瑞金市沙洲壩地區(qū)巖溶發(fā)育特征與地下水富集規(guī)律

趙毅斌，劉前進，黃旭娟

(江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，江西 南昌 330030)

巖溶是由泥灰?guī)r、石灰?guī)r等可溶性巖石長期受水的溶蝕及機械作用形成的溶洞、溶孔、洞穴[1]。實際上，巖溶發(fā)育演化過程是可溶巖在地下水作用下的分異過程，在地下水邊界和介質(zhì)的控制下，地下水能否形成高度匯集的強徑流帶(區(qū))是巖溶分異的關(guān)鍵，在邊界和介質(zhì)的作用下存在地下水強徑流帶的地區(qū)一般能夠形成大的巖溶洞穴[2]。不同的地形地貌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)[3]。巖溶發(fā)育受巖性、構(gòu)造控制明顯，巖溶順層間溶蝕面、區(qū)域性背斜軸部張裂隙、可溶巖與非可溶巖接觸帶、垂直于主構(gòu)造線的張性裂隙等地段是巖溶發(fā)育的重點部位[4]。地下水運動是系統(tǒng)性的，了解地下水的運動有助于掌握巖溶系統(tǒng)的發(fā)育特點和規(guī)律[5]。地質(zhì)構(gòu)造部位、構(gòu)造應(yīng)力強度、裂隙發(fā)育程度及巖石破碎程度不同，導(dǎo)致巖溶發(fā)育程度具有差異性[6]。通常情況下，巖溶發(fā)育程度與研究區(qū)構(gòu)造條件、巖性特征、水文地質(zhì)條件、古地貌環(huán)境、新構(gòu)造運動等有密切聯(lián)系[7]。巖溶水的運移及富集主要受巖溶發(fā)育程度控制，影響巖溶發(fā)育的主要因素有地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水動力條件等，其中地層巖性是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)，地質(zhì)構(gòu)造、水動力條件等控制巖溶發(fā)育的部位與程度[8]。

本文在江西省1∶5萬九堡幅水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過鉆探、地面調(diào)查等工作手段，系統(tǒng)總結(jié)了瑞金市沙洲壩地區(qū)巖溶發(fā)育特征、巖溶發(fā)育規(guī)律及地下水富集規(guī)律，為該區(qū)合理開發(fā)利用地下水、重要工程選址及巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沙洲壩位于瑞金市西郊，東鄰象湖鎮(zhèn)，南接武陽鎮(zhèn)，西毗云石山鄉(xiāng)，北界九堡鎮(zhèn)、黃柏鄉(xiāng)。區(qū)域上，沙洲壩地區(qū)屬于云石山—沙洲壩向斜，軸跡呈NE向展布，延長約18 km，出露寬4～6 km，為短軸向斜，總體向NE端仰起，卷入的地層有泥盆紀(jì)云山組(D2y)石英砂巖、石炭紀(jì)黃龍組(C2h)白云巖、二疊紀(jì)馬平組(P1m)灰?guī)r—樂平組(P3lp)砂巖。槽部為二疊紀(jì)樂平組(P3lp)，翼部為泥盆紀(jì)云山組(D2y)—石炭紀(jì)黃龍組(C2h)(圖1)。

1.第四系；2.白堊系；3.二疊系； 4.泥盆系—石炭系；5.寒武系；6.震旦系；7.南華系；8.中志留世二長花崗巖；9.整合接觸界線/角度不整合接觸界線；10.侵入接觸界線；11.斷層；12.推覆斷層；13.滑覆斷層；14.復(fù)式倒轉(zhuǎn)背斜；15.復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜；16.背斜/向斜；17.研究區(qū)圖1 沙洲壩盆地地質(zhì)構(gòu)造圖(據(jù)江西省九堡幅1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查成果報告修編)Fig. 1 Geological structure of Shazhouba Basin

