个旧老厂五级凹塘尾矿库岩溶发育特征及成因机制分析

刘文连，许汉华，徐则民，丁　飞，费维水，董家兴，廖绍忠

(1. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明　650051； 2. 昆明理工大学，云南 昆明　650093)

0　前　言

岩溶，即水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称[1]。全球约有12%的陆地面积发育有岩溶，分布面积约为2.2×107km2，且主要分布在人口密集，工业发达的东南亚地区、中国南部、中国西北地区、地中海沿岸地区、东欧地区、美国东南地区、中东地区等，岩溶地区由于具备地表、地下多重复合结构及成土条件差等特征，常常伴有地面塌陷、山体崩塌、滑坡、岩溶渗漏、水源漏失等地质灾害[2]。因为岩溶发育和发展的隐蔽性以及发生塌陷的突发性，往往给人类生命、工程建筑和经济开发活动造成严重的危害[3]。同时，在一些岩溶隐患地段的隐性威胁还将长期存在[4]。岩溶地质环境问题作为世界性难题，广泛受到了国内外地质、环境、岩土等领域科学家的关注[5-6]。在中国的西部，特别是中国的西南部山区，尾矿库往往会在山区、山间盆地等地进行选址和设计，其尾矿库类型主要为山谷型尾矿库和傍山型尾矿库[7]。尾矿的堆积充分利用了所在区域地形地貌条件和地层岩性等特点，但尾矿库若位于岩溶发育区，尾矿库的岩溶稳定性及渗漏问题的分析就值得进行深入研究。本文对个旧老厂五级凹塘尾矿库岩溶发育特征及成因机制进行了研究，为预防尾矿库渗漏和确保尾矿库安全运行提供基础资料。

1　研究区概况

五级凹塘尾矿库位于红河州个旧市老厂镇以东约1 km处，介于东经103(°)13(′)1.58(")～103(°)13(′)55.50(")、北纬23(°)17(′)54.25(″)～23(°)18(′)12.00(″)之间，现状淹没面积约0.32 km2，与昆明、个旧、蒙自之间的直线距离分别为200，10，19 km。库区北缘为直通老厂、个旧及蒙自的乡道，而东西两侧分别有开远—河口高速公路和省道212线通过，交通便利。

区域上，五级凹塘尾矿库地处红河水系与南盘江水系的分水岭地带，分水岭北东为南盘江水系、南西为红河水系。此外，水塘寨、个旧、卡房、新建矿、对门山、打靶期新寨、所本底、羊坝底、八区连线所在的南北长约30 km、东西宽约13 km，面积约400 km2的区域出露的基本都是三叠系碳酸盐岩，内部岩溶十分发育，从北向南标高逐渐降低(从2 500 m到1 450 m)，但始终高于围限它们的盆地、沟谷或斜坡，构成一个顶面向南倾斜、南北向宽、东西向窄的长条形岩溶高地，五级凹塘尾矿库位于该高地中北部。

区内地貌形态主要是不同尺度的岩溶峰丛、溶丘及分布于其间的岩溶洼地和岩溶槽谷。此外，还分布有规模更小的岩溶漏斗、落水洞、溶沟及石芽等。

区内年均气温18.7℃，年最高气温35.6℃，年最低气温-4.4℃。年平均降雨量779 mm，年最大降雨量1 600 mm，年最小降雨量641.2 mm，最大昼夜降雨量111 mm；每年5～10月为雨季，11月～次年4月为旱季，雨季降雨量占全年降雨量的85%；连续降雨天数为15天左右，一般降雨量10 mm，最大降雨量达80 mm以上。

无常年性河流及其他天然地表水体，现有的多处地表水体均为尾矿水及已闭库尾矿库积存的降水。由于年降雨量较高，区内植被较为发育。除了石漠化治理栽种的人工林外，山体主要披覆灌木和草丛，低洼地带则多为农田。

