某非碳酸鹽變質(zhì)巖區(qū)大理巖成因與溶蝕特征

鄧爭(zhēng)榮，楊友剛，吳樹(shù)良，鄭 新，雷世兵，曹道寧

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院長(zhǎng)江巖土工程總公司，武漢 430010）

碳酸鹽巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用或與巖漿巖體接觸帶經(jīng)接觸熱流變質(zhì)作用會(huì)形成大理巖，是毋庸置疑的基本常識(shí)，但在非碳酸鹽巖變質(zhì)巖區(qū)或與巖漿巖體接觸帶，大理巖的分布與形成屬于基本常識(shí)的變質(zhì)作用成因，還是幔源或殼源巖漿成因［1］［2］，需經(jīng)綜合研究后才能得到結(jié)論。大理巖為碳酸（鹽）巖巖石，可溶性強(qiáng)，并不是有分布，就存在發(fā)育溶洞（縫、隙）等溶蝕現(xiàn)象，須具備合適的溶蝕發(fā)生條件，才會(huì)發(fā)育。以某非碳酸鹽變質(zhì)巖區(qū)大理巖為例，利用工程勘察取得的資料，在其所處地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)上，就其分布與成因、溶蝕特征及溶蝕成因進(jìn)行分析，并簡(jiǎn)要闡述其溶蝕對(duì)擬建工程產(chǎn)生的影響。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

某地區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，山脈地勢(shì)總體上具有北高南低、東高西低的特點(diǎn)。主干河流自北向南流經(jīng)區(qū)內(nèi)，河谷呈較開(kāi)闊“V”字形，河床地面高程229～249m，兩岸山體高聳，沖溝較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)臨江山頂高程1 000～1 500m，多呈近南北向展布。

區(qū)內(nèi)地表大部分覆蓋第四系殘坡積層，由黏土夾母巖風(fēng)化碎屑或碎石組成，厚度一般3～25m，下伏基巖主要為中上元古界（Pt2－3）結(jié)晶變質(zhì)雜巖，系黏土質(zhì)巖石和雜砂巖經(jīng)多期變質(zhì)作用形成，為非碳酸鹽變質(zhì)巖，僅局部出露，左岸基巖主要為斑狀變晶花崗片麻巖，局部為片巖（呈帶狀）和斷裂構(gòu)造巖；右岸基巖主要為花崗片麻巖，局部分布有后期巖漿活動(dòng)侵入形成的花崗巖巖株，并伴有少量大理巖。河床上覆第四系沖積層，由上部粉細(xì)砂～中細(xì)砂和下部砂礫卵石夾含漂石組成，厚度一般11～50m；下伏基巖為花崗片麻巖，局部為斷裂構(gòu)造巖。

該地區(qū)在大地構(gòu)造上處于岡底斯—念青唐古拉褶皺系（Ⅱ）伯舒拉嶺—高黎貢山褶皺帶（Ⅱ2）中的銅壁關(guān)褶皺束（Ⅱ32）。出露基巖片麻理或片理走向355°～15°，以主干河流河床左側(cè)近岸為界，左岸傾向近E，傾角65°～75°；河床及右岸傾向近W，傾角70°～80°。斷層和裂隙是地區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡。斷層按發(fā)育方向可分為走向北北東—近南北（5°～35°）、近東西（NEE或NWW）陡傾角兩組。巖體裂隙主要發(fā)育走向NNW～NNE、NEE、NWW、NW四組，以中陡傾角為主。區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為自上新世以來(lái)的間歇性升降運(yùn)動(dòng)，區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為間歇性快速抬升運(yùn)動(dòng)。

區(qū)內(nèi)巖體全強(qiáng)風(fēng)化帶，主干河流左岸厚度一般小于16m，局部達(dá)19～29m；右岸厚度一般小于15m，局部達(dá)20～33m；河床中部一般無(wú)分布，兩側(cè)近岸邊厚5～28m。巖體弱風(fēng)化帶，主干河流左岸厚度一般小于10m，且多小于5m，局部達(dá)15～29m；右岸厚度一般小于8m，且亦多小于5m，局部達(dá)10～29m；河床中部一般無(wú)分布，僅局部厚1～16m。

