云南鶴慶西山地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用分析

王錦國(guó)，趙洪達(dá)，周 云，黃 華，陳長(zhǎng)生

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

我國(guó)云南地區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶程度高。巖溶發(fā)育受多種條件影響。其中，地質(zhì)構(gòu)造作為重要影響條件，不僅能夠控制巖溶發(fā)育過(guò)程，也在很大程度上影響巖溶地區(qū)工程建設(shè)。因此，已有科研人員從構(gòu)造與巖溶發(fā)育關(guān)系入手，對(duì)巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律進(jìn)行研究。

受斷裂影響，地層結(jié)構(gòu)與巖體完整性遭到破壞，會(huì)促進(jìn)巖溶的發(fā)育[1]。有學(xué)者從地表巖溶現(xiàn)象入手，分析巖溶形態(tài)與構(gòu)造體系間的關(guān)系。周宇成等[2]結(jié)合豐富的地表巖溶現(xiàn)象，根據(jù)由斷裂形成溝谷的寬度和深度，劃分了地表巖溶的斷溶-溶縫序列；繆世賢等[3]分別對(duì)徐州地區(qū)裸漏型與覆蓋型巖溶進(jìn)行分析，得到巖溶發(fā)育總體受構(gòu)造控制呈北東向“強(qiáng)-弱”相間展布的結(jié)論；有學(xué)者對(duì)斷裂帶附近巖溶塌陷的規(guī)律性進(jìn)行研究，認(rèn)為斷裂主要控制了巖溶塌陷的形態(tài)，在張性斷裂與裂隙附近巖溶發(fā)育程度更高[4-5]。也有學(xué)者著重關(guān)注斷裂特征，探討構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用。Jacek等[6]的研究結(jié)果表明，受斷層影響巖溶地下水徑流與巖溶管道發(fā)生改變，進(jìn)而改變水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)巖溶洞穴發(fā)育起到促進(jìn)作用；鄭小戰(zhàn)等[7]在研究金沙洲地區(qū)巖溶發(fā)育特征時(shí)指出，沿?cái)嗔褍蓚?cè)100 m范圍內(nèi)，單孔巖溶率明顯強(qiáng)于外部范圍，總體巖溶程度高。還有部分學(xué)者將構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的影響作用分析應(yīng)用到工程建設(shè)中，具有一定的指導(dǎo)意義；李保方等[8]結(jié)合大藤峽水利樞紐工程，認(rèn)識(shí)到斷裂構(gòu)造控制巖溶管道發(fā)育方向；陳祥軍等[9]通過(guò)分析巖體面溶蝕率的方法，對(duì)水布埡大壩左岸山體滲透性進(jìn)行探討，強(qiáng)調(diào)了大型溶蝕洞穴與小尺度溶蝕裂隙在巖溶發(fā)育過(guò)程中的作用。

云南鶴慶西山地區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成以NNE-NE向構(gòu)造帶為基本格架的構(gòu)造體系，巖性以北衙組碳酸鹽巖為主[10]，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育受地質(zhì)構(gòu)造影響強(qiáng)烈，主要具有以下3個(gè)特征：(a)研究區(qū)內(nèi)發(fā)育多層次構(gòu)造，不同層次構(gòu)造分別從不同程度影響巖溶發(fā)育；(b)不同埋深條件下構(gòu)造特征不同，導(dǎo)致巖溶發(fā)育具有差異性；(c)研究區(qū)巖溶發(fā)育具有階段性，巖溶地貌具有分層性特點(diǎn)。筆者通過(guò)對(duì)鶴慶西山地區(qū)實(shí)地調(diào)查，分析探討該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用，以期為研究區(qū)相關(guān)工程建設(shè)提供依據(jù)。

