某非碳酸盐变质岩区大理岩成因与溶蚀特征

邓争荣，杨友刚，吴树良，郑 新，雷世兵，曹道宁

（长江勘测规划设计研究院长江岩土工程总公司，武汉 430010）

碳酸盐岩经区域变质作用或与岩浆岩体接触带经接触热流变质作用会形成大理岩，是毋庸置疑的基本常识，但在非碳酸盐岩变质岩区或与岩浆岩体接触带，大理岩的分布与形成属于基本常识的变质作用成因，还是幔源或壳源岩浆成因［1］［2］，需经综合研究后才能得到结论。大理岩为碳酸（盐）岩岩石，可溶性强，并不是有分布，就存在发育溶洞（缝、隙）等溶蚀现象，须具备合适的溶蚀发生条件，才会发育。以某非碳酸盐变质岩区大理岩为例，利用工程勘察取得的资料，在其所处地质环境基础上，就其分布与成因、溶蚀特征及溶蚀成因进行分析，并简要阐述其溶蚀对拟建工程产生的影响。

1 地质环境概况

某地区属于构造剥蚀中低山地貌区，山脉地势总体上具有北高南低、东高西低的特点。主干河流自北向南流经区内，河谷呈较开阔“V”字形，河床地面高程229～249m，两岸山体高耸，冲沟较为发育。区内临江山顶高程1 000～1 500m，多呈近南北向展布。

区内地表大部分覆盖第四系残坡积层，由黏土夹母岩风化碎屑或碎石组成，厚度一般3～25m，下伏基岩主要为中上元古界（Pt2－3）结晶变质杂岩，系黏土质岩石和杂砂岩经多期变质作用形成，为非碳酸盐变质岩，仅局部出露，左岸基岩主要为斑状变晶花岗片麻岩，局部为片岩（呈带状）和断裂构造岩；右岸基岩主要为花岗片麻岩，局部分布有后期岩浆活动侵入形成的花岗岩岩株，并伴有少量大理岩。河床上覆第四系冲积层，由上部粉细砂～中细砂和下部砂砾卵石夹含漂石组成，厚度一般11～50m；下伏基岩为花岗片麻岩，局部为断裂构造岩。

该地区在大地构造上处于冈底斯—念青唐古拉褶皱系（Ⅱ）伯舒拉岭—高黎贡山褶皱带（Ⅱ2）中的铜壁关褶皱束（Ⅱ32）。出露基岩片麻理或片理走向355°～15°，以主干河流河床左侧近岸为界，左岸倾向近E，倾角65°～75°；河床及右岸倾向近W，倾角70°～80°。断层和裂隙是地区内主要构造形迹。断层按发育方向可分为走向北北东—近南北（5°～35°）、近东西（NEE或NWW）陡倾角两组。岩体裂隙主要发育走向NNW～NNE、NEE、NWW、NW四组，以中陡倾角为主。区域新构造运动主要表现为自上新世以来的间歇性升降运动，区内主要表现为间歇性快速抬升运动。

区内岩体全强风化带，主干河流左岸厚度一般小于16m，局部达19～29m；右岸厚度一般小于15m，局部达20～33m；河床中部一般无分布，两侧近岸边厚5～28m。岩体弱风化带，主干河流左岸厚度一般小于10m，且多小于5m，局部达15～29m；右岸厚度一般小于8m，且亦多小于5m，局部达10～29m；河床中部一般无分布，仅局部厚1～16m。

本区位于亚热带气候区南部，雨量丰富，两岸植被茂盛，冲沟多有季节性水流，旱季较大冲沟有常年性流水，主干河流是区内地表水、地下水的最低排泄基准面。区内地下水按赋存条件（含水介质特性）可分为孔隙水、基岩裂隙水。孔隙水赋存于第四系松散堆积层和基岩全强风化带孔隙中，水量贫乏；基岩裂隙水赋存于两岸与河床弱风化带及以下基岩裂隙中，地下水埋深左岸一般20～47m、右岸一般8～35m。区内地下水主要接受大气降水的补给，以孔隙、裂隙为其径流通道，向沟谷和主干河流河床运移，最终以分散形式向主干河流排泄。

区内微新岩体透水率多属微透水～弱透水。地表水、地下水水化学类型主要为HCO3－Ca型水；地表水、右岸岸坡和河床地下水pH值主要为7．50～8．32，多属弱碱性水［3］，左岸岸坡地下水pH值主要为6．57～7．49，多属中性水；地表水、地下水矿化度在48～480mg／L间，属淡水。水化学离子含量阴离子以HC为主，比例大于86%；地表水、地下水中普遍含游离CO2，含量一般8～25mg／L，高者约达50mg／L，且地下水中其含量偏高。

