贵州遵义白云岩岩溶区特色高位潜水及成因

何树伦，王子红，邱运鑫，徐卓立，张 威

(1.河北天璞基础工程有限公司贵州分公司，贵州 贵阳 550081；2.贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

0 引言

潜水是指分布在地面以下第一个隔水层以上的具有自由水面的地下水，其形成和保存条件都有比较严格的要求[1]，因此经常是分布在地形平坦或低洼的地段，在山体斜坡部位则很难具备潜水的形成条件和保存条件。

高位潜水则是专指高悬于上升地块上的一种特殊潜水，赋存于岩溶管道之中，高悬于谷地之上的独立含水体，其形成和保存条件有别于一般潜水[2]。贵州由于属于上升型褶皱山区，碳酸盐岩层分布广，出露面积占全省总面积的53.01%，岩溶非常发育，多岩溶管道分布，岩溶水文地质条件复杂多样，高位潜水是贵州岩溶山区常见的一种水文地质现象。目前在贵州省内已发现的具有代表性的高位潜水超过30处，主要分布于高位向斜形成的台地前缘及深切河谷的谷坡地段，高出当地侵蚀基准面50～100 m[1]，犹如一把悬挂于谷坡之上的水壶，笔者将其称为“悬挂水流”。

贵州的高位潜水主要分布于黔北和黔西南地区。《贵州省水文地质志》[2]认为高位潜水一般具有四大特征：①含水体高悬于谷地之上，形成独立的水文地质单元；②多以暗河为排泄通道，管道底界具有相对的隔水介质；③高悬岩溶水系统主要为潜水，与大气降水的关系十分密切，动态变化大；④发育于石灰岩地层中。

贵州的碳酸盐岩分布很广，岩溶非常发育，岩溶水文地质条件复杂多样，为高位潜水的形成提供了有利条件。一般潜水都是出现在地势比较低洼平缓的地形区，但是贵州山区的地形地貌条件比较复杂，潜水不但可以出现在山顶，还常常出现在山体斜坡的部位。

遵义白云岩岩溶区高位潜水具备了上述高位潜水的某些特征，但又有所不同。本例的高位潜水未发育于石灰岩地层中，而是发育在钙镁比值低的白云岩地层中；排泄通道不是暗河，相反其供水水源却是暗河岩溶管道；并由于具有干湿交替的风化环境，完整地发育了白云岩溶蚀发展的全部三个阶段。这些特点即使是在奇特地质景观众多的贵州也是前所未见的。

本文所述高位潜水是在一个建筑群的岩土工程勘察中发现的。该建筑场地位于贵州省遵义市红花岗区海龙镇南西侧约1 km处的301县道南侧核桃树村。建筑物由16栋 -1+6F 移民异地搬迁安置房组成，用地面积约48 928.8 m2。建筑物长轴沿345°方位排列，共布置勘察钻孔806个。在工程勘察及地基基础施工过程中出现一些少见的特点，例如场地地下水雨季潜水水位接近地表，旱季潜水消失；在地面找不到潜水的供水水源；基础开挖施工挖出的强风化白云岩未见完整岩石，基本为砂砾状结构的破碎岩体等等反常现象和工程问题。经过进一步研究发现，这是一处独具特色的高位潜水，为此总结成文以供研究者参考[4]。

1 研究区地质概况

1.1 区域背景

研究区区域地质构造形迹大部分为华夏系和新华夏系，构造单元处于扬子准地台—黔北台隆区—遵义断拱—毕节NE向构造变形区的东侧，华夏系宽缓的松林背斜的南东翼近轴部[3]。

1.2 地层

据前人资料[2]，研究区出露的岩土地层从上至下：第四系耕土(Qpd)和红黏土(Qel+dl)、上中寒武统娄山关群中段(∈2-3Ls2)白云岩夹泥质白云岩，其中白云岩根据风化程度可以划分为强风化白云岩、中风化白云岩夹泥质白云岩、微风化白云岩三个岩体亚单元。

