尹 歐，何 陽(yáng)，李 彬，楊 帆，凌躍新，柏道遠(yuǎn)

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

巖溶管道的發(fā)育受控于很多因素，如巖性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候條件、水文條件、生物條件等(袁道先，2015)。100多年來(lái)，有關(guān)巖溶與構(gòu)造的關(guān)系研究始終是地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌和洞穴等領(lǐng)域?qū)W者所關(guān)注的重點(diǎn)。構(gòu)造對(duì)巖溶管道的控制作用已被巖溶界的學(xué)者所公認(rèn)。我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，即使在地臺(tái)區(qū)各種形式的褶皺、斷裂也很發(fā)育，這為我國(guó)相關(guān)研究提供了天然素材。比較典型的有湖南洛塔向斜圈閉構(gòu)造(于浩然等，1982)、百郎地下河背斜圈閉構(gòu)造(易求芳，1983)、云南南洞地下河斷陷盆地構(gòu)造(馬祖陸，1993)以及北方的一些單斜或斷塊構(gòu)造泉域(裴捍華，2003；孫斌，2014)。這些構(gòu)造形態(tài)不僅對(duì)泉域或地下河域的邊界范圍有影響，而且與其共生的斷裂及各種結(jié)構(gòu)面影響、控制了洞隙系統(tǒng)的發(fā)育及空間分布。傳統(tǒng)研究認(rèn)為，張性斷裂構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育起控制作用，但是閆長(zhǎng)虹等人(2008)在對(duì)貴州普定地區(qū)的地下河和溶洞進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，某些規(guī)模大的壓性斷層因?yàn)橥弦肥箮r層中張裂隙發(fā)育，控制了區(qū)內(nèi)的巖溶管道發(fā)育。本文以長(zhǎng)沙市煤炭壩地區(qū)為例，以巖溶塌陷發(fā)育特征、巖溶構(gòu)造條件等為研究基礎(chǔ)，深入剖析區(qū)內(nèi)構(gòu)造與巖溶地層裂隙發(fā)育關(guān)系，確定區(qū)內(nèi)巖溶構(gòu)造與巖溶發(fā)育程度的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)為低山丘陵緩坡地形，屬于構(gòu)造侵蝕—?jiǎng)兾g巖溶地貌。礦區(qū)地形標(biāo)高在110～150 m之間，沖溝發(fā)育，相對(duì)高差一般小于50 m。地形呈波狀起伏，丘頂呈渾圓狀，丘頂面也近似平面，丘坡極緩，坡角一般10°～15°。丘間溝谷呈枝狀發(fā)育，一般呈“U”型谷，谷底開(kāi)闊平緩。研究區(qū)區(qū)內(nèi)地層主要為二疊系、白堊系、第四系。其中二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組的頁(yè)巖、硅質(zhì)灰?guī)r，厚約400 m；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M的煤層、泥巖、砂巖、灰?guī)r，厚約17 m，長(zhǎng)興組的灰白色硅質(zhì)灰?guī)r，厚度約440 m；白堊系粉砂巖、礫巖，厚約480 m；第四系殘坡積層及沖洪積層等，厚度在3～40 m不等。研究區(qū)南華系—早古生代奧陶系褶皺地層，構(gòu)成區(qū)內(nèi)基底褶皺；以角度不整合覆于其上的中泥盆世—晚石炭世的沉積，以及白堊紀(jì)紅層沉積地層，構(gòu)成研究區(qū)的沉積蓋層(見(jiàn)圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

2 區(qū)域構(gòu)造形態(tài)特征

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊東南緣，揚(yáng)子與華夏陸塊結(jié)合帶部位，其基底由武陵期及加里東期褶皺構(gòu)成。研究區(qū)的主體構(gòu)造形跡形成于晚三疊世的印支運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造特征表現(xiàn)為NEE向褶皺及其同期伴生斷裂、次級(jí)褶皺。典型構(gòu)造以煤炭壩復(fù)式向斜為代表，其核部在煤炭壩附近，主要為二疊系組成，邊緣分布有次級(jí)褶曲，北翼部分地層產(chǎn)狀較陡，傾角40°～50°，局部達(dá)到60°，南翼較緩，傾角25°～30°。圖中褶皺分為加里東期褶皺、印支期褶皺、早燕山期褶皺就可，晚中生代-新生代褶皺與早燕山期褶皺重復(fù)了，區(qū)內(nèi)印支期與加里東期疊加褶皺難以分辨。