1 地 質(zhì) 背 景

1.1 地層巖性

研究區(qū)地層由老到新依次為：二疊系峨眉山組(Pβ)、黑泥哨組(P2h)，三疊系青天堡組(T1q)、北衙組(T2b)、松桂組(T3sn)，古近系麗江組(El)，新近系(N)及第四系(Q)[11]。其中三疊系北衙組(T2b)屬于研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖出露最廣泛的巖石地層單位，也是構(gòu)成鶴慶西山巖溶發(fā)育的主要地層單位。研究區(qū)具體地層巖性特征及其位置分布如表1所示。

表1 研究區(qū)主要地層巖性及分布

表2 研究區(qū)地史時(shí)期主要構(gòu)造事件

1.2 構(gòu)造演化

研究區(qū)在三疊紀(jì)為淺海環(huán)境，沉積了以北衙組(T2b)為代表的巨厚碳酸鹽巖地層，為研究區(qū)巖溶發(fā)育奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。印支運(yùn)動(dòng)期間，由于印度板塊自南向北的俯沖，在研究區(qū)形成以NNE-NE向?yàn)橹鞯臉?gòu)造格局，而后地殼擠壓縮短，在鶴慶西山形成一系列近東西向斷層，整體自北向南推覆。三疊紀(jì)末期燕山運(yùn)動(dòng)，地殼持續(xù)抬升，研究區(qū)及周邊缺失侏羅系、白堊系地層。進(jìn)入喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)后，研究區(qū)以強(qiáng)烈的地殼活動(dòng)為主，地殼差異性抬升，研究區(qū)北部抬升較快，發(fā)育有溶蝕山峰與兩級(jí)臺(tái)地，而南部抬升較慢或相對(duì)下降，盆地寬平。上新世末期全區(qū)進(jìn)一步隆升形成如今的高原地貌[12]。

1.3 構(gòu)造發(fā)育特征

1.3.1 研究區(qū)構(gòu)造層次劃分

研究區(qū)的構(gòu)造大致可分為4個(gè)層次：(a)區(qū)域性斷裂帶，一般延伸數(shù)十千米；(b)次級(jí)斷裂，延伸數(shù)千米至十?dāng)?shù)千米；(c)大型構(gòu)造裂隙，延伸數(shù)百米；(d)節(jié)理，發(fā)育在巖體內(nèi)部，規(guī)模從數(shù)厘米至數(shù)米不等。

1.3.2 構(gòu)造發(fā)育特征

研究區(qū)主要發(fā)育有龍?bào)?喬后、麗江-劍川與鶴慶-洱源3條區(qū)域性斷裂帶，整體構(gòu)造行跡以NNE-NE為主，各斷裂帶構(gòu)造特征見(jiàn)表3。龍?bào)?喬后斷裂位于研究區(qū)西北部，為一區(qū)域性逆斷層，沿線主要錯(cuò)段三疊系地層，北衙組(T2b)大面積分布于該斷裂東側(cè)，為研究區(qū)巖溶發(fā)育的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。

表3 研究區(qū)區(qū)域性斷裂帶主要構(gòu)造特征

麗江-劍川斷裂帶由三條主斷裂構(gòu)成，自麗江盆地向西南方向延伸。三疊紀(jì)以前斷裂活動(dòng)以張性為主，沿?cái)嗔芽梢?jiàn)二疊紀(jì)基性巖漿巖侵入，進(jìn)入喜山期后，斷裂活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杀蔽飨蚰蠔|的逆沖擠壓[13]。該斷裂帶垂向相對(duì)隔水，對(duì)研究區(qū)巖溶的空間展布起到一定控制作用，構(gòu)成鶴慶西山巖溶發(fā)育的西北邊界。

鶴慶-洱源斷裂帶由兩條主斷裂組成，控制鶴慶盆地的形成和演化[14-15]，構(gòu)成鶴慶盆地的北西和南東邊界。該斷裂帶北西支主要錯(cuò)段北衙組(T2b)灰?guī)r地層，破碎帶寬大，拉張裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育，透水性好，控制鶴慶西山地下水的徑流與排泄，與鶴慶西山地區(qū)地下巖溶管道、鶴慶盆地西邊緣一系列巖溶大泉的形成密切相關(guān)。

