清渔河间地块岩溶发育规律与控制因素研究

李会强 闫常赫

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

无论从平面上，还是空间上，中国岩溶发育都体现了多样性和复杂性。据统计，中国碳酸盐出露面积约91万km2，加上已知的隐伏性岩溶，岩溶分布总面积达340万km2，约占全国面积的1/3[1]。针对岩溶问题，已有许多学者开展相关研究，曹贤发等研究中国岩溶的分区[2]；王增银等认为清江流域是中部地区最为典型的岩溶发育区之一[3-4]；李光伟给出岩溶区工程选线的8条建议[5]；刘兴云通过多元示踪试验，为地下暗河研究提供一种可行方法[6]；另外，还有其他学者通过示踪试验对岩溶地下水文进行深入研究[7-8]。

清渔河间地块地处湖北宜昌，岩溶形态多样，地下暗河发育，对交通基础设施建设造成极大困难。因此，对清渔河间地块岩溶进行研究很有必要。

1 清渔河间地块自然地理概况

清渔河间地块为清江及其支流渔洋河交汇形成，面积约1 200 km2。区内属于亚热带季风性湿润气候，具有四季分明，雨热同期，寒旱同季的气候特征。多年平均降水量为1 701.4 mm，最大年降水量为1 999 mm，最大24 h降雨量为279.5 mm。年平均气温为13.7 ℃～17.6 ℃，极端最高气温43.1 ℃，极端最低气温-15.6 ℃。清渔河间地块位于构造溶蚀、剥蚀中低山、丘陵区，高程200～1 000 m，相对高差50～500 m。区内沟谷深切，自然坡度较陡，局部近直立，地势整体起伏较大，受地质构造影响西高东低，溪河流向和山脉走向大致平行褶皱轴成近东西向展布。区内溶蚀地貌较为明显，溶洞、溶沟、暗河、峰丛、孤峰、落水洞、天坑、溶丘、洼地等岩溶形态十分发育。地下水主要为碳酸盐岩岩溶水、松散岩类孔隙水和碎屑岩裂隙水3种。区内虽然降雨充足，雨量丰沛，但地表河流干涸，是典型的喀斯特干旱地貌。

清渔河间地块除侏罗系缺失以外，其他地层均有出露，岩性主要为寒武、奥陶系白云岩、白云质灰岩、灰岩和二叠系、三叠系灰岩、泥质条带灰岩夹炭质泥岩、页岩及煤层。区内主要由东西向的褶皱和北西向的断裂组成，在剖面上体现为“一箱两直两歪”的构造形态，见图1、图2。

图1 褶皱带构造剖面

图2 地质构造纲要

2 清渔河间地块地质背景

2.1 地质发展史

清渔河间地块属扬子准地台上扬子台坪八面山褶皱带，位于新华夏系第三隆起带内，自古生代至中三叠系，清渔河间地块是稳定的地台区，中三叠后期的印支运动，区域大面积抬升，产生了东西向的隆起、凹陷及相应的北北西和北北东向扭裂面，燕山运动使得侏罗系及以前地层普遍褶皱，形成一系列的褶皱和断裂，第三纪开始的新构造运动继承了燕山运动的特征，山区上升，盆地下降，中更新世以来清渔河间地块构造体现为震荡抬升，并且抬升幅度相对均匀[9]。

2.2 水文岩溶发展史

清渔河间地块水文发展受地形地貌、水文气象和构造运动等多项因素控制，其中构造运动是决定因素。白垩系之前，鄂西—川东地区西降东升，地表水自东向西流入四川盆地，白垩系燕山运动致使古地貌发生巨大变化，东部形成江汉盆地，西部恩施、建始形成断陷盆地，中更新世汉江盆地袭夺恩施盆地形成自西向东的清江水系[10-11]。

清渔河间地块岩溶发展演化过程中，既具有阶段性，又具有继承性。阶段性形成岩溶台面(或岩溶夷平面)，继承性形成了岩溶叠加，既保留了早期岩溶作用的痕迹，又开启新岩溶的塑造[12-13]。清渔河间地块岩溶经历鄂西期(2 000 m)、台原期(1 600 m)、山原期(1 200 m)、山盆期(800 m)、云盆期(400 m)和清江期(50～240 m)发展过程，见图3。

