皖江地区碳酸盐岩岩溶发育特征研究

2018-06-20

地下水 2018年3期

(安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001)

皖江地区位于安徽省中南部，长江中下游南岸，北接合肥，南连池州，东邻芜湖，西临安庆，是皖江经济带重要区域。行政区划上包括池州市、铜陵市、芜湖市等。区内交通便捷，水陆交通网络四通八达。水路交通有长江黄金水道；铁路有沿江高铁、京福高速铁路、沪宁铜铁路；公路有京台高速公路、铜南宣高速公路、沪渝高速公路、G318以及县乡村道路等。本区属于亚热带湿润季风气候，四季分明。多年平均气温15.7℃～16.2℃，多年(1949—2015年)平均降水量1 092.2～1 526.5 mm。本区属于长江流域。地貌区域上处在沿江平原丘陵区。

1 地层构造

1.1 地层

本区地层属扬子地层区下扬子地层分区贵池地层小区。区内出露最老地层为寒武系，除缺失下中泥盆统外，从寒武系至第四系均较发育。全区地层岩相以碳酸盐岩层最为发育，集中在3个地质时期中：1)中寒武统至上奥陶统，以灰岩、白云质灰岩为主，白云岩次之。2)中上石炭统至下二叠统，主要分布在背斜两翼，以灰岩为主，白云岩次之。3)中下三叠统，主要分布于向斜谷地及石灰岩丘陵地区，以灰岩为主。

1.2 构造

本区位于下扬子构造带中马鞍山-贵池隆褶带中部，南北分别以东西向隐伏断裂为界，东西分别以北东向断裂带与中-新生代盆地相邻，大体呈一菱形地块。构造格局由多期不同方位、不同性质的构造变形相互复合，形成了复杂的构造体系。

2 可溶岩的岩性及组份特征

本区内的可溶岩分布广泛，地层时代从寒武系(∈)～三叠系(T)，以灰岩、白云质灰岩为主。各岩溶地层矿物含量见表1。

从野外调查发现，CaO/SiO2比值大者，岩溶通常强烈发育。质纯层厚的寒武系青坑组(∈3q)、奥陶系红花园组(O1h)、石炭系黄龙组(C2h)、船山组(C2c)，二叠系栖霞组(P1q)、孤峰组(P1g)，三叠系南陵湖组(T1n)、东马鞍山组(T2d)灰岩、白云质灰岩为本区内岩溶强烈发育奠定了物质基础。地表岩溶形态发育，形成溶洞、溶沟、溶槽等岩溶微地貌。特别是南陵湖组、栖霞组沉积厚度大，分布范围广，岩溶最为发育。

区内SiO2含量超过20%的地层岩溶发育极弱。二叠系龙潭组(P2l)、大隆组(P2d)，三叠系殷坑组(T1y)、月山组(T2y)地表风化剥蚀强烈，节理、裂隙发育，岩溶形态特征不明显，地表未见有溶沟、溶槽。覆盖层为风化产物形成的粉质粘土层。

3 岩溶发育形态特征

本区可溶岩地层以裸露型为主，覆盖型次之，埋藏型少见，野外调查所能见的岩溶个体形态点多，以溶沟、溶槽、石芽、岩溶洼地、落水洞、溶隙、溶孔为主，天窗及充水溶洞次之。而地下岩溶个体形态则以溶洞为主，地下河次之。

3.1 岩溶地表特征

3.1.1 溶沟、溶槽及石芽

通过野外调查发现，溶沟、石芽是本区浅覆盖型岩溶区以及裸露型岩溶区内普遍发育的岩溶个体形态，主要分布于山麓部位、山坡一带。三叠系碳酸盐岩分布广泛，以南陵湖组和东马鞍山组灰岩为主。受褶皱及断裂影响，岩石裂隙发育，地表水垂直入渗条件较好，溶沟、石芽易发育。

丫山地区自然出露的高角度的岩溶沟槽石芽普遍存在，以三叠系南陵湖组灰岩、白云质灰岩、鲕状或瘤状灰岩、含生物碎屑灰岩表部岩溶特征为例，岩溶沟槽发育深度一般0.5～5 m。以北东、北西向最为发育，呈菱形分布，槽宽0.1～2 m不等，溶蚀面常呈缓波状，溶隙面呈锯齿状、阶梯状或平直状，溶沟槽大部分被褐红色粉质粘土充填覆盖(部分地区已被人工清理)。局部沿大倾角裂隙自地表溶蚀，并沿交错裂隙溶蚀连通形成石芽，石芽呈锥状、柱状，一般高0.5～2 m。