次級(jí)斷裂主要發(fā)育于鶴慶西山，按照構(gòu)造行跡可劃分為：NNE走向的金棉-七河斷裂、近南北走向的下馬塘-黑泥哨斷裂以及東西向構(gòu)造。其中，東西向構(gòu)造受區(qū)域性斷裂帶影響和改造，以壓性逆沖斷層為主，由北向南依次為水井村斷裂、石灰窯斷裂、馬場(chǎng)逆斷裂、汝南哨斷裂和青石崖斷裂，各斷層長(zhǎng)10～15 km不等，總體上組成由北向南的逆沖推覆構(gòu)造，表現(xiàn)為北衙組下段(T2b1)、三疊系下統(tǒng)(T1q)和北衙組中段(T2b2)重復(fù)出現(xiàn)的構(gòu)造特征(圖1)。一方面，由于上盤(pán)以北衙組灰?guī)r為主，巖石破碎，拉張裂隙發(fā)育，能夠促進(jìn)鶴慶西山東西向地下水徑流和巖溶發(fā)育[16]；另一方面，逆斷層發(fā)育有擠壓擦痕等典型的壓性構(gòu)造面特征，導(dǎo)致斷層南北向相對(duì)隔水，巖溶在東西向相對(duì)獨(dú)立發(fā)展。

圖1 鶴慶西山逆沖推覆構(gòu)造(剖面1-1′)Fig.1 Thrust-Nappe Belt in Profile 1-1′ in the Westshan mountains of Heqing county

受斷層活動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育NE向和NW向兩組大型構(gòu)造裂隙，多位于碳酸鹽巖地層，一般延伸數(shù)百米距離，易形成巖溶負(fù)地形，對(duì)地表水的匯聚與徑流有積極作用，促進(jìn)地表水與地下水轉(zhuǎn)換，利于地下巖溶管道發(fā)育。研究區(qū)節(jié)理規(guī)模從數(shù)厘米至數(shù)米不等，節(jié)理延伸方向能夠影響巖溶發(fā)育方向，碳酸鹽巖中的密集共軛節(jié)理對(duì)巖溶發(fā)育具有促進(jìn)作用。

2 構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用

2.1 區(qū)域性斷裂帶控制巖溶發(fā)育

二疊紀(jì)早期，麗江-劍川斷裂帶以拉張活動(dòng)為主，玄武巖沿該斷裂帶溢出[17]，呈南北向條帶分布，古近紀(jì)以來(lái)，該斷裂活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏇_擠壓[18]，與玄武巖墻共同組成相對(duì)隔水層，其東西兩側(cè)區(qū)域地下水聯(lián)系弱，且受控于不同侵蝕基準(zhǔn)面，巖溶發(fā)育也因此各自獨(dú)立。

研究區(qū)北部構(gòu)造行跡受龍?bào)?喬后斷裂影響以NNE向?yàn)橹?，地下水運(yùn)移受局部侵蝕基準(zhǔn)面拉市盆地控制，總體自南向北徑流，排泄高程約2 500 m；而鶴慶西山的地下水徑流則受控于高程約2 200 m的區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面-鶴慶盆地，整體自西向東徑流，沿盆地西邊緣形成排泄帶，以巖溶大泉和地下暗河形式集中排泄。云南鶴慶地區(qū)地質(zhì)情況如圖2所示。

1—第四系黏土、砂礫石；2—新近系粉砂巖夾泥巖；3—古近系麗江組；4—三疊系松桂組；5—三疊系北衙組；6—三疊系青天堡組；7—二疊系黑泥哨組；8—二疊系峨眉山組玄武巖；9—逆斷層；10—隱伏斷層；11—大型構(gòu)造裂隙；12—地層界線；13—地層不整合接觸界線；14—鉆孔；15—落水洞；16—地下水流向；17—巖溶泉；18—剖面；19—水平溶洞平面發(fā)育位置；20—研究區(qū)各級(jí)階地發(fā)育位置圖2 云南鶴慶地區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Heqing area in Yunnan Province