图3 岩溶发育过程示意

3 清渔河间地块岩溶发育特征

清渔河间地块碳酸盐岩约占总面积的82%，受控于地层岩性、地质构造、气候和水动力条件，结合其发育位置特征，可分为岩溶台地、岩溶斜坡、岩溶暗河[14]。

3.1 岩溶台地

岩溶台地主要分布在高程500～1 000 m的分水岭地带，位于松园坪断裂和曾家坪断裂附近，多呈平缓的高原岩溶台面。洼地面积一般小于2 km2，地形相对高差一般小于100 m。大气降水多以分散的形式在洼地中汇集，经洼地底部的管道状落水洞或溶蚀裂隙入渗补给地下水。这种地貌的形成，一是由于其地势较高几乎没有外源地表水补给，以大气降水为主要补给的就地溶蚀作用为主；二是由于该处出露的地层主要为上寒武的纯碳酸盐岩岩组。

3.2 岩溶斜坡

岩溶斜坡主要沿清江及渔洋河展布，为岩溶台地与河谷的过渡区，呈带状分布，发育高程80～500 m，呈30°～50°斜坡。受纵张和横张裂隙控制，发育北西、南西向、南北向的小型地表溪沟，有利于大气降水的汇集和排泄，地表岩溶发育程度为中等-强烈。岩溶斜坡早期经历比较强烈的地表及地下岩溶作用，后期受地壳抬升，渔洋河、清江及其支流等进一步向分水岭处的高原岩溶台地溯源侵蚀，改造形成的岩溶地貌形态。同时受侵蚀基准面控制，暗河出口多发育于岩溶斜坡地带。

3.3 岩溶暗河

清渔河间地块发育有千渔洞、洞湾、谢家洞等多个大型岩溶地下暗河系统。为查明其空间分布，对3个系统分别进行多元化示踪试验，即在每个系统的多个补给区(2个及以上)投放不同的示踪剂，在排泄点采用瑞士GGUN-FL Fluorometer光度计进行检测。以千渔洞系统为例，在卢底冲消水洞投放罗丹明，在马家冲消水洞投放荧光素钠，在许家龙坑消水洞投放荧光增白剂，经过1个多月的试验，各监测点监测的示踪剂浓度曲线见图4～图6。

图4 荧光素钠监测曲线

图5 罗丹明监测曲线

图6 荧光增白剂监测曲线

由图4～图6可知，荧光素钠和罗丹明均在一定时间出现，并持续上涨，达到峰值之后，示踪剂浓度逐渐衰减至天然背景值，说明卢底冲消水洞和马家冲消水洞两个补给区和排泄点存在水力联系。荧光增白剂未出现异常，说明许家龙坑消水洞补给区和排泄点不存在水力联系。

荧光素钠的浓度-时间曲线呈基本对称的单峰型曲线，荧光素钠浓度上升段与下降段出现波动状变化，上升支与下降支明显拖长，使该曲线成为钝峰，示踪剂经过地下水池时，在地下水池中弥散、稀释，导致示踪剂的运动时间增长，说明补给区与排泄点之间的岩溶管流场类型为单一管道串联地下溶潭，且地下溶潭数量较多。

罗丹明的浓度-时间曲线总体呈多峰曲线，罗丹明浓度曲线经历了2次较为明显的浓度升高现象，呈现双峰曲线形态，且都表现出第二个峰值与第一个峰值基本相等的现象。由于管道的长度、直径、弯曲程度不同，各管道中地下水流速也不同，故产生了2个峰，且2个峰相隔时间较大，表明2条管道的位置关系；峰值大小基本相等，根据浓度的叠加效果，表明由第一个距离较短的管道所携带的示踪剂较多，为主通道；此外其下降明显延长，呈现拖尾现象，表明补给区和排泄区之间的管流场类型为并联多管道串联。

谢家洞系统和千渔洞系统类型相似，洞湾系统只有单一管道，未见多管道串联。

4 清渔河间地块岩溶发育规律

通过对清渔河间地块的水文地质调查和地下水示踪试验，基本确定岩溶地下水来源、径流方向以及地下水流速和岩溶管道介质等特征[15]。

清渔河间地块多为溶蚀带的裸露岩溶，绝大多数溶洞是在没有任何特殊封闭的水文地质条件下，由大气降水交替循环而成的普通洞穴。这些洞穴按形态和成因可分为竖向洞穴、横向洞穴和横向-竖向组合洞穴。其中，竖向洞穴是发育于地下水面以上的垂直渗流带内垂向延伸的落水洞；横向洞穴系是发育于地下水面以下饱水带内的水平管道河洞室；横向-竖向洞穴是通过倾斜通道或竖井将不同水平面的横向洞穴联系起来，构成层状的楼式结构。地表落水洞起着暗河入口或集中补给点的作用，上层水平管道也往往通过倾斜通道与下层水平管道相联系，或通过竖井向下层消水。

