川南古敘地區(qū)巖溶發(fā)育特征及影響因素探討

趙 瑞, 許 模, 范辰辰， 王橚橦

(成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室, 成都 610059)

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川南古敘地區(qū)巖溶發(fā)育特征及影響因素探討

趙 瑞, 許 模, 范辰辰， 王橚橦

(成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室, 成都 610059)

四川盆地南緣古藺—敘永一帶巖溶發(fā)育具有鮮明的規(guī)律特征，多級水平溶洞說明研究區(qū)經(jīng)歷了幾個不同的地質時期，代表了主要的水平溶蝕作用，相鄰兩層不同高程的溶洞之間則被垂向的溶洞、溶隙所串聯(lián)，又反映了以垂向溶蝕作用為主的另一個時期，水平和垂向溶蝕的交替出現(xiàn)是本區(qū)巖溶的一個重要形式，同時以巖溶為介質的階梯狀管道流特征十分明顯。文中統(tǒng)計了研究區(qū)內各巖溶類型的基本發(fā)育特征，總結了巖溶發(fā)育的高程分帶以及巖溶管道流循環(huán)特征，探討了該類巖溶模式除受到挽近構造運動作間歇性上升的影響外，河谷下蝕變遷以及地下水循環(huán)演化也是形成區(qū)內多級巖溶的因素之一，從而為人類工程活動提供一定的指導意義。

巖溶發(fā)育特征; 影響因素; 統(tǒng)計分析; 古敘地區(qū)

巖溶發(fā)育特征分析研究對巖溶發(fā)育程度的理論研究、巖溶地質環(huán)境以及人類重大工程建設活動有重要的指導意義。中國西南地區(qū)是典型的可溶巖發(fā)育地帶，許多學者對該地區(qū)的巖溶發(fā)育程度進行了大量的相關性研究，其中巖溶溶蝕機理、巖溶水運動、巖溶地貌的形態(tài)結構、形成與演化、發(fā)育歷史和年代學以及洞穴學等多個方面均有建樹。同時，前人們還運用巖溶調查探測、堆積物測年、定位觀測、巖溶水動力學試驗，原位地質模型以及統(tǒng)計計算等多種方法相結合的手段對一些大規(guī)模區(qū)域或復雜區(qū)域的巖溶規(guī)律性進行了基礎及應用研究，并取得了不錯的成果。

近年來，人類工程活動已經(jīng)逐漸轉向川南盆地和高原之間的過渡地帶，溫泉開發(fā)、礦產(chǎn)開采、道路橋梁隧道等交通等工程加速了川南地區(qū)的生產(chǎn)建設和發(fā)展，同時由于巖溶問題的存在，不可避免的引發(fā)了許多巖溶地質環(huán)境變化問題。對于巖溶地下水系統(tǒng)來說，循環(huán)路徑遭受破壞后，地下水環(huán)境便會發(fā)生變化。

巖溶現(xiàn)象的隨處分布為人類生產(chǎn)活動帶來了許多意想不到的困難，同時，由于前人對該區(qū)域的研究程度存在嚴重不足，大量工程的建設過程中逐漸遭遇了一些未知且十分危險的巖溶地質災害，巖溶隧道的涌水、突泥、頂板和地表塌陷以及路基懸空、失穩(wěn)等巖溶工程水文地質問題屢見不鮮[1]，鑒于上述問題，本文以敘永至大村線地方鐵路為依托，對沿線古(藺)敘(永)地區(qū)的巖溶發(fā)育特征進行詳細的統(tǒng)計分析。

1 區(qū)域地質概況

古敘地區(qū)位于四川省南部邊緣，西、南面與云貴高原接壤[2]，主要為低中山地貌，海拔高程350～2 000 m，相對高差200～700 m，地勢總體南高北低，地形起伏，高差懸殊。山體走向與構造線方向基本一致，主要呈東西向展布，南北向次之。構造上屬川南山字型構造影響范圍，主要格局為以古藺復式背斜為總體，呈近東西展布、向南突出的弧形褶皺。

