沪昆高铁萍乡—丰城段岩溶发育特征及控制因素分析

杨永革，付检根，陈静

(江西省地质调查研究院，南昌 330030）

沪昆高铁萍乡—丰城段岩溶发育特征及控制因素分析

杨永革，付检根，陈静

(江西省地质调查研究院，南昌 330030）

沪昆高铁萍乡—丰城沿线岩溶发育。通过1∶50000环境地质调查、物探、钻探等手段，对该区岩溶发育规律和控制因素进行研究。结果表明，研究区岩溶发育形态多样，平面上主要分布在岩溶丘陵和岗阜地形，垂向上自上而下岩溶发育强度渐弱。岩溶发育的控制因素主要有岩性、水文条件、地形地貌、地质构造、新构造运动等因素。这些认识对区内的城镇群规划建设、确保岩土工程安全等具有指导意义。

岩溶形态；岩溶特征；发育规律；沪昆高铁

沪昆高铁萍乡-丰城段位于江西省中西部，区内城镇分布较密集，是环鄱阳湖城市群联系长株潭城市群的引出点和纽带（图1）。该区处于萍（乡）—乐（平）构造拗陷带西段，南邻武功造山带，主体构造线多呈北东向—北东东向，地层挤压褶皱强烈，断裂发育[1-4]。地势北西高，南东低，山脊走向与区内主体构造线方向一致。区内可溶岩地层与非可溶岩地层相间出现，呈条带状展布，发育可溶岩地层主要为：石炭纪黄龙组，二叠纪马平组、栖霞组、小江边组、茅口组和长兴组，三叠纪青龙组，累计总厚度近2000 m。碳酸盐岩分布面积占全区总面积的30%以上，西部以裸露型为主，东部以覆盖型为主。可溶岩的大面积展布，使得该区地表和地下岩溶均较发育。袁河岩溶低丘陵区和北东部观巢-下村岩溶准平原区，均为覆盖型岩溶区。在第四系覆盖层下，广泛分布着石炭系和二叠系碳酸盐岩层，地表常见大型上升岩溶泉（图1）。如分宜芦塘的1018号和1014号岩溶泉，泉流量分别为111.2 L/S和188 L/S。新余华家的814号泉总流量102.26 S/L，说明隐伏岩溶区的岩溶极为发育，富水性强。

研究区以往前人调查工作多侧重于对区域地质背景条件和岩溶水资源的研究[1-3]，针对岩溶开展的专项地质调查工作较薄弱，区内岩溶的研究程度比较底。我们通过1/5万环境地质调查、钻探揭露及物探成果综合分析等手段，重点对该区的岩溶发育规律和控制因素进行了研究。本文揭示了区内岩溶形态特征、岩溶发育规律，在此基础上对该区岩溶发育的控制因素进行分析，为沪昆高铁萍乡—丰城段沿线城镇规划和确保岩土工程安全提供了施工依据。

图1 沪昆高铁萍乡—丰城段地质背景及岩溶分布概图Fig.1 The geological background and karst distribution sketch alongpingxiang fengchengsection ofShanghai-kunminghigh-speedrailway

1 岩溶发育的基本特征

1.1岩溶形态

沪昆高铁萍乡-丰城段裸露型可溶岩和覆盖型可溶岩均较发育，岩溶发育形态多样。裸露型可溶岩地表常发育溶沟、溶槽及石芽和溶蚀洼地；覆盖型可溶岩中常以漏斗、落水洞、溶洞和暗河形态发育，对工程建设和运营影响较大。

溶洞是可溶岩地区地下水径流的主要管道，分布于较低的沟谷和坡脚部位。随地层和构造条件的不同，洞体形态变化较大，规模大小不一，廊道状、多弯曲的管道状等都可见到，大型溶洞侧壁一般都发育有中小型支洞，局部地区亦发育有多层溶洞。暗河主要分布于绕市、金瑞、三阳和江东一线以北，主要为北东走向、次为北西走向。规模较大且发育较好的有盘田、北潭、东源、乌龙洞、石溪、龟颈口等六条暗河，长600～1500 m，最长达3750 m，宽2～8 m，最宽达54 m，高2～15 m（图1）。前者与区内主要构造线方向一致，后者与区内张性断裂方向吻合。

