滬昆高鐵萍鄉(xiāng)—豐城段巖溶發(fā)育特征及控制因素分析

楊永革，付檢根，陳靜

(江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，南昌 330030）

滬昆高鐵萍鄉(xiāng)—豐城段巖溶發(fā)育特征及控制因素分析

楊永革，付檢根，陳靜

(江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，南昌 330030）

滬昆高鐵萍鄉(xiāng)—豐城沿線巖溶發(fā)育。通過1∶50000環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等手段，對該區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律和控制因素進行研究。結(jié)果表明，研究區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)多樣，平面上主要分布在巖溶丘陵和崗阜地形，垂向上自上而下巖溶發(fā)育強度漸弱。巖溶發(fā)育的控制因素主要有巖性、水文條件、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造運動等因素。這些認識對區(qū)內(nèi)的城鎮(zhèn)群規(guī)劃建設(shè)、確保巖土工程安全等具有指導意義。

巖溶形態(tài)；巖溶特征；發(fā)育規(guī)律；滬昆高鐵

滬昆高鐵萍鄉(xiāng)-豐城段位于江西省中西部，區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)分布較密集，是環(huán)鄱陽湖城市群聯(lián)系長株潭城市群的引出點和紐帶（圖1）。該區(qū)處于萍（鄉(xiāng)）—樂（平）構(gòu)造拗陷帶西段，南鄰武功造山帶，主體構(gòu)造線多呈北東向—北東東向，地層擠壓褶皺強烈，斷裂發(fā)育[1-4]。地勢北西高，南東低，山脊走向與區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造線方向一致。區(qū)內(nèi)可溶巖地層與非可溶巖地層相間出現(xiàn)，呈條帶狀展布，發(fā)育可溶巖地層主要為：石炭紀黃龍組，二疊紀馬平組、棲霞組、小江邊組、茅口組和長興組，三疊紀青龍組，累計總厚度近2000 m。碳酸鹽巖分布面積占全區(qū)總面積的30%以上，西部以裸露型為主，東部以覆蓋型為主?？扇軒r的大面積展布，使得該區(qū)地表和地下巖溶均較發(fā)育。袁河巖溶低丘陵區(qū)和北東部觀巢-下村巖溶準平原區(qū)，均為覆蓋型巖溶區(qū)。在第四系覆蓋層下，廣泛分布著石炭系和二疊系碳酸鹽巖層，地表常見大型上升巖溶泉（圖1）。如分宜蘆塘的1018號和1014號巖溶泉，泉流量分別為111.2 L/S和188 L/S。新余華家的814號泉總流量102.26 S/L，說明隱伏巖溶區(qū)的巖溶極為發(fā)育，富水性強。

研究區(qū)以往前人調(diào)查工作多側(cè)重于對區(qū)域地質(zhì)背景條件和巖溶水資源的研究[1-3]，針對巖溶開展的專項地質(zhì)調(diào)查工作較薄弱，區(qū)內(nèi)巖溶的研究程度比較底。我們通過1/5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭露及物探成果綜合分析等手段，重點對該區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律和控制因素進行了研究。本文揭示了區(qū)內(nèi)巖溶形態(tài)特征、巖溶發(fā)育規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對該區(qū)巖溶發(fā)育的控制因素進行分析，為滬昆高鐵萍鄉(xiāng)—豐城段沿線城鎮(zhèn)規(guī)劃和確保巖土工程安全提供了施工依據(jù)。

圖1 滬昆高鐵萍鄉(xiāng)—豐城段地質(zhì)背景及巖溶分布概圖Fig.1 The geological background and karst distribution sketch alongpingxiang fengchengsection ofShanghai-kunminghigh-speedrailway

1 巖溶發(fā)育的基本特征

1.1巖溶形態(tài)

滬昆高鐵萍鄉(xiāng)-豐城段裸露型可溶巖和覆蓋型可溶巖均較發(fā)育，巖溶發(fā)育形態(tài)多樣。裸露型可溶巖地表常發(fā)育溶溝、溶槽及石芽和溶蝕洼地；覆蓋型可溶巖中常以漏斗、落水洞、溶洞和暗河形態(tài)發(fā)育，對工程建設(shè)和運營影響較大。

