豫北太行山南緣寒武系地層巖溶發(fā)育特征研究

□王耀軍 □郭其峰 □周延國(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

0 引言

豫北太行山南緣寒武紀濱-淺海相碳酸鹽巖廣泛分布，該區(qū)分布有眾多的水利水電工程，水庫的滲漏條件及防滲處理均與寒武系地層中的巖溶發(fā)育程度密切相關(guān)，研究本區(qū)寒武系地層中巖溶發(fā)育的規(guī)律對水利工程建設(shè)具有重要的實踐意義。

1 地質(zhì)背景條件

1.1 地層巖性

地殼以雙層結(jié)構(gòu)為主，基底為新太古界～古元古界的中深度變質(zhì)的片巖、片麻巖、大理巖，蓋層為中元古界～第四系陸、海相沉積巖，其中寒武紀—奧陶紀濱—淺海相碳酸鹽巖夾泥頁巖構(gòu)成了蓋層的主體，也是本區(qū)巖溶洞穴發(fā)育的主要層位。寒武系地層在本區(qū)為一套淺海相碎屑巖—碳酸鹽巖沉積，總厚420.00～470.00m，巖性與厚度均比較穩(wěn)定。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

自喜山運動以來，太行山南緣發(fā)育了北臺期、太行期和唐縣期三級夷平面，記錄了太行山南緣地區(qū)古近紀一新近紀的隆升歷史，表明新生代以來該區(qū)經(jīng)歷了三個構(gòu)造活動相對穩(wěn)定的夷平時期，三個快速隆升階段。

在新構(gòu)造運動背景下，太行山隆起帶的上升和西安-徐州裂谷轉(zhuǎn)換帶的下降，對太行山南緣施加向南的拉張應力，形成近東西向的張裂帶及多組傾角近直立的斷層、破劈理帶、密集節(jié)理帶的斷裂構(gòu)造格局。斷層大部分傾向南，傾角達70～80°,斷層組合總體呈向南依次下降的階梯狀，控制了太行山南緣構(gòu)造地貌階梯的形成。斷裂帶大部分屬張性斷裂，有利于水流對深部可溶巖的溶蝕。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶發(fā)育形態(tài)洞

2.1.1 溶洞

溶洞是區(qū)內(nèi)寒武系中、上統(tǒng)可溶巖地層中一種常見的地下巖溶現(xiàn)象，在平面上，溶洞多集中在斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶以及質(zhì)純的灰?guī)r地層中。

2.1.2 溶蝕裂隙

溶蝕裂隙是該區(qū)寒武系地層中巖溶的主要發(fā)育形態(tài)，主要分為三種類型：①節(jié)理溶隙：沿節(jié)理溶蝕擴大而成，一般張開程度差，有灰華沉淀，地下水流速緩慢。②層面溶隙：沿巖層層面溶蝕擴大而成，特別是沿可溶巖與非（弱）可溶巖界面極易發(fā)育成較寬的層間溶隙，有時可溶蝕擴大成溶洞，在地下水面以下往往成為地下水富集帶。③溶蝕密集帶：沿斷裂帶或裂隙密集帶溶蝕擴大而成，溶蝕強烈，局部發(fā)育管道式溶洞。

2.1.3 溶孔、晶洞

溶孔、晶洞是區(qū)內(nèi)寒武系地層中常見的一種巖溶發(fā)育形態(tài)，主要發(fā)育在泥灰?guī)r、白云巖等薄層或互層狀巖體中。

2.1.4 干谷及干溝

干谷及干溝是區(qū)內(nèi)裸露型巖溶分布最多且最為典型的巖溶形態(tài)。干谷及間歇性河谷往往是地表水匯集入滲的主要地段，干谷之下地下巖溶均較發(fā)育，常是地表水集中滲漏和地下水補給運移的地段，在一些干谷中，沿斷裂形成落水洞和漏水深槽，地表水大量滲漏。

2.2 巖溶發(fā)育的規(guī)模

張夏組巖層由巨厚的質(zhì)純灰?guī)r組成，屬強可溶性巖，發(fā)育有較大規(guī)模溶洞。項目區(qū)內(nèi)出露高程從450.00～1200.00m不等，洞穴長度幾十到數(shù)百米，寬度一般0.50～5.00m，高度0.80～10.00m。

除張夏組外，其余地層多為碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層狀分布，其巖溶形態(tài)多為小溶孔、溶隙及少量小溶洞，孔徑多小于1.00 cm，個別大者可達數(shù)厘米至數(shù)十厘米，未見大型溶洞。溶孔、溶隙一般沿裂隙面、層面零星發(fā)育，充填方解石晶體等，連通性較差，局部節(jié)理裂隙密集處溶孔、溶隙可呈蜂窩狀發(fā)育，連通性較好。

2.3 巖溶空間分布特征

項目區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的溶洞出露高程均高于當?shù)睾铀?，隨太行期及唐縣期兩級夷平面分布，多為750.00～850.00m或1050.00～1150.00 m 左右,少數(shù)隨河流階地分布高程為350.00～450.00m左右。海拔300.00m以下的河谷兩側(cè)巖溶形態(tài)多為溶蝕裂隙或蜂窩狀溶孔，沿古河道或河流階地可見小型溶洞發(fā)育，且?guī)r溶的發(fā)育規(guī)模也具有由岸邊向遠岸區(qū)減弱的特點。

區(qū)內(nèi)溶洞空間展布有明顯的方向性，幾乎所有溶洞都與節(jié)理、裂隙、斷層等密切相關(guān)，在遠離斷層或褶皺帶的地段，溶洞少見，規(guī)模較大的溶洞均位于走向75度的階梯狀正斷層組附近。

