徐州市區(qū)巖溶發(fā)育特征及成因機理研究

劉沂軒 杜珍應

（1.中國礦業(yè)大學資源學院，江蘇 徐州 221008；2.徐州水文水資源勘測局，江蘇 徐州 221006）

0 引言

徐州市區(qū)地下巖溶較為發(fā)育，成為巖溶地下水的天然“容器”，由此形成諸如七里溝、丁樓等多個大型水源地，巖溶地下水成為城市供水主要水源之一。相關部門先后于1959年、1971年、1985年在徐州市區(qū)開展了專門性水文地質(zhì)工作，對巖溶發(fā)育進行了全面、系統(tǒng)、深入的研究，取得了大量成果，這些成果為研究巖溶發(fā)育規(guī)律和巖溶地下水資源開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。

1 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地層屬華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐宿地層小區(qū)，基底為太古界變質(zhì)巖（未出露）；上元古界僅見青白口系、震旦系（不全），為一套碎屑巖沉積；古生界寒武系—奧陶系中統(tǒng)以碳酸巖為主，下部夾碎屑巖，缺失奧陶系上統(tǒng)—石炭系下統(tǒng)；石炭系中—上統(tǒng)為碎屑巖、煤層及灰?guī)r互層；二疊系為碎屑巖夾煤層沉積。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水按其賦存的介質(zhì)巖性條件，可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水三種類型。

松散巖類孔隙水主要賦存在第四系全新統(tǒng)粉砂、粉土及上更新統(tǒng)砂層中，屬潛水—弱承壓水。根據(jù)取樣測試，全新統(tǒng)粉砂滲透系數(shù)K區(qū)間值為 0.025～1.32 m/d，平均值 0.56 m/d；粉土滲透系數(shù)區(qū)間值為0.0062～0.13 m/d；屬弱透水層?？紫端畬臃植技昂穸茸兓^大，一般為4～22 m，富水性不均勻。單井涌水量一般小于500 m3/d。

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水賦存在純碳酸鹽巖中，包括寒武系中統(tǒng)張夏組、寒武系上統(tǒng)及奧陶系下—中統(tǒng)等含水層。巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，富水性不均勻，主要與巖溶發(fā)育程度有關，巖溶發(fā)育強，富水性好，巖溶發(fā)育弱，富水性差。單井涌水量一般在1000～10000 m3/d，局部大于10000 m3/d。

碎屑巖裂隙溶洞水賦存在寒武系下統(tǒng)猴家山組—中統(tǒng)徐莊組及石炭系中—上統(tǒng)含水層中，巖性為灰?guī)r、頁巖、砂巖，裂隙巖溶發(fā)育一般較弱，富水性較差。單井涌水量一般在500～1000 m3/d［1］。

2 巖溶形態(tài)

研究區(qū)巖溶類型屬北方巖溶類型，按碳酸鹽巖的埋藏條件可分為裸露型巖溶和覆蓋型巖溶。區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育形態(tài)主要包括溶溝、石芽、溶蝕裂隙、溶孔及溶洞等。

2.1 溶溝及石芽

溶溝、石芽是碳酸鹽巖裸露區(qū)較普遍發(fā)育的巖溶形態(tài)，特別是在山麓部位，由于地表匯水條件較好，溶溝、石芽十分發(fā)育。溶溝一般是沿層面裂隙和構造裂隙發(fā)育，局部也沿水流方向發(fā)育，寬度一般為0.2～0.5 m，深度一般為0.5～2.0 m，溶溝之間的石芽寬度一般在0.5～1.0 m左右。不同方向的溶溝構成網(wǎng)絡狀。

2.2 溶蝕裂隙

溶蝕裂隙是區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育的巖溶形態(tài)，是巖溶地下水補給和運移的主要通道。溶蝕裂隙可分為三種：

（1）節(jié)理溶蝕裂隙。沿分散的構造節(jié)理溶蝕擴大而成，切穿性差，延伸長度小，寬幾毫米至十幾厘米，裂隙面常見水蝕痕跡。

（2）層面溶蝕裂隙。沿碳酸鹽巖層面裂隙發(fā)育，特別是在鮞狀灰?guī)r與砂巖、O1x灰?guī)r與O1j泥質(zhì)白云巖接觸部位更為發(fā)育，有時發(fā)育成溶洞，區(qū)內(nèi)部分巖溶塌陷即與之有關。