新建的敘大線鐵路起于敘永縣，止于古藺縣大村鎮(zhèn)，沿川南盆地邊緣東西向延伸，線路穿越過程中，北西部為巖溶槽型寬谷地貌，南東部則以巖溶山地為主?；?guī)r地區(qū)巖溶地貌顯著，表面溶蝕嚴重，多石林、石柱等典型灰?guī)r地貌特征，且溶蝕洼地，溶洞、暗河較多，洼地呈串珠狀相連，暗河時隱時現(xiàn)，與地表水相通形成本區(qū)主要的排泄通道。區(qū)內水系發(fā)育，支溝縱橫交錯呈樹枝狀展布，古藺縣箭竹坪一帶為該區(qū)域分水嶺，箭竹以西為永寧河水系，以東為赤水河水系[3]。

區(qū)域地下水資源較為豐富，碎屑巖裂隙水與巖溶裂隙溶洞水分布廣泛，主要接受大氣降雨的入滲補給，局部地段含有地表水的混合補給，徑流后以泄流或暗河形式進行排泄。其中，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示包括伏流在內的地下暗河多達45條，合計總長度達到128 km以上，總流量超過7 800 L/s，構成了龐大而復雜的地下河體系，而如此數(shù)量與規(guī)模的集中型管道流也成為了該區(qū)的主要排泄特征。

2 巖溶發(fā)育特征研究

2.1 可溶巖分布特征

區(qū)域內可溶巖分布廣泛，二疊系茅口組、梁山棲霞組灰?guī)r、三疊系嘉陵江組灰?guī)r、雷口坡組白云巖和白云質量灰?guī)r、奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r以及寒武系部分灰?guī)r、泥灰?guī)r等地層大面積裸露，有利于大氣降水及地表水的入滲與補給。其中茅口組灰?guī)r溶蝕最強烈，嘉陵江組、梁山棲霞組次之，雷口坡組、奧陶系中上統(tǒng)、寒武系巖溶發(fā)育相對較弱。

通過資料統(tǒng)計，區(qū)內可溶巖總面積達942.24 km2，寒武系、奧陶系、二疊系和三疊系等各個地層的可溶巖面積分別為132.92 km2，22.02 km2，415.43 km2和371.87 km2，奧陶系分布面積最小，二疊系分布面積最大，尤其以茅口組灰?guī)r最為明顯。其中，各個地層中的巖溶現(xiàn)象十分發(fā)育，溶洞、洼地、落水洞和地下暗河管道星羅棋布，在二疊系和三疊系中表現(xiàn)的尤為突出，溶孔、溶隙隨處可見，此外在正東、護家南部等低山丘陵區(qū)，還有峰叢—洼地組合的地貌形態(tài)出現(xiàn)，峰叢與峰叢之間低洼的溝槽中往往伴生落水洞和谷地等負地形?？扇軒r的大面積裸露和溶蝕地形的發(fā)育分布為地表水匯集排泄創(chuàng)造了良好的條件，也為地下水的補給提供了通道[4-5]。

2.2 可溶巖特征要素統(tǒng)計分析

巖溶發(fā)育以各種溶蝕形態(tài)存在于地表或地下，其發(fā)育的規(guī)模、尺度、數(shù)量與強度等特征是衡量一個區(qū)域巖溶發(fā)育程度的基本要素，同時，巖溶的發(fā)育還與巖性、構造以及地下水循環(huán)活動等因素密切相關[6]，為此，通過對區(qū)域水文地質報告詳細分析的基礎上，結合野外現(xiàn)場實際調查結果，對本次研究區(qū)范圍內的基礎巖溶現(xiàn)象進行了特征統(tǒng)計分析，其中包括了各個不同巖溶類型的發(fā)育分布及地質特征、巖溶泉水露頭、地表伏流—地下暗河水資源的基本性質以及各地層內地下暗河的發(fā)育數(shù)量、長度、流量等數(shù)據(jù)表征，區(qū)內各巖溶形態(tài)基礎特征具體如表1和表2所示。