1.2岩溶带分布

岩溶带分布与地貌具有较好相关性。平面上，研究区岩溶丘陵地形和岗阜地形区中岩溶较发育，尤其在岩溶低丘陵地形区，地下岩溶管道、裂隙、孔隙最为发育。从岩溶低丘陵到岗阜，隐伏岩溶区比重增大，自西向东岩溶发育标高渐降（图1，表1）。

从岩溶发育垂向上看，自上而下岩溶发育强度渐弱。其中，强发育带一般达地表以下50～100 m左右（标高10～-100 m），溶洞集中段在60 m深度以内（标高-45 m以上）；中等发育带达地表以下200 m（标高-190 m），溶洞集中在150 m深度以内（标高-140 m以上）。断裂发育部位、特别在复合处可局部加深。如在新余华家可深达376 m（标高-330 m）、丰城曲江可深达500 m（标高-400 m）以下（表1）。

表1 研究区隐伏区岩溶分带特征表Table 1 Characteristics of karst zoning in buried area

2 岩溶发育的控制因素分析

通过1/5万区域地质调查、钻探揭露及物探成果综合分析等手段，结合前人研究，我们对该区的岩溶控制因素进行了分析，得出地下岩溶的分布与岩性组合、水文条件、地质构造、地形地貌等因素等有关[5-7]。

2.1岩性组合控制

地下岩溶率随可溶岩的岩性不同，其岩溶的发育强度也有差异（表2），其中以石炭系马平组、二叠系长兴组最发育，且发育较均匀，钻孔见洞率分别达76.32%、87.5%，岩溶直线率分别为6.13%-36. 24%、10.06%；二叠系茅口组次之，钻孔见洞率为66.67%，岩溶直线率6.1%-7.5%；二叠系栖霞组和三叠系青龙组发育较弱，岩溶直线率为4.3%-5. 98%。区内地貌从西向东，由岩溶丘陵逐步过渡到岩溶准平原区，其岩溶的发育深度也由西向东加深，西部的飞剑潭处岩溶发育最低标高为-6.24 m，东部的华家处岩溶发育最低标高为-140 m。研究区主要溶洞和暗河多集中发育于北西部各碳酸盐岩分布区，其中以长兴组和马平组灰岩最为发育，这一特征与表2所列岩溶情况完全吻合。

岩性组合差异的根本因素在于岩石化学成分。由于岩石的主要化学成份含量不同，在水的作用下，相对溶解速度不同，对岩溶发育的影响各不相同[8-10]。根据碳酸盐岩类岩石相对溶解试验可知，岩石的相对溶解度，主要取决于岩石中CaO和SiO2+R2O3（粘土物质含量）的含量百分数，CaO的含量高，SiO2+R2O3含量低，相对溶解度值就大；CaO的含量低，SiO2+R2O3含量高，则相对溶解值就小。在其它条件相同的情况下，相对溶解度大的岩溶较发育，相对溶解度小的岩溶发育较差（表3）。通过对区域各层位不同地段采取的岩石化学样分析与相对溶解度测试的统计得出，各层位大多为较纯质灰岩，少部分为含不溶物成分较高，溶蚀比值大部份大于或等于1.0，溶解度多数为较强的，少部分为较弱的（图2）。统计调查区内碳酸盐岩主要化学成分含量看出:黄龙组、马平组灰岩中含较高的CaO (46.5%)，最少的SiO2（2%）和最少的R2O3（0.5%），具有最高的岩溶率（10.1%）；其次为茅口组灰岩(CaO47.6%、SiO26%、R2O31.4%、岩溶率8.9%)；长兴灰岩(CaO47.7%、SiO210.9%、R2O30.6%、岩溶率7.3%)。青龙组、栖霞组灰岩中CaO含量相对较低（一般小于45%），而SiO2（大于10%）和R2O3（大于5%）含量较高，岩溶率一般小于3%（表3）。

