贵州西部茅口组岩溶发育特征探讨

2020-09-22双同钊王中美

贵州大学学报(自然科学版) 2020年4期

双同钊，王中美，刘兵

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

贵州西部地处贵州一级高原面,分布着广大的茅口组地层，岩溶发育、构造复杂、地形切割强烈，严重制约了经济建设和发展。加强公路与高速铁路网建设成为促进该地区经济发展的一种有效途径。在岩溶山区进行工程建设，需要克服最大的难题就是岩溶工程地质问题，因而对岩溶发育情况的研究对工程具有指导性意义。

前人对贵州茅口期岩溶进行了较多的研究：王明章[1]划分了贵州茅口期的古地貌，依据地貌特征分析岩溶发育规律；李源航[2]研究了覆盖层对茅口组古岩溶发育的影响，认为上覆岩性类型影响着岩溶的持续发育；陈萍[3]对研究区岩溶带的供水水文地质进行了研究，认为古岩溶普遍存在于茅口组顶部且富水性和渗透性存在不均匀性；张勇[4]研究了贵州花秋二矿茅口组岩溶发育规律；羊文等[5]对贵州水银洞茅口组岩溶发育特点进行了分析。上述研究多是针对某一工程中茅口组岩溶发育对其的影响，或只是对茅口组中的古岩溶发育特点进行分析，而针对贵州西部茅口组岩溶发育特征进行专项分析的研究相对较少。实际工程中经常遇到各种各样的岩溶工程地质问题，解决该类问题就需要准确掌握该地区的岩溶发育特征，故本文对此进行研究，是对前人研究的补充，具有一定的借鉴价值和现实意义。

1 区域地质概况

本文的“贵州西部”是指以六盘水为中心，安顺的东部、毕节的南部地区。区内构造活动强烈，以继承性间歇隆升为主，并伴有掀斜运动和断裂活动，由于地壳的间歇性抬升使得西部一级剥夷面抬升至2 700～2 900 m，并出现阶梯状多级剥夷面[6]。区内地层从震旦系灯影组至第四系均有出露，其中以石炭系、二叠系和三叠系出露的地层为主。二叠系茅口组灰岩层厚大、岩性纯，地层中岩溶极为发育，地下水十分丰富。在这些地质条件的综合影响下，造成本区域格局错综复杂，岩溶水文地质和工程地质问题十分突出。

研究区海拔在1 800～2 900 m，属亚热带湿润季风气候。区内山高坡陡、地形复杂、河谷深切，冬无严寒，夏无酷暑[7]，其独特的气候条件促进了区内岩溶的发育。区内主要存在两大地貌类型，一是以流水作用为主导的剥蚀-侵蚀地貌，二是以岩溶作用为主的岩溶地貌[6]。区内河流众多且河网密布，大于10 km的河流有188条，河网密度0.173 km/km2，大气降水为地表径流的主要来源。年降雨量在789～1 500 mm，86%集中在5—10月，历年大到暴雨日为8～15 d，日最大降水量为93.5～206.9 mm，受冷暖气流交替作用的影响，降水时空分布极不均匀。

2 岩溶发育特征

通过对野外地质资料进行详细分析发现，研究区范围内茅口组的岩溶发育形态各异，有岩溶漏斗、竖井、溶洞、落水洞、溶蚀洼地、地下暗河等。受到气候、地质构造、植被、构造运动、岩层厚度及其组合方式等多种因素的控制，使得茅口组石灰岩地层岩溶发育强烈且空间分布极不均匀，同时具有系统性和方向性。

2.1 水平方向岩溶发育特征

对野外钻探的91个钻孔资料进行统计，部分钻孔数据见表1。从表1可知，80%以上的钻孔揭露了不同的岩溶发育形态，主要为溶洞和溶蚀裂隙。根据《工程岩体分级标准》[8]，对岩体裂隙发育程度进行了划分(表2)，绘制了节理裂隙发育饼状图(图1)和节理裂隙发育程度与岩溶发育折线图(图2)。从图1可以看出，这一区域39%范围内节理裂隙发育，48%范围内节理裂隙较发育。从图2可以看出，溶洞数量随着节理裂隙的发育程度的增强而增多。

表1 钻孔揭露茅口组部分溶洞统计表Tab.1 Statistical table of partial karst holes in Maokou formation exposed by borehole

表2 岩体裂隙发育程度划分Tab.2 Division of rock mass fracture development degree

图1 节理裂隙发育情况图Fig.1 Diagram of joint and fissure development

图2 节理裂隙发育程度与岩溶发育折线图Fig.2 Broken Line diagram of joint fracture development degree and karst development

