蘇州常州地區(qū)巖溶發(fā)育程度及控制因素研究

王振海，史忠鑫，車(chē)增光

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210018；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；3.南京市國(guó)土資源信息中心，江蘇 南京 210018)

蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖地層分布廣泛、巖溶層組類(lèi)型多、地層時(shí)代跨度大(上元古-中生界)、巖性多變(化學(xué)成分、礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造差異較大)，加之區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和新生代以來(lái)地形地貌和水系變遷等多種因素的控制，使得巖溶發(fā)育特征十分復(fù)雜，本文在蘇州常州巖溶生態(tài)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，研究了巖溶發(fā)育程度，并進(jìn)行了巖溶發(fā)育程度分區(qū)。

1 碳酸鹽巖時(shí)代特征

蘇州常州地區(qū)自晚元古代時(shí)地殼下降，沉積了一套瀉湖相、淺海相碳酸鹽巖類(lèi)地層，印支、燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期經(jīng)受強(qiáng)烈褶皺，地殼斷裂上升，碳酸鹽巖類(lèi)地層剝露地表，出露厚度一般100～600 m。按礦物成分，蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖可分為石灰?guī)r和白云巖，主要賦存于震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊和三疊系地層中(表1)[1]。

表1 蘇州常州地區(qū)可溶巖地層分布特征表

2 碳酸鹽巖分布特征

蘇州常州地區(qū)的碳酸鹽巖地層自震旦系至三疊系皆有發(fā)育，但被構(gòu)造、非可溶巖等分割成零散的塊段，具有“發(fā)育齊全，分布零散”的分布特點(diǎn)。根據(jù)碳酸鹽巖分布及巖溶發(fā)育特征，可將蘇州常州地區(qū)的碳酸鹽巖分為6個(gè)區(qū)。

2.1 太湖西山(隱伏—裸露區(qū))

主要分布于西山島東部及其東部、南部三山島、蛇山島等周邊島嶼內(nèi)，面積約15 km2，在石公山、龍山、元山等出露，隱伏區(qū)埋深一般小于20 m。碳酸鹽巖地層主要為石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C3c)及二疊系棲霞組(P1q)，該區(qū)巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)規(guī)模較大，主要有溶洞、落水洞、一線天、溶溝、溶槽等，其中溶溝、溶槽一般深度較大。

2.2 溧陽(yáng)南部山區(qū)(裸露區(qū))

呈塊狀零散分布，面積約16 km2，在青峰山、天井山、前峰山、長(zhǎng)山、金山等地出露。碳酸鹽巖地層主要有石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C3c)、二疊系棲霞組(P1q)及三疊系青龍組(T1q)。該區(qū)巖溶總體不發(fā)育，僅在地表可見(jiàn)縱橫交錯(cuò)的溶溝、溶槽，但區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)較強(qiáng)烈，在碳酸鹽巖與侵入巖的交界部位一般巖溶較發(fā)育，可見(jiàn)較大的溶洞及溶隙。

2.3 溧陽(yáng)上黃-別橋(隱伏—裸露區(qū))

面積約96 km2，在水母山、飛家山、大笠山、圣塔山等低山出露，山體呈孤丘散布于沖湖積平原上，發(fā)育地層主要為三疊系青龍組(T1q)，局部為周沖村組(T2z)，由于碳酸鹽巖含有較多的泥質(zhì)成分，巖溶基本不發(fā)育，僅在地表可見(jiàn)溶溝、溶槽，構(gòu)造有利部位可見(jiàn)落水洞及較大的巖溶裂隙。

2.4 茅山(隱伏—裸露區(qū))

面積約10 km2，主要分布于溧陽(yáng)、金壇的西部茅山山區(qū)，被新構(gòu)造斷裂和非可溶巖切割成不同大小的南北向的長(zhǎng)條狀，發(fā)育地層主要為石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C3c)、二疊系棲霞組(P1q)及三疊系青龍組(T1q)等地層。本區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺、斷層、節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，因此巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞、落水洞等巖溶形態(tài)發(fā)育。