3.1.2 岩溶洼地、岩溶漏斗

岩溶洼地、漏斗本区广泛分布，呈负地形。岩溶洼地及漏斗主要分布在本区Ⅱ、Ⅲ级夷平面平台上，标高在200～300 m。洼地形态底部平坦，面积大小不一，形似槽、盆状且利于耕作的封闭的负地形，也是季节性地表水汇集地，洼地中常叠加发育一个或几个落水洞，落水洞与地下河相连，成为洼地下部地下河的主要补给通道。漏斗是直径小于100 m的洼地，特点跟洼地相似。

区内岩溶洼地发育的形态受岩层走向控制明显，洼地的长轴方向与岩层走向基本一致，呈北东向展布。其规模大小严格受到构造和岩性的控制，规模上可分为中型和小型，面积一般0.1～2 km2。丫山下宕村溶蚀洼中心高程260 m，西南垭口高程270 m，洼地中有薄的粘土层覆盖层，下伏基岩为南陵湖组灰岩。平面形态主要为长条槽谷形，洼地底部呈线凹形。

表1 岩溶地层化学成分统计表 %

3.1.3 落水洞

落水洞是岩溶区消泄地表水的近于垂直的或倾斜的洞穴，常作为连通地表河与地下河或地下溶洞的通道。丫山落水洞围岩为南陵湖组灰岩，落水洞地表形态为椭圆形，地表长轴14 m，短轴10 m，深24 m，洞壁岩体直立。底部可见于地下暗河相连的溶洞。

3.1.4 地表溶洞

本区地表溶洞大小形态类型多种多样，受岩性和构造控制。调查共发现溶洞近15处，规模较大的有天门镇双龙洞、观音洞等。天门镇双龙洞发育地层为南陵湖组，洞口呈长条形，宽约15 m，洞口高2.5 m，主洞长约500 m，支洞水平和垂向上均有发育。该洞为地下暗河出口，流量随季节性变化明显，出水量5～30 L/s。下雨后水流量迅速增大，说明该溶洞水与大气降雨联系密切，岩溶裂隙水径流途径短。

3.2 岩溶在地下的特征

3.2.1 溶洞、溶孔

本次地质勘探孔共揭露溶洞数26个，累计溶洞高度66.62 m。溶洞高度多为0.2～2.0 m，最大高度达10 m。溶洞发育地层以南陵湖组、东马鞍山组居多，栖霞组次之。溶洞多被充填，充填物为软塑～可塑态次生红粘土及灰岩、泥质灰岩碎块。根据区内钻孔资料揭露，溶孔一般为蜂窝状或者星点状以及网格状。在东马鞍山组白云岩以及白云质灰岩等其他碳酸盐岩地层中都可以见到，溶孔的直径一般在0.1～0.2 cm，多数为钙质、泥质半充填(见图1、图2)。

图1 钻孔TLZK02揭露溶孔图2 钻孔TLGC03揭露溶洞溶孔

3.2.2 岩溶裂隙

区内的岩溶裂隙可以分为三种：1)节理溶蚀裂隙：这类裂隙主要为沿分散的构造节理溶蚀扩大而形成，延伸长度一般较小、宽几毫米至十几厘米不等，可见水蚀痕迹，部分段见有方解石结晶体或结晶簇。2)层面溶蚀裂隙：沿灰岩、白云质灰岩等岩层层面裂隙发育，特别在灰岩与砂岩、泥质灰岩等岩性接触部位更为发育，有时可发育成溶洞。3)溶蚀裂隙带：沿断层带或者裂隙密集带的地方溶蚀扩大而形成，这类裂隙一般延伸较长，是地下水运动的主要通道，构成了区内岩溶裂隙水强径流带。区内的岩溶塌陷多发生在此种溶蚀裂隙带范围内(见图3)。

图3 钻孔FCZK53岩芯岩溶裂隙发育形态图4 水龙村龙潭肖地下河入口

3.2.3 地下河发育特征

本区内共调查到地下河1条，流量为4.2 L/s，地下河入口为钟鸣水龙村龙潭肖，出口为水龙村缪村，直线距离约2.5 km。据访问，当地老乡以前曾用稻糠做过连通试验，证实两者相通。地下河发育地层为三叠系南陵湖组和东马鞍山组，标高105～130 m，主控因素为断裂构造(见图4)。

4 水平岩溶发育规律

4.1 岩性控制岩溶的发育及分布

本区为同一个地层、构造单元，共施工水文地质及工程地质钻孔143个，其中岩溶区施工钻孔89个，遇溶洞钻孔数18个，占总孔数20.2%，共揭露溶洞数26个，累计溶洞高度66.62 m，占碳酸盐岩总进尺2.49%、占遇洞钻孔碳酸盐岩总进尺9.41%。

