個(gè)舊老廠五級(jí)凹塘尾礦庫巖溶發(fā)育特征及成因機(jī)制分析

劉文連，許漢華，徐則民，丁　飛，費(fèi)維水，董家興，廖紹忠

(1. 中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明　650051； 2. 昆明理工大學(xué)，云南 昆明　650093)

0　前　言

巖溶，即水對(duì)可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機(jī)械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱[1]。全球約有12%的陸地面積發(fā)育有巖溶，分布面積約為2.2×107km2，且主要分布在人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)的東南亞地區(qū)、中國(guó)南部、中國(guó)西北地區(qū)、地中海沿岸地區(qū)、東歐地區(qū)、美國(guó)東南地區(qū)、中東地區(qū)等，巖溶地區(qū)由于具備地表、地下多重復(fù)合結(jié)構(gòu)及成土條件差等特征，常常伴有地面塌陷、山體崩塌、滑坡、巖溶滲漏、水源漏失等地質(zhì)災(zāi)害[2]。因?yàn)閹r溶發(fā)育和發(fā)展的隱蔽性以及發(fā)生塌陷的突發(fā)性，往往給人類生命、工程建筑和經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動(dòng)造成嚴(yán)重的危害[3]。同時(shí)，在一些巖溶隱患地段的隱性威脅還將長(zhǎng)期存在[4]。巖溶地質(zhì)環(huán)境問題作為世界性難題，廣泛受到了國(guó)內(nèi)外地質(zhì)、環(huán)境、巖土等領(lǐng)域科學(xué)家的關(guān)注[5-6]。在中國(guó)的西部，特別是中國(guó)的西南部山區(qū)，尾礦庫往往會(huì)在山區(qū)、山間盆地等地進(jìn)行選址和設(shè)計(jì)，其尾礦庫類型主要為山谷型尾礦庫和傍山型尾礦庫[7]。尾礦的堆積充分利用了所在區(qū)域地形地貌條件和地層巖性等特點(diǎn)，但尾礦庫若位于巖溶發(fā)育區(qū)，尾礦庫的巖溶穩(wěn)定性及滲漏問題的分析就值得進(jìn)行深入研究。本文對(duì)個(gè)舊老廠五級(jí)凹塘尾礦庫巖溶發(fā)育特征及成因機(jī)制進(jìn)行了研究，為預(yù)防尾礦庫滲漏和確保尾礦庫安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)資料。

1　研究區(qū)概況

五級(jí)凹塘尾礦庫位于紅河州個(gè)舊市老廠鎮(zhèn)以東約1 km處，介于東經(jīng)103(°)13(′)1.58(")～103(°)13(′)55.50(")、北緯23(°)17(′)54.25(″)～23(°)18(′)12.00(″)之間，現(xiàn)狀淹沒面積約0.32 km2，與昆明、個(gè)舊、蒙自之間的直線距離分別為200，10，19 km。庫區(qū)北緣為直通老廠、個(gè)舊及蒙自的鄉(xiāng)道，而東西兩側(cè)分別有開遠(yuǎn)—河口高速公路和省道212線通過，交通便利。

區(qū)域上，五級(jí)凹塘尾礦庫地處紅河水系與南盤江水系的分水嶺地帶，分水嶺北東為南盤江水系、南西為紅河水系。此外，水塘寨、個(gè)舊、卡房、新建礦、對(duì)門山、打靶期新寨、所本底、羊壩底、八區(qū)連線所在的南北長(zhǎng)約30 km、東西寬約13 km，面積約400 km2的區(qū)域出露的基本都是三疊系碳酸鹽巖，內(nèi)部巖溶十分發(fā)育，從北向南標(biāo)高逐漸降低(從2 500 m到1 450 m)，但始終高于圍限它們的盆地、溝谷或斜坡，構(gòu)成一個(gè)頂面向南傾斜、南北向?qū)?、東西向窄的長(zhǎng)條形巖溶高地，五級(jí)凹塘尾礦庫位于該高地中北部。