由于巖溶發(fā)育具有不均一性，地下水天然露頭的泉流量懸殊，地下水的排泄區(qū)和斷裂帶、褶皺軸附近的泉流量大，其他地段泉流量小?；?guī)r盆地巖溶泉主要分布在向斜盆地軸部，且補給區(qū)、逕流區(qū)、排泄區(qū)泉流量懸殊。區(qū)內(nèi)位于巖溶盆地補給區(qū)的8號泉流量為0.325 L/s，位于逕流區(qū)的9號泉流量為3.922 L/s，位于排泄區(qū)的16～18號泉流量為70.56 L/s。鉆孔單井涌水量相差較大：位于沙洲壩盆地巖溶發(fā)育段的ZK9孔，當(dāng)降深為1.05 m時，流量達2 045.95 m3/d；位于沙洲壩盆地巖溶不發(fā)育段的ZK5孔，當(dāng)降深為49.90 m時，涌水量僅3.90 m3/d。

2 巖溶發(fā)育特征

根據(jù)本次調(diào)查成果，在收集前人資料的基礎(chǔ)上繪制了沙洲壩地區(qū)巖溶塌陷與第四系厚度關(guān)系圖(圖2)。沙洲壩第四系蓋層厚度一般為2.90～26.84 m，但因地形地貌、成因、巖性結(jié)構(gòu)及厚度不同，地面塌陷的程度也不同。沖積、沖洪積層厚度一般為3.0～9.5 m，結(jié)構(gòu)松散，尤其下部砂、砂礫卵石層孔隙度大、滲透性強，且直接與下伏可溶性灰?guī)r相連，孔隙水與巖溶水水力聯(lián)系緊密，在地下水運動過程中，泥砂顆粒的潛蝕搬運作用強烈，產(chǎn)生地下溶洞，當(dāng)溶洞上覆土層自重壓力超過自身的抗壓抗剪強度時即向下墜落，造成地面塌陷。尤其在地層薄、自身抗壓抗剪強度低的地段，更易發(fā)生地面塌陷，如沙河兩岸的沖洪積層。

區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖在二氧化碳和地下水的侵蝕下，從地表到地下發(fā)育各種巖溶地貌。地表落水洞、溶洞、溶溝、溶槽等較發(fā)育，地下溶洞、溶蝕裂隙較常見。根據(jù)瑞金市沙洲壩地區(qū)勘探資料，該區(qū)巖溶較發(fā)育，鉆孔遇溶洞的能見率約為66%。由于區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)被第四系沖積層和殘積層覆蓋，因此，溶洞充填率較高，有的全充填，有的半充填，無充填物的溶洞較少。充填物主要為上覆第四系沉積物及少量灰?guī)r溶蝕殘余物。近地表的溶洞充填物較多，充填率為50%～100%；地表下部的溶洞充填物較少，充填率為0%～50%。由于該區(qū)巖溶發(fā)育受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素控制，巖溶發(fā)育不均一，小的溶孔直徑只有0.1 cm，大的溶洞洞高231.92 m。巖溶發(fā)育的不均一性，造成了巖溶含水層富水性具有明顯差異，區(qū)內(nèi)鉆孔單位涌水量最小為0.000 9 L/s·m，最大為23.68 L/s·m，最小滲透系數(shù)為0.48 m/d，最大滲透系數(shù)為283 m/d。

