贵州省开阳县岩溶发育特征规律研究

焦 恒，王若帆，胡暑月，易 瑞

(贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000)

1 研究区的地质背景

研究区位于贵州省中部黔中经济核心区开阳县，为贵州省主体功能区划中的国家重点开发区域，处于贵阳—安顺都市圈内，南距贵阳市约70 km，北距遵义市约90 km，总体交通条件较好。

研究区大地构造位置处于扬子准地台的黔北台隆下的遵义断拱地带，即凤冈北北东构造变形区与贵阳复杂构造变形区两个四级构造单元的镶嵌部位。北部处于凤冈北北东构造变形区，南部处于贵阳复杂构造变形区。

2 碳酸盐岩岩性与组合类型及分布特征

2.1 碳酸盐岩矿物化学成分

表1 研究区碳酸盐岩石地球化学分类表 %

2.2 碳酸盐岩岩性组合特征及分布

将碳酸盐岩含量大于70%的划为纯碳酸盐岩岩组(包含石灰岩和白云岩含水岩组)；碳酸盐岩含量30%～70%的划为碳酸盐岩与碎屑岩互层岩组。按碳酸盐岩与碎屑岩的岩性组合特征，将研究区岩溶含水层组划分为纯碳酸盐岩含水岩组、碳酸盐岩与碎屑岩互层含水岩组以及非碳酸盐岩夹碳酸盐岩含水岩组三类。

研究区纯碳酸盐岩分布面积约644.18 km2，占研究区总面积70.33%，其中石灰岩地层岀露面积为287.60 km2，白云岩地层岀露面积为356.58 km2，矿物组成的差异导致了其具有相异的岩性特征、岩溶发育特征以及其分布区域等特征，见表2。

表2 研究区纯碳酸盐岩岩组特征表

碎屑岩夹碳酸盐岩含水岩组为二叠系乐平统合山组(P3h)，岩性为泥岩夹灰岩、泥灰岩。零星分布于研究区南侧。

1-灯影组地层区 2-明心寺组第三段地层区 3-清虚洞组地层区 4-高台组地层区 5-石冷水组地层区 6-娄山关组地层区 7-栖霞-茅口组地层区 8-长兴组地层区 9-夜郎组地层区 10-嘉陵江组地层区 11-关岭组地层区 12-向斜及名称 13-背斜及名称 14-活动断层 15-断层 16-节理裂隙 17-落水洞 18-洼地 19-有水落水洞 20-天窗 21-伏流出口 22-岩溶潭 23-岩溶漏斗 24-竖井 25-县政府驻地 26-乡政府驻地

3 岩溶地貌形态特征

可溶岩的大面积出露加之地下水的溶蚀作用，造就区内岩溶个体形态的多样性，如洼地、谷地、溶洞、落水洞、漏斗、竖井、天窗、石芽、顶流石、溶沟、溶槽等星罗棋布，并有着各自的特点及水文地质意义。各种岩溶个体形态发育于不同的地貌部位、不同地层层位以及不同构造条件，造成研究区岩溶地表个体的规模大小及其可利用性亦不尽相同(图1)。

3.1 洼地

洼地是岩溶地区特有的封闭负地形，尤其是在峰丛洼地地区更为发育。一般分布于山峰相间部位，平面上呈椭圆形、圆形或长条形，空间上呈漏斗状、盆状或碟状等，洼地边缘或最低位置一般有落水洞发育。大面积碳酸盐岩出露地区，洼地沿北西—南东向构造线的横张、纵张节理呈串珠状发育，而在条带状分布的褶皱带中，洼地则沿地层走向呈线状排列。洼地的分布形态、数量和规模，对区域地下水的补给有极大影响，往往影响着地下河的发育。

3.2 溶洞

区内溶洞主要有伏流入口、地下河出口以及干溶洞等三种类型。伏流入口多发育于洼地或谷地内部地势最低处，地下河出口多发育在河流陡坎或峡谷坡脚处，干溶洞多位于低山、中低山的半坡。研究区溶洞的发育规模一般以地下河最大，长度可达数公里至十几公里，高、宽数米至数十米。