2.5 常州孟河(隱伏—裸露區(qū))

2.6 蘇州、常州平原區(qū)(隱伏區(qū))

面積約948 km2，碳酸鹽巖地層發(fā)育較全，昆山、太倉(cāng)等地區(qū)為震旦系、寒武系，其他地區(qū)為二疊系至三疊系為巖溶隱伏分布區(qū)，埋藏深度自西向東逐漸增大，除武進(jìn)區(qū)新安、橫林、蘇州西南太湖沿岸及張家港部分地區(qū)埋深小于100 m外，其他大部分地區(qū)埋深大于100 m，太倉(cāng)東部沿江地區(qū)埋深最大，大于400 m，巖溶發(fā)育程度隨著埋藏深度的增加而減弱。

圖1 太湖西山島石公山山項(xiàng)溶溝、溶槽

3 巖溶形態(tài)特征

3.1 溶溝、溶槽與石芽

常縱橫交錯(cuò)地伴生分布在石灰?guī)r丘陵的頂部和山坡上。溶溝寬度一般20～50 cm，最寬達(dá)1.5 m，溝深0.5～2.5 m不等，長(zhǎng)度不一，延伸方向受巖層和節(jié)理走向控制。溶溝底部常被粘土物質(zhì)、石灰?guī)r風(fēng)化碎屑所填充。石芽是溶溝之間的石脊，橫剖面多呈錐狀或尖棱狀，高度一般在1 m以上。不同部位由于水動(dòng)力條件，其溶溝、溶槽與石芽的形態(tài)也不同，在山頂部位，由于水流速度快，溶蝕形成的溶溝平直無(wú)分叉，基本上嚴(yán)格沿節(jié)理裂隙方向侵蝕(圖1)，而在坡度較緩的山坡上，溶溝彎曲分叉較多，深度較小，石芽雜亂無(wú)章地散布于坡面，在坡度較大的坡體上，溶溝彎曲但是分叉較少，深度較大，寬度較小，石芽高陡，甚至可形成“一線天”景觀(圖2)。

圖2 太湖西山石公山(緩坡)及新埠村(陡坡)溶溝、溶槽

3.2 落水洞

落水洞是地表水注入地下河或溶洞的通道，根據(jù)調(diào)查，蘇州常州地區(qū)巖溶裸露區(qū)共有落水洞約25個(gè)，一般分布在低山丘陵的平緩山坡上，落水洞大小不一，形態(tài)各異，主要有豎井狀和裂隙狀兩種形態(tài)。例如石公山的落水洞，洞口呈不規(guī)則圓形，直徑約0.5 m，延伸方向近于垂直向下，深度大于5.0 m(圖3)，孟河黃山落水洞洞口則呈橢圓形，長(zhǎng)軸約1.5 m，短軸約0.5 m，洞內(nèi)淤塞嚴(yán)重，可見(jiàn)深度僅1.0 m左右(圖4)，兩者皆為豎井狀落水洞。在溧陽(yáng)上黃及南部山區(qū)的采石宕口內(nèi)，可見(jiàn)較多裂隙狀落水洞，延伸傾斜曲折，多為節(jié)理裂隙溶蝕而成，洞徑一般0.2～0.5 m。