表1 研究區(qū)域巖溶類型基礎特征統(tǒng)計

表2 研究區(qū)域各地層暗河(伏流-暗河)系統(tǒng)特征統(tǒng)計

2.3 巖溶發(fā)育高程分帶特征

在分析過程中發(fā)現(xiàn)，各類溶蝕現(xiàn)象的發(fā)育除了具有一定的規(guī)模以外，其分布高程值具有一定的差異性和相似性，這種多級的垂向高程差是由構造、巖性、地形地貌以及河谷下蝕與地殼上升運動過程等多方面因素造成的。為此，對區(qū)域內巖溶形式的發(fā)育高程特征分別進行統(tǒng)計。

通過研究總結發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)溶洞發(fā)育高程范圍值為523～2 134 m；溶蝕洼地分布高程為384～2 085 m；落水洞高程范圍為305～1 057 m；巖溶泉水的出露高程為218～1 523 m；暗河出口高程范圍值在398～1 116 m之間，伏流—暗河出口高程范圍值為404～696 m，兩者均分布于河谷兩岸，由此可見，伏流—暗河出口高程范圍值較小，而暗河高程則分布范圍更廣，而其它巖溶類型的分布跨度也較大，但也具有一定的集中性和相似性。

統(tǒng)計過程發(fā)現(xiàn)該地區(qū)發(fā)育有多級夷平面，山脈綿延，峰巒此起彼伏，但卻仍殘存有海拔高程2 000～2 200 m，1 500～1 850 m，1 000～1 200 m，700～900 m，300～500 m五級夷平面，尤其在敘永縣后山以南等地相當明顯。各可溶巖地層在夷平時期和地殼運動時期充分發(fā)育形成多級溶洞或高程分布相近的溶蝕，發(fā)育具有一定的成層性，這和該地區(qū)挽近構造運動大面積數(shù)度上升的同時間有短暫間歇緊密相關。區(qū)內所統(tǒng)計的各類巖溶形式高程分布發(fā)育分帶如圖1所示。

圖1 研究區(qū)內巖溶形式發(fā)育高程分帶示意圖

在區(qū)域內，各級夷平面局部保留較好，海拔越高剝蝕越嚴重，殘留越少，相對巖溶發(fā)育程度也就越弱，三、四、五級夷平面多在古藺、赤水等地方保留完整，一般為一些寬闊的臺緣。由圖1可以看出，各級夷平面高程段內發(fā)育不同的巖溶形式，并且形成多級狀的高程分帶：高高程段主要發(fā)育溶洞、洼地和巖溶裂隙泉，底高程段溶蝕分布逐漸增多，地下河與伏流—暗河系統(tǒng)的出口均靠近河谷基準面附近，發(fā)育高程普遍較低，利于直接排泄。

溶蝕發(fā)育分布的多個層次級別與夷平面期次相對應，總結過程中發(fā)現(xiàn)，除個別溶蝕現(xiàn)象不在此高程分帶內，其余95.8%的巖溶形態(tài)均與此高程分布相吻合：中高程和底高程溶蝕較多，所占比例為89.58%；高高程溶蝕程度較弱，比例為6.22%，這也反映了不同時期巖溶被剝蝕的時間與強度。

2.4 巖溶管道流的循環(huán)特征

巖溶地下水循環(huán)受到構造和水文網(wǎng)的影響控制，多分布在橫切河溪地區(qū)，以縱向徑流為主[7]。由于巖溶負地形發(fā)育，水循環(huán)加劇后，溶蝕能力增強又形成了大規(guī)模密集而復雜的溶蝕管道，伏流轉入地下的“階梯狀”流動形態(tài)逐級交替出現(xiàn)，集中向河谷排泄，形成了特有的區(qū)域管道流態(tài)特征(圖2)。

圖2 研究區(qū)敘永縣正東附近階梯狀巖溶管道流示意圖

如圖2所示，巖溶水在循環(huán)過程中呈“地下→地表→地下”的階梯狀運動方式，地下管道流出露形成正東河，出口高程700 m，淺切割河流成為排泄面匯集河谷兩岸的巖溶水，在地表徑流6 km后轉入地下，形成一級近百米的顯著階梯，隨后在地下徑流5 km后被侵蝕能力更強的大樹河切割排泄，在流動途中不乏地表洼地、落水洞等溶蝕負地形的匯流補給。類似的地下水循環(huán)態(tài)在區(qū)域內分布廣泛，仙人洞、護家、龍山等多地均發(fā)育如此管道流，水資源量豐富程度可見一斑。