3.3 落水洞、漏斗

3.4 地下河天窗

地下河天窗多见于地下水垂直循环强烈地带，一般发育在地下水径流区，沿地下河发育方向分布。其深度可达数十米至百余米，宽者可达百余米，窄者呈裂缝状。如双流镇许家坝村石家寨地下河天窗，其位于溶蚀峰丛沟谷北侧山脚，天窗平面上呈不规则形态，长轴方向约200°，长约40 m，短轴长约30 m，垂向下发育，深约25 m，水沿180°方向流动，调查时地下河流量60.50 L/s。受区域北东-南西向断层及其破碎带控制，地下水沿管道由北西向南东径流，受约330°走向裂隙作用，地下河管道在此塌陷，出露于地表。

3.5 穿洞与天生桥

在喀斯特地区，暗河造成了规模宏大的地下洞穴，并因溶蚀发展、洞穴扩大，终于导致洞穴顶部发生串珠状的塌陷。在洞顶塌陷的地段，形成巨大的天坑，暗河暴露成了地表河。而在若干天坑之间尚未塌陷的窄窄的残留洞穴段，便形成了喀斯特天生桥。如果残留的洞穴段较长，则称为穿洞。如凉水井村回水塘天生桥整体呈拱形，桥洞延伸方向约40°，长约40 m，高约15 m，洞厅宽近40 m，洞壁顶部见顶流石，洞内有小河沿220°方向流穿桥洞，河水流量约40 L/s。

4 岩溶发育的控制因素

4.1 岩性对岩溶发育的控制作用

岩性为岩溶发育的先决条件，质纯层厚的碳酸盐岩是岩溶发育的物质基础，其岩石的成分、结构与构造、厚度及岩性组合关系不尽相同，其溶蚀作用的强弱程度亦不同，也就影响了岩溶的发育程度、发育深度及岩溶水的富集。

4.1.1 碳酸盐岩的成分、结构与构造

碳酸盐岩区岩溶发育程度与其化学成分中可溶性成分(CaO和MgO等)含量的多少、均匀程度关系密切，碳酸盐岩的化学成分主要由CaO、MgO及不溶物组成，岩石化学成分中的CaO含量越多，纯度越高，岩溶发育程度越强烈；而当酸性不溶物的含量较高，纯度较低，岩溶发育程度越弱，不同地层的岩石化学组分见表2。

表2 研究区碳酸盐岩岩石地球化学组分表 %

从研究区碳酸盐岩岩石地球化学组分表可以看出，研究区石灰岩的CaO/MgO值多大于32，仅部分样品由于其含有一定量的砂屑、燧石以及白云石化等作用，使得部分研究区石灰岩的CaO/MgO值为25左右，最具代表性的样品为Y12和Y18号样品。另外，作为可溶性碳酸盐岩的岩石地球化学分析中，极为重要的一项指标为烧失量(LOI)，从表中可以看到，研究区碳酸盐岩LOI值普遍大于40%，而理想状态下纯石灰岩的LOI为44%，纯白云岩则为47.9%，因此，总体上研究区碳酸盐岩质地较纯。仅Y09、Y15、Y18以及Y20四个岩石样品的LOI值偏低，主要是由于此类样品含有一定量的砂砾屑和燧石等，导致其总体LOI低于40%。

4.1.2 碳酸盐岩岩性组合特征

可溶岩是岩溶发育最基本的内在因素，而可溶岩中CaO、MgO含量的多少又起着决定性的作用，因此碳酸盐岩类的物质成份、结构及岩层组合控制岩溶发育强度。

表3 研究区各碳酸盐岩地层岩溶个体发育统计表 个

纯灰岩岩溶最为发育，各类岩溶个体形态总计发育95个，占整个研究区约30.45%；其次为三叠系嘉陵江组、寒武系娄山关组以及清虚洞组，其发育各类岩溶个体分别为43、43和42个，均占整个研究区约13.78%；再次为三叠系关岭组和寒武系石冷水组，其发育岩溶个体分别为23和20个，占比约7.37%；岩溶个体发育最少的碳酸盐岩地层为寒武系高台组，发育岩溶个体数为5个，占比约1.6%。总体上，研究区的碳酸盐岩的岩溶发育特征与前述规律一致。

4.1.3 碳酸盐岩与非碳酸盐岩接触带

岩溶常沿碳酸盐岩与非碳酸盐岩接触带发育，主要表现在寒武系第二统清虚洞组白云岩与寒武系第二统金顶山组砂页岩接触带等部位，在这些层位碳酸盐岩的岩溶沿层面发育，岩层倾角小于40°区域，地下水的滞留时间较长，岩溶发育面积大，其发育深度相对较浅；岩层倾角大于40°区域，地下水动力强，岩溶多以裂隙、溶隙状发育，空间较小，纵向发育深度相对较大(图2)。