溶洞是可溶巖地區(qū)地下水徑流的主要管道，分布于較低的溝谷和坡腳部位。隨地層和構(gòu)造條件的不同，洞體形態(tài)變化較大，規(guī)模大小不一，廊道狀、多彎曲的管道狀等都可見到，大型溶洞側(cè)壁一般都發(fā)育有中小型支洞，局部地區(qū)亦發(fā)育有多層溶洞。暗河主要分布于繞市、金瑞、三陽和江東一線以北，主要為北東走向、次為北西走向。規(guī)模較大且發(fā)育較好的有盤田、北潭、東源、烏龍洞、石溪、龜頸口等六條暗河，長600～1500 m，最長達3750 m，寬2～8 m，最寬達54 m，高2～15 m（圖1）。前者與區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線方向一致，后者與區(qū)內(nèi)張性斷裂方向吻合。

1.2巖溶帶分布

巖溶帶分布與地貌具有較好相關(guān)性。平面上，研究區(qū)巖溶丘陵地形和崗阜地形區(qū)中巖溶較發(fā)育，尤其在巖溶低丘陵地形區(qū)，地下巖溶管道、裂隙、孔隙最為發(fā)育。從巖溶低丘陵到崗阜，隱伏巖溶區(qū)比重增大，自西向東巖溶發(fā)育標高漸降（圖1，表1）。

從巖溶發(fā)育垂向上看，自上而下巖溶發(fā)育強度漸弱。其中，強發(fā)育帶一般達地表以下50～100 m左右（標高10～-100 m），溶洞集中段在60 m深度以內(nèi)（標高-45 m以上）；中等發(fā)育帶達地表以下200 m（標高-190 m），溶洞集中在150 m深度以內(nèi)（標高-140 m以上）。斷裂發(fā)育部位、特別在復(fù)合處可局部加深。如在新余華家可深達376 m（標高-330 m）、豐城曲江可深達500 m（標高-400 m）以下（表1）。

表1 研究區(qū)隱伏區(qū)巖溶分帶特征表Table 1 Characteristics of karst zoning in buried area

2 巖溶發(fā)育的控制因素分析

通過1/5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭露及物探成果綜合分析等手段，結(jié)合前人研究，我們對該區(qū)的巖溶控制因素進行了分析，得出地下巖溶的分布與巖性組合、水文條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素等有關(guān)[5-7]。

2.1巖性組合控制

地下巖溶率隨可溶巖的巖性不同，其巖溶的發(fā)育強度也有差異（表2），其中以石炭系馬平組、二疊系長興組最發(fā)育，且發(fā)育較均勻，鉆孔見洞率分別達76.32%、87.5%，巖溶直線率分別為6.13%-36. 24%、10.06%；二疊系茅口組次之，鉆孔見洞率為66.67%，巖溶直線率6.1%-7.5%；二疊系棲霞組和三疊系青龍組發(fā)育較弱，巖溶直線率為4.3%-5. 98%。區(qū)內(nèi)地貌從西向東，由巖溶丘陵逐步過渡到巖溶準平原區(qū)，其巖溶的發(fā)育深度也由西向東加深，西部的飛劍潭處巖溶發(fā)育最低標高為-6.24 m，東部的華家處巖溶發(fā)育最低標高為-140 m。研究區(qū)主要溶洞和暗河多集中發(fā)育于北西部各碳酸鹽巖分布區(qū)，其中以長興組和馬平組灰?guī)r最為發(fā)育，這一特征與表2所列巖溶情況完全吻合。

巖性組合差異的根本因素在于巖石化學成分。由于巖石的主要化學成份含量不同，在水的作用下，相對溶解速度不同，對巖溶發(fā)育的影響各不相同[8-10]。根據(jù)碳酸鹽巖類巖石相對溶解試驗可知，巖石的相對溶解度，主要取決于巖石中CaO和SiO2+R2O3（粘土物質(zhì)含量）的含量百分數(shù)，CaO的含量高，SiO2+R2O3含量低，相對溶解度值就大；CaO的含量低，SiO2+R2O3含量高，則相對溶解值就小。在其它條件相同的情況下，相對溶解度大的巖溶較發(fā)育，相對溶解度小的巖溶發(fā)育較差（表3）。通過對區(qū)域各層位不同地段采取的巖石化學樣分析與相對溶解度測試的統(tǒng)計得出，各層位大多為較純質(zhì)灰?guī)r，少部分為含不溶物成分較高，溶蝕比值大部份大于或等于1.0，溶解度多數(shù)為較強的，少部分為較弱的（圖2）。統(tǒng)計調(diào)查區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖主要化學成分含量看出:黃龍組、馬平組灰?guī)r中含較高的CaO (46.5%)，最少的SiO2（2%）和最少的R2O3（0.5%），具有最高的巖溶率（10.1%）；其次為茅口組灰?guī)r(CaO47.6%、SiO26%、R2O31.4%、巖溶率8.9%)；長興灰?guī)r(CaO47.7%、SiO210.9%、R2O30.6%、巖溶率7.3%)。青龍組、棲霞組灰?guī)r中CaO含量相對較低（一般小于45%），而SiO2（大于10%）和R2O3（大于5%）含量較高，巖溶率一般小于3%（表3）。