茅口组的灰岩受不均匀溶蚀和地下渗流等因素影响，水平方向上的岩溶发育极不均匀。以六盘水为中心的中部茅口组岩溶发育相对强烈，西部的威宁地区发育相对较弱，其他区域的溶蚀现象在宏观上无明显规律。总的来说：研究区中部区域岩溶发育程度强烈，个体岩溶现象广布，其他区域岩溶发育程度相对较弱，个体岩溶现象较为少见；同一地段和相同水文条件下的不同构造部位、不同地貌类型的区域的岩溶发育程度不同。

2.2 垂向岩溶发育特征

在对钻孔资料统计分析过程中发现，91个钻孔中，茅口组地层中遇到2个以上溶洞的钻孔有18个，溶洞间的间隔较小，最小埋深1.5 m，最大埋深37.0 m。通过数据统计分析，研究区不同埋深的溶洞发育数量见图3。

图3 垂向溶洞发育数量折线图Fig.3 Broken Line diagram of vertical karst cave development number

从图3可以看出：图形呈倒V字型，区内溶洞主要发育在>5～10 m和>10～15 m深度范围内，分别占总溶洞的25%、29%，>30～35 m和>35～40 m范围内发育的溶洞1个，数量少，说明溶蚀作用弱。溶洞的个数随着地层埋深的增加先增后减少，说明受岩溶水渗流垂直分带、地下水水位下降和岩溶发育的继承性等因素的影响，茅口组的岩溶发育随深度的增加先增强后减弱，整体上呈线性相关关系。

小型溶洞的垂直高度0～2 m，中型溶洞的垂直高度>2～5 m，大型溶洞的垂直高度大于5 m。通过分析统计结果发现：区内溶洞的最小高度0.2 m，最大高度达10.3 m，其中，小型溶洞84个，中型溶洞25个，两者占总数的96.5%，以中小型溶洞为主(图4)。溶洞顶板厚度大多数处于0～6 m，溶洞个数随顶板厚度增加呈指数型递减的趋势(图5)。岩溶发育岩层主要以中风化、较破碎状态为主(图6)。溶洞主要发育在两段高程范围内，一段处于>1 780～1 830 m，占32.7%，另一段处于>1 830～1 880 m，占37.2%(图7)。

图4 溶洞垂高分布图Fig.4 Vertical height distribution map of karst cave

图5 溶洞顶板分布图Fig.5 Roof distribution map of karst cave

3 影响因素分析

3.1 岩性成分对岩溶发育的影响

岩性成分对岩溶发育的影响主要表现在岩石的成分和结构上。方解石和白云石是构成碳酸盐岩主要的矿物成分，方解石的主要成分为CaCO3，白云石的主要成分为CaCO3、MgCO3。根据研究区71个岩样做化学成分的分析，茅口组石灰岩地层的CaO的平均含量为51.14%，MgO的平均含量为1.79%，CaO和MgO的比值为28.57[9]。CaO和MgO比值越大，方解石的含量越高，石灰岩就越纯，溶蚀性就越强。

图6 溶洞顶板岩石风化与完整程度图图7 溶洞顶板高程图 Fig.6 Weathering and completeness map of cave roof rock Fig.7 Roof elevation diagram of karst cave

茅口组灰岩粒屑含量高，岩溶作用强。研究区茅口组灰岩多为泥晶、亮晶、淀晶结构。地下水在岩石中渗流时，接触面积大，溶解度就大，岩石易于溶蚀，使得该区茅口组灰岩岩溶强烈发育。

3.2 地质构造对岩溶发育的影响

在东吴运动的不均衡强烈抬升作用下，大范围的海退使得贵州全境结束茅口组海相沉积，刚沉积不久的茅口组灰岩露出海面，暴露在地表。在温和潮湿的气候下，茅口组灰岩遭受大气淡水淋滤和溶蚀。在威宁、水城、六枝至紫云一线，分布了一条宽大的北西向褶、断带，主要是由古生代至中生代地层组成的一系列平行长条状不对称褶皱，并伴随着大量断裂构造[10]。这些褶皱和断裂使岩石的透水性增强，就会成为岩溶优先发育的通道，使得岩溶得到较好的发育。贵州新构造运动从晚第三纪以来，贵州地壳经历了3次较大的抬升，分别是早、晚第三纪之间的喜山运动、上新世末的翁哨运动和早更新世末的乌罗运动[11]。第三纪所发生的喜山运动是晚元古代以来波及面最广的造山运动，该运动奠定了现代褶皱的构造格局，并在其后期，褶皱逐渐进入定型阶段。贵州的新构造运动，从东往西大面积的间歇性上升，使得地表河流产生溯源侵蚀，导致地表水和地下水系的演变，进一步推进岩溶发育的迅速演化，使得岩溶发育具有向深性和叠加性的特征[6]。