福建明溪花園石灰?guī)r礦區(qū)巖溶發(fā)育特征

包國良

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

巖溶(喀斯特)為水對可溶巖石進行以化學(xué)溶蝕作用為主，并伴隨以流水沖蝕、潛蝕、重力崩塌等機械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用在地表造成各種獨特的地貌現(xiàn)象和特殊水文地質(zhì)現(xiàn)象過程的總稱。儲存并運移于可溶性巖層中的地下水稱為巖溶水，水量豐富的巖溶含水系統(tǒng)是理想的供水水源。巖溶區(qū)的奇峰異洞和大泉是寶貴的旅游資源。易發(fā)生滲漏的巖溶化巖層，則給修建水利工程帶來復(fù)雜問題。水量大且分布極不均勻的巖溶水往往對采礦構(gòu)成巨大威脅，如礦坑突水等礦山開采面臨的常見地質(zhì)災(zāi)害。我國的可溶巖分布約占全國面積的三分之一，因此對巖溶及巖溶水的研究具有很大的實際意義[1]。明溪花園石灰?guī)r礦區(qū)是以巖溶水直接充水為主的礦床，查明該礦區(qū)巖溶的發(fā)育特征及分布規(guī)律，為礦山開采建設(shè)提供依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于福建西北部，地處武夷山脈東南側(cè)，區(qū)內(nèi)出露地層有早石炭世林地組、早二疊世船山組、中二疊世棲霞組、文筆山組及第四紀更新世及全新世，巖性主要有石英砂巖、石英砂礫巖、石灰?guī)r，粉砂巖、泥巖。殘積黏性土及沖洪積砂、卵石、礫石等。侵入巖主要分布于礦區(qū)東北部，為晚侏羅世鉀長花崗巖。

礦區(qū)處于明溪復(fù)式向斜南東翼北段，次級小褶皺較發(fā)育，以復(fù)式背、向斜為主要特征。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，以北東向斷裂為主，呈近等距平行展布；次為南北向和北西向。斷裂性質(zhì)以脆性高角度正或逆層為主(1)福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建省明溪縣花園礦區(qū)南礦段水泥用灰?guī)r礦詳查報告，2019。收稿日期：2019-07-19作者簡介： 包國良(1985-)，男，工程師，水文與水資源工程。。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 地形(地貌)

礦區(qū)屬構(gòu)造侵蝕低山地貌類型，地形坡度較陡，一般為20°～40°，局部超過45°。地勢北高、南低。最高點位于礦區(qū)西北部(茶甲峰)，標高為814.5 m；最低點位于礦區(qū)南部溪溝，標高為405.90 m，為礦區(qū)最低侵蝕基準面，相對高差為408.60 m。植被發(fā)育，主要為杉木、松木和灌木林，少量毛竹林，基巖較少裸露，特別在文筆山組地層覆蓋區(qū)，地表多被殘積黏性土覆蓋，層厚一般為2～10 m。

礦區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，地形切割較深，主要分布有4條溝流(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，其中Ⅰ溝流是礦區(qū)的主溝流，其年平均流量為171.90 L/s；Ⅱ溝流流量為16.46 L/s，Ⅲ溝流流量為4.652 L/s，Ⅳ溝流流量為6.696 L/s；各支流匯聚至主溝流后由東北往西南穿過礦區(qū)匯入漁塘溪(圖1)。

2.2 巖層富水性

礦區(qū)內(nèi)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、塊狀巖類裂隙水及碳酸鹽巖類巖溶水。

松散巖類孔隙水：主要貯存于沖洪積的砂礫卵石層的孔隙中，含水層厚度一般小于5.0 m，為潛水，在山凹或山坡腳與基巖接觸部呈小股狀或面狀的泉滲出地表，泉流量在0.014～0.14 L/s，富水性弱。

碎屑巖類孔隙裂隙水：主要貯存于文筆山組巖層的孔隙裂隙中，揭露含水層單層最大厚度為31.80 m(ZK702)，最小為1.00 m(ZK3902)，呈透鏡狀為主，地下水徑流模數(shù)0.75～0.84 L/(s·m)，富水性弱。

碎屑巖類裂隙含水層：位于礦床的頂板，為礦床間接充水含水層。

碳酸鹽巖類巖溶裂隙水：貯存于船山組-棲霞組石灰?guī)r、大理巖裂隙溶洞中，鉆孔揭露含水層單層最大厚度為13.97 m(ZK3904)，最小為0.10 m(ZK3902)，呈透鏡狀為主，鉆孔單位涌水量為0.086 L/(s·m)，泉流量最大0.513 L/s，富水性以弱為主, 為礦床直接充水含水層。