2　岩溶发育特征

研究区内的岩溶地貌单元主要包括峰丛、洼地、槽谷、漏斗及落水洞等，现就其中的峰丛、洼地、漏斗这3种地貌进行分析研究。

2.1　岩溶峰丛

岩溶峰丛是研究区内最主要的地貌单元，其所占比例可达50%以上，而根据规模，也可称其为一级地貌单元。从岩溶高地的尺度上看，越接近分水岭，溶峰的密度、比高及坡角越大，反映了峰丛地貌的地表侵蚀或溶蚀机制；而在岩溶高地的纵向上，即垂直背阴山槽谷方向，越接近槽谷，溶峰密度越低，反映出峰丛发育对碳酸盐岩的大尺度均质需求。

背阴山断裂带核心区也存在部分溶峰，其规模、比高和坡角普遍较小，而位于断裂带边缘及与甲介山断裂交汇处的部分溶峰则具有高而陡的特征。而在背阴山尾矿库以东，背阴山断裂两侧1 km 范围内构成峰丛的单一溶峰底部直径多在250 m以内，比高多在75 m以内，表面坡度多在35(°)以内，其比高和坡度均要明显小于红河一级侵蚀基准面附近溶峰的对应指标。五级凹塘尾矿库外围相对密集的溶峰分布于其西北和东南，其中后者的密度达到15个/km2，可以视为峰丛。

五级凹塘尾矿库边界上的溶峰相对稀疏，而且规模差异大、比高和坡角都比较小。在碳酸盐岩分布区，这应该是地下岩溶发育程度高，地质构造背景复杂，非均质化程度高的显现，五级凹塘尾矿库北侧溶峰坡角明显大于南侧及下游的。由于几何形态及尺寸差异显著，这些溶峰的组合还难以构成峰丛。

2.2　岩溶洼地

研究区内存在分布于岩溶峰丛之间、因差异溶蚀形成的所谓典型岩溶洼地。除峰丛围绕外，还具有边壁较为平缓，而且比较均匀的特征。主要以非典型岩溶洼地为主，其非典型性主要表现在以下两个方面：其一，边壁坡度不均匀，存在断崖式的标高骤降，靠近溶峰的一侧明显偏陡，尽管这种差异可能与山体的抗侵蚀能力更强有有关，但主要还应该是洼地发育演化过程中受到了深部岩溶的驱动。其二，无溶峰围绕，而是分布于沟谷或小型山间盆地中，但规模都比较小。另外，区内存在复合型岩溶洼地，表现为洼地内嵌套两个或更多洼地，甚至包含溶峰，这种现象主要出现于规模较大的洼地中。

沿沟呈串珠、呈带状分布是区内岩溶洼地的突出特征之一，岩溶洼地更大尺度的定向分布则是呈带分布，其中最为典型的便是背阴山槽谷一线。从五级凹塘尾矿库到羊坝底之间的约3.9 km范围内，密集分布有14个岩溶洼地，构成一个北西西向的岩溶洼地密集带。除前述大型洼地外，现场调查期间还发现有若干直径小于10 m、深度多在5 m以内的小型洼地，这些小型洼地中有些分布于更大尺度的负地形中，与其他大型洼地构成串珠状洼地带，有些出现于规模较小的负地形中，而另外也有些出现于山梁或山坡上。

2.3　岩溶漏斗

LD1漏斗位于五级凹塘尾矿库拟建拦挡坝中间小丘的 43(°)方向约300 m处。出口标高 2 255 m水平的直径约20 m，深约9 m，底部平坦，直径10 m，边壁坡度25(°)左右，且较为均匀。漏斗边壁和底部均被粘土覆盖，未见基岩。

LD2 漏斗见于五级凹塘尾矿库中西段以北约220 m、公路北侧约140 m 处。出口标高 2 295 m 水平上的漏斗直径约12 m，深约10 m，底部平坦、直径约7 m，边壁形态圆润，坡度35(°)～40(°)。未见基岩，植被发育。

LD3漏斗位于岩溶槽谷南西端发育的一个不规则漏斗，2 335 m以下的长、短轴分别为25 m和15 m，长轴方向25(°)，深约7 m。北东侧边壁平缓，有基岩出露，底部及边壁其他部分为农田。

