皖江地區(qū)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育特征研究

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

皖江地區(qū)位于安徽省中南部，長江中下游南岸，北接合肥，南連池州，東鄰蕪湖，西臨安慶，是皖江經(jīng)濟(jì)帶重要區(qū)域。行政區(qū)劃上包括池州市、銅陵市、蕪湖市等。區(qū)內(nèi)交通便捷，水陸交通網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)。水路交通有長江黃金水道；鐵路有沿江高鐵、京福高速鐵路、滬寧銅鐵路；公路有京臺(tái)高速公路、銅南宣高速公路、滬渝高速公路、G318以及縣鄉(xiāng)村道路等。本區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明。多年平均氣溫15.7℃～16.2℃，多年(1949—2015年)平均降水量1 092.2～1 526.5 mm。本區(qū)屬于長江流域。地貌區(qū)域上處在沿江平原丘陵區(qū)。

1 地層構(gòu)造

1.1 地層

本區(qū)地層屬揚(yáng)子地層區(qū)下?lián)P子地層分區(qū)貴池地層小區(qū)。區(qū)內(nèi)出露最老地層為寒武系，除缺失下中泥盆統(tǒng)外，從寒武系至第四系均較發(fā)育。全區(qū)地層巖相以碳酸鹽巖層最為發(fā)育，集中在3個(gè)地質(zhì)時(shí)期中：1)中寒武統(tǒng)至上奧陶統(tǒng)，以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，白云巖次之。2)中上石炭統(tǒng)至下二疊統(tǒng)，主要分布在背斜兩翼，以灰?guī)r為主，白云巖次之。3)中下三疊統(tǒng)，主要分布于向斜谷地及石灰?guī)r丘陵地區(qū)，以灰?guī)r為主。

1.2 構(gòu)造

本區(qū)位于下?lián)P子構(gòu)造帶中馬鞍山-貴池隆褶帶中部，南北分別以東西向隱伏斷裂為界，東西分別以北東向斷裂帶與中-新生代盆地相鄰，大體呈一菱形地塊。構(gòu)造格局由多期不同方位、不同性質(zhì)的構(gòu)造變形相互復(fù)合，形成了復(fù)雜的構(gòu)造體系。

2 可溶巖的巖性及組份特征

本區(qū)內(nèi)的可溶巖分布廣泛，地層時(shí)代從寒武系(∈)～三疊系(T)，以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主。各巖溶地層礦物含量見表1。

從野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，CaO/SiO2比值大者，巖溶通常強(qiáng)烈發(fā)育。質(zhì)純層厚的寒武系青坑組(∈3q)、奧陶系紅花園組(O1h)、石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C2c)，二疊系棲霞組(P1q)、孤峰組(P1g)，三疊系南陵湖組(T1n)、東馬鞍山組(T2d)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為本區(qū)內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。地表巖溶形態(tài)發(fā)育，形成溶洞、溶溝、溶槽等巖溶微地貌。特別是南陵湖組、棲霞組沉積厚度大，分布范圍廣，巖溶最為發(fā)育。

區(qū)內(nèi)SiO2含量超過20%的地層巖溶發(fā)育極弱。二疊系龍?zhí)督M(P2l)、大隆組(P2d)，三疊系殷坑組(T1y)、月山組(T2y)地表風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖溶形態(tài)特征不明顯，地表未見有溶溝、溶槽。覆蓋層為風(fēng)化產(chǎn)物形成的粉質(zhì)粘土層。

3 巖溶發(fā)育形態(tài)特征

本區(qū)可溶巖地層以裸露型為主，覆蓋型次之，埋藏型少見，野外調(diào)查所能見的巖溶個(gè)體形態(tài)點(diǎn)多，以溶溝、溶槽、石芽、巖溶洼地、落水洞、溶隙、溶孔為主，天窗及充水溶洞次之。而地下巖溶個(gè)體形態(tài)則以溶洞為主，地下河次之。

3.1 巖溶地表特征

3.1.1 溶溝、溶槽及石芽

通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溶溝、石芽是本區(qū)淺覆蓋型巖溶區(qū)以及裸露型巖溶區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育的巖溶個(gè)體形態(tài)，主要分布于山麓部位、山坡一帶。三疊系碳酸鹽巖分布廣泛，以南陵湖組和東馬鞍山組灰?guī)r為主。受褶皺及斷裂影響，巖石裂隙發(fā)育，地表水垂直入滲條件較好，溶溝、石芽易發(fā)育。