圖3 太湖石公山落水洞 圖4 孟河黃山落水洞

3.3 溶洞

蘇州常州地區(qū)裸露型碳酸鹽巖分布面積較小，溶洞數(shù)量有限，共有溶洞10多個(gè)，其中規(guī)模較大的溶洞6個(gè)(圖5～圖10，表2)，規(guī)模不一，形態(tài)迥異，可分為管道狀溶洞、水平盲洞和底部較平坦由廊道廳室組成的水平廳堂狀溶洞三種類(lèi)型其中林屋洞規(guī)模最大，洞口低矮狹窄，高約2.0 m，寬7.4 m，由丙洞、雨洞、陽(yáng)谷洞、金龍洞、天后宮洞、隔凡洞等6個(gè)大小不等的洞體組成，總面積約4 200 m2，總體呈東西兩端大，中間小的葫蘆形態(tài)；洞內(nèi)廣如大廈，溶溝溶槽等廣泛發(fā)育，寬度約0.5～1.0 m，石芽成林，洞頂近水平，最高處可達(dá)8 m，鐘乳石、石筍、石柱、石幔等巖溶堆積物較發(fā)育；洞頂沿裂隙、鐘乳石滴水較多，在金龍洞內(nèi)發(fā)育一巖溶泉，水量較大，形成地下河，據(jù)調(diào)查，洞內(nèi)最低標(biāo)高約2.0 m，低于太湖正常水位，洞內(nèi)平均每天抽水量約300 m3；林屋洞由于獨(dú)樹(shù)一幟，別具一格，被冠以“天下第九洞天”的美譽(yù)。

圖5 石公山歸云洞 圖6 龍洞山林屋洞

圖7 茅山老君洞 圖8 茅山三官洞

圖9 茅山柏子洞 圖10 茅山金牛洞

表2 蘇州常州地區(qū)主要溶洞一覽表

3.4 湖蝕巖穴、湖蝕溶洞

主要分布在蘇州市太湖東岸西山碳酸鹽巖裸露區(qū)，由于西山特殊的地理位置，具有湖水侵蝕這一特殊的地質(zhì)營(yíng)力，形成了太湖東岸特有的湖蝕溶洞和湖蝕巖穴兩種巖溶形態(tài)(圖11)，以石公山處最為發(fā)育，兩種巖溶形態(tài)皆分布于太湖岸線附近，圍巖為石炭系船山組灰?guī)r，其中湖蝕溶洞向太湖開(kāi)口，走向NW340°，基本與湖岸延伸方向一致，洞向0.5～1.5 m，寬度約30 m，長(zhǎng)度3～5 m，洞底部較平坦，無(wú)巖溶堆積物；湖蝕巖穴一般呈圓形，直徑10～30 cm，光滑無(wú)棱角。

圖11 太湖石公山湖蝕溶洞

3.5 巖溶裂隙

蘇州常州地區(qū)巖溶裂隙也比較發(fā)育，在巖溶山區(qū)的采石宕口內(nèi)，均可見(jiàn)巖溶裂隙發(fā)育(圖12)。垂向上不同深度巖溶裂隙的發(fā)育特征不盡相同，總體上呈“V”型，淺部由于水動(dòng)力條件好，溶蝕作用強(qiáng)烈，形成的巖溶裂隙寬度一般較大，寬度一般0.3～0.5 m，最寬可達(dá)1.0 m以上，規(guī)模更大者形似落水洞，裂隙產(chǎn)狀較陡，近于垂直，常平行排列，多被粘土等充填；深部地下水動(dòng)力條件減弱，裂隙寬度逐漸變小，巖溶裂隙基本上與節(jié)理發(fā)育方向一致，數(shù)量較少，多被方解石充填。

圖12 太湖大山島巖溶裂隙

4 巖溶發(fā)育程度控制因素

蘇州常州地區(qū)的巖溶發(fā)育過(guò)程中，巖石成分與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件起著控制作用[2]，同時(shí)也受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。

4.1 巖石成分與結(jié)構(gòu)

碳酸鹽巖的主要化學(xué)成分CaO、MgO和CO2，其次還有一些其他氧化物及混合物，一般來(lái)說(shuō)，碳酸鹽巖成分越純，CaO含量越高、酸不溶物含量越低，可溶蝕性越好，巖溶發(fā)育程度越高。根據(jù)不同地層的碳酸鹽巖成分測(cè)試結(jié)果(表3)，CaO含量從黃龍組→船山組→棲霞組→青龍組上段→燈影組→青龍組下段→黃墟組逐漸降低，酸不溶物在震旦系黃墟組、燈影組和三疊系青龍組碳酸鹽類(lèi)巖中含量較高，其他地層中較低。