3 巖溶發(fā)育規(guī)律

3.1 巖溶主要沿斷裂發(fā)育

巖溶發(fā)育強度與斷裂具有密切關(guān)系?？拷鼣嗔褞?，巖溶發(fā)育強度較強；遠(yuǎn)離斷裂帶，巖溶發(fā)育強度較弱[9]。斷裂和褶皺及其附近，由于巖石破碎，利于地下水活動，為水巖作用提供了空間。因此，該區(qū)巖溶主要沿張性構(gòu)造帶、向斜軸部及壓性構(gòu)造的上盤及其伴生的構(gòu)造裂隙發(fā)育。沙洲壩供水勘查區(qū)鉆孔揭露的45個溶洞顯示，其中41個溶洞沿上述構(gòu)造發(fā)育，占91%(表1)。上述構(gòu)造中，壓性構(gòu)造上盤巖溶尤其發(fā)育，地表可以觀察到的沙洲壩盆地崠水墩子溶洞即沿著NW向壓性斷裂上盤及兩組伴生構(gòu)造裂隙發(fā)育(圖3)。在構(gòu)造復(fù)合部位，巖溶發(fā)育規(guī)模較大，目前，最深的溶洞(斜深232.92 m)位于沙洲壩巖溶盆地EW向構(gòu)造(倒轉(zhuǎn)向斜軸)與NW向構(gòu)造(向斜軸)和NE向構(gòu)造(張興斷裂)的交接復(fù)合部位。ZK21鉆孔位于沙洲壩巖溶盆地地下水排泄區(qū)，由于多種構(gòu)造復(fù)合，該處巖溶發(fā)育強烈。ZK21鉆孔在孔深305.26～575.12 m處陸續(xù)遇6個溶洞，總高235.13 m，其中343.20～575.12 m為斜深232.92 m的大型溶洞。

1.沿構(gòu)造發(fā)育的溶洞；2.推測溶洞界線；3.灰?guī)r；4地層產(chǎn)狀；5.中—上石炭統(tǒng)灰?guī)r圖3 崠水墩子溶洞平面圖Fig. 3 Plan graph of karst cave in Dongshuidunzi

3.2 發(fā)育質(zhì)純的可溶巖巖溶

由于巖石的主要化學(xué)成分不同，在水的作用下，對巖溶發(fā)育的影響各不相同[10]。地層中可溶性鹽類是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)，CaO含量越高越有利于巖溶發(fā)育[11]。如果可溶巖巖石CaO含量高，MgO和酸不溶物含量低，則巖石易被地下水溶蝕，巖溶發(fā)育。區(qū)內(nèi)可溶巖中的石灰?guī)r比白云巖、硅質(zhì)、碳質(zhì)灰?guī)rCaO含量高，MgO和酸不溶物含量低，因此，巖溶在質(zhì)純的石灰?guī)r中比在白云巖和硅質(zhì)、碳質(zhì)灰?guī)r中更發(fā)育。由沙洲壩地區(qū)巖溶發(fā)育與巖石成分關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果(表2)可知，石灰?guī)r中CaO含量>50%，白云石、硅質(zhì)、碳質(zhì)灰?guī)rCaO含量大多數(shù)<50%,CaO含量>50%的灰?guī)r巖溶發(fā)育段多數(shù)為5.60～76.60 m，CaO含量<50%的灰?guī)r巖溶不發(fā)育段多數(shù)為37.00～260.58 m。該區(qū)馬平組灰?guī)rCaO含量高于黃龍組灰?guī)r，棲霞組灰?guī)rCaO含量最低，而MgO和酸不溶物含量逐漸增高。因此，馬平組灰?guī)r巖溶發(fā)育程度強于黃龍組灰?guī)r，棲霞組灰?guī)r巖溶發(fā)育強度最弱。

表2 沙洲壩地區(qū)巖溶發(fā)育與巖石成分關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Relation between karst development and rock compositions in Shazhouba area

3.3 巖溶沿可溶巖層面發(fā)育

由于巖性變化，地下水對巖石的溶解作用具有差別，因此，巖溶作用也不同?？扇軒r是分旋回沉積的，各旋回的沉積物顆粒較粗，形成一些孔隙，這些孔隙為地下水運移提供了運動場所，使地下水沿層面孔隙運動，不斷對其進行侵蝕、溶蝕，逐漸擴展，進而對其上、下旋回的巖石進行溶蝕和沖刷，久而久之便形成了眾多沿層面發(fā)育的溶洞及溶蝕裂隙。沙洲壩盆地施工的鉆孔中，9%的溶洞沿巖層層面發(fā)育。

1.粉質(zhì)黏土；2.灰?guī)r；3.下降泉；4.聯(lián)圩組；5.馬平組圖4 泉點成因示意圖Fig. 4 Sketch map showing the formation of spring point

