豫北太行山南缘寒武系地层岩溶发育特征研究

□王耀军 □郭其峰 □周延国(黄河勘测规划设计有限公司）

0 引言

豫北太行山南缘寒武纪滨-浅海相碳酸盐岩广泛分布，该区分布有众多的水利水电工程，水库的渗漏条件及防渗处理均与寒武系地层中的岩溶发育程度密切相关，研究本区寒武系地层中岩溶发育的规律对水利工程建设具有重要的实践意义。

1 地质背景条件

1.1 地层岩性

地壳以双层结构为主，基底为新太古界～古元古界的中深度变质的片岩、片麻岩、大理岩，盖层为中元古界～第四系陆、海相沉积岩，其中寒武纪—奥陶纪滨—浅海相碳酸盐岩夹泥页岩构成了盖层的主体，也是本区岩溶洞穴发育的主要层位。寒武系地层在本区为一套浅海相碎屑岩—碳酸盐岩沉积，总厚420.00～470.00m，岩性与厚度均比较稳定。

1.2 地质构造

自喜山运动以来，太行山南缘发育了北台期、太行期和唐县期三级夷平面，记录了太行山南缘地区古近纪一新近纪的隆升历史，表明新生代以来该区经历了三个构造活动相对稳定的夷平时期，三个快速隆升阶段。

在新构造运动背景下，太行山隆起带的上升和西安-徐州裂谷转换带的下降，对太行山南缘施加向南的拉张应力，形成近东西向的张裂带及多组倾角近直立的断层、破劈理带、密集节理带的断裂构造格局。断层大部分倾向南，倾角达70～80°,断层组合总体呈向南依次下降的阶梯状，控制了太行山南缘构造地貌阶梯的形成。断裂带大部分属张性断裂，有利于水流对深部可溶岩的溶蚀。

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶发育形态洞

2.1.1 溶洞

溶洞是区内寒武系中、上统可溶岩地层中一种常见的地下岩溶现象，在平面上，溶洞多集中在断层破碎带、节理裂隙密集带、可溶岩与非可溶岩接触带以及质纯的灰岩地层中。

2.1.2 溶蚀裂隙

溶蚀裂隙是该区寒武系地层中岩溶的主要发育形态，主要分为三种类型：①节理溶隙：沿节理溶蚀扩大而成，一般张开程度差，有灰华沉淀，地下水流速缓慢。②层面溶隙：沿岩层层面溶蚀扩大而成，特别是沿可溶岩与非（弱）可溶岩界面极易发育成较宽的层间溶隙，有时可溶蚀扩大成溶洞，在地下水面以下往往成为地下水富集带。③溶蚀密集带：沿断裂带或裂隙密集带溶蚀扩大而成，溶蚀强烈，局部发育管道式溶洞。

2.1.3 溶孔、晶洞

溶孔、晶洞是区内寒武系地层中常见的一种岩溶发育形态，主要发育在泥灰岩、白云岩等薄层或互层状岩体中。

2.1.4 干谷及干沟

干谷及干沟是区内裸露型岩溶分布最多且最为典型的岩溶形态。干谷及间歇性河谷往往是地表水汇集入渗的主要地段，干谷之下地下岩溶均较发育，常是地表水集中渗漏和地下水补给运移的地段，在一些干谷中，沿断裂形成落水洞和漏水深槽，地表水大量渗漏。

2.2 岩溶发育的规模

张夏组岩层由巨厚的质纯灰岩组成，属强可溶性岩，发育有较大规模溶洞。项目区内出露高程从450.00～1200.00m不等，洞穴长度几十到数百米，宽度一般0.50～5.00m，高度0.80～10.00m。

除张夏组外，其余地层多为碳酸盐岩与非碳酸盐岩互层状分布，其岩溶形态多为小溶孔、溶隙及少量小溶洞，孔径多小于1.00 cm，个别大者可达数厘米至数十厘米，未见大型溶洞。溶孔、溶隙一般沿裂隙面、层面零星发育，充填方解石晶体等，连通性较差，局部节理裂隙密集处溶孔、溶隙可呈蜂窝状发育，连通性较好。

2.3 岩溶空间分布特征

项目区内规模较大的溶洞出露高程均高于当地河水面，随太行期及唐县期两级夷平面分布，多为750.00～850.00m或1050.00～1150.00 m 左右,少数随河流阶地分布高程为350.00～450.00m左右。海拔300.00m以下的河谷两侧岩溶形态多为溶蚀裂隙或蜂窝状溶孔，沿古河道或河流阶地可见小型溶洞发育，且岩溶的发育规模也具有由岸边向远岸区减弱的特点。