丫山地區(qū)自然出露的高角度的巖溶溝槽石芽普遍存在，以三疊系南陵湖組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞狀或瘤狀灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r表部巖溶特征為例，巖溶溝槽發(fā)育深度一般0.5～5 m。以北東、北西向最為發(fā)育，呈菱形分布，槽寬0.1～2 m不等，溶蝕面常呈緩波狀，溶隙面呈鋸齒狀、階梯狀或平直狀，溶溝槽大部分被褐紅色粉質(zhì)粘土充填覆蓋(部分地區(qū)已被人工清理)。局部沿大傾角裂隙自地表溶蝕，并沿交錯(cuò)裂隙溶蝕連通形成石芽，石芽呈錐狀、柱狀，一般高0.5～2 m。

3.1.2 巖溶洼地、巖溶漏斗

巖溶洼地、漏斗本區(qū)廣泛分布，呈負(fù)地形。巖溶洼地及漏斗主要分布在本區(qū)Ⅱ、Ⅲ級(jí)夷平面平臺(tái)上，標(biāo)高在200～300 m。洼地形態(tài)底部平坦，面積大小不一，形似槽、盆狀且利于耕作的封閉的負(fù)地形，也是季節(jié)性地表水匯集地，洼地中常疊加發(fā)育一個(gè)或幾個(gè)落水洞，落水洞與地下河相連，成為洼地下部地下河的主要補(bǔ)給通道。漏斗是直徑小于100 m的洼地，特點(diǎn)跟洼地相似。

區(qū)內(nèi)巖溶洼地發(fā)育的形態(tài)受巖層走向控制明顯，洼地的長軸方向與巖層走向基本一致，呈北東向展布。其規(guī)模大小嚴(yán)格受到構(gòu)造和巖性的控制，規(guī)模上可分為中型和小型，面積一般0.1～2 km2。丫山下宕村溶蝕洼中心高程260 m，西南埡口高程270 m，洼地中有薄的粘土層覆蓋層，下伏基巖為南陵湖組灰?guī)r。平面形態(tài)主要為長條槽谷形，洼地底部呈線凹形。

表1 巖溶地層化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)表 %

3.1.3 落水洞

落水洞是巖溶區(qū)消泄地表水的近于垂直的或傾斜的洞穴，常作為連通地表河與地下河或地下溶洞的通道。丫山落水洞圍巖為南陵湖組灰?guī)r，落水洞地表形態(tài)為橢圓形，地表長軸14 m，短軸10 m，深24 m，洞壁巖體直立。底部可見于地下暗河相連的溶洞。

3.1.4 地表溶洞

本區(qū)地表溶洞大小形態(tài)類型多種多樣，受巖性和構(gòu)造控制。調(diào)查共發(fā)現(xiàn)溶洞近15處，規(guī)模較大的有天門鎮(zhèn)雙龍洞、觀音洞等。天門鎮(zhèn)雙龍洞發(fā)育地層為南陵湖組，洞口呈長條形，寬約15 m，洞口高2.5 m，主洞長約500 m，支洞水平和垂向上均有發(fā)育。該洞為地下暗河出口，流量隨季節(jié)性變化明顯，出水量5～30 L/s。下雨后水流量迅速增大，說明該溶洞水與大氣降雨聯(lián)系密切，巖溶裂隙水徑流途徑短。

3.2 巖溶在地下的特征

3.2.1 溶洞、溶孔

本次地質(zhì)勘探孔共揭露溶洞數(shù)26個(gè)，累計(jì)溶洞高度66.62 m。溶洞高度多為0.2～2.0 m，最大高度達(dá)10 m。溶洞發(fā)育地層以南陵湖組、東馬鞍山組居多，棲霞組次之。溶洞多被充填，充填物為軟塑～可塑態(tài)次生紅粘土及灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r碎塊。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料揭露，溶孔一般為蜂窩狀或者星點(diǎn)狀以及網(wǎng)格狀。在東馬鞍山組白云巖以及白云質(zhì)灰?guī)r等其他碳酸鹽巖地層中都可以見到，溶孔的直徑一般在0.1～0.2 cm，多數(shù)為鈣質(zhì)、泥質(zhì)半充填(見圖1、圖2)。

