川藏鐵路格聶山和察雅段構(gòu)造巖溶發(fā)育規(guī)律及巖溶地下水循環(huán)模式研究

李向全 ，馬劍飛 ，張春潮 ，王振興 ，付昌昌 ，白占學(xué)

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050061）

高原深埋長隧道高壓突水突泥災(zāi)害是川藏鐵路建設(shè)面臨的重大地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)類型之一。川藏鐵路雅安—林芝段穿越4個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，13條晚更新世以來的活動(dòng)斷裂帶，沿線分布75套碳酸鹽巖地層[1-2]，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造條件和高寒氣候特征造就了較為獨(dú)特的高原構(gòu)造巖溶類型。鐵路經(jīng)過的構(gòu)造巖溶發(fā)育區(qū)段表現(xiàn)為巖溶管道發(fā)育、巖溶水量豐沛和高壓高水頭等水文地質(zhì)特征，極易發(fā)生隧道高壓突涌水災(zāi)害，直接影響鐵路安全施工及運(yùn)行維護(hù)。

川藏鐵路沿線區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查及研究程度總體偏低，川西地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查精度為1∶50萬，藏東地區(qū)僅為1∶100萬。近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局相關(guān)直屬單位有針對(duì)性地開展了鐵路廊道1∶25萬和重點(diǎn)隧址區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查工作。國鐵集團(tuán)針對(duì)川藏鐵路設(shè)計(jì)線路開展了大量的水文地質(zhì)勘查工作，積累了較豐富的地質(zhì)資料[3]。

在高原巖溶研究方面，部分學(xué)者對(duì)高原巖溶形態(tài)及成因進(jìn)行了初步研究，對(duì)上新世以前形成的古巖溶地貌特征，以及現(xiàn)代冰川作用與高寒風(fēng)化對(duì)巖溶發(fā)育的影響進(jìn)行了探索研究[4-7]。許模等[8]針對(duì)川藏鐵路巖溶突涌水災(zāi)害評(píng)價(jià)做了大量研究工作。近期，中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)研究所結(jié)合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，編制了鐵路廊道區(qū)域1∶25萬水文地質(zhì)圖，劃分了水文地質(zhì)單元，對(duì)重點(diǎn)隧址區(qū)開展了構(gòu)造巖溶高壓突涌水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作[9-10]。

在前期研究基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)針對(duì)高原構(gòu)造巖溶的發(fā)育規(guī)律、形態(tài)特征和巖溶地下水循環(huán)模式進(jìn)行深入分析，為深埋隧道巖溶高壓突水突泥災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

格聶山研究區(qū)位于金沙江左岸的碳酸鹽巖地塊（圖1）。區(qū)域構(gòu)造上跨越金沙江構(gòu)造結(jié)合帶、中咱—中甸地塊2個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，分布齋如隆—樂玉共斷裂（北段為俄德西—紅軍山斷裂）、定曲河斷裂（北段為降曲—色伊斷裂）和崗?fù)嗔训萅NW向斷裂，以及巴塘斷裂等NE向斷裂。巖斷裂層主要分布于齋如隆—樂玉共斷裂和定曲河斷裂之間，以上寒武系、泥盆系、石炭系和二疊系碳酸鹽巖地層為主（圖2）。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location map of the study area

圖2 格聶山地區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Hydrogeological sketch map of the Genie Mountain

察雅研究區(qū)位于西藏自治區(qū)察雅縣東北部。區(qū)域構(gòu)造上位于瀾滄江斷裂帶東部，發(fā)育有瀾滄江斷裂、雅曲勇斷裂、王卡—雜拉鋪斷裂、阿托卡巴斷裂和格日瑪斷裂。巖溶地層以泥盆系、二疊系和三疊系碳酸鹽巖地層為主，受區(qū)域構(gòu)造控制，呈NNW向條帶狀分布（圖3）。

圖3 察雅地區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.3 Hydrogeological sketch map of Zaya County