總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)的3條區(qū)域性斷裂帶通過(guò)斷裂活動(dòng)影響研究區(qū)地層展布(圖3)，控制區(qū)域地下水徑流方向，奠定了鶴慶西山巖溶發(fā)育整體格局。

圖3 區(qū)域斷裂帶分布(剖面2-2′)Fig.3 Distribution map of regional fault zones in Profile 2-2′

2.2 次級(jí)斷裂控制巖溶發(fā)育

鶴慶西山次級(jí)斷裂對(duì)地下水運(yùn)移和巖溶發(fā)育的影響主要表現(xiàn)如下：(a)近東西向斷層沿?cái)鄬臃较驅(qū)?，垂直斷層方向阻水。根?jù)閻長(zhǎng)虹等[19-20]的研究，逆斷層上盤(pán)巖體內(nèi)部因應(yīng)力變化導(dǎo)致張裂隙發(fā)育，鶴慶西山地下水在張裂隙控制下自西向東徑流；斷層垂向顯示壓性構(gòu)造面特征，南北向阻水，因此巖溶發(fā)育在鶴慶西山表現(xiàn)為獨(dú)立的東西向長(zhǎng)條形巖溶斷塊，逆斷層控制巖溶發(fā)育方向，地下水在盆地邊緣排泄并形成一系列巖溶大泉。(b)斷層交匯處巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，以下馬塘-黑泥哨斷裂與馬場(chǎng)逆斷裂交匯處為典型。該處巖石破碎程度高，在地表形成安樂(lè)壩巖溶洼地地貌，在洼地底部發(fā)育2個(gè)落水洞，成為地表水匯集及其與地下水交換的主要場(chǎng)所。(c)斷層影響帶控制巖溶發(fā)育深度。在馬廠進(jìn)行了水文地質(zhì)鉆孔勘察工作，鉆孔XLZK16(表4)孔深659.00～639.30 m段可見(jiàn)2條斷層面，發(fā)育有溶蝕孔洞；孔深876.30～878.00 m和883.20～886.50 m段為斷層影響帶。

由表4可知，隨著深度增加，溶蝕程度不斷降低，但由于孔深800 m以下發(fā)育有斷層，為巖溶發(fā)育提供了一定的空間，以順斷層面發(fā)育為主，且在斷層影響帶，地下水徑流速度快、巖溶水循環(huán)周期短，巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈，證明斷層的存在控制了巖溶發(fā)育深度，且?guī)r溶發(fā)育與淺層相比具有一定差異性。

表4 馬廠水文地質(zhì)鉆孔XLZK16巖芯特征

2.3 大型構(gòu)造裂隙控制巖溶發(fā)育

受斷層活動(dòng)影響，研究區(qū)主要發(fā)育了NE向與NW向兩組大型構(gòu)造裂隙，與區(qū)內(nèi)整體構(gòu)造行跡大體一致。如大龍?zhí)丁↓執(zhí)丁饲f龍?zhí)兑痪€西山坡處，發(fā)育有多條NW向大型構(gòu)造裂隙，均延伸數(shù)百米距離，裂隙規(guī)模大，溶蝕作用較強(qiáng)烈，在地表形成大型溶溝和深切巖溶峽谷地貌(圖4(a)、圖4(b))，成為地表水與地下水交換場(chǎng)所，促進(jìn)NW向巖溶發(fā)育與地下水徑流。

圖4 研究區(qū)大型構(gòu)造裂隙及節(jié)理Fig.4 Large-scale structural fissures and joints in the study area

