楊耀棟,盧長軍

(天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,天津 300191)

天津薊縣地區(qū)巖溶基本特征及發(fā)育規(guī)律

楊耀棟,盧長軍

(天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,天津 300191)

薊縣山區(qū)中上元古界碳酸鹽巖地層廣泛分布,為巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)。闡述了研究區(qū)巖溶的形態(tài)類型及其分布特征,分析了巖溶的發(fā)育規(guī)律。這對區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè),確保巖土工程和城鎮(zhèn)供水安全等具有重要意義。

碳酸鹽巖;巖溶形態(tài);巖溶特征;發(fā)育規(guī)律;天津薊縣

1 地理位置與地質(zhì)概況

天津市薊縣位于天津市最北端,地處華北平原與燕山山脈銜接地帶,總面積1 470km2。其北部為基巖山區(qū),面積 755km2,是天津市僅有的山地,為碳酸鹽巖分布區(qū)。

研究區(qū)位于華北平原與燕山山脈過渡帶,基巖山區(qū)屬燕山山脈南部的低山丘陵區(qū)。地層以中上元古界最為發(fā)育,主要由一套厚度近萬米的碳酸鹽巖夾碎屑沉積巖組成,其中長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組巖性以碳酸鹽巖為主,出露厚度、面積最大,為巖溶發(fā)育的基礎(chǔ) (表 1)。本區(qū)構(gòu)造活動主要表現(xiàn)為二期,形成早期東西向褶皺群,中期南北向褶皺群。另外,晚期有東西向褶皺群的繼承性活動,新構(gòu)造運動活躍,第四紀(jì)斷塊差異升降明顯,山區(qū)抬升顯著,發(fā)育有多級階地及夷平面。

2 主要巖溶形態(tài)及其基本特征

本區(qū)氣候干燥,為溶蝕作用較弱的巖溶區(qū),平均千年溶蝕速度僅為 20mm左右。年內(nèi)溫差較大,物理風(fēng)化強烈。影響巖溶發(fā)育的外營力以侵蝕作用為主,而溶蝕作用僅占次要的地位。區(qū)內(nèi)典型的巖溶組合形態(tài)不發(fā)育,巖溶形態(tài)組合以旱谷、巖溶泉、溶洞、常態(tài)山、巖屋式洞穴、碳酸鹽巖坡積角礫及大量的崩塌堆積物為特征。

本區(qū)巖溶地貌主要有一些個體形態(tài)：①溶痕。發(fā)育石灰質(zhì)含量相對較高的碳酸鹽巖以高于莊組常見,深 0.5cm～2cm,發(fā)育于裸露巖面,為雨水溶蝕而成。②石芽。部分裸露,部分埋藏于地表土層之下,臼齒狀,為巖石交叉節(jié)理發(fā)育而成。③旱谷。山區(qū)河流基本為季節(jié)性,一般呈干涸狀態(tài),河流及溝谷網(wǎng)中具有大量沖洪積物,溝谷僅僅具暫時性水流,河流除一部分主、支流具常年性水流之外,多為季節(jié)性甚至?xí)簳r性水流。一般是在洪積物中的潛流。旱谷多具寬闊的河谷形態(tài),谷底下巖溶作用較發(fā)育,常具有溶蝕裂隙,使地表水滲漏補給地下水。④巖溶泉。較大的巖溶泉為公樂亭泉、東馬坊泉和穿芳峪泉,日流量在3 000m3以上,均為下降泉,含水介質(zhì)為巖溶裂隙。⑤溶洞。高于莊組和霧迷山組溶洞發(fā)育較多,其他地層相對較差 (表 2)。區(qū)內(nèi)大、中型溶洞不發(fā)育,溶洞幾乎都沿裂隙發(fā)育,純粹由溶蝕動力控制的洞穴極少。霧迷山組為含砂泥質(zhì)、硅質(zhì)結(jié)核、硅質(zhì)條帶或條紋白云巖,溶蝕程度弱于高于莊組,在構(gòu)造和水動力條件充分時,會產(chǎn)生溶洞,該組主要溶洞有氣鼓山洞、臭椿峪洞、洞子峪洞、響水寺西洞等。高于莊組為白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖與白云巖互層,灰質(zhì)含量相對較高,溶蝕程度增強,主要洞穴有蜂窩洞、桑樹鞍洞、娘娘洞、石花洞、吮口洞等。洞長一般幾米至幾十米,大者 300多 m,洞高一般 0.5m～5.0m,空間形態(tài)多呈單一廊道式,在部分溶洞中,洞內(nèi)有石鐘乳、壁流石、石花等。