本區(qū)位于亞熱帶氣候區(qū)南部，雨量豐富，兩岸植被茂盛，沖溝多有季節(jié)性水流，旱季較大沖溝有常年性流水，主干河流是區(qū)內(nèi)地表水、地下水的最低排泄基準(zhǔn)面。區(qū)內(nèi)地下水按賦存條件（含水介質(zhì)特性）可分為孔隙水、基巖裂隙水。孔隙水賦存于第四系松散堆積層和基巖全強(qiáng)風(fēng)化帶孔隙中，水量貧乏；基巖裂隙水賦存于兩岸與河床弱風(fēng)化帶及以下基巖裂隙中，地下水埋深左岸一般20～47m、右岸一般8～35m。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，以孔隙、裂隙為其徑流通道，向溝谷和主干河流河床運(yùn)移，最終以分散形式向主干河流排泄。

區(qū)內(nèi)微新巖體透水率多屬微透水～弱透水。地表水、地下水水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3－Ca型水；地表水、右岸岸坡和河床地下水pH值主要為7．50～8．32，多屬弱堿性水［3］，左岸岸坡地下水pH值主要為6．57～7．49，多屬中性水；地表水、地下水礦化度在48～480mg／L間，屬淡水。水化學(xué)離子含量陰離子以HC為主，比例大于86%；地表水、地下水中普遍含游離CO2，含量一般8～25mg／L，高者約達(dá)50mg／L，且地下水中其含量偏高。

2 大理巖分布與成因

2．1 分布

據(jù)鉆孔及平洞揭露，本地區(qū)大理巖僅見(jiàn)于右岸，灰白色、淺灰色，呈分散狀透鏡體分布于距基巖頂面一定深度以下，具有團(tuán)狀隨機(jī)分布、不具備連續(xù)成帶分布特征，但局部一定范圍表現(xiàn)為線(xiàn)性透鏡狀分布特征，且其分布與花崗巖關(guān)系緊密，特點(diǎn)是位于花崗巖中或邊緣部位，而花崗巖以巖株形態(tài)產(chǎn)出，可是分布花崗巖的部位不一定分布有大理巖。

右岸勘察鉆孔深度（鉛直最深350m）范圍和平洞（水平最深約500m）內(nèi)、地表露頭，在結(jié)晶變質(zhì)雜巖（以花崗片麻巖為主）巖體中未發(fā)現(xiàn)有大理巖分布。

2．2 成因

本地區(qū)有地質(zhì)資料顯示，大理巖透鏡體成因不明。經(jīng)工程勘察研究，可以判斷得出其成因?yàn)闅ぴ磶r漿成因，具有巖漿巖特征，分兩種情形，一種是巖漿侵入地殼熔融接觸的碳酸鹽巖，攜帶碳酸鹽成分礦物上升聚集結(jié)晶成巖而形成，主要證據(jù)有：①大理巖插入到花崗巖體中，含有花崗巖包裹體（圖1）；②大理巖插入到花崗巖體中或邊緣，圍繞巖體邊界接觸面不規(guī)則，系在侵入過(guò)程中受?chē)鷰r限制形成的流動(dòng)構(gòu)造（圖2）；③大理巖中巖礦鏡鑒結(jié)果顯示方解石含量89%～97%，但次要或副礦物有透輝石（含量2%～8%）、金云母（含量0．1%～2%）、褐鐵礦或黃鐵礦（含量＜0．1%）、榍石（含量＜0．1%），極少量出現(xiàn)絹云母、透閃石、方柱石、石榴石等；花崗巖巖礦鏡鑒結(jié)果顯示除正常的礦物組分外，方解石含量2%～7%。另一種是巖漿侵入熔融接觸的含碳酸鹽成分的巖石，碳酸鹽成分礦物就近聚集結(jié)晶成巖，主要證據(jù)為：右岸結(jié)晶變質(zhì)雜巖雖以花崗片麻巖為主，但局部雜巖中巖礦鏡鑒結(jié)果顯示方解石、白云石各自含量10%～20%，而且主要出現(xiàn)方解石、白云石少有，表明右岸在花崗巖成巖前的巖漿侵入時(shí)，圍巖熔融過(guò)程中可為大理巖的形成提供物質(zhì)來(lái)源，大理巖為熔融后方解石、白云石礦物聚集重結(jié)晶的產(chǎn)物。分析認(rèn)為，前一種情形是該地區(qū)大理巖殼源巖漿成因的主要情形。