根据碳酸盐岩样品化学分析与岩溶发育程度进行对比，可见如下规律:(1)岩溶发育程度与岩性关系密切，自强而弱依次为块状及中厚层状灰岩、白云质灰岩、燧石结核灰岩；（2）CaO含量大于50%，岩溶易发育；（3）SiO2含量小于5%，岩溶易发育；（4）R2O3含量小于1%，岩溶易发育（表3）。

图2 碳酸盐岩成份三角形图Fig.2 Triangle figure ofcarbonate composition

1.三叠系青龙组;2.二叠系长兴组;3.二叠系茅口组;4.二叠系栖霞组; 5.二叠系马平组;6.石炭系黄龙组.

表2 研究区钻孔内所见岩溶情况统计表Table 2 Statistics of karst situation of drilled borehole in the study area

2.2水文条件控制

该区大气降水为岩溶水系统主要补给来源，降水特征控制了岩溶水系统的输入特征，大气降水渗入系数0.2～0.4，总体下渗量较多。岩溶水储存于溶孔、溶洞、裂隙及管道之中，富水性受岩溶发育程度的控制，岩溶条件总体较好[8-10]。石炭系马平组、二叠系长兴组为水量丰富的，二叠系栖霞组、茅口组和三叠系青龙组为水量中等的。含水层厚度一般31.5～193.6 m，水位埋深0.5～23.7m，渗透系数0.0077～95.44 m/d。岩溶水水质属HCO3-Ca-Mg型、HCO3-Ca型淡水，pH值6～7.2，矿化度0～0.297g/L。根据岩溶水质测试成果：碳酸盐岩岩溶水中溶解的CaCO3处于侵蚀性与过饱和之间，部份水中CO2含量多于平衡所需的含量，少量存在侵蚀性CO2，对CaCO3具有侵蚀性（图3）。

图3 碳酸盐岩岩溶水混合溶蚀效应图Fig.3 Mixed dissolution effect ofcarbonate karst water

表3 研究区各可溶岩地层单位化学成分及岩溶发育程度一览表Table 3 Chemical constituents and karst development degree of every soluble rock stratum unit

岩溶水的补给、径流、排泄条件较为畅通，在补给径流区地表岩石裸露，岩溶洼地、暗河、漏斗和落水洞发育，构成接受降水垂直补给的良好通道，地下水沿裂隙岩溶管道流向排泄区，水力梯度较排泄区陡，泉水多集中在50-150 m标高间。岩溶水在运动过程中，如遇地形切割、弱透水层或阻水断裂阻挡，将迅速沿接触面上升地表成泉，形成地下水排泄带。排泄区多为覆盖型岩溶水，大泉出露较多，如西村、双林、杭桥等一带泉群，沿阻水岩层或断层呈线状排列。

2.3地质构造控制

地质构造对岩溶的发育强度及发育方向有着十分密切的关系，如地层的展布、产状，褶皱、断裂的发育程度、方向、充填程度等控制了地下水的运动方向和地下水动态，从而也就决定了岩溶发育的强度、方向、规模大小及岩溶形态等[8-10]，如华家隐伏岩溶区岩溶发育带与基岩构造（图4），隐伏岩溶的发育强度与断裂构造的关系尤其密切，靠近断裂带岩溶发育强度大，远离断裂带岩溶发育强度则明显减弱。与褶皱形态关系也较密切，如新余华家位于北东走向的背斜之北西翼，处在北西向断裂与北东向断裂的交汇部位，岩溶的发育强度完全受到断裂构造的控制。隐伏岩溶发育深度也完全受断裂构造所控制，断裂构造附近岩溶发育较深，距断裂较远则岩溶发育较浅。