3 巖溶發(fā)育過程的影響因素研究

3.1 河谷變遷及地下水循環(huán)

河谷不同階段的演化與變遷形成了多級高程的排泄面，發(fā)育特點以水平溶蝕與垂向溶蝕交替出現(xiàn)為主，局部還出現(xiàn)了高出現(xiàn)代河床的不同高度的溶洞。同時受挽近構造運動影響，巖性剝蝕、河谷的強烈下切引起了差異性的巖溶垂向變異，所以垂向巖溶的發(fā)育深度不盡相同。

河谷下切幅度之差異與地殼抬升密切相關[8]，同時對水系的變遷起著一定的控制作用，如某些局部河段的改道，支流的襲奪較為明顯。在敘永興隆場附近，永寧河原曾從興隆場—來龍山一帶徑流，二后南部劇烈上升，原來的河道已經(jīng)適應不了新的侵蝕基準面，便被遺棄，另從天池鎮(zhèn)一帶切過形成現(xiàn)今的河道。

河流在切割過程中，排泄面高程降低，原先存在的暗河管道或是靠近侵蝕面的水平溶洞抬升后水頭變高，地下水向下侵入剝蝕的能力增強，這個期間地下水以垂向滲流為主，多形成大型的垂直管道或者豎向陡傾的溶蝕裂隙；在河流成為穩(wěn)定的侵蝕面后的夷平時期，地下水水平徑流成為主要模式，巖溶化作用以水平為主，河谷附近形成許多洼地、巖溶盆地以及水平溶洞，與此同時集中排泄點易形成新的暗河管道，而前期被抬升的高高程水平溶洞或者洼地、落水洞等溶蝕現(xiàn)象便成為了新排泄點的補給匯水區(qū)，從而與新暗河發(fā)生水力聯(lián)系形成多層的臺階狀管道流系統(tǒng)。

3.2 間歇性構造運動

挽近構造運動在巖溶演化過程中起著根本的主導作用，同時在山地、河谷、巖溶地貌等方面有著明顯的反應，如南部及東西部構造運動上升強度遠遠超過侵蝕剝蝕的蝕低強度，故表現(xiàn)為山地地貌，而在北部、中部地區(qū)，構造運動就顯得較為微弱，侵蝕剝蝕作用占據(jù)了主導地位，表現(xiàn)為丘陵形態(tài)。

受到間歇性構造抬升的影響，區(qū)內多條河流兩岸不同程度地發(fā)育著高出現(xiàn)代河床的多級基座階地或侵蝕階地。從殘存的階地上看，至少有6級。以永寧河河谷為例，Ⅰ級階地(T1)為堆積階地，在河流兩側均有分布，高出河面約6～15 m；Ⅱ級階地(T2)為基座階地，高出河面20 m左右；Ⅲ級階地(T3)為侵蝕階地，在河床附近零星分布，高出河面45～100 m。而Ⅳ級階地—Ⅵ級階(T4—T6)地為侵蝕階地，主要分布于敘永西側的金沙江河谷及南廣河支流等地。

地質歷史上，本區(qū)主要表現(xiàn)為整體間歇性抬升，總的特點是大面積上升為主，期間有短暫間歇，南部上升幅度稍大，北部稍小，在此過程中碳酸鹽巖地層遭受了長期的溶蝕和侵蝕作用，形成較為豐富的地表、地下巖溶形態(tài)。區(qū)內灰?guī)r分布地區(qū)，有高出現(xiàn)代河床的不同發(fā)育高程的溶洞，在敘永縣兩河口附近可清楚地看到5層多級溶洞(圖3)。