2 高原構(gòu)造巖溶層序規(guī)律

2.1 高原構(gòu)造巖溶發(fā)育級(jí)次

格聶山和察雅地區(qū)構(gòu)造巖溶發(fā)育具有明顯的層序規(guī)律和高程區(qū)間，垂向由上至下大體分為四級(jí)巖溶發(fā)育級(jí)次。一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，海拔高程為4 900～5 300 m，巖溶地貌形態(tài)以大型落水洞、天生橋和角峰為主；二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，海拔高程為4 000～4 300 m，巖溶地貌形態(tài)以中、小型溶洞、溶隙為主；三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，海拔高程為3 500～3 700 m，巖溶形態(tài)以大、中型溶洞、溶隙為主；四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，海拔高程為2 900～3 200 m，巖溶形態(tài)以大、中型溶洞、溶隙為主（圖4）。三、四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)通常發(fā)育巖溶大泉，是巖溶地下水集中排泄區(qū)。

圖4 不同級(jí)次構(gòu)造巖溶地貌Fig.4 Tectonic karst landforms of different levels

格聶山地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)。以霍熱拉喀—亞日貢水文地質(zhì)剖面為例（圖5），一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于霍熱拉喀分水嶺一帶，海拔高程在5 000～5 200 m之間，廣泛發(fā)育溶蝕洼地、落水洞和角峰等巖溶地貌，溶蝕洼地最大者長800 m，寬500 m，深大于80 m。由于溶蝕洼地的匯水漏失作用，形成眾多的“干海子”（圖6）。該區(qū)常年積雪，大氣降水、冰川融水和地表水通過沿構(gòu)造發(fā)育的古巖溶通道滲漏補(bǔ)給地下水，是巖溶地下水的高位補(bǔ)給區(qū)。二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，位于南部德仁多一帶，海拔高程4 000～4 200 m；可見沿齋如隆—樂玉共斷裂分布的巖溶洞穴溶隙，有巖溶泉群出露，泉流量10～100 L/s。三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于東側(cè)定曲河谷，沿定曲河斷裂發(fā)育，海拔為3 500～3 600 m，出露巖溶大泉，泉流量10～330 L/s。四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于南部亞日貢麥曲河谷一帶，海拔高程為2 900～3 200 m，發(fā)育有沿構(gòu)造線分布的大型巖溶洞穴和溶隙，洞口直徑最大可達(dá)3 m，可見深度約5 m。由于接近區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面，為區(qū)域巖溶水集中排泄區(qū)，有大型泉群出露，最大泉流量可達(dá)470.74 L/s，眾多巖溶大泉在此高程區(qū)間出露排泄（圖7）。

圖5 格聶山地區(qū)亞日貢水文地質(zhì)剖面圖Fig.5 Hydrogeological section in Yarigong of the Genie Mountain

圖6 格聶山地區(qū)高位冰湖、干海子遙感解譯圖Fig.6 Interpretation of the high-level glacial lake of the Genie Mountain

圖7 格聶山和察雅地區(qū)構(gòu)造巖溶統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of tectonic karst in the Genie Mountain and Zaya County

察雅地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)。以察雅縣雅曲勇水文地質(zhì)剖面為例（圖8），一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于4 700～4 900 m高程區(qū)，發(fā)育落水洞、溶隙、溶孔等巖溶地貌，常年積雪覆蓋，是巖溶水補(bǔ)給區(qū)。二級(jí)發(fā)育區(qū)位于4 200～4 600 m高程區(qū)，主要發(fā)育中小型溶洞、溶孔、溶蝕裂隙等，溶洞直徑0.1～4.0 m，有少量巖溶泉水出露，流量約為2 L/s。三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于3 500～3 700 m高程區(qū)，大型溶洞、溶隙發(fā)育，溶洞直徑可達(dá)16 m，出露巖溶大泉，如恩達(dá)泉流量347.22 L/s。

圖8 察雅縣雅曲勇水文地質(zhì)剖面圖Fig.8 Hydrogeological section in Yaquyong of Zaya County

2.2 高原隆升對(duì)巖溶的區(qū)域性控制作用

青藏高原自始新世開始緩慢隆升，并逐漸加速，自上新世晚期至更新世以來，出現(xiàn)快速隆升[11]。整體抬升過程中有短暫停留，層狀地貌發(fā)育，由高到低依次發(fā)育二級(jí)夷平面和二級(jí)谷肩。一級(jí)夷平面海拔高程5 000～5 200 m，形成于中新世之前；二級(jí)夷平面海拔高程4 300～4 800 m，形成于中新世晚期至上新世（7.0 Ma.B.P—3.6 Ma.B.P）；一級(jí)谷肩海拔高程3 400～3 500 m，二級(jí)谷肩海拔高程2 900～3 000 m，形成于上新世至更新世[12-13]。