各地层揭露溶洞P1g、T1n、T2d溶洞最为发育，溶洞累计高度占各地层进尺比大于3%；其次为P1q、T1y溶洞发育一般，溶洞累计高度占各地层进尺比1%左右；其他地层由于施工钻孔深度及数量有限，溶洞累计高度占该地层比值较小或钻孔遇洞率较低。

从钻探揭露溶洞分布地层占比分析，T1n、T2d溶洞数量最大，占比分别为34.62%和26.92%，其他次之(见图5)。

图5 溶洞分布地层占比示意图图6 区内揭露溶洞按埋藏深度统计图

根据《安徽铜陵曹山硫铁矿矿床勘查地质报告》矿山勘探资料，矿山及周边钻T1n地层钻孔见洞率为63%，平均岩溶率7.42%，单孔最大岩溶率44.1%。

《安徽省铜陵市敕山、伞形山石灰石矿资源储量核实报告》成果资料，矿山T1n地下岩溶率为6.98%～12.12%，岩溶形态以溶蚀裂隙为主，多顺层发育。

《铜陵市郊区石门路路基岩溶塌陷地质灾害应急勘查报告》17个钻孔揭露石炭系中上统黄龙船山组石灰岩、白云岩及二叠系下统栖霞组石灰岩，6个钻孔见溶洞，钻孔岩溶率1.1%～29.6%。

《安徽省铜陵市虎山水泥用石灰岩矿详查地质报告》三叠系下统和龙山组灰岩夹页岩，岩溶发育程度弱，溶蚀现象以溶隙、溶孔为主，仅见于浅部，随深度增加溶蚀现象不明显。据钻孔资料，钻孔岩溶率0.01%～0.94%。充填程度高，充填率50.0%～89.26%。

4.2 地质活动对岩溶发育的控制

4.2.1 地质构造对岩溶发育的影响

地质构造条件不但控制了区内可溶岩的空间分布及埋藏条件，而且控制了岩溶发育的强弱、方向、深度。不同的地质构造部位，构造应力强度、裂隙发育程度、岩石破碎程度不同，导致岩溶发育程度具有差异性。

本区断裂十分发育，主要形成于印支期和燕山期，尤其是燕山期活动强烈。断裂方向主要为北东、北西向2组，其次为北北东向。如小街地区，经钻孔验证，沿断裂带溶洞规模大，且钻孔见洞率高，地表岩溶塌陷也沿断裂带呈带状分布。

在断层主动盘和被动盘，由于应力作用造成岩体破碎程度不一，岩溶发育程度也有所差别，如伞形山矿区某断层，主动盘(下盘)岩溶率高于被动盘(上盘)(见表2)。

在断裂带的范围内，岩溶发育强烈，岩溶个体形态以岩溶塌陷、溶洞、溶隙为主，沿断裂带出露的泉水有：酉华龙井吴泉、新河洪山泉、丁桥牛山如意泉、木镇越泉路泉水冲泉等。受到丫山背斜、断裂影响，丫山地区碳酸盐岩剪切、张裂隙发育，形成丫山岩溶地貌。

4.2.2 岩浆活动对岩溶发育的影响

区内燕山期岩浆活动强烈，在岩浆侵入、交代以及冷凝收缩过程中，使得碳酸盐岩热接触带内裂隙发育，岩溶随之明显发育，岩溶裂隙水丰富。如药园山铜矿，矿体赋存于大理岩与岩体的接触带，在大理岩与矿体接触带的10～30 m范围内，亦即矿体附近，大理岩岩溶强烈发育，矿区Ⅰ、Ⅱ号矿体附近岩溶率高达35%，坑道揭露此带多见溶洞。

4.2.3 碳酸盐岩与碎屑岩的不整合面岩溶发育

铜陵地区T1y～T2d灰岩地层与T2y、T2t、K2x、R陆相碎屑岩地层之间存在角度不整合面，这个不整合面曾暴露地表发育了古岩溶。在后期构造运动作用下，沿此不整合面上岩溶进一步发育。在T2y、T2t、K2x、R陆相碎屑岩等下伏碳酸盐岩不整合面岩溶发育，含水丰富，且岩溶沿不整合面发育深度大大延伸。

表2 伞形山矿区某断层上下盘岩溶率

4.3 水动力条件对岩溶发育的控制

本区岩性、构造等地质条件决定了区内的地下水含水系统是非均质各向异性的，从而导致不同地段的地下水径流强度不一致。在岩层中发育的构造破碎带、可溶岩的岩溶发育带，地下水不断向其中的空间管道集中，有利于地下水的径流，形成了地下水的主径流带。这些主径流带是天然状态下地下水的径流通道，天然地下水的排泄区，如丁桥镇龙山村东山至何湾镇丫山地段，由于地下水处在径流集中区而出现岩溶发育的现象。