褶皱构造对岩溶发育程度的影响分析。区内地层挤压褶皱强烈，主要褶皱走向呈北东—北东东向，褶皱彼此平行呈雁行排列，或为短轴背斜。褶皱使可溶岩与非可溶岩呈条带状相间分布，可溶岩两侧的非可溶岩多为粉砂岩和泥页岩类，其透水性和含水性都很差，这样可溶岩内地下水的运动在垂直岩层走向上就受到了限制，沿纵向裂隙、层面和接触带走向上的运动则得到加强。因此，沿地层走向常发育一系列较大的溶洞和暗河。据野外调查资料，区内60%的溶洞和暗河的走向与地层走向一致，20%～30%的溶洞和暗河顺地层层面或接触带发育。如杨桥一带，夹于碎屑岩层中的长兴灰岩，均被溶蚀成条带状沟谷，沟谷底部常发育众多的岩溶泉。

图4 华家隐伏岩溶区强岩溶发育带与基岩构造关系示意图Fig.4 Schematic diagramofrelationship between strongkarst development zone and bedrock structure in concealed karst area of Huajie

断裂构造与岩溶发育程度的关系。断裂是地下水运移的通道，是岩溶发育不可缺少的条件之一。研究区内以北东向和北东东向挤压断裂最为发育，对地层的切割破坏强烈。北北西向张扭性断裂发育次之。根据可溶岩中断裂的统计资料，区内岩溶的发育方向与断裂有着密切的关系（图5）。断裂控制发育的溶洞占溶洞总数的61%，沿断裂发育的暗河占暗河总数的52%。沿北东和北东东向断裂发育的溶洞和暗河不仅数量多、而且规模大，如区内最长的暗河位于三阳北西14 km，暗河长3750 m，沿断裂带发育，延伸方向35°。当压性断裂在可溶岩区延伸较长，且可溶岩出露具有一定宽度时，岩溶也较发育。如研究区北部的北潭—东源一带，在长兴组灰岩区沿北东向压扭性断裂的下盘扭张性裂隙带发育有暗河，长度达2 600 m。

沿北西向张性断裂发育的溶洞、暗河占总数的12%，且规模较小。据野外调查，其长度一般小于800 m。这是由于岩溶发育方向垂直地层走向，岩溶的发育长度受到了可溶岩宽度的限制。如新塘暗河，即是沿长兴组灰岩中的北西向张性断裂发育的（图6），其落水洞、小型岩溶洼地和伏流合为一体，全长仅600 m。

裂隙在岩溶的发生和发展过程中，同样起着较重要的作用。尤其是在岩溶发育的初期，明显控制着岩溶的发育方向。主要沿裂隙发育的溶洞，一般规模较小、洞体形态不规则，分支拐弯多、方向不稳定、洞底高低不平、洞的高度变化大。主要沿大断裂发育的大型溶洞和暗河，裂隙在岩溶发育过程中则起着一定的促进作用，同时沿断裂两侧的裂隙可溶蚀形成许多分支小溶洞。

图5 研究区暗河溶洞轴向与断裂走向对比玫瑰图Fig.5 Rose diagramofaxial direction ofunderground riverkarst caves and fracture run in the studyarea