圖1 鉆孔TLZK02揭露溶孔 圖2 鉆孔TLGC03揭露溶洞溶孔

3.2.2 巖溶裂隙

區(qū)內(nèi)的巖溶裂隙可以分為三種：1)節(jié)理溶蝕裂隙：這類裂隙主要為沿分散的構(gòu)造節(jié)理溶蝕擴(kuò)大而形成，延伸長度一般較小、寬幾毫米至十幾厘米不等，可見水蝕痕跡，部分段見有方解石結(jié)晶體或結(jié)晶簇。2)層面溶蝕裂隙：沿灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等巖層層面裂隙發(fā)育，特別在灰?guī)r與砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r等巖性接觸部位更為發(fā)育，有時(shí)可發(fā)育成溶洞。3)溶蝕裂隙帶：沿?cái)鄬訋Щ蛘吡严睹芗瘞У牡胤饺芪g擴(kuò)大而形成，這類裂隙一般延伸較長，是地下水運(yùn)動(dòng)的主要通道，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)巖溶裂隙水強(qiáng)徑流帶。區(qū)內(nèi)的巖溶塌陷多發(fā)生在此種溶蝕裂隙帶范圍內(nèi)(見圖3)。

圖3 鉆孔FCZK53巖芯巖溶裂隙發(fā)育形態(tài) 圖4 水龍村龍?zhí)缎さ叵潞尤肟?/p>

3.2.3 地下河發(fā)育特征

本區(qū)內(nèi)共調(diào)查到地下河1條，流量為4.2 L/s，地下河入口為鐘鳴水龍村龍?zhí)缎?，出口為水龍村繆村，直線距離約2.5 km。據(jù)訪問，當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)以前曾用稻糠做過連通試驗(yàn)，證實(shí)兩者相通。地下河發(fā)育地層為三疊系南陵湖組和東馬鞍山組，標(biāo)高105～130 m，主控因素為斷裂構(gòu)造(見圖4)。

4 水平巖溶發(fā)育規(guī)律

4.1 巖性控制巖溶的發(fā)育及分布

本區(qū)為同一個(gè)地層、構(gòu)造單元，共施工水文地質(zhì)及工程地質(zhì)鉆孔143個(gè)，其中巖溶區(qū)施工鉆孔89個(gè)，遇溶洞鉆孔數(shù)18個(gè)，占總孔數(shù)20.2%，共揭露溶洞數(shù)26個(gè)，累計(jì)溶洞高度66.62 m，占碳酸鹽巖總進(jìn)尺2.49%、占遇洞鉆孔碳酸鹽巖總進(jìn)尺9.41%。

各地層揭露溶洞P1g、T1n、T2d溶洞最為發(fā)育，溶洞累計(jì)高度占各地層進(jìn)尺比大于3%；其次為P1q、T1y溶洞發(fā)育一般，溶洞累計(jì)高度占各地層進(jìn)尺比1%左右；其他地層由于施工鉆孔深度及數(shù)量有限，溶洞累計(jì)高度占該地層比值較小或鉆孔遇洞率較低。

從鉆探揭露溶洞分布地層占比分析，T1n、T2d溶洞數(shù)量最大，占比分別為34.62%和26.92%，其他次之(見圖5)。

圖5 溶洞分布地層占比示意圖 圖6 區(qū)內(nèi)揭露溶洞按埋藏深度統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)《安徽銅陵曹山硫鐵礦礦床勘查地質(zhì)報(bào)告》礦山勘探資料，礦山及周邊鉆T1n地層鉆孔見洞率為63%，平均巖溶率7.42%，單孔最大巖溶率44.1%。

《安徽省銅陵市敕山、傘形山石灰石礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》成果資料，礦山T1n地下巖溶率為6.98%～12.12%，巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙為主，多順層發(fā)育。

《銅陵市郊區(qū)石門路路基巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急勘查報(bào)告》17個(gè)鉆孔揭露石炭系中上統(tǒng)黃龍船山組石灰?guī)r、白云巖及二疊系下統(tǒng)棲霞組石灰?guī)r，6個(gè)鉆孔見溶洞，鉆孔巖溶率1.1%～29.6%。