（3）溶蝕裂隙帶。沿斷層帶或裂隙密集帶溶蝕擴大而成，切穿性強，溶蝕強烈，局部發(fā)育成溶洞，延伸較長，是地下水運動的主要通道，構成巖溶水強徑流帶。如：沿廢黃河斷裂帶即形成了這種類型的溶蝕裂隙帶。

2.3 溶孔

溶孔是區(qū)內(nèi)地下巖溶的常見形態(tài)，多呈蜂窩狀或網(wǎng)格狀。以O1x～O1m中角礫狀灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r及其它結晶碳酸鹽巖地層中最為常見。

2.4 溶洞

區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的溶洞屬于中小型溶洞，沿斷裂構造或?qū)用媪严栋l(fā)育，形成廊道式水平洞穴形態(tài)，最大延伸可達數(shù)十米。如：九里山白云洞，洞口標高90 m左右，延伸長40.2 m，寬2.0～8.7 m，高 1.0～1.4 m（1982年調(diào)查資料）。

隱伏區(qū)溶洞更為發(fā)育，特別是在構造斷裂帶中，發(fā)育深度可達100 m［2］。

3 巖溶發(fā)育特征

3.1 地層巖性與巖溶發(fā)育的關系

巖石的可溶性是影響巖溶發(fā)育的主要因素，巖石的可溶性主要取決于巖石成份和巖石結構。徐州市區(qū)存在的可溶巖為碳酸鹽巖，該地層廣泛分布，沉積厚度數(shù)千米，是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎。根據(jù)礦物成分碳酸鹽巖分為：石灰?guī)r類（包括泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r）和白云巖類（包括泥質(zhì)白云巖）。石灰?guī)r的成份以方解石為主，白云巖的成份以白云石為主，方解石和白云石含量是決定巖石溶解度的主要因素。巖溶發(fā)育程度與巖性關系見表1。

表1 巖溶發(fā)育程度與巖性關系統(tǒng)計表

3.2 巖溶發(fā)育與可溶巖厚度的關系

研究區(qū)巖溶發(fā)育程度還與可溶性巖層的厚度有關。厚層狀的碳酸鹽巖一般是在相對穩(wěn)定的環(huán)境下沉積而成，其不溶（難溶）性物質(zhì)含量較少，二薄層狀或碎屑巖互層的碳酸鹽巖一般表現(xiàn)為環(huán)境多變，含不溶性物質(zhì)偏多，抗溶蝕能力強，不利于巖溶發(fā)育。如：區(qū)內(nèi)張夏組、馬家溝組、肖縣組以厚層狀的灰?guī)r為主，且無非巖溶層的存在，巖溶發(fā)育較好，其它各組可溶性巖層相對較薄，多含不溶物質(zhì)或夾有非巖溶層，巖溶發(fā)育相對較低。

3.3 水的侵蝕作用

水的侵蝕作用是巖溶發(fā)育的另一個基礎條件，研究區(qū)地下水的水化學成份在不同巖層或同一巖層中的不同深度差異較大，水化學成份的改變和不同地段富水程度的強弱，造成巖溶發(fā)育程度上的差異和垂向的分帶性。如：區(qū)內(nèi)松散層中地下水的游離CO2平均含量約為32 mg/L，侵蝕性CO2約為0.7 mg/L，巖溶泉水中含量約為7 mg/L，而地面下150 m附近的巖溶水中含量約為8 mg/L。

3.4 地質(zhì)構造對巖溶發(fā)育的控制作用

研究區(qū)巖溶發(fā)育除了受可溶巖層厚度、地層巖性的影響外，同時還受地質(zhì)構造的控制。地質(zhì)構造的控制作用主要表現(xiàn)為：一方面，構造運動使巖層發(fā)生形變或者改變碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖地層的組合關系，從而控制巖溶的發(fā)育規(guī)律及巖溶地下水的富集和運移規(guī)律；另一方面，構造運動使巖層發(fā)生破裂與位移，加大了巖溶地層的溶蝕空間，提供巖層的透水性，從而對巖溶及其巖溶地下水起到了控制作用。如圖1所示。