3 巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)可溶巖地層分布廣泛，巖溶個(gè)體形態(tài)發(fā)育形式多樣。在平面上來(lái)看，巖溶發(fā)育極不均一，受地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件的控制，多沿構(gòu)造斷裂帶發(fā)育，并形成研究區(qū)內(nèi)區(qū)域地下水主徑流帶。巖溶發(fā)育層位的巖性以質(zhì)純層厚的灰?guī)r為主，其次為含碎屑巖的碳酸鹽巖類以及紅層中的灰質(zhì)礫巖段，在非可溶巖中呈夾層狀產(chǎn)出的碳酸鹽巖也有巖溶發(fā)育的跡象。因此巖溶發(fā)育與可溶巖巖性密切相關(guān)，其分布與可溶地層展布方向一致。巖溶發(fā)育在垂向上表現(xiàn)特征為：現(xiàn)代新巖溶發(fā)育主要集中分布于淺部的覆蓋型可溶巖分布區(qū)，少量受斷裂控制的巖溶及古巖溶主要發(fā)育在深部的埋藏型可溶巖分布區(qū)，整體空間層次較多，發(fā)育程度變化大。

4 構(gòu)造控制巖溶發(fā)育條件

4.1 區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展歷程

研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造變形事件，其中中生代以來(lái)的印支運(yùn)動(dòng)近SN向擠壓、早燕山運(yùn)動(dòng)NWW向擠壓、晚燕山運(yùn)動(dòng)的區(qū)域伸展和喜山運(yùn)動(dòng)的NE向擠壓，在區(qū)內(nèi)形成了大量不同走向、規(guī)模、性質(zhì)的斷裂和節(jié)理裂隙，形成了較復(fù)雜的褶皺斷裂構(gòu)造系統(tǒng)，并導(dǎo)致巖溶作用的非均質(zhì)性和巖溶發(fā)育的復(fù)雜化。研究區(qū)不同類型、不同強(qiáng)度巖溶區(qū)內(nèi)部形成局部性的巖溶形態(tài)及巖溶地貌，后期構(gòu)造白堊紀(jì)形成大量的灰質(zhì)礫巖以及灰質(zhì)粉砂巖沉積，灰?guī)r碎屑物源來(lái)自區(qū)內(nèi)的石炭系至二疊系碳酸鹽巖地層，同時(shí)巖溶地下水作用造就了灰質(zhì)膠結(jié)，隨之洞庭湖構(gòu)造盆地形成，研究區(qū)內(nèi)斷陷邊界明顯，巖溶隨之分級(jí)發(fā)展，巖溶基準(zhǔn)面的不斷抬升，造就區(qū)內(nèi)深度上巖溶發(fā)育的特征，前期造山運(yùn)動(dòng)—中期構(gòu)造擠壓破壞—后期區(qū)域斷陷下沉，三個(gè)階段的構(gòu)造歷程造就區(qū)內(nèi)復(fù)雜的巖溶發(fā)育基礎(chǔ)條件，即是復(fù)雜構(gòu)造斷裂系統(tǒng)導(dǎo)致巖溶復(fù)雜化的實(shí)際體現(xiàn)。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶的控制

研究區(qū)褶皺決定了地層的空間展布，從而控制了可溶巖及巖溶帶的分布。區(qū)內(nèi)棲霞組和茅口組對(duì)應(yīng)的覆蓋型中巖溶區(qū)連片分布于中部(復(fù)向斜核部)；復(fù)向斜內(nèi)部的次級(jí)褶皺疊加，導(dǎo)致龍?zhí)督M和大隆組對(duì)應(yīng)的覆蓋型弱巖溶區(qū)在中部呈多塊散布(次級(jí)向斜區(qū))(圖3)。

圖3 巖溶發(fā)育程度及巖溶塌陷點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖

如煤炭壩向斜核部由于應(yīng)力集中而發(fā)育密集的節(jié)理裂隙，由北往南形成了賀石橋、磚塘、楠竹山、賀家灣等巖溶發(fā)育集中區(qū)。這說(shuō)明該復(fù)式向斜褶皺核部或轉(zhuǎn)折端常為應(yīng)力集中帶，節(jié)理裂隙更為發(fā)育，有利于巖溶的發(fā)育。各向斜的水文地質(zhì)條件均較復(fù)雜。其次本區(qū)斷層發(fā)育，落差大于30 m的達(dá)18條，多為正斷層，另有數(shù)十條小斷層。斷層的富水，導(dǎo)水性與斷層性質(zhì)，上下盤對(duì)接巖石特征等相關(guān)。如賀家灣斷裂，斷裂破碎帶寬度0～97.7 m不等，水力聯(lián)系密切，該斷層北段位于洋泉湖徑流帶中，東部、東南部地下水補(bǔ)給賀家灣、竹山塘和五畝沖等礦井。大成橋一帶的板塘沖正斷裂，破碎帶厚度達(dá)50 m，該斷層穿過(guò)煤炭壩向斜南翼，斷層的巖溶化強(qiáng)烈、連通性好，地表水、地下水補(bǔ)給五畝沖礦井。