区内溶洞空间展布有明显的方向性，几乎所有溶洞都与节理、裂隙、断层等密切相关，在远离断层或褶皱带的地段，溶洞少见，规模较大的溶洞均位于走向75度的阶梯状正断层组附近。

3 岩溶类型划分

3.1 按形成时代划分

就项目区而言，新生代以来的喜山运动，导致了太行山的快速抬升，太行山南缘的水文地质环境发生了彻底的改变，因此，可将新生代作为划分本区古岩溶的分界线。喜山运动唐县期以后是现代河流水系形成时期，其水文地质环境较唐县期夷平面形成时期及以前有很大差异，因而可将唐县期作为区域老、现代岩溶的分界。

项目区古岩溶主要分布在太行山山顶和山前盆地的奥陶系灰岩中，具有形成时代跨度巨大，分布范围广的特点，寒武系地层中古岩溶发育作用较弱。

寒武系地层中老岩溶主要发育时期为太行期至上新统唐县期，主要分布于海拔900.00m高程以上，可见较多溶洞发育，按规模划分以中小型洞穴为主，落水洞、漏斗等纵向岩溶形态不发育。

现代岩溶的主要发育时期为第四系汾河期及湟水期，岩溶作用的营力主要为地下径流，岩溶作用多借助于岩溶裂隙发展，在这种渗透水流的作用下，其岩溶形态，必然以溶蚀裂隙和蜂窝状溶孔为主，溶洞次之。在海拔300.00m以下，现代岩溶形态多为溶蚀裂隙或蜂窝状溶孔，且主要分布于河谷两侧的强径流带内，在某些河谷，现代岩溶作用是借助于古岩溶通道而进行的[5]。

3.2 按地下水径流循环条件划分

按岩溶地下水径流的循环条件将区内寒武系岩溶划分为浅部岩溶和区域深岩溶。

在太行山南缘山前断裂以北地区，太古界登封群及中元古界汝阳群非岩溶化岩层控制了区域内岩溶向深部的发育，基本为浅部岩溶。断裂以南，非岩溶化岩层跌落近千米，河流排泄基准面以下存在寒武、奥陶系碳酸盐岩组，为区域深岩溶的发育提供了物质基础，其下部应发育有区域深岩溶。如在济源市以北的克井盆地，发育于奥陶系灰岩中的裂隙岩溶水成为具有供水意义的地下水源。

3.3 溶类型综合划分

在上述按形成时代、地下水循环条件对岩溶分类的基础上，结合岩溶发育特征，将豫北太行山南缘地区的寒武系岩溶发育分为了三类：①古岩溶：主要分布在本区太行山山顶和山前断陷盆地，由于经历的历史时期最长，受多次新构造运动影响，其发育规模一般较大。②各级夷平面岩溶：岩溶发育程度较强，常见中小型岩溶洞穴，岩溶发育的阶段性与华北地区新构造背景相一致，发育高程与各级夷平面高程相一致。③现代河谷岩溶：主要是指唐县期以后沿河谷两岸发育的岩溶，岩溶形态以小型溶洞、溶孔、溶隙为主，岩溶发育程度在不同高程、不同地段差异性较大，一般需要进一步分级分区评价。

4 结论

根据前述岩溶发育现象及控制因素的分析，豫北太行山南缘寒武系地层中岩溶发育的总体特征如下：一是受地层岩性控制，岩溶发育程度在不同岩层中的差异明显，规模较大的岩溶发育主要集中在张夏组灰岩中，其余岩组中沿可溶性强的碳酸盐层段发育有小型的溶蚀现象，岩溶形态以溶孔、溶隙为主。二是岩溶发育与构造密切相关，溶洞严格受太行山南麓构造断裂带控制，其空间展布明显的方向性。三是老岩溶和现代岩溶并存，老岩溶及现代岩溶分布高程分别与夷平面及河流阶地一致，现代岩溶多发育于河谷两侧强径流带或者构造发育地段，海拔300.00m以下的现代河谷，岩溶形态以溶蚀裂隙和蜂窝状溶孔为主。四是研究项目区内与水库渗漏密切相关的寒武系地层以现代河谷岩溶为主，相应的水库渗漏形式为裂隙型或裂隙管道混合型。

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[4]吴忱.华北山地地貌面与新生代构造运动[J].华北地震科学，1996,14(4):40-50.

[5]王聚.浅谈豫北太行山东麓碳酸盐岩岩溶形成时期及其划分[J].河南地质，1989,7(01):39-43.