3 巖溶類型劃分

3.1 按形成時代劃分

就項目區(qū)而言，新生代以來的喜山運動，導致了太行山的快速抬升，太行山南緣的水文地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了徹底的改變，因此，可將新生代作為劃分本區(qū)古巖溶的分界線。喜山運動唐縣期以后是現(xiàn)代河流水系形成時期，其水文地質(zhì)環(huán)境較唐縣期夷平面形成時期及以前有很大差異，因而可將唐縣期作為區(qū)域老、現(xiàn)代巖溶的分界。

項目區(qū)古巖溶主要分布在太行山山頂和山前盆地的奧陶系灰?guī)r中，具有形成時代跨度巨大，分布范圍廣的特點，寒武系地層中古巖溶發(fā)育作用較弱。

寒武系地層中老巖溶主要發(fā)育時期為太行期至上新統(tǒng)唐縣期，主要分布于海拔900.00m高程以上，可見較多溶洞發(fā)育，按規(guī)模劃分以中小型洞穴為主，落水洞、漏斗等縱向巖溶形態(tài)不發(fā)育。

現(xiàn)代巖溶的主要發(fā)育時期為第四系汾河期及湟水期，巖溶作用的營力主要為地下徑流，巖溶作用多借助于巖溶裂隙發(fā)展，在這種滲透水流的作用下，其巖溶形態(tài)，必然以溶蝕裂隙和蜂窩狀溶孔為主，溶洞次之。在海拔300.00m以下，現(xiàn)代巖溶形態(tài)多為溶蝕裂隙或蜂窩狀溶孔，且主要分布于河谷兩側(cè)的強徑流帶內(nèi)，在某些河谷，現(xiàn)代巖溶作用是借助于古巖溶通道而進行的[5]。

3.2 按地下水徑流循環(huán)條件劃分

按巖溶地下水徑流的循環(huán)條件將區(qū)內(nèi)寒武系巖溶劃分為淺部巖溶和區(qū)域深巖溶。

在太行山南緣山前斷裂以北地區(qū)，太古界登封群及中元古界汝陽群非巖溶化巖層控制了區(qū)域內(nèi)巖溶向深部的發(fā)育，基本為淺部巖溶。斷裂以南，非巖溶化巖層跌落近千米，河流排泄基準面以下存在寒武、奧陶系碳酸鹽巖組，為區(qū)域深巖溶的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，其下部應發(fā)育有區(qū)域深巖溶。如在濟源市以北的克井盆地，發(fā)育于奧陶系灰?guī)r中的裂隙巖溶水成為具有供水意義的地下水源。

3.3 溶類型綜合劃分

在上述按形成時代、地下水循環(huán)條件對巖溶分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖溶發(fā)育特征，將豫北太行山南緣地區(qū)的寒武系巖溶發(fā)育分為了三類：①古巖溶：主要分布在本區(qū)太行山山頂和山前斷陷盆地，由于經(jīng)歷的歷史時期最長，受多次新構(gòu)造運動影響，其發(fā)育規(guī)模一般較大。②各級夷平面巖溶：巖溶發(fā)育程度較強，常見中小型巖溶洞穴，巖溶發(fā)育的階段性與華北地區(qū)新構(gòu)造背景相一致，發(fā)育高程與各級夷平面高程相一致。③現(xiàn)代河谷巖溶：主要是指唐縣期以后沿河谷兩岸發(fā)育的巖溶，巖溶形態(tài)以小型溶洞、溶孔、溶隙為主，巖溶發(fā)育程度在不同高程、不同地段差異性較大，一般需要進一步分級分區(qū)評價。

4 結(jié)論

根據(jù)前述巖溶發(fā)育現(xiàn)象及控制因素的分析，豫北太行山南緣寒武系地層中巖溶發(fā)育的總體特征如下：一是受地層巖性控制，巖溶發(fā)育程度在不同巖層中的差異明顯，規(guī)模較大的巖溶發(fā)育主要集中在張夏組灰?guī)r中，其余巖組中沿可溶性強的碳酸鹽層段發(fā)育有小型的溶蝕現(xiàn)象，巖溶形態(tài)以溶孔、溶隙為主。二是巖溶發(fā)育與構(gòu)造密切相關(guān)，溶洞嚴格受太行山南麓構(gòu)造斷裂帶控制，其空間展布明顯的方向性。三是老巖溶和現(xiàn)代巖溶并存，老巖溶及現(xiàn)代巖溶分布高程分別與夷平面及河流階地一致，現(xiàn)代巖溶多發(fā)育于河谷兩側(cè)強徑流帶或者構(gòu)造發(fā)育地段，海拔300.00m以下的現(xiàn)代河谷，巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙和蜂窩狀溶孔為主。四是研究項目區(qū)內(nèi)與水庫滲漏密切相關(guān)的寒武系地層以現(xiàn)代河谷巖溶為主，相應的水庫滲漏形式為裂隙型或裂隙管道混合型。

[1]馬寅生.太行山南緣新生代的隆升與斷陷過程[J].地球?qū)W報，2007,28(03):219-231.

[2]王鳳云.中國云臺山世界地質(zhì)公園的新構(gòu)造運動特征[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2005,27(1):15-20.

[3]翁金桃.太行山南端巖溶洞穴及其形成環(huán)境[J].中國巖溶，1991,10(1):63-70.

[4]吳忱.華北山地地貌面與新生代構(gòu)造運動[J].華北地震科學，1996,14(4):40-50.

[5]王聚.淺談豫北太行山東麓碳酸鹽巖巖溶形成時期及其劃分[J].河南地質(zhì)，1989,7(01):39-43.