强风化白云岩呈灰—灰黄色，已完全溶蚀风化呈砂砾状，并有碳酸钙二次胶结，局部可见褐色强风化白云岩碎石 (图1)。岩体破碎，碎裂状结构。岩心呈碎块、角砾状，砂状。厚0.3～8.4 m。属于白云岩溶蚀发展的第三阶段——砂砾状堆积物阶段产物，已经失去岩石地层的基本性状，这在强风化白云岩中极为少见。

中风化白云岩夹泥质白云岩呈薄—中厚层状，根据岩性差异由上至下又可划分为A、B两个亚单元：①A亚单元白云岩，深灰色间夹褐灰色，泥晶结构，薄—中层状。含泥质层纹。常见铁质重矿物颗粒，可富集呈斑点状。具缝合线构造。节理裂隙发育，局部集中发育，层、节理面常见褐黄色铁染。含方解石脉、斑块，可呈网状富集。岩溶发育，常见豆状溶孔及沿层节理面和缝合线形成的溶缝，局部呈蜂窝状富集。并常有溶洞溶隙分布(图2)。岩心以柱状为主。岩体较破碎。厚4.5～16.0 m。属于白云岩溶蚀发展的第二阶段——溶洞溶隙发育阶段。②B亚单元泥质白云岩，浅灰—灰色，极薄—薄层状。泥质含量极不均匀。性脆。厚度变化大(0.4～5.0 m)，呈似层状产出。岩心破碎程度高，呈沙砾状。

微风化白云岩呈浅灰色，微晶结构，中夹薄层状。结构致密。节理裂隙稍发育，多呈闭合状。在岩石中几乎见不到方解石脉和铁质浸染。白色方解石脉是成岩作用后生期包气带的产物，充填于岩石的孔裂隙中；铁质浸染是地下水活动的踪迹。这些都间接证明微风化白云岩中节理裂隙不发育，地下水活动微弱。岩溶微发育，偶见溶孔。岩体较完整—完整。岩心以柱状为主。属于白云岩溶蚀发展的第一阶段——弥散性溶蚀阶段[3](图3)。

1.3 地质构造

研究区未发现大的断层、褶曲等地质构造。分布的地层为上中寒武统娄山关群白云岩夹泥质白云岩，呈单斜产出，地层产状145°∠28°。NW向大型节理发育，岩层节理裂隙发育[4]。

1.4 地形地貌

研究区地貌单元为岩溶地貌中的缓丘谷地地貌区。受区域地质构造线控制，区域地貌线沿北东方向排列。在场地东侧为一排沿北东方向排列、由下奥陶统和娄山关群白云岩地层组成的低中山体厚大的山区，区域最高点高程为1102.5 m。场区位于低中山区北西侧斜坡中部台地，斜坡脚海龙坝最低处高程约874.0 m。场地地面高程893.61～904.81 m；场地北西侧为一NE向低丘，低丘顶部高程929.0 m，场地处于一个山体斜坡台地上的碟形浅洼地中，该浅洼地整体呈倒“L”形沿北东方向展布。地貌发展阶段属于山盆期第二亚期剥夷面[3-4]。

1.5 气候

研究区地处亚热带半干燥夏季湿润气候地带，年平均气温25.1℃，最高气温38.7℃。雨量充沛，日照充足。大气降水丰富，多年年平均降水量1116.2 mm，最大日降水量118.8 mm，有利于岩溶发育。

1.6 水文地质

研究区属于岩溶地貌过渡区中的CF2碳酸盐建造，为中等岩溶化层组，富水性中等。地下水主要为第四系土体内的上层滞水和基岩内的岩溶潜水。娄山关群白云岩为含水岩组，其中的地下水属于岩溶裂隙水分区[4]。该潜水盆地含水最大面积为37 200 m2。

1.7 岩溶

基岩面呈溶沟、溶槽状起伏，相邻柱基之间的基岩面起伏最大高差为13.49 m。时见悬臂岩体。在A亚单元白云岩中常见豆状溶孔和溶缝，且岩体内溶蚀洞隙发育，局部呈串珠状。钻孔中溶蚀洞隙最大垂直高度12.8 m。根据《贵州岩溶场地岩土工程勘察技术规程》(DB52T/1336-2018)中表2之规定，属岩溶强发育场地，但在B亚单元含泥质白云岩和微风化白云岩中未见溶蚀洞隙，仅局部见溶蚀小孔或溶缝。