區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)主要是不同尺度的巖溶峰叢、溶丘及分布于其間的巖溶洼地和巖溶槽谷。此外，還分布有規(guī)模更小的巖溶漏斗、落水洞、溶溝及石芽等。

區(qū)內(nèi)年均氣溫18.7℃，年最高氣溫35.6℃，年最低氣溫-4.4℃。年平均降雨量779 mm，年最大降雨量1 600 mm，年最小降雨量641.2 mm，最大晝夜降雨量111 mm；每年5～10月為雨季，11月～次年4月為旱季，雨季降雨量占全年降雨量的85%；連續(xù)降雨天數(shù)為15天左右，一般降雨量10 mm，最大降雨量達(dá)80 mm以上。

無常年性河流及其他天然地表水體，現(xiàn)有的多處地表水體均為尾礦水及已閉庫尾礦庫積存的降水。由于年降雨量較高，區(qū)內(nèi)植被較為發(fā)育。除了石漠化治理栽種的人工林外，山體主要披覆灌木和草叢，低洼地帶則多為農(nóng)田。

2　巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)的巖溶地貌單元主要包括峰叢、洼地、槽谷、漏斗及落水洞等，現(xiàn)就其中的峰叢、洼地、漏斗這3種地貌進(jìn)行分析研究。

2.1　巖溶峰叢

巖溶峰叢是研究區(qū)內(nèi)最主要的地貌單元，其所占比例可達(dá)50%以上，而根據(jù)規(guī)模，也可稱其為一級(jí)地貌單元。從巖溶高地的尺度上看，越接近分水嶺，溶峰的密度、比高及坡角越大，反映了峰叢地貌的地表侵蝕或溶蝕機(jī)制；而在巖溶高地的縱向上，即垂直背陰山槽谷方向，越接近槽谷，溶峰密度越低，反映出峰叢發(fā)育對(duì)碳酸鹽巖的大尺度均質(zhì)需求。

背陰山斷裂帶核心區(qū)也存在部分溶峰，其規(guī)模、比高和坡角普遍較小，而位于斷裂帶邊緣及與甲介山斷裂交匯處的部分溶峰則具有高而陡的特征。而在背陰山尾礦庫以東，背陰山斷裂兩側(cè)1 km 范圍內(nèi)構(gòu)成峰叢的單一溶峰底部直徑多在250 m以內(nèi)，比高多在75 m以內(nèi)，表面坡度多在35(°)以內(nèi)，其比高和坡度均要明顯小于紅河一級(jí)侵蝕基準(zhǔn)面附近溶峰的對(duì)應(yīng)指標(biāo)。五級(jí)凹塘尾礦庫外圍相對(duì)密集的溶峰分布于其西北和東南，其中后者的密度達(dá)到15個(gè)/km2，可以視為峰叢。

五級(jí)凹塘尾礦庫邊界上的溶峰相對(duì)稀疏，而且規(guī)模差異大、比高和坡角都比較小。在碳酸鹽巖分布區(qū)，這應(yīng)該是地下巖溶發(fā)育程度高，地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，非均質(zhì)化程度高的顯現(xiàn)，五級(jí)凹塘尾礦庫北側(cè)溶峰坡角明顯大于南側(cè)及下游的。由于幾何形態(tài)及尺寸差異顯著，這些溶峰的組合還難以構(gòu)成峰叢。

2.2　巖溶洼地

研究區(qū)內(nèi)存在分布于巖溶峰叢之間、因差異溶蝕形成的所謂典型巖溶洼地。除峰叢圍繞外，還具有邊壁較為平緩，而且比較均勻的特征。主要以非典型巖溶洼地為主，其非典型性主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：其一，邊壁坡度不均勻，存在斷崖式的標(biāo)高驟降，靠近溶峰的一側(cè)明顯偏陡，盡管這種差異可能與山體的抗侵蝕能力更強(qiáng)有有關(guān)，但主要還應(yīng)該是洼地發(fā)育演化過程中受到了深部巖溶的驅(qū)動(dòng)。其二，無溶峰圍繞，而是分布于溝谷或小型山間盆地中，但規(guī)模都比較小。另外，區(qū)內(nèi)存在復(fù)合型巖溶洼地，表現(xiàn)為洼地內(nèi)嵌套兩個(gè)或更多洼地，甚至包含溶峰，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)于規(guī)模較大的洼地中。