2 大理岩分布与成因

2．1 分布

据钻孔及平洞揭露，本地区大理岩仅见于右岸，灰白色、浅灰色，呈分散状透镜体分布于距基岩顶面一定深度以下，具有团状随机分布、不具备连续成带分布特征，但局部一定范围表现为线性透镜状分布特征，且其分布与花岗岩关系紧密，特点是位于花岗岩中或边缘部位，而花岗岩以岩株形态产出，可是分布花岗岩的部位不一定分布有大理岩。

右岸勘察钻孔深度（铅直最深350m）范围和平洞（水平最深约500m）内、地表露头，在结晶变质杂岩（以花岗片麻岩为主）岩体中未发现有大理岩分布。

2．2 成因

本地区有地质资料显示，大理岩透镜体成因不明。经工程勘察研究，可以判断得出其成因为壳源岩浆成因，具有岩浆岩特征，分两种情形，一种是岩浆侵入地壳熔融接触的碳酸盐岩，携带碳酸盐成分矿物上升聚集结晶成岩而形成，主要证据有：①大理岩插入到花岗岩体中，含有花岗岩包裹体（图1）；②大理岩插入到花岗岩体中或边缘，围绕岩体边界接触面不规则，系在侵入过程中受围岩限制形成的流动构造（图2）；③大理岩中岩矿镜鉴结果显示方解石含量89%～97%，但次要或副矿物有透辉石（含量2%～8%）、金云母（含量0．1%～2%）、褐铁矿或黄铁矿（含量＜0．1%）、榍石（含量＜0．1%），极少量出现绢云母、透闪石、方柱石、石榴石等；花岗岩岩矿镜鉴结果显示除正常的矿物组分外，方解石含量2%～7%。另一种是岩浆侵入熔融接触的含碳酸盐成分的岩石，碳酸盐成分矿物就近聚集结晶成岩，主要证据为：右岸结晶变质杂岩虽以花岗片麻岩为主，但局部杂岩中岩矿镜鉴结果显示方解石、白云石各自含量10%～20%，而且主要出现方解石、白云石少有，表明右岸在花岗岩成岩前的岩浆侵入时，围岩熔融过程中可为大理岩的形成提供物质来源，大理岩为熔融后方解石、白云石矿物聚集重结晶的产物。分析认为，前一种情形是该地区大理岩壳源岩浆成因的主要情形。

3 大理岩溶蚀特征及溶蚀成因

3．1 溶蚀特征

经钻孔及平洞揭露，分散状透镜体分布的大理岩大部分无溶蚀现象，仅少部分存在溶蚀现象，发育溶洞（缝）。据统计，钻孔及平洞揭露大理岩共94段（钻孔90段、平洞4段），发育溶洞（缝）的仅14处，占总数的14．9%，且全部分布于钻孔揭露段中，发育的溶洞（缝）铅直高度0．3～4．7m，最大6．5 m，规模较小，多无充填，其中3处细砂～中砂充填、1处中粗砂充填，2处中粗砂半充填，充填的砂为风化成因、地下水活动携入形成。

图1 大理岩含有花岗岩包裹体

图2 大理岩与围岩接触部位可见的流动构造

发育的溶洞（缝）高程高低错落，底板最高高程约322m、最低高程约185m，所揭示溶洞（缝）底板最低高程接近附近主河床最低基岩顶面，与地下水排泄基准面相关联；除2处分别位于微风化岩带裂隙性断层上部或裂隙密集带邻近部位外，其余位于全强风化带内或其下限以下15．1 m深度的弱风化带及近弱风化带范围内。

据大理岩分布形态及其与花岗岩成生关系、大理岩中发育的溶洞（缝）分布及充填特征分析认为，发育的溶洞（缝）不具备管道型岩溶的特征，是局部的，相对孤立的，不会构成连通的岩溶管道。

3．2 溶蚀成因

该地区分布的大理岩溶蚀形成溶洞（缝）具备了三方面的条件：①分布的大理岩是方解石含量很高，亦即纯度很高的碳酸盐岩石，可溶性强；②发育溶洞（缝）的分布部位，岩体透水性强，系地下水活动（循环、交替）强烈带；③本区属亚热带气候区，雨量丰富，地表水、地下水中CO2含量较高，水的溶蚀力较强，这些为溶洞（缝）的发育提供了有利因素。