2 研究区高位潜水特征

研究区高位潜水具备了上述一般高位潜水的某些特征，但又有所不同。本例的高位潜水不是发育于石灰岩地层中，而是发育在钙镁比值低的白云岩地层中；排泄通道不是暗河，相反其供水水源却是暗河岩溶管道，具有干湿交替的风化特点，具备了白云岩溶蚀发展完整的三个阶段形成条件等等特色(图4)。

研究区高位潜水的供水水源不是地面水体，而是岩溶管道，完全受气候控制，季节性特征非常明显。潜水水位不稳定，随气候变化升降，雨季富水水位高，潜水面接近地表；旱季缺水，潜水消失，地下水变为岩溶裂隙水。

根据806个钻孔的水位观测和分析，雨季场地的静止水位大约在894.0 m，接近地面；旱季场地内的潜水则消失不见。雨季时场地内的静止水位没有明显的水位差和流向，说明场地的地下潜水供水水量有限和缺乏排泄通道，是一个基本静止的局部潜水盆地。场地呈现随季节变化的干湿交替风化环境。

3 高位潜水的成因分析

岩溶水文系统的形成，有比较严格的条件要求，如气象、地形地貌、区域地质背景、水文、岩溶等，缺一不可[2]，场地处于低山斜坡的中部，地势较高，且不存在常规的隔水层岩性和供水水体，按一般规律不应该有含水盆地出现，但本场地却存在一个高位潜水洼地，而且其供水水源主要来自于冲沟上游的溶洞。对其成因剖析如下。

3.1 气候条件

一个地区的气候条件不但与降水量直接相关，同时与岩溶的发育程度及特征直接相关，气候是影响岩溶发育的重要因素之一。

1)降雨量不仅影响水的渗透条件和交替运动，降水通过吸收空气、土壤、植被中的CO2后，增强了对碳酸盐岩石的溶解能力。

2)气温的高低不但决定岩石的风化方式、风化速度、风化产物，同时决定了岩溶的发育速度、部位和特征。例如我国湖南、贵州、广西等南方省(区)气温较高，岩溶易发育，而我国北方地区由于气温低，岩溶发育缓慢，碳酸盐岩的风化不是以化学溶蚀为主，而是以物理风化为主。笔者发现气候(包括小气候)对岩石的风化成土作用影响十分明显，例如湖南和贵州由于气候的差别，碳酸盐岩的风化成土作用过程和产物均存在明显差异。即使是贵州省内的不同地区、甚至是在同一地区的不同地点，由于小气候差异，岩石风化成土作用的过程和产物也都存在一定的差异。岩溶是风化作用的一种作用方式[5]。

3)降水量及其季节性变化、降水的性质、蒸发量、地面径流与渗透量的比例关系等均与岩溶有关。

4)不同的气候分带区分布有不同的土壤和植被，岩溶水流中的CO2主要来自于土壤，因此气候的垂直分带性亦决定了岩溶发育的垂直分带性[2，4，6]

3）水环境和水生态方面，高校水文与水资源工程专业培养方案中包括环境水力学、环境水利学、水环境监测与分析、水生态等课程。当前水污染和水环境问题日趋突出，可以依托河段、湖泊、水库等水体开展水环境监测与分析、污染物迁移与转化、水生态修复等主题研究。

研究区地处亚热带半干燥夏季湿润气候带，植被发育，潜水分布区地形较平坦，区内大气降水丰富，雨量充沛，干湿交替的气候环境、可溶性碳酸盐地层发育等，为岩溶发育和潜水盆地的形成提供了有利的气候条件。