《安徽省銅陵市虎山水泥用石灰?guī)r礦詳查地質(zhì)報(bào)告》三疊系下統(tǒng)和龍山組灰?guī)r夾頁巖，巖溶發(fā)育程度弱，溶蝕現(xiàn)象以溶隙、溶孔為主，僅見于淺部，隨深度增加溶蝕現(xiàn)象不明顯。據(jù)鉆孔資料，鉆孔巖溶率0.01%～0.94%。充填程度高，充填率50.0%～89.26%。

4.2 地質(zhì)活動(dòng)對(duì)巖溶發(fā)育的控制

4.2.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的影響

地質(zhì)構(gòu)造條件不但控制了區(qū)內(nèi)可溶巖的空間分布及埋藏條件，而且控制了巖溶發(fā)育的強(qiáng)弱、方向、深度。不同的地質(zhì)構(gòu)造部位，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度、巖石破碎程度不同，導(dǎo)致巖溶發(fā)育程度具有差異性。

本區(qū)斷裂十分發(fā)育，主要形成于印支期和燕山期，尤其是燕山期活動(dòng)強(qiáng)烈。斷裂方向主要為北東、北西向2組，其次為北北東向。如小街地區(qū)，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，沿?cái)嗔褞芏匆?guī)模大，且鉆孔見洞率高，地表巖溶塌陷也沿?cái)嗔褞С蕩罘植肌?/p>

在斷層主動(dòng)盤和被動(dòng)盤，由于應(yīng)力作用造成巖體破碎程度不一，巖溶發(fā)育程度也有所差別，如傘形山礦區(qū)某斷層，主動(dòng)盤(下盤)巖溶率高于被動(dòng)盤(上盤)(見表2)。

在斷裂帶的范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶個(gè)體形態(tài)以巖溶塌陷、溶洞、溶隙為主，沿?cái)嗔褞С雎兜娜校河先A龍井吳泉、新河洪山泉、丁橋牛山如意泉、木鎮(zhèn)越泉路泉水沖泉等。受到丫山背斜、斷裂影響，丫山地區(qū)碳酸鹽巖剪切、張裂隙發(fā)育，形成丫山巖溶地貌。

4.2.2 巖漿活動(dòng)對(duì)巖溶發(fā)育的影響

區(qū)內(nèi)燕山期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，在巖漿侵入、交代以及冷凝收縮過程中，使得碳酸鹽巖熱接觸帶內(nèi)裂隙發(fā)育，巖溶隨之明顯發(fā)育，巖溶裂隙水豐富。如藥園山銅礦，礦體賦存于大理巖與巖體的接觸帶，在大理巖與礦體接觸帶的10～30 m范圍內(nèi)，亦即礦體附近，大理巖巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，礦區(qū)Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體附近巖溶率高達(dá)35%，坑道揭露此帶多見溶洞。

4.2.3 碳酸鹽巖與碎屑巖的不整合面巖溶發(fā)育

銅陵地區(qū)T1y～T2d灰?guī)r地層與T2y、T2t、K2x、R陸相碎屑巖地層之間存在角度不整合面，這個(gè)不整合面曾暴露地表發(fā)育了古巖溶。在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，沿此不整合面上巖溶進(jìn)一步發(fā)育。在T2y、T2t、K2x、R陸相碎屑巖等下伏碳酸鹽巖不整合面巖溶發(fā)育，含水豐富，且?guī)r溶沿不整合面發(fā)育深度大大延伸。

表2 傘形山礦區(qū)某斷層上下盤巖溶率

4.3 水動(dòng)力條件對(duì)巖溶發(fā)育的控制

本區(qū)巖性、構(gòu)造等地質(zhì)條件決定了區(qū)內(nèi)的地下水含水系統(tǒng)是非均質(zhì)各向異性的，從而導(dǎo)致不同地段的地下水徑流強(qiáng)度不一致。在巖層中發(fā)育的構(gòu)造破碎帶、可溶巖的巖溶發(fā)育帶，地下水不斷向其中的空間管道集中，有利于地下水的徑流，形成了地下水的主徑流帶。這些主徑流帶是天然狀態(tài)下地下水的徑流通道，天然地下水的排泄區(qū)，如丁橋鎮(zhèn)龍山村東山至何灣鎮(zhèn)丫山地段，由于地下水處在徑流集中區(qū)而出現(xiàn)巖溶發(fā)育的現(xiàn)象。