表3 蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖成分測(cè)試成果表 %

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蘇州常州地區(qū)的溶洞、落水洞、溶溝等規(guī)模較大的巖溶形態(tài)(如林屋洞、金牛洞、柏子洞等)大多發(fā)育于石炭系黃龍組、船山組和二疊系棲霞組灰?guī)r中，這些灰?guī)r地層的共同特征是以塊狀生物碎屑、微細(xì)晶結(jié)構(gòu)為主，質(zhì)純致密，CaO含量在53%以上，酸不溶碎屑顆粒含量低于5%，證實(shí)了質(zhì)純、層厚、結(jié)晶顆粒微小的碳酸鹽巖類(lèi)最有利于巖溶發(fā)育；而黃墟組、青龍組下段由于CaO含量較低，酸不溶物含量較高，以薄層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，一般為泥晶結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)成分含量高，透水性差，巖溶基本不發(fā)育，只在構(gòu)造有利部位發(fā)育溶溝、溶槽、溶隙等巖溶形態(tài)。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造控制了碳酸鹽巖的分布及變形特征，不僅造成巖體結(jié)構(gòu)的不完整，形成局部的不穩(wěn)定，還構(gòu)成了巖溶地下水的集中導(dǎo)水通道或排泄通道，加劇了巖溶巖組的導(dǎo)水性能[3]，為水流對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕創(chuàng)造了基本條件，與巖溶發(fā)育程度的關(guān)系極為密切。

蘇州常州地區(qū)的溶洞基本都分布于斷裂帶附近，如茅山老君洞、三官洞、柏子洞、老虎洞等溶洞皆沿一北北東向張性斷裂帶發(fā)育(圖13)，斷裂帶內(nèi)張性節(jié)理密集，在溶洞周邊，往往共同發(fā)育有深度和寬度均較大的溶溝，寬度可達(dá)1 m以上，高度可達(dá)2 m以上，且溶溝平直無(wú)分叉，顯示該斷裂帶內(nèi)節(jié)理一般為張節(jié)理，水動(dòng)力溶蝕條件強(qiáng)烈且穩(wěn)定，是地下水強(qiáng)徑流帶，極有利于巖溶發(fā)育。而茅山金牛洞發(fā)育也與北北東向斷裂有關(guān)，西山石公山歸云洞發(fā)育與兩組“X”型節(jié)理有關(guān)。溶隙、溶溝一般具有很強(qiáng)的方向性，其發(fā)育方向也與節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀密切相關(guān)，如太湖石公山溶溝、溶槽主要受一組產(chǎn)狀325°∠60°節(jié)理的控制，孟河鎮(zhèn)黃山山頂溶溝、溶槽發(fā)育則主要受兩組走向分別為W270°和NW330°節(jié)理的影響。

圖13 金壇市茅山地區(qū)溶洞分布圖

4.3 水動(dòng)力條件

水是巖溶形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]，水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶蝕、侵蝕破壞時(shí)，必然伴隨著地下水的運(yùn)動(dòng)，地下水的循環(huán)交替一方面不斷更替補(bǔ)充具有侵蝕性的水，另一方面將溶解于侵蝕的物質(zhì)帶走而留下空洞(巖溶)。