大理岩大部分无溶蚀现象，是因为处于微新岩带中，岩体完整程度好［4］，围岩环境封闭，不具备溶蚀发生的外部条件。

4 大理岩溶蚀对拟建工程的影响

本地区拟建Ⅰ等大（1）型水电站工程，由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统等主要建筑物组成。其中，挡水建筑物设计为碾压混凝土重力坝，拟正常蓄水位高出河床枯水位150m以上，坝顶高出正常蓄水位8．0m，设计最大坝高200m余。右岸为了封堵一低于坝顶高程的地形小垭口，大坝设置有右岸连接坝段。

图3 右岸连接坝段及附近含大理岩钻孔分布图

右岸连接坝段及附近分散状分布有大理岩（图3），据钻孔揭示，仅少数孔段（自上游向下游4处）的大理岩存在溶蚀现象，发育溶洞（缝）（图4），铅直高度0．7～3．7m，溶蚀规模较小，除下游邻近大坝1处充填细砂外，其余无充填。此部位溶洞（缝）同样高程高低错落，底板最低高程约240m，位于坝段西端上游。

图4 右岸连接坝段及附近大理岩溶蚀特征典型剖面图

坝段西端附近分布的大理岩，强度、变形参数高，与围岩对应参数相差甚小，其中揭示的溶洞（缝）规模较小，未分布在坝基下，且距坝基边缘大于65m，对大坝工程建基岩体无不利影响；所揭示溶洞（缝）不会构成连通的岩溶管道，亦即坝基不存在集中渗漏通道，但大坝建成水库蓄水后，原有地下水动力条件会发生改变，不排除库水通过大理岩中发育的溶洞（缝）与岩体裂隙网络等沟通发生水力联系形成下渗通道的可能，需加强防渗工程措施。

5 结 语

本地区分布的大理岩经工程勘察研究，可以得出以下几点结论：

（1）大理岩仅见于右岸，呈分散状透镜体分布于距基岩顶面一定深度以下，具有团状随机分布，不具备连续成带分布特征，且其分布与花岗岩关系紧密，位于花岗岩中或边缘部位，但分布花岗岩的部位不一定分布有大理岩。

（2）本地区有地质资料显示，大理岩透镜体成因不明。经工程勘察研究：判断其成因为壳源岩浆成因，分两种情形，一种是岩浆侵入地壳熔融接触的碳酸盐岩，携带碳酸盐成分矿物上升聚集结晶成岩而形成；另一种是岩浆侵入熔融接触的含碳酸盐成分的岩石，碳酸盐成分矿物就近聚集结晶成岩，且前一种情形是该地区大理岩成因的主要情形。

（3）大理岩大部分无溶蚀现象，仅少部分存在溶蚀现象，发育溶洞（缝），高程高低错落，底板最低高程接近附近主河床最低基岩顶面，与地下水排泄基准面相关联。

（4）大理岩中发育的溶洞（缝）主要位于全强风化带内或其下限以下15．1m深度的弱风化带及近弱风化带范围内；少量位于微风化岩带裂隙性断层上部或裂隙密集带邻近部位。其发育系同时具备溶蚀发生的内部和外部条件而形成。

（5）拟建水电站工程大坝设置有右岸连接坝段，西端附近分布的大理岩，强度、变形参数高，与围岩对应参数相差甚小，其中揭示的溶洞（缝）规模较小，未分布在坝基下，且距坝基边缘大于65m，对大坝工程建基岩体无不利影响；所揭示溶洞（缝）不会构成连通的岩溶管道，亦即坝基不存在集中渗漏通道，但大坝建成水库蓄水后，不排除库水通过溶洞（缝）与岩体裂隙网络等形成下渗通道的可能，需加强防渗工程措施。

［1］ 赵 斌，赵劲松，汪劲草，等．一种可能的新碳酸岩类型：壳源成因碳酸岩［J］．地球化学，2004，33（6）：649-662．

［2］ 汪劲草，赵 斌，等．大冶铁矿接触带发现岩浆成因的大理岩［J］．桂林工学院学报，2006，（2）：302-304．

［3］ 常士骠，等．工程地质手册（第四版）［S］．北京：中国建筑工业出版社，2007，2．

［4］ 水力发电工程地质勘察规范（GB50287－2006）［S］．北京：中国计划出版社，2008，11．