图6 新塘暗河平面示意图Fig.6 Schematic diagramofthe underground river in Xintangarea

2.4地形地貌控制

不同的地形地貌直接控制着地下水的水动力特性，制约着岩溶作用的强度，使其在不同的地形部位形成不同的岩溶形态。北部和北西部分水岭地带及其两侧，位于潜水位以上，由于地形高差大，坡度陡，差异性溶蚀增大，地下通道初步发育，地下水沿洞穴通道及溶蚀裂隙以垂直运动为主。另一方面，地下水直接受降雨补给，水流分散，流量变化大，岩溶作用的强度相对较弱，形成的岩溶形态多为垂直的落水洞；坡腰则形成漏斗和倾斜溶洞及小型岩溶洼地，多分布于250～400 m标高之间。南部山间谷地部位，地形低洼，坡度平缓，地下水以水平运动为主，水流逐步集中，流量增大，岩溶作用增强，地下水的侵蚀作用也伴随溶蚀作用而同时发生，在坡脚和沟谷，往往形成大型的水平溶洞、地下暗河和岩溶洼地（图7）。总之，从分水岭向谷地，由补给区到排泄区，岩溶的发育强度和深度具有逐渐递增的趋势。

图7 飞剑潭岩溶与地形地貌关系示意图Fig.7 Relationship between karst and landscape in Feijiantan area

2.5新构造运动控制

新构造运动对近代地形地貌的发展和演化起着主导作用。不同的发展阶段，地下水的动力条件也随之发生改变。新构造运动处于上升时期，地下水垂直循环强烈，水流分散，地下水对可溶岩的溶解速度小于地壳的上升速度，所形成的岩溶形态规模都比较小，多为垂直和陡倾斜的小溶洞；新构造运动处于相对稳定时期，地下水逐渐汇合集中，水平循环加剧，岩溶作用强烈，形成的岩溶形态多为规模较大的水平或缓倾斜的溶洞和暗河；新构造运动处于相对下沉时期，则反映岩溶发育的继承性，使水平的强岩溶带与垂直的弱岩溶带相间成层出现，与地貌的发展阶段相对应。区内溶洞的多层性就充分反映了新构造运动对岩溶发育的控制作用。

3 结论

通过对研究区岩溶发育规律及控制因素的分析，主要得出以下几点认识：

（1）研究区岩溶较发育，尤其在岩溶低丘陵地形区，地下岩溶管道、裂隙、孔隙最为发育。岩体中各种岩溶形态发育齐全，岩溶孔洞连通性好。自西向东，由岩溶丘陵地貌渐变为岩溶准平原地貌，岩溶发育标高渐降，岩溶发育深度加深。

（2）研究区岩溶发育主要受地形地貌、地层岩性、水文条件、地质构造、新构造动运等5个方面的综合控制作用，其中地质构造及水文条件对岩溶发育起了关键性作用。

（3）在沪昆高铁萍乡—丰城段开展各种岩土工程建设前，应该作好工程地质勘察，查明场区岩溶发育程度和分布规律，进行既经济又科学的工程处理，或采取适当的避让，以免诱发地质灾害，给国家和人民的生命财产造成损失。

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YANGYong-Ge,FUJian-Gen,CHENJing

（Jiangxi province geological survey institute,Nanchang,330030,Jiang Xi,China）

Yang Y G,Fu J G and Chen J.Karst Development Characteristic and Control Factors Along Pingxi-ang–Fengcheng Section of Shanghai-Kunming High-speed Railway.

Karst development is strong along pingxiang-fengcheng section of shanghai-kunming high-speed rail. The basic feature was studied according to 1:50000 geological survey,seismic exploration and drilling verification etc.The results show that the karst forms is various,karst development in low mountain and hilly terrain in the plane and development intensity diminuendo down in vertical.The controlling factors of karst development include lithology,hydrology condition,landform,geological structure,new tectonic movement and so on.It has guiding significance to the construction of urban agglomeration planning and the safety of geotechnical engineering.

karst form;Karst features;Development regularity;Shanghai-kunminghigh-speed railway

P642.26

A

1007-3701(2016)04-389-08

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.04.009

2016-7-11；

2016-10-1.

中国地质调查局项目“鄱阳湖生态经济区环境地质综合调查”（1212011014009）.

杨永革（1966—），男，高级工程师，从事区域地质和环境地质调查工作，E-mail:2225073292@qq.com.

Geology and Mineral Re-sources of South China,2016,32(4):389-396.