沿溝呈串珠、呈帶狀分布是區(qū)內(nèi)巖溶洼地的突出特征之一，巖溶洼地更大尺度的定向分布則是呈帶分布，其中最為典型的便是背陰山槽谷一線。從五級(jí)凹塘尾礦庫到羊壩底之間的約3.9 km范圍內(nèi)，密集分布有14個(gè)巖溶洼地，構(gòu)成一個(gè)北西西向的巖溶洼地密集帶。除前述大型洼地外，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查期間還發(fā)現(xiàn)有若干直徑小于10 m、深度多在5 m以內(nèi)的小型洼地，這些小型洼地中有些分布于更大尺度的負(fù)地形中，與其他大型洼地構(gòu)成串珠狀洼地帶，有些出現(xiàn)于規(guī)模較小的負(fù)地形中，而另外也有些出現(xiàn)于山梁或山坡上。

2.3　巖溶漏斗

LD1漏斗位于五級(jí)凹塘尾礦庫擬建攔擋壩中間小丘的 43(°)方向約300 m處。出口標(biāo)高 2 255 m水平的直徑約20 m，深約9 m，底部平坦，直徑10 m，邊壁坡度25(°)左右，且較為均勻。漏斗邊壁和底部均被粘土覆蓋，未見基巖。

LD2 漏斗見于五級(jí)凹塘尾礦庫中西段以北約220 m、公路北側(cè)約140 m 處。出口標(biāo)高 2 295 m 水平上的漏斗直徑約12 m，深約10 m，底部平坦、直徑約7 m，邊壁形態(tài)圓潤(rùn)，坡度35(°)～40(°)。未見基巖，植被發(fā)育。

LD3漏斗位于巖溶槽谷南西端發(fā)育的一個(gè)不規(guī)則漏斗，2 335 m以下的長(zhǎng)、短軸分別為25 m和15 m，長(zhǎng)軸方向25(°)，深約7 m。北東側(cè)邊壁平緩，有基巖出露，底部及邊壁其他部分為農(nóng)田。

LD4漏斗見于背陰山尾礦庫南西側(cè)的大黑山頂峰 193(°)方向320 m處，所在區(qū)域地勢(shì)相對(duì)“平坦”，以其為圓心半徑250 m范圍內(nèi)的高度起伏在50 m以內(nèi)，地形坡度在20(°)以內(nèi)，形態(tài)呈碟狀，直徑7 m、深約2 m，內(nèi)部植被種類明顯不同于外圍。

3　巖溶發(fā)育成因機(jī)制

在區(qū)域巖性 T2gb白云質(zhì)灰?guī)r及灰質(zhì)白云巖這一物質(zhì)基礎(chǔ)之上，區(qū)內(nèi)巖溶的發(fā)育機(jī)制可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：

1) 由于地處巖溶高地北部，相對(duì)遠(yuǎn)離紅河一級(jí)侵蝕基準(zhǔn)面，巖溶發(fā)育程度要弱于巖溶高地南部；

2) T2gb的低傾角產(chǎn)出狀態(tài)在一定程度上遏制了巖溶，尤其是垂向巖溶的發(fā)育過程，因?yàn)檫@不利于降水向深部的入滲；

3) 以垂向巖溶作用為主、水平巖溶為輔的巖溶發(fā)育格局受到兩方面因素的驅(qū)動(dòng)。

一個(gè)是地貌條件。研究區(qū)位于一級(jí)斷裂個(gè)舊斷裂與甲介山斷裂形成的兩條近于平行的近南北向線狀負(fù)地形的分水嶺附近，與“地表水概念排泄區(qū)”最低點(diǎn)—羊壩底巖溶槽谷谷底之間有400 m以上的高差。這為降水的垂向入滲，即垂向巖溶的發(fā)育提供了足夠長(zhǎng)的路徑或稱迫使入滲降水大深度垂向運(yùn)移，為垂向巖溶發(fā)育提供了背景條件。