根據(jù)碳酸鹽巖樣品化學分析與巖溶發(fā)育程度進行對比，可見如下規(guī)律:(1)巖溶發(fā)育程度與巖性關(guān)系密切，自強而弱依次為塊狀及中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r；（2）CaO含量大于50%，巖溶易發(fā)育；（3）SiO2含量小于5%，巖溶易發(fā)育；（4）R2O3含量小于1%，巖溶易發(fā)育（表3）。

圖2 碳酸鹽巖成份三角形圖Fig.2 Triangle figure ofcarbonate composition

1.三疊系青龍組;2.二疊系長興組;3.二疊系茅口組;4.二疊系棲霞組; 5.二疊系馬平組;6.石炭系黃龍組.

表2 研究區(qū)鉆孔內(nèi)所見巖溶情況統(tǒng)計表Table 2 Statistics of karst situation of drilled borehole in the study area

2.2水文條件控制

該區(qū)大氣降水為巖溶水系統(tǒng)主要補給來源，降水特征控制了巖溶水系統(tǒng)的輸入特征，大氣降水滲入系數(shù)0.2～0.4，總體下滲量較多。巖溶水儲存于溶孔、溶洞、裂隙及管道之中，富水性受巖溶發(fā)育程度的控制，巖溶條件總體較好[8-10]。石炭系馬平組、二疊系長興組為水量豐富的，二疊系棲霞組、茅口組和三疊系青龍組為水量中等的。含水層厚度一般31.5～193.6 m，水位埋深0.5～23.7m，滲透系數(shù)0.0077～95.44 m/d。巖溶水水質(zhì)屬HCO3-Ca-Mg型、HCO3-Ca型淡水，pH值6～7.2，礦化度0～0.297g/L。根據(jù)巖溶水質(zhì)測試成果：碳酸鹽巖巖溶水中溶解的CaCO3處于侵蝕性與過飽和之間，部份水中CO2含量多于平衡所需的含量，少量存在侵蝕性CO2，對CaCO3具有侵蝕性（圖3）。

圖3 碳酸鹽巖巖溶水混合溶蝕效應(yīng)圖Fig.3 Mixed dissolution effect ofcarbonate karst water

表3 研究區(qū)各可溶巖地層單位化學成分及巖溶發(fā)育程度一覽表Table 3 Chemical constituents and karst development degree of every soluble rock stratum unit

巖溶水的補給、徑流、排泄條件較為暢通，在補給徑流區(qū)地表巖石裸露，巖溶洼地、暗河、漏斗和落水洞發(fā)育，構(gòu)成接受降水垂直補給的良好通道，地下水沿裂隙巖溶管道流向排泄區(qū)，水力梯度較排泄區(qū)陡，泉水多集中在50-150 m標高間。巖溶水在運動過程中，如遇地形切割、弱透水層或阻水斷裂阻擋，將迅速沿接觸面上升地表成泉，形成地下水排泄帶。排泄區(qū)多為覆蓋型巖溶水，大泉出露較多，如西村、雙林、杭橋等一帶泉群，沿阻水巖層或斷層呈線狀排列。