圖5 泉點宏觀特征Fig. 5 Macroscopic characteristics of spring point

3.4 巖溶主要發(fā)育在淺部

淺部可溶巖由于裂隙發(fā)育，地表水的垂直滲透和地下水的水平運動速度較快，侵蝕CO2易進入巖層，形成垂直或水平的溶蝕裂隙和溶洞。深部裂隙不發(fā)育，地下水運動滯緩，進入巖層的CO2少，巖溶發(fā)育遠(yuǎn)遜于淺部。根據(jù)沙洲壩供水區(qū)勘探資料，巖溶發(fā)育深度一般在地表以下100 m內(nèi)。距地表100 m以下(標(biāo)高<100 m)，除了斷裂復(fù)合部位可見溶洞外，一般無溶洞發(fā)育，只見溶蝕小孔和溶蝕裂隙。在該區(qū)鉆孔所遇的45個溶洞中，其中37個溶洞發(fā)育在標(biāo)高100 m以上(圖6)。

圖6 瑞金市沙洲壩盆地溶洞發(fā)育散點圖Fig. 6 Scatter diagram of karst cave development in Shazhouba Basin, Ruijin City

在該區(qū)地表調(diào)查訪問中，24 km2范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)52個巖溶塌陷和落水洞，進一步佐證了巖溶在近地表發(fā)育。在九堡鎮(zhèn)楊梅村施工的CK5鉆孔，位于石炭系黃龍組之上，在孔深22.30～23.21 m裂隙較發(fā)育，并見溶蝕，形成孔洞，孔洞表面見溶蝕網(wǎng)格；23.21～23.31 m、24.54～24.59 m、40.72～41.02 m、47.13～47.43 m見溶蝕，形成小孔洞；47.43～54.00 m見溶洞，由泥質(zhì)、礫石半充填，掘進鉆桿自由下落，水位也突然下降，單井涌水量為279.85 m3/d。

4 巖溶地下水富集規(guī)律

巖溶地下水流動系統(tǒng)受巖溶發(fā)育、地形地貌、地層產(chǎn)狀、巖性組合、斷層破碎帶及溶洞、裂隙節(jié)理的展布影響，地質(zhì)構(gòu)造條件和水文地質(zhì)條件綜合分析法是構(gòu)造控水研究的基本方法[12-13]。在自然條件相似或基本相同的情況下，灰?guī)r的富水性強于白云巖，純灰?guī)r的富水性強于不純灰?guī)r[14]。巖溶水的富集特征與可溶巖分布、巖溶發(fā)育強度及地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)[15]。 可溶巖中的張性斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育程度比兩側(cè)可溶巖地層強，當(dāng)斷裂破碎帶位于巖溶水徑流區(qū)時，形成巖溶強徑流帶[16]。巖溶地下水富集的不均一性是巖溶發(fā)育不均一的反映，它與地層巖性、地貌、地質(zhì)構(gòu)造及新構(gòu)造運動等有關(guān)，在同一含水層中，大多數(shù)同時并存著細(xì)微溶隙和巨大的洞穴管道[17]。區(qū)內(nèi)巖溶水的富水性極不均一，地下水的賦存和富集與巖性、構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度以及補給條件密切相關(guān)，主要有以下特征。

4.1 斷裂帶及其復(fù)合部位地下水富集

張性斷裂帶巖溶化程度強烈，常沿走向發(fā)育溶洞、管道，在地表形成谷地、串珠狀落水洞，只要地形條件適宜，往往形成富水帶[18]。斷裂帶附近裂縫發(fā)育，是地下水的良好通道[19]。區(qū)內(nèi)壓性斷裂、壓扭性斷裂帶含水性差，具有隔水作用。上盤溶蝕裂隙、溶洞極發(fā)育，下盤基本不見溶洞，僅見溶蝕裂隙，且大多數(shù)裂隙被方解石充填，富水性具有明顯差異。