LD4漏斗见于背阴山尾矿库南西侧的大黑山顶峰 193(°)方向320 m处，所在区域地势相对“平坦”，以其为圆心半径250 m范围内的高度起伏在50 m以内，地形坡度在20(°)以内，形态呈碟状，直径7 m、深约2 m，内部植被种类明显不同于外围。

3　岩溶发育成因机制

在区域岩性 T2gb白云质灰岩及灰质白云岩这一物质基础之上，区内岩溶的发育机制可以归结为以下几个方面：

1) 由于地处岩溶高地北部，相对远离红河一级侵蚀基准面，岩溶发育程度要弱于岩溶高地南部；

2) T2gb的低倾角产出状态在一定程度上遏制了岩溶，尤其是垂向岩溶的发育过程，因为这不利于降水向深部的入渗；

3) 以垂向岩溶作用为主、水平岩溶为辅的岩溶发育格局受到两方面因素的驱动。

一个是地貌条件。研究区位于一级断裂个旧断裂与甲介山断裂形成的两条近于平行的近南北向线状负地形的分水岭附近，与“地表水概念排泄区”最低点—羊坝底岩溶槽谷谷底之间有400 m以上的高差。这为降水的垂向入渗，即垂向岩溶的发育提供了足够长的路径或称迫使入渗降水大深度垂向运移，为垂向岩溶发育提供了背景条件。

另一个是断裂构造。研究区内的11条断层均为高角度到近于直立的平移断层，这些断层连同与他们配套的低序次断层及节理为降水垂向入渗及垂向岩溶的发育提供了通道与场所或称约束了降水的入渗路径及岩溶发育空间与方式。

断裂构造对区内岩溶的控制证据是充分的，其中既有宏观尺度的，也有露头尺度的。

区内规模最大的单体岩溶负地形五级凹塘、羊坝底及采矿沟3个1 km以上的岩溶槽谷分别出现于背阴山、甲介山和F3断裂带内，是构造控制岩溶的最有利证据之一。槽谷及洼地等岩溶地貌单元呈串、呈带沿断裂分布是断裂控制岩溶发育的又一直接证据。

洼地、槽谷及漏斗构成的区内岩溶负地形与周围环境之间多存在标高突变，即其边壁往往存在断崖式的标高骤降。根据区内的岩层产状，这种“从下而上”而非“自上而下”的过程只能由断裂，尤其是近直立断裂构造引发。

4　结　论

对于研究区内的岩溶发育特征和成因机制，可以得出以下几点结论：

1)以垂向岩溶为主，水平岩溶为辅。

2)岩溶峰丛或溶峰构成了区域地貌主体，高大、典型溶峰的空间分布暗示了其地表溶蚀为主的形成机制，但其发育进程、平面分布及形态也会受到岩溶负地形形成、断裂构造及岩层倾角的影响；背阴山断裂带内发育溶峰表明其宽度巨大及与此相关的岩体破裂程度的空间非均匀性。

3)研究区内存在差异溶蚀形成的典型岩溶洼地，但相对较少。多数洼地边壁坡度不均匀，存在断崖式的标高骤降或沿沟谷及小型山间盆地分布，而且复合型洼地较多；呈串、呈带分布普遍。

4)五级凹塘外围典型岩溶漏斗不多，主要原因应该是漏斗都已经被后期侵蚀转化为不同尺度的岩溶洼地；已发现的19处落水洞主要分布在背阴山尾矿库南北两侧，直径相对较小，多在5 m以内，最大推测深度近100 m。

5)区内岩溶受到地理位置、岩层产出状态及地质构造等因素的协同约束。相对远离红河一级侵蚀基准面及T2gb的低倾角产出状态在一定程度上遏制了岩溶的发育过程与程度。高倾角剪性断裂构造体系为降水入渗及岩溶发育提供了通道与场所，使岩溶过程呈现“地下为主、地表为辅”，也即“自下而上”的特色，同时造就了以“垂向为主、水平向为辅”的岩溶发育格局。