2.4 節(jié)理控制巖溶發(fā)育

北衙組灰?guī)r內(nèi)部發(fā)育有大量密集共軛節(jié)理，為地表徑流與降水提供入滲通道；節(jié)理本身具有一定儲(chǔ)水效果，在巖體內(nèi)部尤其是節(jié)理交叉處常見(jiàn)溶蝕孔洞(圖4(c)、圖4(d))。在一定程度上能夠影響巖溶發(fā)育的方向和規(guī)模，有利于地表溶溝、地下溶洞等巖溶地貌的發(fā)育。

3 巖溶發(fā)育階段及特征

由于研究區(qū)具備以三疊系北衙組(T2b)為主體的碳酸鹽巖地層，且構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，水-巖交互作用頻繁，巖溶發(fā)育程度高。根據(jù)研究區(qū)保留的多級(jí)夷平面和層狀溶洞及其對(duì)應(yīng)的河流階地、盆地邊緣臺(tái)地等證據(jù)，將巖溶發(fā)育劃分為3個(gè)階段。

3.1 古近紀(jì)巖溶發(fā)育期

古新世以來(lái)，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)一幕期間印度板塊向歐亞板塊俯沖，研究區(qū)地殼活動(dòng)以斷塊分異為主，鶴慶盆地、麗江盆地等內(nèi)陸盆地在此時(shí)形成。喜山運(yùn)動(dòng)一幕之后，地殼處于長(zhǎng)期穩(wěn)定時(shí)期，研究區(qū)進(jìn)入第一個(gè)穩(wěn)定的巖溶發(fā)育階段，保留有海拔3 000 m左右的夷平面。此時(shí)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，西龍?zhí)渡戏礁叱? 100 m左右的仙人洞即為此階段發(fā)育的水平溶洞，由于其處于研究區(qū)早期巖溶發(fā)育階段，隨后續(xù)地殼運(yùn)動(dòng)不斷抬升，屬于研究區(qū)內(nèi)高程最高、受剝蝕與侵蝕作用最嚴(yán)重的頂層溶洞。

3.2 新近紀(jì)巖溶發(fā)育期

新近紀(jì)以來(lái)，受喜山運(yùn)動(dòng)二幕影響，印度板塊向歐亞板塊進(jìn)一步俯沖，研究區(qū)地殼活動(dòng)加劇，控盆斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致斷塊山地與斷陷盆地顯著分異，盆山高差增大。而后地殼逐漸穩(wěn)定，研究區(qū)進(jìn)入第二個(gè)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育階段，也即新近紀(jì)巖溶發(fā)育期。

在此期間，研究區(qū)內(nèi)形成海拔2 500～2 700 m的夷平面，并發(fā)育有新一期水平溶洞，以鶴慶盆地邊緣坡頂老鷹洞為代表，其洞口高程2 682 m，洞底發(fā)現(xiàn)有代表新近紀(jì)地下水活動(dòng)的紅色鈣質(zhì)灰?guī)r沉積物，表明新近紀(jì)喜山運(yùn)動(dòng)二幕以后研究區(qū)穩(wěn)定的地殼環(huán)境和水平巖溶發(fā)育。

另外，鶴慶盆地中心鉆孔巖芯指示了研究區(qū)沉積環(huán)境的變化。由于鶴慶盆地周?chē)际锹懵兜娜B系北衙組(T2b)灰?guī)r，盆地內(nèi)部的碳酸鹽主要來(lái)自地表水、地下水對(duì)灰?guī)r的沖蝕、溶蝕和徑流作用輸入。因此當(dāng)沉積物粒度變細(xì)、碳酸鹽含量增高，即可表明研究區(qū)沉積環(huán)境穩(wěn)定、地下水水力坡度低、水巖作用充分、巖溶發(fā)育以水平溶蝕為主的特征。

由表5可知，新近紀(jì)鶴慶盆地中心碳酸鹽含量變化為低—高—穩(wěn)定—較低，沉積了近300 m的厚度(巖芯段694.3～382.3 m)，反映了這一時(shí)期氣候溫和、降雨量大、巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