高原巖溶發(fā)育層序規(guī)律明顯受到高原隆升作用的控制。對(duì)比四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，在地貌上分別與一級(jí)高原夷平面、二級(jí)高原夷平面、一級(jí)谷肩和二級(jí)谷肩相對(duì)應(yīng)，夷平面、谷肩形成期，地殼隆升相對(duì)緩慢，也正是巖溶發(fā)育時(shí)期。

3 構(gòu)造巖溶發(fā)育的巖性、構(gòu)造控制作用及地下水動(dòng)態(tài)特征

3.1 地層對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用

格聶山地區(qū)巖溶含水巖組由上古生界碳酸鹽巖組成（圖9），主要包括：泥盆系下統(tǒng)格絨組（D1g）白云巖及中上統(tǒng)結(jié)晶灰?guī)r；石炭系頂坡組（Cd）結(jié)晶灰?guī)r及鮞狀結(jié)晶灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)冰峰組（P1b）和上統(tǒng)赤丹潭組（P3c）結(jié)晶灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r及生物灰?guī)r等，層厚質(zhì)純，巖溶較發(fā)育。方解石含量絕大部分在90%以上，平均94.46%。巖溶裂隙率2.34%～4.18%，平均3.17%。地下水豐富，泉水露頭多且流量大。本次調(diào)查中，大于10 L/s的泉24個(gè)，其中，流量為100～500 L/s的泉有12個(gè)，累積流量2 708.78 L/s，約占出露泉水總量的85%。

圖9 構(gòu)造巖溶發(fā)育地層時(shí)代占比Fig.9 Proportion of the tectonic karst developed strata

上寒武統(tǒng)額頂組（?3e）大理巖夾片巖、千枚巖，奧陶系、志留系結(jié)晶灰?guī)r、白云質(zhì)結(jié)晶灰?guī)r及白云巖夾片巖、千枚巖，層薄且富含硅質(zhì)，巖溶不發(fā)育。方解石含量為60.93%～94.81%，平均83.57%。巖溶裂隙率0.73%～3.63%，平均2.66%。地下水不甚豐富。

察雅縣工作區(qū)的可溶巖地層主要為泥盆系卓戈洞組（D3z）、二疊系交嘎組（P2j）和三疊系波里拉組（T3b）碳酸鹽巖。三疊系波里拉組（T3b）巖性以灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和白云巖為主，可溶性較強(qiáng)，巖溶洞穴、溶隙發(fā)育，地下水豐富，泉水多流量大，恩達(dá)泉、娘曲泉都在本套地層出露；泥盆系卓戈洞組（D3z）巖性主要為泥灰?guī)r、白云巖、生物碎屑泥晶灰?guī)r，可溶性較差，發(fā)育部分表層泉，流量不大；二疊系交嘎組（P2j）含泥質(zhì)泥晶灰?guī)r，巖溶發(fā)育相對(duì)最差。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用

格聶山地區(qū)斷裂帶、褶皺帶附近由于應(yīng)力集中，巖石遭強(qiáng)烈擠壓，裂隙發(fā)育。斷裂帶附近裂隙率約達(dá)3%。在拉伸應(yīng)力作用下，背斜軸部裂隙發(fā)育程度強(qiáng)于受擠壓的單斜巖層和向斜軸部，平均裂隙率為1.77%。經(jīng)長期溶蝕作用，這些部位巖溶發(fā)育率較高，構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育率遠(yuǎn)高于非影響區(qū)，70%的巖溶洞穴、溶隙發(fā)育在構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)，巖溶泉點(diǎn)多沿構(gòu)造線分布。