4.4 地形地貌對(duì)巖溶發(fā)育的控制

本區(qū)內(nèi)的地形地貌表征著該地水文網(wǎng)的發(fā)育特點(diǎn)，反映了局部和區(qū)域性的侵蝕溶蝕基準(zhǔn)面的性質(zhì)和分布，控制著地下水的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和循環(huán)交替條件，從而控制了巖溶發(fā)育的總趨勢(shì)。本區(qū)巖溶地面塌陷發(fā)育區(qū)，地貌上多屬于侵蝕堆積的波狀平原和丘陵地貌，巖溶地面塌陷發(fā)育地段，巖溶相對(duì)發(fā)育。

5 垂向巖溶發(fā)育規(guī)律

本次勘探孔孔深一般70 m以淺，揭露碳酸鹽巖深度有限，無法分析統(tǒng)計(jì)深部巖溶發(fā)育特征。本區(qū)內(nèi)埋深0～30 m區(qū)間的巖溶發(fā)育程度，共揭露溶洞19個(gè)，占溶洞總數(shù)的73.08%。隨著深度增加，揭露溶洞數(shù)量大幅減少，超過50 m埋深以后，鉆孔數(shù)量較少，只揭露溶洞2個(gè)(見圖6)。

區(qū)內(nèi)揭露溶洞按標(biāo)高統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖7。高程40～30 m、10～-20 m溶洞發(fā)育。

根據(jù)《安徽銅陵曹山硫鐵礦礦床勘查地質(zhì)報(bào)告》勘探資料，本區(qū)及周邊鉆孔見洞率為63%，平均巖溶率7.42%，單孔最大巖溶率44.1%?！躲~陵市金順礦業(yè)有限公司白家山銅礦勘查報(bào)告》勘查資料，17個(gè)鉆孔揭露灰?guī)r，6個(gè)鉆孔見溶洞。

曹山硫鐵礦和白家山銅礦鉆孔揭示溶洞107個(gè)，溶洞起始點(diǎn)標(biāo)高統(tǒng)計(jì)見圖8。

從統(tǒng)計(jì)圖可以看出，高程10～40 m溶洞最為發(fā)育，-40～-60 m、-70～-90 m溶洞發(fā)育次之，大于40 m、10～-40 m以及-90 m以深溶洞欠發(fā)育。

圖7 區(qū)內(nèi)揭露溶洞按標(biāo)高統(tǒng)計(jì)圖

圖8 曹山硫鐵礦和白家山銅礦鉆孔揭示溶洞統(tǒng)計(jì)圖

6 結(jié)語

本區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育垂直分帶性明顯，與可溶巖所處的深度有密切聯(lián)系，同時(shí)巖溶的形成與當(dāng)時(shí)的地下水位，古地形及古構(gòu)造，地下水動(dòng)力條件有關(guān)。本區(qū)垂向巖溶的發(fā)育在鉆孔的揭露范圍內(nèi)具有以下規(guī)律：

(1)本區(qū)T1n、T2d地層發(fā)育溶洞最多，分別為9、7個(gè)，其中以T1n地層最為發(fā)育。

(2)本區(qū)溶洞多發(fā)育在淺部，分布在埋深0～30 m以內(nèi)，達(dá)到了總揭露溶洞的73%，說明淺部巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈。

(3)區(qū)域上，從水平溶洞和鉆孔揭露的溶洞高程來看，大致可分為4個(gè)水平，最高水平一般為200～300 m；第二水平為150 m左右；第三水平為30～100 m；最低水平大致在-80 m以上，巖溶最發(fā)育。

(4)本工作區(qū)溶洞發(fā)育密集程度：高程10～40 m溶洞最為發(fā)育，-40～-60 m、-70～-90 m溶洞發(fā)育次之，大于40 m、10～-40 m以及-90 m以深溶洞欠發(fā)育。

[1]安徽省地礦局321地質(zhì)隊(duì).銅陵幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(1∶20萬).1969.

[2]安徽省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).1∶20萬銅陵幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告.1984.

[3]安徽省地礦局321地質(zhì)隊(duì).銅陵幅區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報(bào)告書(1∶50000).1969.

[4]安徽省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)與321地質(zhì)隊(duì).銅陵市水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報(bào)告(1∶50000).1997.9.

[5]安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局321地質(zhì)隊(duì).安徽銅陵曹山硫鐵礦礦床勘查地質(zhì)報(bào)告.1993.3.

[6]安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì).安徽省銅陵市敕山、傘形山石灰石礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告.2007.7.