如圖3所示，第一層至第五層溶洞高程在永寧河面上分別約為1，15，50，70和120 m，溶洞分層發(fā)育與階地的形成相互對應，和區(qū)域內新構造運動地殼的多期次間歇抬升相關。實際上，從更新世以來，地殼曾數(shù)度間歇性上升，形成河谷內兩岸的多級溶洞，同時各個峽谷更向縱深發(fā)展，河流切割更深使河谷變的狹長而陡峻，而多級溶洞的發(fā)育與該區(qū)域內地殼抬升、河谷下切、夷平的次數(shù)也是相對應的。

圖3 敘永縣兩河天生橋南溶洞分層發(fā)育示意圖(以永寧河為最低侵蝕面)

4 結 論

古敘地區(qū)內溶蝕現(xiàn)象十分發(fā)育，尤其以二疊系(P)和三疊系(T)更為明顯，巖溶發(fā)育類型豐富多樣，地表伏流—地下暗河管道系統(tǒng)分布繁多，以可溶巖為含水介質的巖溶地下水系統(tǒng)運移交替模式具有復雜多樣性，階梯狀管道流特征十分明顯。

通過對區(qū)域內各類巖溶形式的分類統(tǒng)計，巖溶發(fā)育總數(shù)量達到988個以上，其中洼地最多，各類溶蝕分布高程具有相似性和集中性，總結結果發(fā)現(xiàn)，95.8%的巖溶形態(tài)與五級夷平面高程分布相吻合，中高程和低高程溶蝕較多，所占比例為89.58%；高高程溶蝕程度較弱，比例為6.22%，發(fā)育具有一定的成層性。

多級溶蝕的發(fā)育與該區(qū)域內地殼抬升、河谷下切、夷平的次數(shù)也是相對應的。這與河谷不同階段的演化變遷與地下水循環(huán)密切相關，巖性剝蝕、河谷的強烈下蝕引起了巖溶垂向的差異性變化，所以垂向巖溶的發(fā)育深度不盡相同；同時受挽近構造運動影響，整體大面積上升為主，期間有短暫間歇，形成較為豐富的地表、地下巖溶形態(tài)。在敘永兩河口，古藺白沙、赤水一帶均有多級溶洞發(fā)育，最多可見為5級溶蝕。

川南古敘地區(qū)巖溶水資源相當豐富，地表水與地下水交替出現(xiàn)串聯(lián)，階梯狀管道流十分發(fā)育，分布廣泛，如果能夠在巖溶地質基礎上合理開發(fā)利用，將更能有效地提高巖溶水資源的利用率并發(fā)揮其應有的經(jīng)濟價值。

[1] 孫晉玉,張強,許模,等.通海隧道施工涌突水災害與環(huán)境影響研究[J].水土保持研究,2011,18(4):69-73.

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Discussion on the Characteristics of Karst Development and Influence Factors in Gulin-Xuyong Area of Southern Sichuan

ZHAO Rui, XU Mo, FAN Chenchen， WANG Xiaotong

(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPrevention&GeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

The karst development of Gulin-Xuyong area has distinct characteristics and regularities in southern margin of the Sichuan Basin, the multi-layer cuevas represent a time dominated by horizontal corrosion and indicate that the area had experienced different geological periods, the adjacent cave layers of different heights are linked by the vertical caves which also reflect another time predominated by vertical corrosion, and the alternative of horizontal and vertical karstification is an important form of the karst development process, characteristic of the ladder shaped pipe flow with taking karst medium is very obvious at the same time. In this paper, statistics of the basic development characteristics of various karst types in the study area was carried out. We summarized characteristics of development elevation zone and circulation characteristics of karst pipelines flow, and discussed such karst pattern in addition to the effects of intermittent rise of recent tectonic movement. River valley undercutting change and groundwater evolution are the factors of multistage karst formation in this area. These results can provide certain instructional significance for the human engineering activities.

development characteristics of karst; influence factors; statisticalaAnalysis; Gulin-Xuyong area

2014-09-26

2014-10-10

趙瑞(1985—),男,內蒙古呼和浩特人,博士研究生,研究方向：水文地質、環(huán)境地質。E-mail:375155702@qq.com

許模(1963—),男,重慶人,教授,長期從事水文、工程、環(huán)境地質教育研究工作。E-mail:xm@cdut.edu.cn

P642.25

1005-3409(2015)02-0316-04