面、构造裂隙、结构面、软弱夹层发育。地表发现的溶洞主要发育在泾河河谷岸坡老龙山断层破碎带及其影响带内。总体来看，库坝区岩溶与典型的南方岩溶有着明显的差异，具有以下特征:

(1)岩溶主要为沿河谷岸坡发育的近代岩溶，古老岩溶和古岩溶不发育。东庄水库工程区在古地理地貌类型上一直处于岩溶高地，即使在历史时期发育有古老岩溶、古岩溶，大部分也在后期被剥蚀掉，在地表以下亦不存在发育连通性管道和大规模深部岩溶的条件。

(2)地表调查、钻孔、平硐等手段揭露的岩溶形迹几乎都与构造有关。区内岩溶主要沿断层、小型断裂和微裂隙构造形成的裂隙、层面、软弱夹层等结构面发育，以溶隙、溶孔为主，溶洞次之，局部沿构造裂隙发育浅表型溶洞。

(3)岩溶发育总体上随深度增加而减弱，在水平方向发育深度有限，河谷两岸50 m范围内沿结构面溶蚀现象相对明显，较大溶蚀裂隙发育深度可达100 m以上，多被粘土、岩屑、钙质充填，但在远离岸坡150～200 m以后发育微弱。岩体透水率总体上随埋深的增大而降低，局部透水性增大，但仍以弱透水为主。

(4)第四纪以来，工程区构造运动以急剧抬升为主，间歇性不甚明显，近代岩溶发育始终处于初级阶段(即裂隙扩溶期)。随着地壳的急剧抬升，河流迅速下切，侵蚀、排泄基准面随之下降，在地下水强烈溶蚀带附近，尚未形成水平方向的岩溶平衡系统时，地下水位已经下降，强烈溶蚀带也随之下移，导致区内岩溶作用形成了以溶隙发育为主，分布较分散、程度较微弱的特征，垂直分带规律不显著。

(5)工程区内泥质白云岩可溶性差，对岩溶发育起阻碍作用，但其完整性较差，相对破碎，多发育为冲沟，影响着地表溶洞的分布与发育，地表调查显示，区内溶洞主要呈条带状分布，如图3所示。

图3 库坝区地表溶洞平面分布图Fig.3 The plane distribution of surface karst caves in dam region

4 结论

(1)研究区碳酸盐岩沉积主要发生在寒武纪和奥陶纪，在加里东运动和燕山运动两次大的造山运动的影响下，碳酸盐岩普遍裸露地表，并在两个沉积间断期接受风化、淋滤和剥蚀作用，发育为古老岩溶和古岩溶。

(2)工程区不具备发育大规模古岩溶和近代岩溶的背景条件，也不具备发育连通性管道、洞穴系统的背景条件，碳酸盐岩库坝段岩溶为近代岩溶，主要沿河谷岸坡发育且处于发育初级阶段，古岩溶和近代岩溶发育程度弱。

(3)工程区岩溶形迹以溶隙、溶孔为主，局部沿构造裂隙发育有浅表型溶洞，勘探深度范围内未发现大规模深部岩溶及连通的岩溶管道系统，岩溶发育总体上随深度增加而减弱，水平方向上发育深度有限。

图4 库坝区地表溶洞高程分布图Fig.4 The elevation distribution of surface karst caves in dam region

综上所述，东庄水库坝前2.7 km碳酸盐岩库段岩溶发育不强烈，未见暗河、较大的泉水和延伸较远的溶洞，主要岩溶形态为溶隙和溶孔，偶见溶蚀宽缝。坝址区平硐揭露的溶蚀现象多分布在岸坡50 m范围内。勘探过程中，未发现较大规模的岩溶洞穴，掉钻现象少见，岩溶现象发育程度较弱。故在采取合理帷幕防渗处理措施后，具备建坝成库条件。

［1］ 冯增昭，鲍志东，康祺发，等.鄂尔多斯早古生代古构造［J］.古地理学报，1999，1(2):84 －91.

［2］ 冯增昭，鲍志东，康祺发，等.鄂尔多斯奥陶纪古构造［J］.古地理学报，1999，1(3):83 －94.

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