表1 薊縣地區(qū)地層層序簡表

表2 區(qū)內(nèi)主要溶洞統(tǒng)計表

本區(qū)碳酸鹽巖坡積角礫發(fā)育普遍,由于物理風(fēng)化強烈,在山坡、山麓地段常見礫狀巖石堆積,礫石多棱角、次棱角狀。碳酸鹽巖角礫的廣泛分布反映本區(qū)溶蝕速度較小、巖溶作用較弱。

3 巖溶發(fā)育規(guī)律

3.1 巖性與巖溶發(fā)育程度的關(guān)系

本區(qū)碳酸鹽巖以霧迷山組和高于莊組沉積厚度大、分布廣,純碳酸鹽巖所占比例大。霧迷山組為含砂泥質(zhì)、硅質(zhì)結(jié)核、硅質(zhì)條帶或條紋白云巖與白云巖互層式組合;高于莊組不純碳酸鹽占 26.5%,白云巖占 34.1%,云灰?guī)r占 31.2%,上部以純碳酸鹽占絕大部分。

碳酸鹽巖的室內(nèi)模擬溶蝕試驗不同層位巖石化學(xué)成分和溶蝕速度情況見表 3。從表 3中可以看出,比溶蝕度和比溶解度隨著 CaO含量的增高而增大,而MgO則相反,MgO含量的增高增大了機械破壞量,酸不溶物對溶蝕作用不利,本區(qū)地層以白云巖為主,較高的MgO含量使具有較大的機械破壞量和較低的溶蝕量。

表3 區(qū)內(nèi)各可溶巖層單位化學(xué)成分及溶蝕速度一覽表

3.2 地質(zhì)構(gòu)造對巖溶發(fā)育程度的影響

地質(zhì)構(gòu)造因素對巖溶發(fā)育的影響是通過巖體破裂和變形表現(xiàn)出來的。斷層或裂隙是巖體內(nèi)地下水徑流的通道,再不同的褶皺部位裂隙發(fā)育各具特點,其對地下水徑流、巖溶發(fā)育起著控制作用。

地質(zhì)構(gòu)造對巖溶的發(fā)育強度及發(fā)育方向有著十分密切的關(guān)系,如地層的展布、產(chǎn)狀、斷裂的發(fā)育程度、方向、充填程度等控制了地下水的運動方向和地下水動態(tài),從而也就決定了巖溶發(fā)育的強度、方向、規(guī)模大小及巖溶形態(tài)等。本區(qū)褶皺與斷裂構(gòu)造對巖溶溶洞的發(fā)育起著明顯的控制作用。

3.2.1 褶皺構(gòu)造對巖溶發(fā)育程度的影響 區(qū)內(nèi)巖溶均處于各種褶皺構(gòu)造系統(tǒng)中。不同的褶皺類型、形態(tài)以及褶皺的不同部位變形機制不同,巖體破裂程度不同,巖溶發(fā)育特征也各不相同。

①褶皺核部：無論是向斜、背斜,其核部節(jié)理裂隙均較發(fā)育,巖石破碎。褶皺的轉(zhuǎn)折端巖層彎曲,變性大,巖溶裂隙發(fā)育。如府君山向斜核部發(fā)育有氣鼓山洞、小玲子溶洞等,翟莊背斜核部發(fā)育有吮口洞及其他溶洞。

②褶皺翼部：隨著巖層受力條件的不同褶皺翼部傾斜變性程度也不同,陡傾巖層壓性、張性、扭性斷裂均較發(fā)育,尤其是層間滑動斷裂也很發(fā)育,這使得局部水的入滲條件好,沿層面裂隙溶蝕易產(chǎn)生溶洞,如娘娘洞、臭椿峪洞等。

本區(qū)褶皺絕大部分為開緩和中等褶皺,樞紐近水平,碳酸鹽巖地層分布面積大及厚度較大,這種條件有利于地下水的匯聚,但中國北方地區(qū)年降水量小,降雨入滲沿較均勻的裂隙系統(tǒng)下滲,其微弱分散的水流只有下滲到較大深度或徑流較長距離后,才能相對集中形成水流,其流量仍比較小,很難形成連續(xù)的有較大規(guī)模的巖溶管道系統(tǒng)。

3.2.2 斷裂構(gòu)造對巖溶發(fā)育程度的影響 斷裂是地下水運移的通道,是巖溶發(fā)育不可缺少的條件之一。斷裂是本區(qū)巖溶發(fā)育最主要的因素,幾乎所有溶洞的發(fā)育都與斷裂構(gòu)造有著密切的關(guān)系,區(qū)內(nèi)最主要的斷裂為薊縣山前斷裂與楊莊斷裂,薊縣山前斷裂基本在山前隱伏于第四系之下,埋藏較深,但該斷裂帶有公樂亭泉、東馬坊泉、穿芳峪泉較大型巖溶泉出露。楊莊斷裂為僅次于薊縣山前斷裂的較大規(guī)模斷裂,該斷裂為高角度南傾逆斷層,區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的天然溶洞近一半分布于楊莊斷裂旁側(cè),這些溶洞基本都是沿著該斷裂的分支裂隙發(fā)育。該斷裂在穿芳峪北部與半壁山斷裂相交,在交匯地帶巖溶發(fā)育強烈,出現(xiàn)有半壁山南洞與北洞。