3.2 地质构造条件

地形地貌的形成和分布主要受地质构造和地层岩性的控制，地质构造、岩性和具有溶蚀性的水流是岩溶发育必不可少的三大条件。

研究区地质构造较简单，场地出露主要地层为上中寒武统娄山关群，在5亿多年中经历多期次地质事件，造成场区岩石地层节理裂隙非常发育，并发育有NW向大型节理，为地下水的渗透和循环运移以及岩溶发育提供了有利条件[7-8]。

3.3 地形地貌条件

由于岩溶发育在很大程度上受到地表水和渗透程度的影响，所以在不同的地貌条件中岩溶的发育过程和阶段亦不同，不同的地貌部位岩溶的发育程度差异很大。地形地貌是控制地下水形成及其水动力场的重要因素，对岩溶的发育程度和发育特征有着重要的意义[2]。

研究区处于黔北山原、低中山地貌区，在宽缓的背斜轴部常形成溶蚀谷地和盆地，并发育有悬挂地下河。场地属于岩溶地貌中的缓丘谷地斜坡中部台地上的一个碟形洼地，场地微地形是四面高、中间低，这是形成该处高位潜水不可或缺的地形地貌条件。场地区域的缓坡谷地地层以娄山关群白云岩、茅草铺组石灰岩为主。高程900～1200 m。通常是地下河出露点[2-3]。

研究区地面高程高出区域侵蚀基准面约50 m，是一个高耸于谷地之上的独立水文系统[4]。

3.4 水文地质

场地处于岩溶碟形洼地内，有一条冲沟从场地内通过，是场地地下水的主要补给源。在场地与冲沟上游相邻的山体坡脚有下降泉分布，为渗出式基岩裂隙水露头。场地四周地形均高于场地，因此四周的大气降水均向场地内排流，但汇水面积不大，不是场地地下水的主要补给源。

场地地下水的补给主要来源并不是冲沟上游的坡体汇水和环境坡体汇流，而是来自冲沟上游娄山关群白云岩溶洞中的地下暗河岩溶管道水流，所以季节性特征十分突出，雨季水量丰富，场地潜水水位接近地表；旱季时，地下暗河岩溶管道水流断流，潜水消失。场地长期处于干湿交替的环境中。

经考察在场地上游约200 m的冲沟南东侧侧壁娄山关群白云岩中有两个溶洞(图5)，两个溶洞处于相同的层位，其中2号溶洞处于该层位的倾斜下方，出水量不大，而1号溶洞为地下暗河(岩溶管道)的出口，是场地主要的供水水源(图6)。1号溶洞洞高4～8 m，宽5～8 m；2号溶洞距离1号溶洞大约10 m平距，高程约低5 m，洞口高度1.0 m，宽约0.6 m(图7)。据调查，该地下暗河的另一个出口在山脊背后一侧的鸡公山，在雨季时同样有岩溶管道水涌出。溶洞内有石笋、石钟乳等碳酸钙化学沉积物[4]。

3.5 岩溶

岩溶发育是岩溶潜水形成的重要条件[2]。在场地的806个勘察钻孔中钻遇岩溶洞隙的钻孔有130个，钻孔见洞率为16.13%。场地岩溶洞隙全部发育于A亚单元白云岩中，发育底板高程在870.0 m以上，主要集中发育于中风化A亚单元白云岩顶部的880.0～890.0 m高程段，占溶蚀洞隙总数的78%。底板高程发育在880.0 m以下的占溶蚀洞隙总数的9%，岩溶洞隙底板高程发育在890.0 m以上的占溶蚀洞隙总数的13%。这与场地的地层分布、产状有关[4]。

研究区的岩溶发育特征和地层、岩性、气候、水文、地史条件的关系十分明显。

1)场区娄山关群由白云岩夹泥质白云岩组成，由于沉积相和成岩作用的原因，地层中的白云岩和泥质白云岩的岩性和厚度有差异，又因地层岩性组合不同，其间的岩溶发育程度、特征、水文地质条件的差异十分明显。