4.3 構(gòu)造演化對(duì)巖溶的控制

上述控制巖溶發(fā)育的不同類型構(gòu)造形成于中生代以來(lái)的多期構(gòu)造事件。此外，晚古年代后期的構(gòu)造抬升也引發(fā)過(guò)古巖溶作用。

4.3.1 晚古生代東吳抬升對(duì)巖溶的控制

研究區(qū)內(nèi)二疊系茅口組碳酸鹽巖沉積之后經(jīng)歷過(guò)抬升暴露(東吳抬升)，水平展布的茅口組中發(fā)生了深度約50 m且由淺至深強(qiáng)度減弱的古巖溶作用(圖4)。受此影響，研究區(qū)中部中、上二疊統(tǒng)分布區(qū)，在距離龍?zhí)督M煤層0～50 m范圍內(nèi)的茅口組可溶巖中溶洞、溶隙分布較多，巖溶特別發(fā)育。

圖4 研究區(qū)不同標(biāo)高溶洞個(gè)數(shù)及與煤層關(guān)系示意圖

4.3.2 印支運(yùn)動(dòng)和早燕山運(yùn)動(dòng)褶皺變形對(duì)巖溶分帶性的控制

研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展歷程中，多期擠壓構(gòu)造事件中以印支運(yùn)動(dòng)和早燕山運(yùn)動(dòng)最為重要。印支運(yùn)動(dòng)在華南與華北板塊以及華南與印支板塊碰撞而形成的近SN向強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力下，形成了研究區(qū)內(nèi)煤炭壩NEE向褶皺，及同走向斷裂；同時(shí)，研究區(qū)附近在在印支中晚期有同碰撞及后碰撞花崗巖侵位，如溈山巖體及滄水鋪巖體(見(jiàn)圖2)，另桃江巖體主體為加里東期巖體，區(qū)內(nèi)NEE向構(gòu)造形跡主要與區(qū)內(nèi)近SN向的擠壓應(yīng)力有關(guān)，與巖體侵位關(guān)系較小。NEE向的構(gòu)造線致使區(qū)內(nèi)構(gòu)造巖溶帶走向呈NEE向，如大成橋-歐家大沖一帶、煤炭壩賀石橋一帶和岳家橋—同光村一帶，。而早燕山運(yùn)動(dòng)形成的NNE向褶皺疊加在印支運(yùn)動(dòng)形成的NEE向褶皺之上，對(duì)先期構(gòu)造面貌進(jìn)行了較大改造和重塑。如早燕山運(yùn)動(dòng)形成的寧鄉(xiāng)大背斜，對(duì)煤炭壩復(fù)式背斜造成向南傾斜，復(fù)式向斜西側(cè)受區(qū)域斷裂而缺失含煤地層，而復(fù)式向斜東南側(cè)巖溶發(fā)育劇烈。同時(shí)，早燕山運(yùn)動(dòng)與印支運(yùn)動(dòng)的近橫跨褶皺疊加可形成穹盆狀褶皺，導(dǎo)致研究區(qū)中部覆蓋型中巖溶區(qū)呈大小不一的碎塊狀分布。

圖2 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造行跡圖

尤為重要的是，中三疊世后期印支運(yùn)動(dòng)形成了灰山港—煤炭壩大型復(fù)向斜，晚三疊世南西面溈山隆起的形成使復(fù)向斜向西揚(yáng)起，使得研究區(qū)東南部位于復(fù)向斜核部區(qū)，構(gòu)造位置較低，侵蝕作用較弱并遭受長(zhǎng)期的強(qiáng)烈風(fēng)化，從而形成很厚的殘坡積，并成為典型的覆蓋型巖溶區(qū)。