圖1 巖溶溶洞分布與構造的關系圖

3.4.1 褶皺的控制作用

褶皺控制了巖層的走向及空間形態(tài)，弧形構造體系的主要特征是隔擋式的褶皺，背斜緊密，而向斜寬緩。在背斜部位巖溶的發(fā)育方向及巖溶地下水的富集、運用空間均沿弧形方向呈條帶狀，而寬緩的向斜則往往形成富水的向斜蓄水盆地。

背斜的控制作用。徐州復背斜核部由土門組及城山組非碳酸鹽巖組成，透水性強，構成斜貫全區(qū)的相對弱透水條帶；在地形地貌有利條件下，補給水容易沿背斜樞紐匯流，形成富水帶。

向斜的控制作用。一是向斜核部處于洼地活谷地時，巖溶水補給條件好，而且核部為碳酸鹽巖地層，容易形成富水的向斜盆地，如：七里溝復向斜盆地；二是核部沉積很厚的石炭二疊系非碳酸鹽巖地層，而兩翼為寒武奧陶系的碳酸鹽巖地層，地形地貌上容易形成洼地或谷地，地下水由兩翼向核部運移，由于巖溶發(fā)育程度向深部減弱，地下水流受阻而富集于翼部，如：賈汪復向斜、拾屯復向斜南段東南翼及閘河復向斜的兩翼。

3.4.2 斷裂的控制作用

徐州弧形構造翼部多分布與構造線方向一致的壓、壓扭性斷裂，規(guī)模大、延伸長，大多與褶皺平行，少數(shù)斜切，由于褶皺的強烈擠壓，多為一些高角度的逆沖或逆掩斷層，被斷層泥、糜棱巖或膠結緊密的角礫填充，起相對弱透水作用，斷裂帶富水性差，單井涌水量小，不少為干孔。

弧形構造的內(nèi)、外兩側常有一定寬度的裂隙密集帶和斷裂影響帶，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，易形成富水性較好的條帶狀富水帶。同時，在弧形褶皺及斷裂彎曲轉折端，常發(fā)育羽狀或放射狀張扭性斷裂，有利于巖溶發(fā)育和巖溶地下水的富集和運移。

研究區(qū)多個大型巖溶地下水水源地的形成都是斷裂構造控制作用的結果。如：不牢河張扭性斷裂和廢黃河張扭性斷裂帶切穿多個含水層，使含水層直接沿斷裂破碎帶發(fā)生較為密切的水力聯(lián)系，形成多個單井涌水量5000 m3/d以上的巖溶地下水供水水源地［3-5］。

4 結語

研究區(qū)影響巖溶發(fā)育因素包括巖石成份、地質(zhì)構造、水的侵蝕、可溶巖厚度等。巖性是基礎，構造是主導，水動力變化是條件，且受地形地貌等其他因素的綜合影響，互為條件，互相制約。若其中某一因素發(fā)生變化，都會增大或減小溶蝕發(fā)育速度，這也是造成區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育和分布不均勻的根本原因。另外，研究區(qū)為徐州市主城區(qū)，建筑物密集，特別是近幾年來，高強度開采巖溶地下水，已出現(xiàn)巖溶塌陷、水位下降等環(huán)境地質(zhì)問題，故探討巖溶發(fā)育特征及成因機理有利于工程的安全建設和水資源的可持續(xù)利用［6］。

［1］熊彩霞，劉沂軒.徐州市區(qū)地面塌陷與巖溶水開采關系研究［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2009（1）：80-82.

［2］熊彩霞.徐州市環(huán)境巖土工程問題研究［D］.中國礦業(yè)大學，2003：55-60.

［3］胡昌林，等.江蘇省徐州市城市供水水文地質(zhì)勘察報告［R］.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，1985：36-68.

［4］李義昌，胡建國，孫亞軍，等.徐州市規(guī)劃區(qū)巖溶地下水資源管理研究報告［R］.中國礦業(yè)大學，徐州市節(jié)約用水辦公室，1999：31-32.

［5］江蘇省徐州市巖溶地面塌陷災害地質(zhì)勘查報告［R］.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1996.

［6］劉功余.桂南紅層巖溶及其發(fā)育控制因素探討［J］.中國巖溶，2011（2）：153-154.