裂隙在巖溶的發(fā)生和發(fā)展過程中,同樣起著較重要的作用,尤其是在巖溶發(fā)育的初期,明顯控制著巖溶的發(fā)育方向。本區(qū)絕大部分溶洞是沿節(jié)理裂隙發(fā)育,尤其是沿張裂隙發(fā)育的,裂隙延伸以及張開程度往往決定著溶洞的發(fā)育規(guī)模。很多溶洞都可見到與溶洞形態(tài)相似的裂隙特征,甚至有些溶洞就是張裂隙本身,與純構(gòu)造溶洞沒有太大的差別,水的溶蝕和侵蝕產(chǎn)生的新空間很少。由于總體水的溶蝕能力弱,沿裂隙發(fā)育的溶洞,一般規(guī)模較小、洞體形態(tài)不規(guī)則。

4 結(jié) 語

薊縣山區(qū)地層以中上元古下界為主,主要為碳酸鹽巖,為巖溶發(fā)育的基礎(chǔ),巖性以白云巖為主,部分地區(qū)分布有灰云巖或云灰?guī)r。氣候?qū)儆诟稍镄?降水在入滲過程中很快達(dá)到飽和,地下水基本無溶蝕能力,以均勻分散徑流為主。從區(qū)內(nèi)地貌及溶洞發(fā)育特征看,一般很少經(jīng)歷強水動力條件,不具備產(chǎn)生大型巖溶管道的條件。大規(guī)模構(gòu)造帶易產(chǎn)生溶洞,溶洞幾乎都沿裂隙特別是張裂發(fā)育,裂隙的規(guī)模及充填狀況決定溶洞的發(fā)育特征。

巖溶發(fā)育地段是尋找地下水源的理想靶區(qū)。在目前地表水和淺層地下水大多被污染的情況下,可

以在巖溶發(fā)育強度較高的部位,尋找豐富優(yōu)質(zhì)的地下水源,確保城鎮(zhèn)供水安全。同時,巖溶可能造成一定的工程地質(zhì)問題,甚至形成地質(zhì)災(zāi)害。在開展各種巖土工程建設(shè)前,應(yīng)該做好工程地質(zhì)勘察,查明工程區(qū)巖溶發(fā)育程度和分布規(guī)律,進(jìn)行既經(jīng)濟又科學(xué)的工程處理,或采取適當(dāng)?shù)谋茏?以免誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失。因此,查明研究區(qū)巖溶的形態(tài)類型及其分布特征,分析和總結(jié)巖溶的發(fā)育規(guī)律,對薊縣城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)、確保巖土工程和城鎮(zhèn)供水安全等具有重要意義。

[1]天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局編制.天津市地質(zhì)環(huán)境圖集[R].北京：地質(zhì)出版社,2004.

[2]李宏.天津市薊縣地區(qū)巖溶調(diào)查報告 [R].天津：天津市地質(zhì)調(diào)查研究院,2000.

[3]中國科學(xué)院地質(zhì)研究所巖溶研究組著.中國巖溶研究[M].北京：科學(xué)出版社,1979.

[4]中國地質(zhì)學(xué)會巖溶地質(zhì)專業(yè)委員會編.中國北方巖溶和巖溶水[M].北京：地質(zhì)出版社,1982.

[5]任美鍔,劉振中.巖溶學(xué)概論 [M].北京：商務(wù)印書館,1983.

[6]劉細(xì)元,馬振興,楊永革,等.宜春—新余一帶巖溶基本特征及發(fā)育規(guī)律分析 [J].東華理工學(xué)院學(xué)報,2006,29(2)：127-132.

Analyses on karst basic characteristics and development rules in Jixian County of Tianjin

YANG Yao-dong,LU Chang-jun

(Tianjin General Station of Geological EnvironmentMonitoring,Tianjin 300191,China)

Middle-Upper Proterozoic carbonate rock sedimentswere widely distributed in the mountainous area of Jixian County,they were turned into the material base for karst development.The authors depicted in details the types and distributing features of karst in the study area and analyzed the development rule of karst.The study and analyseswere of important significance for the urban planning and construction in the study area,and also for the sake of security of geotechnical engineering and water supplying there.

Carbonate rock;Karstmorphology;Karst characters;Development rule;Jixian County,Tianjin

P642.252

A

1674-3636(2010)04-0382-04

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.04.382

2010-08-19;編輯：陸李萍

楊耀棟 (1982—),男,工程師,碩士,主要從事地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作.