碳酸盐岩中的钙镁比值是决定岩石比溶蚀度的重要因素，岩石中的CaO对溶蚀有促进作用，岩石中的MgO对溶蚀起阻碍作用。当钙镁比值大于4时(石灰岩)，比溶蚀度较高；钙镁比值小于4时(白云岩)，比溶蚀度显著降低，岩石比溶蚀度与岩石中的钙镁比值成正比。岩石中的白云石含量与比溶蚀度的降低呈直线相关。场区白云岩的钙镁比值小于1.4，正处于相对溶蚀度变化的最大区间[3，9]，属于纯度较高的白云岩，理论上场地不具备岩溶发育的岩性条件。但是由于白云岩的溶蚀特点和场地所经历的地史期在5亿年以上，岩溶的继承性发展构成了岩溶叠加发育的格局。

岩石在白云石化的成岩作用过程中，由于白云石晶体小于方解石晶体，成岩白云化形成的白云岩其孔隙度将增加10%～15%，有利于白云岩的溶蚀；岩石地层时代古老，经历的构造运动多，岩层中各种节理裂隙发育，所以岩石的透水能力增加，表生成岩作用经历的岩溶化时间长，导致贵州娄山关群白云岩的岩溶普遍发育，规模大。地史条件是研究区岩溶发育和岩体溶蚀风化发育的一个不可或缺因素。

岩石中的孔裂隙有晶间孔、粒间孔、缝合线、微裂隙、层间裂隙等，形成了地下水的循环通道。他们在地下水循环的同时也在沿孔、裂隙四周进行溶蚀，使地下水通道不断扩大，又进一步的加大、加速了地下水的循环，促进了岩溶作用的发展。场区娄山关群白云岩分布区地下水以裂隙流为主，富水性较均匀[8]。

2)碳酸盐岩石的结构基本上是由异化颗粒、胶结物和基质(灰泥)三部分组成，有时混有陆源碎屑或生物骨架。

3)研究表明：当地下水通过孔裂隙进入白云岩中以后，对岩石中的胶结物和灰泥进行溶蚀并不断扩大，如此反复。白云石晶体周围的胶结物和灰泥溶蚀殆尽以后，白云石残晶颗粒由于失去支撑而机械崩落，使溶蚀空间加大，促进溶蚀的发展。由于白云石晶体的比溶蚀度低，难于溶蚀，白云石残晶就在地层中形成砂状堆积物——白云石砂。白云石砂是辨别区分石灰岩和白云岩的重要标志。最初地下水在白云岩的孔裂隙中是以扩散渗透的方式运动，进行弥散性溶蚀形成溶蚀小孔洞，随着溶蚀的发展和机械掉落，使溶蚀空间不断扩大，这是白云岩岩溶发育的重要特征[9]。关于石灰岩与白云岩的岩溶发育问题，一直是争论的焦点[5]。

按前面的岩石分层，对场地四个岩体单元的溶蚀发育特征和阶段作如下讨论。

强风化白云岩：强风化白云岩与A亚单元白云岩本属于同一层位岩性，但是由于其所处的层位位置不同，水文地质条件、风化条件不同造成其岩溶发育特征截然不同。

强风化白云岩处于岩石地层的表层，是接触地下水最多、地下水循环条件最好、地下水溶蚀性最强、溶蚀时间最长的部位，所以是溶蚀最为发育、溶蚀风化最彻底的层段。但是为什么在这个层段中却见不到溶洞溶隙呢？研究发现这个层段在岩溶的发展前期是有溶蚀洞隙的，但是由于岩溶发育的继承性和叠加性，在岩溶后期这些溶蚀洞隙在不断加深的溶蚀作用中崩溃了，崩溃后的岩块在后继的溶蚀作用中其中的可溶成分和微粒也被彻底溶蚀并被地下水带走了，最后剩下的只是白云石沙的堆积物。在后期桩基础施工中挖出来的几乎全部是白云石砂(白云石残晶)，还出现了程度不同的碳酸钙二次胶结，偶尔可以见到小于拳头的强风化岩石残块。场地长期处于干湿交替的环境中，形成化学溶蚀和物理风化交替作用的溶蚀风化环境，这是形成大量白云砂化风化堆积物的原因。