4.2 地质构造对岩溶发育的控制作用

地质构造是岩溶发育的主导因素，它不仅控制着岩溶发育的方向，而且还影响着岩溶发育的规模和大小。各种岩溶形态的发育延伸与分布方向即受断裂面、裂隙面(也包括层间裂隙面)产状的控制。而岩溶形态的发育规模与分布密度、岩溶总的发育强度与发育程度也主要取决于断裂构造的规模、性质和裂隙发育密集程度以及充填胶结等情况。除规模大小外，不同力学性质断层对岩溶发育的影响作用也有很大差别。压性断层由于断裂带内常发育有较厚的断层泥或糜棱岩，溶蚀性微弱，因而断裂带本身通常都岩溶微弱，且常成为隔水带。而岩溶主要发育于两侧影响带、特别是主动盘(一般为上升盘)影响带内，这是因为主动盘影响规模一般较大、低序次小断层与节理裂隙较发育也多较张开所致。

褶皱构造的不同部位节理裂隙发育程度有很大差别，岩层透水含水性能强弱不同，因此，岩溶发育强度与发育程度也显著不同。这最明显地反映在褶皱的轴部与翼部的差别上。轴部地带(箱状褶皱为轴部与翼部过渡带)纵张裂隙非常发育,有时还存在“虚脱”现象，利于地下水渗入流动，因而岩溶一般都较翼部地带强烈岩溶水也较丰富。尤其是背斜轴部，岩溶常最强烈，发育程度也高，成为串球状洼地或者进而发育成纵向沟谷、河谷。

研究区岩溶发育在平面上具有一定的规律性：图幅内受北西南东向断层、褶皱及大型“X”型节理控制，岩溶管道、洼地、落水洞等多追踪指示断裂构造、大型节理及南东向展布的背、向斜发育特征明显。

1-溶洞、溶隙 2-溶隙、裂隙 3-灰岩 4-泥质粉砂岩 5-地层代号 6-岩层产状

4.3 水动力条件对岩溶发育的影响

水动力条件与岩溶的发育关系密切，互相影响。由地质构造、地貌、含水岩组等所决定的边界、介质等因素形成了水动力基本特征，不同的水动力特征又影响了地下水流运动性质，水动力特征又影响岩溶发育的方向和强度。

垂直岩溶发育带：位于地下水位以上，大气降水通过各种裂隙和层面渗入岩层中，主要做垂直运动，因此主要发育垂直岩溶形态，如发育的漏斗、落水洞、溶蚀裂隙和竖井等均发育在此带。

通过收集前期施工的地下水开采井及本项目实施的监测井揭露的岩溶发育段进行分析，共计16口钻孔揭露的研究区垂向岩溶发育情况。对研究区钻孔揭露的碳酸盐岩地层垂向岩溶发育标高进行分析可以得出，研究区范围内垂向上岩溶多发育于距地表150 m以内区域，局部钻孔揭露其发育深度可达170 m，岩溶发育最大标高约1 369.4 m。从编录资料来看，垂向上随深度的增加，岩溶发育越弱的趋势明显。分析其原因可能主要为随深度的增加，地下水径流强度、循环交替速度和溶蚀能力逐渐减弱，岩溶发育强度也相应减弱。

水平和垂直岩溶交替带：位于地下水位最高水位和最低水位之间，地下水上升期，地下水呈水平运动方向流动，而水位下降期，地下水做垂直方向运动，由于水动力条件有利，因而岩溶作用最强烈(图3)。

1-白云岩 2-机井及编号 3-地下水位线 4-溶孔溶洞及溶隙 5-娄山关组地层代号

水平岩溶带：位于地下水最低水位以下，其下限为地方性侵蚀基准面，本带地下水主要做水平运动，研究区内大部分的地下河多发育于此带。

深部岩溶循环带：位于水平岩溶带之下，地下水的流动方向不受当地侵蚀基准面的影响，水循环交替在地质构造的控制下，向更远更低的区域运动，由于埋藏，水循环交替缓慢，岩溶发育很弱，其形态多以溶蚀裂隙和溶孔为主。

5 结语

根据以上研究分析，岩溶发育主要受三个方面的因素控制，即岩性、地质构造和水动力条件。岩性为其先决条件，地质构造是岩溶发育的主导因素，而水动力条件则是其发育的决定条件。三者相互结合，互相影响，最终造成了各式各样的岩溶地貌。