2.3地質(zhì)構(gòu)造控制

地質(zhì)構(gòu)造對巖溶的發(fā)育強度及發(fā)育方向有著十分密切的關(guān)系，如地層的展布、產(chǎn)狀，褶皺、斷裂的發(fā)育程度、方向、充填程度等控制了地下水的運動方向和地下水動態(tài)，從而也就決定了巖溶發(fā)育的強度、方向、規(guī)模大小及巖溶形態(tài)等[8-10]，如華家隱伏巖溶區(qū)巖溶發(fā)育帶與基巖構(gòu)造（圖4），隱伏巖溶的發(fā)育強度與斷裂構(gòu)造的關(guān)系尤其密切，靠近斷裂帶巖溶發(fā)育強度大，遠離斷裂帶巖溶發(fā)育強度則明顯減弱。與褶皺形態(tài)關(guān)系也較密切，如新余華家位于北東走向的背斜之北西翼，處在北西向斷裂與北東向斷裂的交匯部位，巖溶的發(fā)育強度完全受到斷裂構(gòu)造的控制。隱伏巖溶發(fā)育深度也完全受斷裂構(gòu)造所控制，斷裂構(gòu)造附近巖溶發(fā)育較深，距斷裂較遠則巖溶發(fā)育較淺。

褶皺構(gòu)造對巖溶發(fā)育程度的影響分析。區(qū)內(nèi)地層擠壓褶皺強烈，主要褶皺走向呈北東—北東東向，褶皺彼此平行呈雁行排列，或為短軸背斜。褶皺使可溶巖與非可溶巖呈條帶狀相間分布，可溶巖兩側(cè)的非可溶巖多為粉砂巖和泥頁巖類，其透水性和含水性都很差，這樣可溶巖內(nèi)地下水的運動在垂直巖層走向上就受到了限制，沿縱向裂隙、層面和接觸帶走向上的運動則得到加強。因此，沿地層走向常發(fā)育一系列較大的溶洞和暗河。據(jù)野外調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)60%的溶洞和暗河的走向與地層走向一致，20%～30%的溶洞和暗河順地層層面或接觸帶發(fā)育。如楊橋一帶，夾于碎屑巖層中的長興灰?guī)r，均被溶蝕成條帶狀溝谷，溝谷底部常發(fā)育眾多的巖溶泉。

圖4 華家隱伏巖溶區(qū)強巖溶發(fā)育帶與基巖構(gòu)造關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagramofrelationship between strongkarst development zone and bedrock structure in concealed karst area of Huajie

斷裂構(gòu)造與巖溶發(fā)育程度的關(guān)系。斷裂是地下水運移的通道，是巖溶發(fā)育不可缺少的條件之一。研究區(qū)內(nèi)以北東向和北東東向擠壓斷裂最為發(fā)育，對地層的切割破壞強烈。北北西向張扭性斷裂發(fā)育次之。根據(jù)可溶巖中斷裂的統(tǒng)計資料，區(qū)內(nèi)巖溶的發(fā)育方向與斷裂有著密切的關(guān)系（圖5）。斷裂控制發(fā)育的溶洞占溶洞總數(shù)的61%，沿斷裂發(fā)育的暗河占暗河總數(shù)的52%。沿北東和北東東向斷裂發(fā)育的溶洞和暗河不僅數(shù)量多、而且規(guī)模大，如區(qū)內(nèi)最長的暗河位于三陽北西14 km，暗河長3750 m，沿斷裂帶發(fā)育，延伸方向35°。當壓性斷裂在可溶巖區(qū)延伸較長，且可溶巖出露具有一定寬度時，巖溶也較發(fā)育。如研究區(qū)北部的北潭—東源一帶，在長興組灰?guī)r區(qū)沿北東向壓扭性斷裂的下盤扭張性裂隙帶發(fā)育有暗河，長度達2 600 m。

沿北西向張性斷裂發(fā)育的溶洞、暗河占總數(shù)的12%，且規(guī)模較小。據(jù)野外調(diào)查，其長度一般小于800 m。這是由于巖溶發(fā)育方向垂直地層走向，巖溶的發(fā)育長度受到了可溶巖寬度的限制。如新塘暗河，即是沿長興組灰?guī)r中的北西向張性斷裂發(fā)育的（圖6），其落水洞、小型巖溶洼地和伏流合為一體，全長僅600 m。

裂隙在巖溶的發(fā)生和發(fā)展過程中，同樣起著較重要的作用。尤其是在巖溶發(fā)育的初期，明顯控制著巖溶的發(fā)育方向。主要沿裂隙發(fā)育的溶洞，一般規(guī)模較小、洞體形態(tài)不規(guī)則，分支拐彎多、方向不穩(wěn)定、洞底高低不平、洞的高度變化大。主要沿大斷裂發(fā)育的大型溶洞和暗河，裂隙在巖溶發(fā)育過程中則起著一定的促進作用，同時沿斷裂兩側(cè)的裂隙可溶蝕形成許多分支小溶洞。