如巴塘以南至亞日貢地區(qū)，古生界泥盆系、石炭系和二疊系碳酸鹽巖地層呈近南北向分布于齋如隆—樂玉共斷裂和定曲河斷裂之間，受斷裂影響構(gòu)造巖溶發(fā)育。斷裂外側(cè)被中下三疊系砂、板巖和中下寒武系片巖、千枚巖、火山巖圍隔，成為巖溶水系統(tǒng)的隔水邊界。由于定曲河與麥曲河沿?cái)嗔寻l(fā)育，且切割深，造成巖溶水向東、西兩側(cè)河谷集中排泄的有利條件，成為巖溶水的集中排泄區(qū)，僅100 L/s以上的泉就有6個(gè)，排泄量達(dá)1 080 L/s。同時(shí)，由于該區(qū)斷裂發(fā)育，巖層破碎，促進(jìn)了巖溶發(fā)育，致使富水性較差的奧陶系和志留系碳酸鹽巖地層中的泉水也普遍增大，可達(dá)60 L/s。

受瀾滄江斷裂帶和昌都以東寬緩復(fù)背斜構(gòu)造體系影響，西藏察雅縣段的可溶巖地層沿雅曲勇斷層和王卡—雜拉鋪斷層以NNW向呈條帶狀展布，分別為雅曲勇巖溶帶和史曲巖溶帶。恩達(dá)巖溶大泉出露于雅曲勇斷層帶上，娘曲泉出露于王卡—雜拉鋪斷層帶上。

3.3 活動(dòng)斷裂對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用

通過對(duì)格聶山、察雅構(gòu)造控水特征分析，發(fā)現(xiàn)活動(dòng)斷裂對(duì)巖溶水賦存有明顯控制作用。根據(jù)前期學(xué)者[14-15]研究，金沙江構(gòu)造帶活動(dòng)性以巴塘斷裂為界，北段主要活動(dòng)時(shí)代在始新世至早—中更新世，最新活動(dòng)可延至晚更新世。巴塘斷裂以南至德欽—中甸—大具斷裂之間的中段，金沙江主斷裂斷錯(cuò)了晚更新世—全新世地層，屬更新世—全新世活動(dòng)斷裂。由于幾層巖溶帶多形成于上新世以前，只有活動(dòng)斷裂能夠使幾層巖溶發(fā)育帶得以連通，從而構(gòu)成了完整的巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄的蓄水構(gòu)造條件。區(qū)域上表現(xiàn)為活動(dòng)斷裂帶巖溶水富水性強(qiáng)，巖溶大泉多，非活動(dòng)斷裂帶，巖溶水富水性明顯偏弱。所以金沙江構(gòu)造帶巴塘斷裂以北區(qū)段巖溶發(fā)育程度較弱，巴塘斷裂以南區(qū)段巖溶發(fā)育程度高，出露的巖溶大泉個(gè)數(shù)和流量都多于巴塘斷裂以北區(qū)段，在巴塘斷裂以南，巖溶水沿齋如隆—樂玉共斷裂和定曲河斷裂自北向南徑流，在亞日貢附近集中排泄。根據(jù)前期1∶25萬地質(zhì)調(diào)查[1]，察雅地區(qū)更新世活動(dòng)斷裂雅曲勇斷層和王卡—雜拉鋪斷層均有巖溶大泉發(fā)育。

值得指出的是，在金沙江構(gòu)造帶北段，紅軍山斷裂、降曲—色依斷裂為晚更新世活動(dòng)斷裂（圖1），存在封存巖溶水的可能性，由于格聶山隧道從附近通過，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)巖溶水文地質(zhì)調(diào)查研究。

3.4 巖溶地下水動(dòng)態(tài)特征

為查明研究區(qū)巖溶大泉流量及動(dòng)態(tài)特征，分別于2019年3月和8月、2020年7月分3次對(duì)格聶山及察雅地區(qū)部分巖溶泉點(diǎn)開展了測(cè)流工作。測(cè)得格聶山地區(qū)部分巖溶泉水單點(diǎn)流量為0.37～573.49 L/s；察雅地區(qū)巖溶泉水單點(diǎn)流量為2.23～343.88 L/s。通過同一泉點(diǎn)3期流量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)泉水流量豐枯季節(jié)波動(dòng)幅度不大，整體保持穩(wěn)定（圖10）。