强风化A亚单元白云岩：由于处于强风化白云岩之下，岩石中的缝合线构造有利于溶蚀。地下水活动比较强烈，地下水的溶蚀能力较强，岩溶发育，见到的溶蚀洞隙占总数的91%，处于溶蚀洞隙发育阶段，是溶蚀洞隙发育的主要层段。岩石中的泥质纹层又使碳酸盐岩石抵抗水动力的能力降低，在白云化重结晶的时候排除的泥质，包裹在白云石晶体周围降低了晶粒之间的连接强度，导致岩石的机械破坏作用加强，促进了岩石的溶蚀破坏和向砂化作用发展[9]。

中风化B亚单元泥质白云岩：场区娄山关群的沉积相为局限台地相，场区处于陆源碎屑物供给区的末端，不时有黏土物质混入，因此在娄山关群的沉积岩石中，夹有泥质白云岩夹层。又由于沉积相区处于陆源碎屑物供给的远端，陆源碎屑物的供给不稳定，因此沉积形成的泥质白云岩夹层厚度很不稳定，呈似层状，为弱透水层。这种泥质白云岩形成了相对隔水层，对潜水盆地的形成具有至关重要的作用。诸多地质资料都证明了这类相对隔水层的存在和隔水作用[3]。

在白云化重结晶的时候将会排除岩石矿物中的泥质，使其包裹在白云石晶体周围或形成岩石基质，阻止地下水的循环和溶蚀作用。岩石中的泥质含量越高，岩石的比溶蚀度越低[9]。

微风化白云岩：由于其上有泥质白云岩相对隔水层的阻隔，本层几乎不与地下水接触，即使有少量裂隙水渗入地层内，但是这些地下水由于经过上部地层的溶蚀作用，其中的 CO2已经消耗的所剩无几，其溶蚀能力很弱，所以在本层内的溶蚀作用微弱，岩溶形态以小溶孔为主，处于弥散性溶蚀阶段。

研究表明岩溶水中的 Ca2+与流量呈直线负相关，由于潜水盆地的水源供水有限，为静水盆地，地下水的活动和溶蚀能力由上向下减弱，形成了岩溶发育的不同阶段。

据此可以得出白云岩溶蚀的三个完整发展阶段：弥散性溶蚀阶段—溶蚀洞隙发育阶段—白云石砂堆积阶段。本例是笔者发现的唯一具备全部三个溶蚀发展阶段的白云岩岩溶完整发育场地。而大多数的白云岩溶蚀都缺乏第三阶段——白云石砂堆积阶段，这是由于在自然界很难形成这种长期的干湿交替溶蚀风化环境。

场地的溶蚀发展阶段是由下而上加深和有序排列的，这种现象是由一系列特殊地质环境条件所造成的，很难见到。

4 结论

本文所述的高位潜水与一般的高位潜水特征既有相同之处，也有很大的不同：

1)该高位潜水在高悬于谷地斜坡之上的一个碟形洼地中，成为一个独立的潜水水文地质系统。

2)由于区域地质背景特殊，该潜水系统没有排水通道，且潜水盆地的主要水源不是地表水体而是来自于上游的岩溶管道，是一个基本静止的岩溶水体。

3)潜水水体完全受气候条件控制，动态变化很大，形成了长期干湿交替的特殊岩溶风化环境，使白云岩地层具备了完整的溶蚀风化阶段。

4)高位潜水不是形成于钙镁比值高、比溶蚀度高的石灰岩地层中，相反形成于钙镁比值低、比溶蚀度低的纯白云岩地层中。

研究区发育独特的白云岩溶蚀，是形成研究区特殊条件下高位潜水的重要岩溶条件，是经历五亿多年的继承性溶蚀和叠加溶蚀的结果，而久远的地史期和特殊的地质地理环境条件是导致研究区发育独特的白云岩溶蚀的原因。研究区白云岩溶蚀经历三个发展阶段：弥散性溶蚀阶段—溶蚀洞隙发育阶段—白云石砂堆积阶段。其中最后的白云石砂堆积阶段，由于其形成条件更为复杂，极其少见。本研究区由于具有长期的干湿交替气候环境，所以才具备了白云石砂堆积阶段形成的特殊条件。