圖5 研究區(qū)暗河溶洞軸向與斷裂走向?qū)Ρ让倒鍒DFig.5 Rose diagramofaxial direction ofunderground riverkarst caves and fracture run in the studyarea

圖6 新塘暗河平面示意圖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著地下水的水動力特性，制約著巖溶作用的強度，使其在不同的地形部位形成不同的巖溶形態(tài)。北部和北西部分水嶺地帶及其兩側(cè)，位于潛水位以上，由于地形高差大，坡度陡，差異性溶蝕增大，地下通道初步發(fā)育，地下水沿洞穴通道及溶蝕裂隙以垂直運動為主。另一方面，地下水直接受降雨補給，水流分散，流量變化大，巖溶作用的強度相對較弱，形成的巖溶形態(tài)多為垂直的落水洞；坡腰則形成漏斗和傾斜溶洞及小型巖溶洼地，多分布于250～400 m標高之間。南部山間谷地部位，地形低洼，坡度平緩，地下水以水平運動為主，水流逐步集中，流量增大，巖溶作用增強，地下水的侵蝕作用也伴隨溶蝕作用而同時發(fā)生，在坡腳和溝谷，往往形成大型的水平溶洞、地下暗河和巖溶洼地（圖7）?？傊瑥姆炙畮X向谷地，由補給區(qū)到排泄區(qū)，巖溶的發(fā)育強度和深度具有逐漸遞增的趨勢。

圖7 飛劍潭巖溶與地形地貌關(guān)系示意圖Fig.7 Relationship between karst and landscape in Feijiantan area

2.5新構(gòu)造運動控制

新構(gòu)造運動對近代地形地貌的發(fā)展和演化起著主導作用。不同的發(fā)展階段，地下水的動力條件也隨之發(fā)生改變。新構(gòu)造運動處于上升時期，地下水垂直循環(huán)強烈，水流分散，地下水對可溶巖的溶解速度小于地殼的上升速度，所形成的巖溶形態(tài)規(guī)模都比較小，多為垂直和陡傾斜的小溶洞；新構(gòu)造運動處于相對穩(wěn)定時期，地下水逐漸匯合集中，水平循環(huán)加劇，巖溶作用強烈，形成的巖溶形態(tài)多為規(guī)模較大的水平或緩傾斜的溶洞和暗河；新構(gòu)造運動處于相對下沉時期，則反映巖溶發(fā)育的繼承性，使水平的強巖溶帶與垂直的弱巖溶帶相間成層出現(xiàn)，與地貌的發(fā)展階段相對應(yīng)。區(qū)內(nèi)溶洞的多層性就充分反映了新構(gòu)造運動對巖溶發(fā)育的控制作用。

3 結(jié)論

通過對研究區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律及控制因素的分析，主要得出以下幾點認識：

（1）研究區(qū)巖溶較發(fā)育，尤其在巖溶低丘陵地形區(qū)，地下巖溶管道、裂隙、孔隙最為發(fā)育。巖體中各種巖溶形態(tài)發(fā)育齊全，巖溶孔洞連通性好。自西向東，由巖溶丘陵地貌漸變?yōu)閹r溶準平原地貌，巖溶發(fā)育標高漸降，巖溶發(fā)育深度加深。

（2）研究區(qū)巖溶發(fā)育主要受地形地貌、地層巖性、水文條件、地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造動運等5個方面的綜合控制作用，其中地質(zhì)構(gòu)造及水文條件對巖溶發(fā)育起了關(guān)鍵性作用。

（3）在滬昆高鐵萍鄉(xiāng)—豐城段開展各種巖土工程建設(shè)前，應(yīng)該作好工程地質(zhì)勘察，查明場區(qū)巖溶發(fā)育程度和分布規(guī)律，進行既經(jīng)濟又科學的工程處理，或采取適當?shù)谋茏?，以免誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失。

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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.

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)環(huán)境地質(zhì)綜合調(diào)查”（1212011014009）.

楊永革（1966—），男，高級工程師，從事區(qū)域地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作，E-mail:2225073292@qq.com.

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