圖10 格聶山地區(qū)巖溶泉三期流量對(duì)比圖Fig.10 Comparison of karst spring flow measured on three times in the Genie Mountain

對(duì)格聶山降曲某支流水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用逐日小波數(shù)字濾波法[16-17]，應(yīng)用MATLAB2018軟件進(jìn)行了基流分割，計(jì)算得到基流量為5.2 L/s。結(jié)果表明，9—次年2月地下水徑流量約占總徑流量的76%；其余的徑流量為地表水匯流（圖11）。說明本區(qū)地下水泄流量較大，受終年高山冰雪補(bǔ)給，地下水資源豐富，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

圖11 降曲某支流監(jiān)測(cè)流量的逐日動(dòng)態(tài)及濾波基流分割曲線Fig.11 Daily dynamics of monitoring flow of a tributary of Jiangqu and the division curve of filtering base flow

4 水化學(xué)同位素特征

為研究察雅、格聶山典型構(gòu)造巖溶分布區(qū)巖溶水水化學(xué)同位素特征，在區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采集了巖溶地下水、地表水、冰雪融水及大氣降水樣品。察雅及格聶山研究區(qū)分別于2020年5月、2019年4月完成野外樣品采集，共60組樣品，其中察雅研究區(qū)26組，格聶山研究區(qū)34組。樣品用于常量組分、微量組分以及氘氧氚同位素（D、18O、T）測(cè)試（表1）。水樣的溫度、pH值、電導(dǎo)率（EC）、溶解性總固體（TDS）等易變性指標(biāo)采用便攜式HANNA多參數(shù)水質(zhì)測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，堿度在24 h內(nèi)滴定。其他離子指標(biāo)和氘氧氚同位素送至中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

表1 研究區(qū)樣品水化學(xué)組分及氫氧同位素含量Table 1 Chemical compositions and hydrogen and oxygen isotope content of the water samples in the study area

4.1 水化學(xué)特征

察雅及格聶山構(gòu)造巖溶發(fā)育區(qū)的巖溶泉水主要陽離 子 為Ca2+、Na+和Mg2+，主 要 陰離子為和（圖12），溶解性總固體為159.10～2 562.00 mg/L。其中表層巖溶泉（冷泉）的溶解性總固體為159.10～286.50 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3—Ca型和HCO3·SO4—Ca·Mg型，呈堿性低TDS特征。巖溶大泉溶解性總固體為1 002.00～2 562.00 mg/L，均為硫酸型水，察雅研究區(qū)水化學(xué)類型為SO4—Ca·Mg型水，格聶山研究區(qū)為SO4—Na型水，呈堿性高TDS特征。

圖12 察雅和格聶山研究區(qū)水樣Piper圖Fig.12 Piper diagrams of the water samples in the study area of Chaya County and Genie Mountain

4.2 同位素特征

利用環(huán)境同位素進(jìn)一步分析了巖溶水的起源及循環(huán)轉(zhuǎn)化特征。所采集的巖溶水、地表水的δD—δ18O關(guān)系如圖13所示。

圖13 察雅和格聶山研究區(qū)水樣δD和δ18O關(guān)系圖Fig.13 Plot of δD vs.δ18O in the study area of Chaya County and Gnie Mountain

結(jié)果表明，巖溶泉水大部分沿全球大氣降水線分布，說明巖溶水主要來源為大氣降水[18-19]。依據(jù)氘、氧同位素特征，研究區(qū)內(nèi)巖溶水大致可分為2類：一是淺層巖溶水，沿大氣降水線分布，與區(qū)內(nèi)地表水分布范圍基本一致，TDS多小于300 mg/L，表明地下水循環(huán)較快，水巖作用不充分，與地表水之間存在密切的轉(zhuǎn)化關(guān)系；二是深層巖溶水，主要為深循環(huán)巖溶大泉，分布于大氣降水線左下方，TDS均大于1 000 mg/L，說明地下水主要來源于遠(yuǎn)程補(bǔ)給，徑流時(shí)間長，水巖作用強(qiáng)烈。魯江溫泉和熱坑1號(hào)兩處巖溶溫泉同位素“氧漂移”現(xiàn)象最為明顯，表明強(qiáng)烈的水—巖作用，使得水中18O同位素富集，漂移程度反映了水與圍巖的氧同位素交換程度的大小。巖溶泉水的氚含量集中分布于3.0～16.4 TU之間，僅格聶山熱坑泉水氚含量為1.1 TU，說明巖溶水主要受核爆以來的現(xiàn)代降水補(bǔ)給。