塊狀巖類裂隙水：貯存于中細粒花崗巖的裂隙中，泉流量為0.062 L/s，富水性弱。

2.3 斷層導(dǎo)水性

礦區(qū)發(fā)育北東向斷層(F1、F2、F3、F11、F12)、南北向斷層(F4、F5、F6)及北西向斷層(F7、F8)，大部分斷層兩側(cè)未見泉點出露，為不導(dǎo)水斷層。斷層性質(zhì)以壓性為主，其中F11為張性導(dǎo)水斷層，位于礦區(qū)中部文筆山組與船山-棲霞組石灰?guī)r接觸帶上，長約為1.7 km，寬數(shù)米。斷層走向北東15°～40°，傾向北西，傾角20°～50°。斷層內(nèi)巖石具矽卡巖化、綠簾石化、碳酸鹽化，性質(zhì)為緩傾角正斷層。斷層附近可見泉點出露，流量在0.091～0.513 L/s，富水性弱，鉆孔揭露該斷層以弱導(dǎo)水為主，地表水通過斷層與地下水水力聯(lián)系總體弱。該斷層是控制石灰?guī)r礦體分布的主要斷層。

圖1 明溪花園礦區(qū)水文地質(zhì)略圖

2.4 地下水補給、徑流、排泄條件

礦區(qū)地下水主要貯存于棲霞組石灰?guī)r的裂隙溶洞中，其補給、徑流、排泄條件主要受地形及巖溶發(fā)育系統(tǒng)控制。地下水的補給來源主要為大氣降水，巖石裸露區(qū)通過地表溶隙直接接受大氣降水的面狀滲入補給；在埋藏型巖溶區(qū)，大氣降水通過上覆地層(文筆山組及第四系)間接補給巖溶水。地下水流向與地形坡向較為一致，由地勢較高處呈輻射狀向下游潛流，從分水嶺到溝谷，地下水交替由強變?nèi)酰诖瓜蛏?，地下水徑流隨深度增大而變?nèi)酰灰话阋韵陆等男问皆跍瞎戎?、陡壁下排?(圖2)。

圖2 明溪花園礦區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

3 巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律

3.1 巖溶的發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)出露早二疊世船山組、中二疊世棲霞組石灰?guī)r地層分布廣泛，巖石礦物成分以方解石為主，化學(xué)成分以CaCO3為主。礦區(qū)鉆孔揭露石灰?guī)r厚度在25.82～396.25 m，以埋藏或覆蓋型巖溶為主，僅局部為裸露型。巖溶形態(tài)以溶洞為主，少量地表的為溶槽、溶溝。礦區(qū)斷層發(fā)育，特別是礦區(qū)張性斷層F11附近的巖溶分布較為集中。

在礦區(qū)施工的15個鉆孔中，見有溶洞鉆孔4個(ZK701、ZK3901、ZK3904、ZK5501)，線巖溶率分別為2.31%、7.49%、1.57%、18.14%，平均線巖溶率1.92%，鉆孔溶洞遇見率為26.67%，巖溶不發(fā)育。溶洞具有半充填和空洞(無充填)2種類型，充填率及空洞率各占50%。充填物多數(shù)為泥砂及石灰?guī)r碎塊，呈灰黑色、灰色，石灰?guī)r碎塊多呈棱角狀，表明其未經(jīng)過搬運或搬運距離短。從巖溶的充填物化學(xué)成分全分析可知，相較于石灰?guī)r化學(xué)成分除CaO、SO3、Cl及燒失量外，其余化學(xué)成分含量均更高，特別是SiO2(砂)含量(圖3)。

圖3 明溪花園礦區(qū)巖溶充填物與石灰?guī)r化學(xué)成分含量特征曲線圖

礦區(qū)地下水水位埋深多在10～40 m，部分鉆孔發(fā)生漏水，水位下降到80 m，水位標高在396.65～619.35 m。巖溶水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。礦化度在43.75～187.29 mg/L，為低礦化度水。pH值為7.66～7.90，屬中性水。硬度在121.06～166.96 mg/L，屬軟水-中硬水。水樣Piper圖顯示，在三角形區(qū)域，多數(shù)陽離子位于三角形的底端偏左方，為高Ca2+，低Na+、K+和Mg2+；多數(shù)陰離子位于三角形的底端偏左方，為高HCO3-，低Cl-、SO42-(圖4)。巖溶水化學(xué)特征的形成是由于水的溶濾作用，富含CO2的溶濾水流經(jīng)富含CaCO3的石灰?guī)r地層往往形成HCO3-Ca型的水[3]。

圖4 明溪花園礦區(qū)水樣的Piper圖

3.2 巖溶的分布規(guī)律

礦區(qū)石灰?guī)r在平面主要呈狹長條帶狀分布，主要分布于7線至55線之間，北部被花崗巖體侵入，南部為第四系覆蓋，西部、北部埋藏于文筆山組之下。地表巖溶形態(tài)表現(xiàn)為溶槽、溶溝、溶蝕芽等，深部巖溶形態(tài)以溶洞為主。