表5 鶴慶盆地中心鉆孔巖芯特征

3.3 第四紀(jì)(現(xiàn)代)巖溶發(fā)育期

第四紀(jì)以來(lái)，喜山運(yùn)動(dòng)三幕青藏高原強(qiáng)烈隆升，影響云南鶴慶地區(qū)控盆斷裂差異性升降，盆山高差進(jìn)一步增大。期間，研究區(qū)鶴慶西山中部隆升，兩側(cè)巖溶含水層底板埋深降低，在馬廠地區(qū)形成自東向西的地下水徑流通道，相關(guān)鉆孔地下水位及水力坡度數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。鉆孔XLZK16位于錳礦溝大陡山附近，鉆孔XLZK18位于馬廠洼地，兩鉆孔地下水位高程分別為2 364 m和2 579 m，水力坡度為2.63%和3.91%，排泄點(diǎn)位于鶴慶盆地邊緣錳礦溝黑龍?zhí)叮判垢叱虨? 365～2 350 m。

表6 鶴慶西山相關(guān)鉆孔地下水位統(tǒng)計(jì)

喜山運(yùn)動(dòng)三幕結(jié)束之后，地殼長(zhǎng)期處于穩(wěn)定-微震蕩的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，研究區(qū)進(jìn)入第四紀(jì)(現(xiàn)代)巖溶發(fā)育期，表現(xiàn)為在鶴慶盆地邊緣斜坡處發(fā)育有多級(jí)水平溶洞，分別對(duì)應(yīng)一至四級(jí)河流階地或盆地邊緣臺(tái)地。按照年代由老至新、高程由高到低依次為：高層溶洞對(duì)應(yīng)四級(jí)盆地邊緣臺(tái)地，高程2 300～2 500 m，以河頭村西山腰溶洞為代表；中層溶洞對(duì)應(yīng)三級(jí)盆地邊緣臺(tái)地，高程2 260～2 320 m，以青玄洞為代表；低層溶洞對(duì)應(yīng)二級(jí)河流階地，高程2 210～2 240 m，如白巖角溶洞；現(xiàn)代巖溶發(fā)育層對(duì)應(yīng)一級(jí)河流階地，也即現(xiàn)代河床與漫灘，高程2 200～2 220 m，該層水平巖溶至今仍在發(fā)育，主要為鶴慶盆地邊緣的一系列巖溶泉或地下河出口，如黃龍?zhí)?、洗馬池等。鶴慶西山階地代表性位置分布及溶洞平面分布見(jiàn)圖5。

圖5 鶴慶西山階地序列與溶洞垂向分層示意圖Fig.5 Terraces and vertical layering of karst caves in the Westshan mountains, Heqing county

4 結(jié) 論

a. 云南鶴慶西山受多期構(gòu)造活動(dòng)影響，研究區(qū)整體上形成以NNE向?yàn)橹?、東西向構(gòu)造為輔的構(gòu)造格局，大致可以劃分為區(qū)域性斷裂帶、次級(jí)斷裂、大型構(gòu)造裂隙與節(jié)理等4個(gè)層次。

b. 區(qū)域性斷裂帶控制研究區(qū)地層展布；東西向構(gòu)造控制巖溶發(fā)育方向，垂向阻水；次級(jí)斷裂交匯處巖溶發(fā)育強(qiáng)烈；巖溶發(fā)育深度受斷層影響帶控制。

c. 大型構(gòu)造裂隙易在地表形成巖溶負(fù)地形，能夠促進(jìn)地表水與地下水之間的聯(lián)系；節(jié)理具有一定儲(chǔ)水效果，在一定程度上影響巖溶發(fā)育方向。

d. 云南鶴慶西山地區(qū)經(jīng)歷古近紀(jì)巖溶、新近紀(jì)巖溶，以及第四紀(jì)(現(xiàn)代)巖溶等3個(gè)巖溶發(fā)育期，發(fā)育四級(jí)河流階地與盆地邊緣臺(tái)地，分別對(duì)應(yīng)不同高程的水平溶洞。