3 大理巖溶蝕特征及溶蝕成因

3．1 溶蝕特征

經(jīng)鉆孔及平洞揭露，分散狀透鏡體分布的大理巖大部分無(wú)溶蝕現(xiàn)象，僅少部分存在溶蝕現(xiàn)象，發(fā)育溶洞（縫）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆孔及平洞揭露大理巖共94段（鉆孔90段、平洞4段），發(fā)育溶洞（縫）的僅14處，占總數(shù)的14．9%，且全部分布于鉆孔揭露段中，發(fā)育的溶洞（縫）鉛直高度0．3～4．7m，最大6．5 m，規(guī)模較小，多無(wú)充填，其中3處細(xì)砂～中砂充填、1處中粗砂充填，2處中粗砂半充填，充填的砂為風(fēng)化成因、地下水活動(dòng)攜入形成。

圖1 大理巖含有花崗巖包裹體

圖2 大理巖與圍巖接觸部位可見(jiàn)的流動(dòng)構(gòu)造

發(fā)育的溶洞（縫）高程高低錯(cuò)落，底板最高高程約322m、最低高程約185m，所揭示溶洞（縫）底板最低高程接近附近主河床最低基巖頂面，與地下水排泄基準(zhǔn)面相關(guān)聯(lián)；除2處分別位于微風(fēng)化巖帶裂隙性斷層上部或裂隙密集帶鄰近部位外，其余位于全強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)或其下限以下15．1 m深度的弱風(fēng)化帶及近弱風(fēng)化帶范圍內(nèi)。

據(jù)大理巖分布形態(tài)及其與花崗巖成生關(guān)系、大理巖中發(fā)育的溶洞（縫）分布及充填特征分析認(rèn)為，發(fā)育的溶洞（縫）不具備管道型巖溶的特征，是局部的，相對(duì)孤立的，不會(huì)構(gòu)成連通的巖溶管道。

3．2 溶蝕成因

該地區(qū)分布的大理巖溶蝕形成溶洞（縫）具備了三方面的條件：①分布的大理巖是方解石含量很高，亦即純度很高的碳酸鹽巖石，可溶性強(qiáng)；②發(fā)育溶洞（縫）的分布部位，巖體透水性強(qiáng)，系地下水活動(dòng)（循環(huán)、交替）強(qiáng)烈?guī)?；③本區(qū)屬亞熱帶氣候區(qū)，雨量豐富，地表水、地下水中CO2含量較高，水的溶蝕力較強(qiáng)，這些為溶洞（縫）的發(fā)育提供了有利因素。

大理巖大部分無(wú)溶蝕現(xiàn)象，是因?yàn)樘幱谖⑿聨r帶中，巖體完整程度好［4］，圍巖環(huán)境封閉，不具備溶蝕發(fā)生的外部條件。

4 大理巖溶蝕對(duì)擬建工程的影響

本地區(qū)擬建Ⅰ等大（1）型水電站工程，由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。其中，擋水建筑物設(shè)計(jì)為碾壓混凝土重力壩，擬正常蓄水位高出河床枯水位150m以上，壩頂高出正常蓄水位8．0m，設(shè)計(jì)最大壩高200m余。右岸為了封堵一低于壩頂高程的地形小埡口，大壩設(shè)置有右岸連接壩段。

圖3 右岸連接壩段及附近含大理巖鉆孔分布圖

右岸連接壩段及附近分散狀分布有大理巖（圖3），據(jù)鉆孔揭示，僅少數(shù)孔段（自上游向下游4處）的大理巖存在溶蝕現(xiàn)象，發(fā)育溶洞（縫）（圖4），鉛直高度0．7～3．7m，溶蝕規(guī)模較小，除下游鄰近大壩1處充填細(xì)砂外，其余無(wú)充填。此部位溶洞（縫）同樣高程高低錯(cuò)落，底板最低高程約240m，位于壩段西端上游。