4.3 混合作用分析

由于巖溶大泉氧同位素易受水巖作用的影響，因此利用氘同位素（D）和Cl-離子開展質(zhì)量平衡計(jì)算，分析地下水的混合狀況。選擇補(bǔ)給區(qū)冰雪融水、雨水作為淺層水端元；選擇深部巖溶水作為深層水端元。利用三端元混合模型，選取察雅研究區(qū)的恩達(dá)泉及格聶山研究區(qū)的火龍溝泉兩處典型巖溶大泉，進(jìn)行混合比例計(jì)算：

式中： δD—混合水的氘同位素組成/‰；

(δD)i—冰雪融水、大氣降水、深層巖溶水的氘同位素組成/‰；

Cl-—混合水的氯化物含量/（mg·L-1）；

混合比例計(jì)算結(jié)果表明，兩處巖溶大泉均以冰雪融水補(bǔ)給為主，察雅恩達(dá)泉冰雪融水補(bǔ)給占比達(dá)71%，大氣降水補(bǔ)給占比為22%；格聶山火龍溝泉冰雪融水補(bǔ)給占比達(dá)83%，大氣降水補(bǔ)給占比為8%（圖14）。冰雪融水是構(gòu)造巖溶發(fā)育區(qū)巖溶大泉的主要補(bǔ)給來源。

圖14 察雅恩達(dá)泉（a）及格聶山火龍溝泉（b）巖溶大泉典型混合模式Fig.14 Typical mixed patterns of the Chaya Enda spring (a) and the Huolonggou Spring of the Genie Mountain (b)

4.4 巖溶大泉的水文地球化學(xué)成因分析

為深入揭示低溫冰雪融水對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用機(jī)制，利用PHREEQC軟件模擬了冰雪融水的水巖作用過程，進(jìn)而分析巖溶大泉水文地球化學(xué)成因。巖溶大泉主要接受高程約5 000 m的冰雪融水補(bǔ)給，在大氣壓及CO2分壓保持穩(wěn)定的情況下，冰雪融水中侵蝕性CO2飽和濃度隨著溫度的上升而下降，導(dǎo)致方解石的飽和濃度也隨之下降，見圖15（a），如冰雪融水自0～5 ℃，CO2飽和濃度減小了6.67 mmol/L，方解石和白云石的飽和濃度分別減小了0.89，1.12 mmol/L，表明在冰水混合物狀態(tài)下，冰雪融水的侵蝕能力最強(qiáng)。對(duì)于Na2SO4型的冰雪融水而言，在冰水混合物（0 ℃）狀態(tài)下，隨著水中Na2SO4含量的升高，方解石的飽和濃度值逐漸上升，上升速率隨著Na2SO4濃度的升高而逐漸減緩，見圖15（b）。

圖15 溫度和Na2SO4影響下碳酸鹽和侵蝕性二氧化碳的飽和濃度變化Fig.15 Changes in the saturation concentration of carbonate and CO2(g) under the influence of temperature and Na2SO4 mineral

在反應(yīng)初期，1 mmol的Na2SO4能分別促進(jìn)0.190 mmol方解石和0.096 mmol白云石的溶解，這是因?yàn)楫a(chǎn)生的鹽效應(yīng)和與各種陽離子形成的離子團(tuán)會(huì)增大碳酸鹽的溶解度。因此，補(bǔ)給區(qū)較低溫度、SO4—Na型的冰雪融水，有助于促進(jìn)方解石和白云石的溶解，使得地下水TDS含量迅速升高，進(jìn)而形成高TDS的巖溶大泉。