4.1 平面规律

(1)空间展布的方向性

清渔河间地块洞穴空间的展布表现出极强的方向性，洞穴轴线的延伸方向无论在个体，还是整体上都显示出与所在地段的构造线方向或巨型裂隙、优势导水裂隙组方向一致。清渔河间地块构造格局和构造线方向在不同的构造单元上差异较大，故洞穴发育的方向也随之变化。

洞穴系统的延伸方向主要受华夏系及新华夏系的纵张、横张裂隙、断裂控制，因而发育北北西(南南东)、北东(南东)、东西向、南北向的管道系统。其中，磨市岩溶区西侧主要发育东西向管道系统，东侧发育南北向和北西向管道系统；大堰岩溶台地则发育有从中间向周边的扩散状岩溶系统。虽然大型管道系统内部方向常交替变化，迂回曲折，但其总体展布方向总是明显受控于构造线方向、纵张方向和横张方向。

(2)平面分布的不均一性

清渔河间地块岩溶发育受地层岩性组合，构造变动程度和水动力学条件控制，由于以上控制要素的差异，岩溶发育在平面上极不均一，表现出对地层层位、构造部位和地貌单元有着鲜明的选择性。

不同地层中岩溶发育规模及密度不同。区内岩溶系统主要分布于下奥陶系的南津关组、寒武系上统三游洞组及中统覃家庙组。寒武系三游洞组地层大面积出露，往往集中发育有大型洞穴系统，但由于内部岩组的差异，其发育程度和出现频率也明显不同；奥陶系南津关组为单一均匀连续型，有利于岩溶发育，为强透水层，其中洞穴、暗河发育；寒武系中统覃家庙组主要为不纯碳酸盐岩，主要发育裂隙、溶隙网络系统。

根据总体地质结构变化情况，将清渔河间地块分为清江南岸岩溶区、马燕山岩溶区、大堰岩溶台地、五眼泉岩溶区和志留系岩溶区5个大区和19个亚区，见图7。

4.2 剖面规律

根据主洞口高程，所处地貌单元特征，可将清渔河间地块发育的洞穴在垂向划分出几个集中分布层，其分布高程分别与清渔河间地块各级岩溶台面相对应。

受地质构造背景控制，清渔河间地块缺少1 100 m以上的岩溶系统，鄂西期(清江一期、白垩系)、台原期(清江二期、早第三系)、山原期(清江三期、晚第三系)清江水自东向西，该地区处于最上游，以地表剥蚀溶蚀为主。山盆期(清江四期、更新世)受地壳运动影响，江汉平原袭夺恩施盆地，清江流水改向，清渔河间地块岩溶洞穴系统自此拉开序幕，其发展剖面规律见表1。

表1 清渔河间地块岩溶发育剖面规律

上述各级岩溶台面相对应的岩溶系统，代表清渔河间地块构造运动受间歇式抬升的影响和制约。地下水系统适应于不同相对稳定时期的区域地下排泄基准面发生的岩溶作用结果，以第二层、第三层发育最为强烈，构成清渔河间地块庞大的岩溶系统，纵断面见图8。

图8 清渔河间地块纵断面

5 清渔河间地块岩溶发育主控因素

5.1 地形因素

清渔河间地块位于清江中、东段，西高东低，受东西向构造影响，山体走势大体呈东西向。西侧山岭高程达1 000 m，东侧高程约200 m，切割强烈，山体林立，形成高程不同的多级台面。山岳顶面多平缓，发育各种岩溶地形，清江和渔洋河高程较低，从高差上形成有利的水体梯度。

5.2 岩性因素

岩性不同的岩石在地下水作用下的可溶性不同，碳酸盐岩成分越纯，岩溶越发育，长阳至五峰段出露面积较大的寒武、奥陶系灰岩，在化学成分上差别并不明显，难以确认哪个层位更易发育。二叠系地层则发育相对明显，仅发育于马雁山山顶，出露面积相对小，且未见大型暗河或管道系统。

岩组类型一般影响水流的相对集中程度，在局部形成地下水强径流段而控制洞穴和管道的形成，许多大的溶洞出现于灰岩与相对隔水层的交汇处，沿不透水的软弱夹层接触带顺层分布的现象较为普遍。如禹王宫、龙洞、下观音洞、夏家洞、桃花洞均体现出该特点。

5.3 构造因素

褶皱构造的核部及转折段是岩溶发育的有利位置，特别是背斜核部，在两翼边界作用下往往形成地下水相对集中地带，易在核部形成宽度、长度均较大的巨型裂隙，层面裂隙张开，边界条件和介质渗透性的共同作用形成轴向地下水强径流通道。区内梁山-肖家隘背斜即为区内最典型的岩溶带，核部发育寒武系碳酸盐岩地层，巨型张裂隙发育，地表多发育沟谷，形成良好的补给条件，故该段多发育溶蚀洼地及落水洞等，底部形成洞穴与暗河管道，谢家洞暗河系统及顺梁山-肖家隘背斜发育。