水平方向，鉆孔所揭露溶洞主要分布于斷層F11附近；垂直方向，根據(jù)鉆孔揭露溶洞分布標高分析，礦區(qū)地下溶洞發(fā)育有3層，埋深45.79～94.55 m，標高在489.27～368.59 m，位于礦區(qū)侵蝕基準面以上，溶洞高度在0.30～22.53 m(表1)。包括地表巖溶，礦區(qū)巖溶從上到下發(fā)育有4層，巖溶主要發(fā)育在棲霞組石灰?guī)r中。

3.3 巖溶成因分析

巖溶發(fā)育的條件主要包括巖石可溶性、巖石的透水性、水的溶蝕性、水的流動性等，具體從區(qū)內(nèi)地形(地貌)、巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)等方面進行分析。

區(qū)內(nèi)的石灰?guī)r地層分布廣泛，且化學(xué)成分以CaCO3為主，石灰?guī)r厚度在25.82～396.25 m，礦區(qū)的巖性為巖溶的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。巖溶作用多是在可溶巖石原有裂隙的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，礦區(qū)斷層發(fā)育，受斷層影響，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，特別是礦區(qū)張性斷層F11附近，巖溶分布較為集中，攜有豐富CO2的大氣降水通過斷層破碎帶及巖石節(jié)理裂隙下滲補給地下水，地下水循環(huán)交替速度加快，不斷溶蝕石灰?guī)r體，形成溶洞。

水是巖溶作用的主要因素，水對石灰?guī)r溶解作用是水中的CO2、H2O、CaCO3的化學(xué)反應(yīng)過程，其化學(xué)反應(yīng)過程可用化學(xué)反應(yīng)式表達如下：

CO2+H2O+CaCO3Ca2++2HCO3-

上述化學(xué)反應(yīng)是可逆的。水中富含CO2的溶濾水通過構(gòu)造裂隙不斷與富含CaCO3的石灰?guī)r發(fā)生化學(xué)作用，即水中的CO2溶于水生成H+與CaCO3溶于水生成的OH-結(jié)合，從而促進CaCO3的溶解[1]，巖溶作用進一步發(fā)展。

當水中含有CO2時，才具有較強的溶蝕能力。礦區(qū)處于潮濕氣候區(qū)，大氣降水豐沛，大氣降水中富含CO2的溶濾水通過構(gòu)造裂隙不斷與富含CaCO3的石灰?guī)r發(fā)生化學(xué)作用，為巖溶作用提供了水動力條件。地形條件控制了水的流動性，巖石透水性取決于裂隙的發(fā)育程度[3]。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育具有不均一性，其與巖溶系統(tǒng)的開閉程度，水的循環(huán)交替快慢有關(guān)。系統(tǒng)開放，地下水交替速度快，則巖溶發(fā)育；反之，則不然。

表1 明溪花園礦區(qū)鉆孔巖溶統(tǒng)計

新構(gòu)造運動地殼間歇性隆升是形成多層溶洞的地球內(nèi)動力因素。受新構(gòu)造運動影響，地殼隆升，巖溶向下作用，開始新的一個巖溶作用。區(qū)內(nèi)地下形成的3層溶洞以及地表巖溶，說明區(qū)內(nèi)第四紀地質(zhì)時期曾經(jīng)歷過三次地殼隆升。

礦區(qū)山坡較陡，大氣降水排泄較快，巖溶以埋藏或覆蓋型為主，僅局部為裸露型，大部分石灰?guī)r被殘積黏性土及花崗巖、砂巖、泥巖所覆蓋，覆蓋層總的厚度為1.05(ZK3904)～245.19 m(ZK2302)，平均厚度97.40 m，厚層的覆蓋層成為天然的隔水屏障，大氣降水不易下滲，無法充分補給地下水，導(dǎo)致礦區(qū)巖溶不發(fā)育。

4 結(jié)論

(1)明溪花園石灰?guī)r礦區(qū)為巖溶水直接充水為主的礦床。礦區(qū)地下巖溶以溶洞為主，主要發(fā)育在棲霞組石灰?guī)r中，巖溶率1.92%，屬巖溶不發(fā)育地區(qū)。

(2)礦區(qū)巖溶發(fā)育受多種因素影響，新構(gòu)造運動地殼間歇性隆升控制著溶洞的發(fā)育高度與層數(shù)。礦區(qū)地下形成的3層溶洞以及地表巖溶，說明礦區(qū)第四紀地質(zhì)時期曾經(jīng)歷過3次地殼隆升。

(3)礦床開采所面臨的主要水文地質(zhì)問題為溶洞突水、突泥。未來礦山開采，在揭露到7線、39線、55線及斷層F11附近等巖溶發(fā)育地段，可能產(chǎn)生突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強監(jiān)測及防護。