4.5 構(gòu)造巖溶水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及循環(huán)模式

在深入分析高原巖溶水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，構(gòu)建了區(qū)域高原構(gòu)造巖溶地下水循環(huán)模式（圖16）。

圖16 川藏鐵路交通廊道構(gòu)造巖溶地下水循環(huán)模式示意圖Fig.16 Circulation mode of tectonic karst groundwater along the Sichuan-Tibet Railway

研究區(qū)發(fā)育四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)段，晚更新世以來活動(dòng)斷裂溝通巖溶發(fā)育區(qū)段，形成特有的高原區(qū)域巖溶蓄水構(gòu)造條件。

高原構(gòu)造巖溶地下水系統(tǒng)，區(qū)域上可分為高位補(bǔ)給區(qū)、遠(yuǎn)程管道徑流區(qū)和集中排泄區(qū)。（1）高位遠(yuǎn)程補(bǔ)給區(qū)，位于海拔約5 000 m的冰川臺(tái)原區(qū)，也是一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，發(fā)育溶蝕洼地、落水洞等巖溶地貌，大氣降水、冰川融水、地表水通過落水洞等滲漏補(bǔ)給地下水。（2）遠(yuǎn)程管道徑流區(qū)，主要由活動(dòng)斷裂帶和二、三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)構(gòu)成，為巖溶地下水徑流排泄通道，同時(shí)通過斷裂帶、二、三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)接受地表水和淺層地下水滲漏補(bǔ)給。（3）集中排泄區(qū)，主要位于三、四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，常出露流量大于100 L/s的巖溶大泉。

巖溶水流系統(tǒng)，可分為淺部水流系統(tǒng)和深部水流系統(tǒng)，淺部水流系統(tǒng)主要是自一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)至二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)構(gòu)成的巖溶水流系統(tǒng)，循環(huán)深度較淺，出露巖溶泉流量較??；深部水流系統(tǒng)主要是由一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)至三、四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)構(gòu)成的巖溶水流系統(tǒng)，循環(huán)深度大，以出露巖溶大泉為特征。

地下水運(yùn)動(dòng)主要受構(gòu)造控制，方向多與構(gòu)造線一致，可跨越多個(gè)分水嶺，邊運(yùn)移、邊匯集，屬單向匯流型。地下水徑流途徑較長，補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)可達(dá)數(shù)十公里，水巖作用時(shí)間較長，TDS明顯偏高。地下水循環(huán)深度大，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)高差多在1 000 m以上，且常導(dǎo)致水溫偏高，個(gè)別已與低溫溫泉水溫相當(dāng)。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)構(gòu)造巖溶發(fā)育具有明顯的層序規(guī)律，大體分為四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于海拔高程4 900～5 300 m，形成于中新世之前；二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于海拔高程4 000～4 300 m，形成于晚中新世至上新世；三級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于3 700～3 800 m，形成于上新世；四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)位于海拔高程2 900～3 200 m，形成于上新世至更新世。

（2）活動(dòng)斷裂對(duì)巖溶水分布、富集具有明顯控制作用，晚更新世以來活動(dòng)斷裂溝通巖溶發(fā)育區(qū)段，形成特有的高原區(qū)域巖溶蓄水構(gòu)造條件。

（3）巖溶地下水系統(tǒng)可分為高位補(bǔ)給區(qū)、遠(yuǎn)程管道徑流區(qū)和集中排泄區(qū)，高位補(bǔ)給區(qū)位于一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)，三、四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)為巖溶水集中排泄區(qū)，常出露＞100 L/s的巖溶大泉。

（4）巖溶水流系統(tǒng)可分為淺部水流系統(tǒng)和深部水流系統(tǒng)，淺部水流系統(tǒng)主要是自一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)至二級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)構(gòu)成的巖溶水流系統(tǒng)，深部水流系統(tǒng)主要是由一級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)至三、四級(jí)巖溶發(fā)育區(qū)構(gòu)成的巖溶水流系統(tǒng)。

（5）巖溶大泉均以冰雪融水補(bǔ)給為主，冰雪融水補(bǔ)給占比在70%以上，大氣降水補(bǔ)給占比低于25%。巖溶大泉TDS值偏高，一般大于1 g/L，為硫酸型水。