另一個(gè)是斷裂構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)的11條斷層均為高角度到近于直立的平移斷層，這些斷層連同與他們配套的低序次斷層及節(jié)理為降水垂向入滲及垂向巖溶的發(fā)育提供了通道與場(chǎng)所或稱約束了降水的入滲路徑及巖溶發(fā)育空間與方式。

斷裂構(gòu)造對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶的控制證據(jù)是充分的，其中既有宏觀尺度的，也有露頭尺度的。

區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的單體巖溶負(fù)地形五級(jí)凹塘、羊壩底及采礦溝3個(gè)1 km以上的巖溶槽谷分別出現(xiàn)于背陰山、甲介山和F3斷裂帶內(nèi)，是構(gòu)造控制巖溶的最有利證據(jù)之一。槽谷及洼地等巖溶地貌單元呈串、呈帶沿?cái)嗔逊植际菙嗔芽刂茙r溶發(fā)育的又一直接證據(jù)。

洼地、槽谷及漏斗構(gòu)成的區(qū)內(nèi)巖溶負(fù)地形與周圍環(huán)境之間多存在標(biāo)高突變，即其邊壁往往存在斷崖式的標(biāo)高驟降。根據(jù)區(qū)內(nèi)的巖層產(chǎn)狀，這種“從下而上”而非“自上而下”的過程只能由斷裂，尤其是近直立斷裂構(gòu)造引發(fā)。

4　結(jié)　論

對(duì)于研究區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育特征和成因機(jī)制，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)以垂向巖溶為主，水平巖溶為輔。

2)巖溶峰叢或溶峰構(gòu)成了區(qū)域地貌主體，高大、典型溶峰的空間分布暗示了其地表溶蝕為主的形成機(jī)制，但其發(fā)育進(jìn)程、平面分布及形態(tài)也會(huì)受到巖溶負(fù)地形形成、斷裂構(gòu)造及巖層傾角的影響；背陰山斷裂帶內(nèi)發(fā)育溶峰表明其寬度巨大及與此相關(guān)的巖體破裂程度的空間非均勻性。

3)研究區(qū)內(nèi)存在差異溶蝕形成的典型巖溶洼地，但相對(duì)較少。多數(shù)洼地邊壁坡度不均勻，存在斷崖式的標(biāo)高驟降或沿溝谷及小型山間盆地分布，而且復(fù)合型洼地較多；呈串、呈帶分布普遍。

4)五級(jí)凹塘外圍典型巖溶漏斗不多，主要原因應(yīng)該是漏斗都已經(jīng)被后期侵蝕轉(zhuǎn)化為不同尺度的巖溶洼地；已發(fā)現(xiàn)的19處落水洞主要分布在背陰山尾礦庫南北兩側(cè)，直徑相對(duì)較小，多在5 m以內(nèi)，最大推測(cè)深度近100 m。

5)區(qū)內(nèi)巖溶受到地理位置、巖層產(chǎn)出狀態(tài)及地質(zhì)構(gòu)造等因素的協(xié)同約束。相對(duì)遠(yuǎn)離紅河一級(jí)侵蝕基準(zhǔn)面及T2gb的低傾角產(chǎn)出狀態(tài)在一定程度上遏制了巖溶的發(fā)育過程與程度。高傾角剪性斷裂構(gòu)造體系為降水入滲及巖溶發(fā)育提供了通道與場(chǎng)所，使巖溶過程呈現(xiàn)“地下為主、地表為輔”，也即“自下而上”的特色，同時(shí)造就了以“垂向?yàn)橹鳌⑺较驗(yàn)檩o”的巖溶發(fā)育格局。