4.3.3 晚燕山期伸展活動(dòng)對(duì)巖溶作用的影響

白堊紀(jì)—古近紀(jì)區(qū)域上發(fā)生大規(guī)模伸展，研究區(qū)區(qū)域上形成多條NE向、NW向控盆正斷裂，盆外上古生界基底中先期斷裂也容易產(chǎn)生張性活動(dòng)。這些正斷裂或張性斷裂無(wú)疑有利于巖溶作用的增強(qiáng)，研究區(qū)大部分的巖溶塌陷集發(fā)區(qū)均位于白堊系淺覆蓋區(qū)內(nèi)即與之有關(guān)。受NE向和NW向正斷裂控制，白堊紀(jì)—古近紀(jì)盆地周緣抬升，盆地內(nèi)部也存相對(duì)升降差異而形成較復(fù)雜的隆-凹相間構(gòu)造格局(圖5)，從而導(dǎo)致上古生界基底高低起伏并產(chǎn)生巖溶強(qiáng)度和巖溶類型的橫向差異，較強(qiáng)抬升區(qū)形成裸露型巖溶，弱抬升區(qū)形成覆蓋型巖溶，下降區(qū)形成埋藏型巖溶。

圖5 區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分區(qū)示意圖

此外，研究區(qū)白堊紀(jì)—古近紀(jì)盆地構(gòu)建了寧鄉(xiāng)凹陷，其屬洞庭盆地湘陰凹陷南端的組成部分，而湘陰凹陷主要受控于南東側(cè)的NE向正斷裂控制，導(dǎo)致研究區(qū)盆地基底總體向SE傾斜，上古生界可溶巖埋深自西向東變大，并形成地表徑流主方向，從而導(dǎo)致東部埋藏型巖溶區(qū)的巖溶強(qiáng)度總體自西向東變?nèi)酢?/p>

4.3.4 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)巖溶作用的影響

研究區(qū)內(nèi)古近紀(jì)中后期斷陷盆地收縮、消亡，新近紀(jì)處于抬升和風(fēng)化、剝蝕狀態(tài)(圖5)。早更新世研究區(qū)北東側(cè)的洞庭盆地?cái)嘞莩两担芯繀^(qū)則相對(duì)抬升并遭受風(fēng)化剝蝕。剝蝕作用導(dǎo)致上覆古近紀(jì)—白堊系減薄，使得下伏上古生界可溶巖處于巖溶發(fā)育深度范圍內(nèi)，導(dǎo)致研究區(qū)中南—中東部埋藏型巖溶的廣泛發(fā)育。根據(jù)圖3，研究區(qū)內(nèi)古巖溶發(fā)育深度在標(biāo)高-200-(+40)m之間，而(+40)m標(biāo)高與目前區(qū)域洞庭湖標(biāo)高基本一致，現(xiàn)代巖溶集中在標(biāo)高-40-(+120)m范圍，巖溶發(fā)育程度隨之重疊，在(-40)-(+80)m區(qū)域是區(qū)內(nèi)巖溶最為發(fā)育的埋深地段。北東側(cè)洞庭盆地的斷陷沉降以及研究區(qū)的相對(duì)抬升，控制了研究區(qū)總體自西向東的水系走向，從而形成了沿水系發(fā)育的巖溶增強(qiáng)帶。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育空間分布受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用明顯，中生代以來(lái)的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了區(qū)內(nèi)及其與之伴生的斷裂帶，強(qiáng)烈影響巖溶發(fā)育的程度和深度，向背斜褶皺帶巖溶強(qiáng)發(fā)育特征明顯；

(2)斷裂錯(cuò)開(kāi)地層，向斜核部巖層厚度寬擴(kuò)，使區(qū)內(nèi)的灰?guī)r與地下水得到溝通，使接觸部位的巖溶發(fā)育。在斷裂帶、向斜核部的范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶個(gè)體形態(tài)以巖溶塌陷、地下溶洞、溶隙為主；

(3)褶皺核部或轉(zhuǎn)折端常為應(yīng)力集中帶，節(jié)理裂隙更為發(fā)育，有利于巖溶的發(fā)育，區(qū)內(nèi)三大地下水徑流帶均位于褶皺轉(zhuǎn)折端，如煤炭壩向斜核部由于應(yīng)力集中而發(fā)育密集的節(jié)理裂隙，由北往南形成了賀石橋、楠竹山、賀家灣、大成橋、歐家大沖等巖溶塌陷發(fā)育集中區(qū)；

(4)北東側(cè)洞庭盆地的斷陷沉降以及研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造塊體的相對(duì)斷陷及抬升，導(dǎo)致東部埋藏型巖溶區(qū)的巖溶強(qiáng)度總體自西向東變?nèi)?，而在北部及背斜中部地段加?qiáng)，并形成地表徑流主方向，從而形成了沿水系發(fā)育的巖溶增強(qiáng)帶。