蘇州常州巖溶地區(qū)地形地貌復(fù)雜多變，受地形地貌影響，水動(dòng)力條件具有明顯差異性，而不同的水動(dòng)力條件也決定著巖溶形態(tài)的發(fā)育。以石公山為例，自山頂向坡腳發(fā)育有溶溝、溶槽、落水洞和溶洞，大氣降水后，山頂部主要以坡面徑流為主，徑流速度快，溶蝕作用強(qiáng)，因此往往形成平直、方向性好、深度較大的溶溝；自山頂向山下，徑流速度逐漸減緩，流水侵蝕作用逐漸減弱，形成的溶溝彎曲且分叉多，方向性相對(duì)較差，深度和寬度均較小，而在陡坡地段，徑流速度依然較快，仍可形成深大溶溝，如歸云洞東部的一線天景觀，在山頂和山坡的構(gòu)造有利部位，如“X”型節(jié)理密集帶，坡面徑流垂直入滲侵蝕，則垂向的落水洞，如石公山頂部及歸云洞東部的落水洞；坡腳位置為地下水溢出帶，水量較大，地下水運(yùn)動(dòng)方向主要以水平向?yàn)橹?，在?gòu)造有利部位發(fā)育溶洞這一規(guī)模較大的巖溶形態(tài)，如歸云洞。

4.4 人類(lèi)活動(dòng)

蘇州常州地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，碳酸鹽巖是建筑、水泥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和工業(yè)材料的優(yōu)良原料，需求量大，歷史上露天開(kāi)采活動(dòng)強(qiáng)烈，遺留了諸多規(guī)模較大的采石宕口，地形地貌的破壞改變了原有的水動(dòng)力條件，在部分采石宕口可見(jiàn)新近形成的指向宕口中心的微小溶槽，促進(jìn)巖溶進(jìn)一步發(fā)展。

5 巖溶發(fā)育程度分區(qū)

根據(jù)對(duì)不同地區(qū)、不同地層、不同深度的巖溶率的統(tǒng)計(jì)分析(表4)，蘇州常州地區(qū)的碳酸鹽巖地層中，以石炭系黃龍組、船山組和二疊系棲霞組地層巖溶最為發(fā)育，巖溶率均達(dá)到45%以上；其次為三疊系青龍組和震旦系燈影組，巖溶率大于30%；震旦系黃墟組上段含較多泥質(zhì)成分，巖溶不甚發(fā)育；震旦系幕府山組泥質(zhì)成分高，巖溶基本不發(fā)育。奧陶系碳酸鹽巖地層隱伏分布與第四紀(jì)松散層之下，由于埋藏深度大，巖溶發(fā)育程度差。

表4 研究區(qū)巖溶率綜合統(tǒng)計(jì)成果表

初步按巖溶率可以將蘇州常州巖溶地區(qū)的巖溶發(fā)育程度分為發(fā)育強(qiáng)烈(大于45%)、中等(30%～45%)、較差(小于30%)三個(gè)區(qū)(圖14)。

圖14 蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度分區(qū)圖

巖溶發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)主要分布于蘇州市沿太湖、金壇茅山、溧陽(yáng)千峰山等低山丘陵和吳中區(qū)望亭、木瀆、張家港市金港等平原，低山丘陵區(qū)巖溶出露，平原區(qū)隱伏于第四系松散層之下，埋藏深度小于100 m。碳酸鹽巖地層主要為石炭系黃龍組、船山組及二疊系棲霞組，巖溶發(fā)育。

巖溶發(fā)育中等區(qū)主要分布張家港市楊舍、塘橋、鳳凰、等平原，隱伏于第四系松散層之下，碳酸鹽巖地層主要三疊系青龍組(T1q)。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)蘇州、常州地區(qū)可溶巖為碳酸鹽巖，賦存于震旦系黃墟組、燈影組、寒武系、奧陶系、石炭系黃龍組、船山組、二疊系棲霞組、三疊系青龍組、周沖村組等地層中，分布面積約932 km2。

(2)根據(jù)碳酸鹽巖分布及巖溶發(fā)育特征將蘇常地區(qū)碳酸鹽巖分為太湖西山、溧陽(yáng)南部山區(qū)、溧陽(yáng)上黃等6個(gè)區(qū)。

(3)分析了蘇州、常州地區(qū)巖溶發(fā)育的控制因素，初步按巖溶率將蘇州常州巖溶地區(qū)的巖溶發(fā)育程度分為發(fā)育強(qiáng)烈、中等、較差三個(gè)區(qū)。