斷裂上盤大多派生張性裂隙，如ZK9鉆孔與ZK107鉆孔見含水豐富的巖溶裂隙帶，溶洞多呈串珠狀，以充填及半充填為主。垂向上出現(xiàn)3個富水性不同的含水段，分別為上部弱含水段、中部強含水段和下部不含水段。含水強弱與溶蝕裂隙、溶洞的充填情況有關(guān)。上部弱含水段，雖然溶洞發(fā)育，數(shù)量多，但大多數(shù)為全充填溶洞，充填物以泥質(zhì)為主，富水性較差；中部強含水段，以半充填、無充填溶洞為主，溶蝕裂隙呈帶狀，富水性較好；下部不含水段，為全充填溶洞，充填物為紫紅色泥質(zhì)及灰?guī)r碎塊，膠結(jié)性及黏性較好，不含水，且具有較好的隔水作用。

4.2 地下水排泄區(qū)及主要徑流帶地下水富集

地下水徑流排泄區(qū)的巖溶發(fā)育帶與隔水地層的聯(lián)合匯水作用，一般可形成巖溶水富集帶，出露的泉水或單井流量較大[16]。盆地排泄區(qū)下二疊統(tǒng)巖溶不發(fā)育，根據(jù)ZK21鉆孔和ZK9鉆孔資料，該層厚度分別為251.25 m和83.30 m，形成阻水體。白堊系弱含水層覆蓋于巖溶水含水層之上，具有一定的阻水作用，形成了大埠橋一帶地下水富集區(qū)。排泄區(qū)泉群集中，流量大，鉆孔單位涌水量可達23.68 L/s·m，是區(qū)內(nèi)地下水最富集的地段。

區(qū)內(nèi)NW向、SE向主要地下水徑流帶是地下水的富集帶，帶內(nèi)巖溶發(fā)育，灰?guī)r質(zhì)純，地表巖溶塌陷較發(fā)育。根據(jù)ZK105鉆孔資料，地下水具有良好的徑流通道，該帶第四系松散層較薄，有利大氣降水和地表水的滲入補給。第四系松散層孔隙水與巖溶水具有較好的水力聯(lián)系，形成以第四系粉質(zhì)黏土為相對隔水頂板的承壓水、孔隙-巖溶水富集帶。

4.3 褶皺及斷裂轉(zhuǎn)折部位地下水富集

褶皺軸部是應(yīng)力集中部位，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖溶多沿褶皺軸部發(fā)育，同時受局部斷裂的控制，巖溶也相對較集中發(fā)育在斷層面附近或斷裂帶上[20]。褶皺及斷裂的轉(zhuǎn)折部位巖石破碎，有利于巖溶發(fā)育。大埠橋一帶的倒轉(zhuǎn)向斜轉(zhuǎn)折部位，由于構(gòu)造裂隙發(fā)育，含水性較差的下二疊系中含碳灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r富水性均較強，與其他地段同一巖性的富水性具有明顯的差異。

4.4 淺部地下水富集

鉆孔資料表明，區(qū)內(nèi)巖溶地下水主要富集于地面以下30～80 m內(nèi)，在地下水排泄基準(zhǔn)面標(biāo)高189 m以下，孔深一般不超過130 m。淺部垂向滲入及側(cè)向水交替較深部強烈，溶洞發(fā)育。因此，淺部地下水較富集。

5 結(jié)論

(1)沙洲壩地區(qū)巖溶發(fā)育受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌等因素控制，巖溶主要在淺部沿斷裂、可溶巖層面、質(zhì)純的可溶巖等部位發(fā)育。

(2)沙洲壩地區(qū)巖溶地下水主要在斷裂帶及其復(fù)合部位、地下水排泄區(qū)及主要徑流帶、褶皺及斷裂的轉(zhuǎn)折部位富集。

(3)在巖溶區(qū)建井開采地下水資源，要實行統(tǒng)籌安排和監(jiān)督管理，加強環(huán)境保護意識。