向斜构造在一定程度上也能形成岩溶发育的有利条件，特别是当地层存在相对隔水层，构成外围封闭状态，地下水向斜集水构造，相对隔水层组成隔水底板和边界，阻止地下水汇入河湖而是沿轴线方向径流，向倾伏端或隔水底板出露高程最低处排泄。马雁山岩溶系统即为典型的向斜岩溶系统。

断层或断层性裂隙(巨型裂隙)往往构成局部地下水集中径流通道，使岩溶洞穴沿其发育。特别是断层性裂隙分布广，且具有一定密度，区内绝大多数岩溶洞穴的形成都与其有关。禹王宫暗河系统、洞湾暗河系统、向家坪岩溶系统、千鱼洞暗河系统、施毛渡暗河系统、羊角洞、十八拐洞等地下暗河均表现为断层及张裂隙控制的特点，另外许家龙坑、蚂蝗冲、石磙埫、郑家冲、杨家湾及马雁山岩溶沟谷也体现了受断裂及张裂隙控制的特点。

5.4 气候因素

清渔河间地块位于中亚热带与北亚热带的过渡地带，属于亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨热同期，降雨量大，地下水丰富，为岩溶发育提供良好的必备条件。

6 清渔河间地块岩溶发育对工程的影响

清渔河间地块孕育5个岩溶发育区和19个岩溶发育亚区，整体岩溶极其发育。岩溶台地、岩溶斜坡、溶蚀丘陵、岩溶泉、伏流入口及地下暗河等岩溶地貌齐全，对工程建设影响大。

6.1 清江南岸岩溶区

清江南岸岩溶区，从平面上与叹气沟散泉系统、禹王宫暗河系统、夏家洞暗河系统和多宝寺岩溶区等4个亚区相交。其中，叹气沟散泉系统、多宝寺岩溶区属于寒武系下统及奥陶系中上统地层，发育多个相对隔水层，岩溶发育相对较弱，岩溶水文条件对工程修建影响相对较小。禹王宫暗河系统及夏家洞暗河系统对隧道工程影响相对较大，易发生涌水、突水风险，设计过程中应详细勘察，并采取合理的结构设计措施、堵排结合的水处理方案，并加强地质超前预报等，使工程风险可控。

6.2 马燕山岩溶区

马燕山岩溶区位于轴向近东西向的马鞍山向斜分布区，核部出露二叠系-三叠系地层，四周被志留泥盆系地层圈闭，并托于山梁上部，表层岩溶发育强烈，岩溶水顺岩层产状及相对隔水层整体向西方向排泄，修建地下工程难度大。岩溶系统以下为志留系页岩，隧道工程将出现软岩变形风险，建议绕避。

6.3 大堰岩溶台地

大堰岩溶台地从平面上横穿肖家溢背斜，为长阳至五峰段洞湾、谢家洞和千鱼洞等岩溶地下水系统的分水岭地带，虽然区内寒武-奥陶系碳酸盐岩广泛出露，但从岩溶地下水系统的空间分布特征分析，岩溶发育程度、岩溶水系统汇水面积均较低。台地东南侧渔洋河排泄区，出水口高程较低，存在工程建设的可行通道，但因位于边坡上，地质灾害较发育，对工程影响较大，通过时应加强隧道进出口防护措施。

6.4 五眼泉岩溶区

五眼泉岩溶区发育有寒武系及奥陶系灰岩，溶蚀作用明显，主要以裸露性岩溶及浅覆盖性岩溶为主。地下水、地表水排入渔洋河，地形以溶蚀丘陵为主，整体高程低，岩溶水作用不明显，对工程建设影响较小。

6.5 志留系岩溶区

志留系岩溶区发育有白马洞暗河出口，流量较小，岩溶裂隙水、岩溶溶洞水发育，主要依靠大气降水及地下径流补给，排泄方式主要沿垂直节理裂隙渗入岩溶白马洞暗河系统，在白马洞低洼区排泄，水文地质条件较复杂。区内生物碎屑灰岩条带状分布，出露面积小，岩溶水补给有限，岩溶对工程整体影响相对较小，工程建设穿越灰岩段落整体较短，岩溶及岩溶水除对个别段落有突水、突泥风险外，对工程建设整体影响不大。

7 结语

清渔河间地块岩溶发育有5个大区、19个亚区，平面上具有不均一性，空间上具有联通性。主要受地形、岩性、地质构造和气候等影响。尽管岩溶形态多样，地下暗河强烈发育，但依然可为工程建设提供可行通道，为以后地方建设提供科学依据。