圖4 右岸連接壩段及附近大理巖溶蝕特征典型剖面圖

壩段西端附近分布的大理巖，強(qiáng)度、變形參數(shù)高，與圍巖對(duì)應(yīng)參數(shù)相差甚小，其中揭示的溶洞（縫）規(guī)模較小，未分布在壩基下，且距壩基邊緣大于65m，對(duì)大壩工程建基巖體無(wú)不利影響；所揭示溶洞（縫）不會(huì)構(gòu)成連通的巖溶管道，亦即壩基不存在集中滲漏通道，但大壩建成水庫(kù)蓄水后，原有地下水動(dòng)力條件會(huì)發(fā)生改變，不排除庫(kù)水通過(guò)大理巖中發(fā)育的溶洞（縫）與巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)等溝通發(fā)生水力聯(lián)系形成下滲通道的可能，需加強(qiáng)防滲工程措施。

5 結(jié) 語(yǔ)

本地區(qū)分布的大理巖經(jīng)工程勘察研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）大理巖僅見(jiàn)于右岸，呈分散狀透鏡體分布于距基巖頂面一定深度以下，具有團(tuán)狀隨機(jī)分布，不具備連續(xù)成帶分布特征，且其分布與花崗巖關(guān)系緊密，位于花崗巖中或邊緣部位，但分布花崗巖的部位不一定分布有大理巖。

（2）本地區(qū)有地質(zhì)資料顯示，大理巖透鏡體成因不明。經(jīng)工程勘察研究：判斷其成因?yàn)闅ぴ磶r漿成因，分兩種情形，一種是巖漿侵入地殼熔融接觸的碳酸鹽巖，攜帶碳酸鹽成分礦物上升聚集結(jié)晶成巖而形成；另一種是巖漿侵入熔融接觸的含碳酸鹽成分的巖石，碳酸鹽成分礦物就近聚集結(jié)晶成巖，且前一種情形是該地區(qū)大理巖成因的主要情形。

（3）大理巖大部分無(wú)溶蝕現(xiàn)象，僅少部分存在溶蝕現(xiàn)象，發(fā)育溶洞（縫），高程高低錯(cuò)落，底板最低高程接近附近主河床最低基巖頂面，與地下水排泄基準(zhǔn)面相關(guān)聯(lián)。

（4）大理巖中發(fā)育的溶洞（縫）主要位于全強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)或其下限以下15．1m深度的弱風(fēng)化帶及近弱風(fēng)化帶范圍內(nèi)；少量位于微風(fēng)化巖帶裂隙性斷層上部或裂隙密集帶鄰近部位。其發(fā)育系同時(shí)具備溶蝕發(fā)生的內(nèi)部和外部條件而形成。

（5）擬建水電站工程大壩設(shè)置有右岸連接壩段，西端附近分布的大理巖，強(qiáng)度、變形參數(shù)高，與圍巖對(duì)應(yīng)參數(shù)相差甚小，其中揭示的溶洞（縫）規(guī)模較小，未分布在壩基下，且距壩基邊緣大于65m，對(duì)大壩工程建基巖體無(wú)不利影響；所揭示溶洞（縫）不會(huì)構(gòu)成連通的巖溶管道，亦即壩基不存在集中滲漏通道，但大壩建成水庫(kù)蓄水后，不排除庫(kù)水通過(guò)溶洞（縫）與巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)等形成下滲通道的可能，需加強(qiáng)防滲工程措施。

［1］ 趙 斌，趙勁松，汪勁草，等．一種可能的新碳酸巖類(lèi)型：殼源成因碳酸巖［J］．地球化學(xué)，2004，33（6）：649-662．

［2］ 汪勁草，趙 斌，等．大冶鐵礦接觸帶發(fā)現(xiàn)巖漿成因的大理巖［J］．桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，（2）：302-304．

［3］ 常士驃，等．工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）［S］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007，2．

［4］ 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB50287－2006）［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008，11．