王振海，史忠鑫，車(chē)增光

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210018；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；3.南京市國(guó)土資源信息中心，江蘇 南京 210018)

蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖地層分布廣泛、巖溶層組類型多、地層時(shí)代跨度大(上元古-中生界)、巖性多變(化學(xué)成分、礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造差異較大)，加之區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和新生代以來(lái)地形地貌和水系變遷等多種因素的控制，使得巖溶發(fā)育特征十分復(fù)雜，本文在蘇州常州巖溶生態(tài)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，研究了巖溶發(fā)育程度，并進(jìn)行了巖溶發(fā)育程度分區(qū)。

1 碳酸鹽巖時(shí)代特征

蘇州常州地區(qū)自晚元古代時(shí)地殼下降，沉積了一套瀉湖相、淺海相碳酸鹽巖類地層，印支、燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期經(jīng)受強(qiáng)烈褶皺，地殼斷裂上升，碳酸鹽巖類地層剝露地表，出露厚度一般100～600 m。按礦物成分，蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖可分為石灰?guī)r和白云巖，主要賦存于震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊和三疊系地層中(表1)[1]。

表1 蘇州常州地區(qū)可溶巖地層分布特征表

2 碳酸鹽巖分布特征

蘇州常州地區(qū)的碳酸鹽巖地層自震旦系至三疊系皆有發(fā)育，但被構(gòu)造、非可溶巖等分割成零散的塊段，具有“發(fā)育齊全，分布零散”的分布特點(diǎn)。根據(jù)碳酸鹽巖分布及巖溶發(fā)育特征，可將蘇州常州地區(qū)的碳酸鹽巖分為6個(gè)區(qū)。

2.1 太湖西山(隱伏—裸露區(qū))

主要分布于西山島東部及其東部、南部三山島、蛇山島等周邊島嶼內(nèi)，面積約15 km2，在石公山、龍山、元山等出露，隱伏區(qū)埋深一般小于20 m。碳酸鹽巖地層主要為石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C3c)及二疊系棲霞組(P1q)，該區(qū)巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)規(guī)模較大，主要有溶洞、落水洞、一線天、溶溝、溶槽等，其中溶溝、溶槽一般深度較大。

2.2 溧陽(yáng)南部山區(qū)(裸露區(qū))

呈塊狀零散分布，面積約16 km2，在青峰山、天井山、前峰山、長(zhǎng)山、金山等地出露。碳酸鹽巖地層主要有石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C3c)、二疊系棲霞組(P1q)及三疊系青龍組(T1q)。該區(qū)巖溶總體不發(fā)育，僅在地表可見(jiàn)縱橫交錯(cuò)的溶溝、溶槽，但區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)較強(qiáng)烈，在碳酸鹽巖與侵入巖的交界部位一般巖溶較發(fā)育，可見(jiàn)較大的溶洞及溶隙。

2.3 溧陽(yáng)上黃-別橋(隱伏—裸露區(qū))

面積約96 km2，在水母山、飛家山、大笠山、圣塔山等低山出露，山體呈孤丘散布于沖湖積平原上，發(fā)育地層主要為三疊系青龍組(T1q)，局部為周沖村組(T2z)，由于碳酸鹽巖含有較多的泥質(zhì)成分，巖溶基本不發(fā)育，僅在地表可見(jiàn)溶溝、溶槽，構(gòu)造有利部位可見(jiàn)落水洞及較大的巖溶裂隙。

2.4 茅山(隱伏—裸露區(qū))

面積約10 km2，主要分布于溧陽(yáng)、金壇的西部茅山山區(qū)，被新構(gòu)造斷裂和非可溶巖切割成不同大小的南北向的長(zhǎng)條狀，發(fā)育地層主要為石炭系黃龍組(C2h)、船山組(C3c)、二疊系棲霞組(P1q)及三疊系青龍組(T1q)等地層。本區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺、斷層、節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，因此巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞、落水洞等巖溶形態(tài)發(fā)育。

2.5 常州孟河(隱伏—裸露區(qū))

2.6 蘇州、常州平原區(qū)(隱伏區(qū))

面積約948 km2，碳酸鹽巖地層發(fā)育較全，昆山、太倉(cāng)等地區(qū)為震旦系、寒武系，其他地區(qū)為二疊系至三疊系為巖溶隱伏分布區(qū)，埋藏深度自西向東逐漸增大，除武進(jìn)區(qū)新安、橫林、蘇州西南太湖沿岸及張家港部分地區(qū)埋深小于100 m外，其他大部分地區(qū)埋深大于100 m，太倉(cāng)東部沿江地區(qū)埋深最大，大于400 m，巖溶發(fā)育程度隨著埋藏深度的增加而減弱。

圖1 太湖西山島石公山山項(xiàng)溶溝、溶槽

3 巖溶形態(tài)特征

3.1 溶溝、溶槽與石芽

?？v橫交錯(cuò)地伴生分布在石灰?guī)r丘陵的頂部和山坡上。溶溝寬度一般20～50 cm，最寬達(dá)1.5 m，溝深0.5～2.5 m不等，長(zhǎng)度不一，延伸方向受巖層和節(jié)理走向控制。溶溝底部常被粘土物質(zhì)、石灰?guī)r風(fēng)化碎屑所填充。石芽是溶溝之間的石脊，橫剖面多呈錐狀或尖棱狀，高度一般在1 m以上。不同部位由于水動(dòng)力條件，其溶溝、溶槽與石芽的形態(tài)也不同，在山頂部位，由于水流速度快，溶蝕形成的溶溝平直無(wú)分叉，基本上嚴(yán)格沿節(jié)理裂隙方向侵蝕(圖1)，而在坡度較緩的山坡上，溶溝彎曲分叉較多，深度較小，石芽雜亂無(wú)章地散布于坡面，在坡度較大的坡體上，溶溝彎曲但是分叉較少，深度較大，寬度較小，石芽高陡，甚至可形成“一線天”景觀(圖2)。

圖2 太湖西山石公山(緩坡)及新埠村(陡坡)溶溝、溶槽

3.2 落水洞

落水洞是地表水注入地下河或溶洞的通道，根據(jù)調(diào)查，蘇州常州地區(qū)巖溶裸露區(qū)共有落水洞約25個(gè)，一般分布在低山丘陵的平緩山坡上，落水洞大小不一，形態(tài)各異，主要有豎井狀和裂隙狀兩種形態(tài)。例如石公山的落水洞，洞口呈不規(guī)則圓形，直徑約0.5 m，延伸方向近于垂直向下，深度大于5.0 m(圖3)，孟河黃山落水洞洞口則呈橢圓形，長(zhǎng)軸約1.5 m，短軸約0.5 m，洞內(nèi)淤塞嚴(yán)重，可見(jiàn)深度僅1.0 m左右(圖4)，兩者皆為豎井狀落水洞。在溧陽(yáng)上黃及南部山區(qū)的采石宕口內(nèi)，可見(jiàn)較多裂隙狀落水洞，延伸傾斜曲折，多為節(jié)理裂隙溶蝕而成，洞徑一般0.2～0.5 m。

圖3 太湖石公山落水洞 圖4 孟河黃山落水洞

3.3 溶洞

蘇州常州地區(qū)裸露型碳酸鹽巖分布面積較小，溶洞數(shù)量有限，共有溶洞10多個(gè)，其中規(guī)模較大的溶洞6個(gè)(圖5～圖10，表2)，規(guī)模不一，形態(tài)迥異，可分為管道狀溶洞、水平盲洞和底部較平坦由廊道廳室組成的水平廳堂狀溶洞三種類型其中林屋洞規(guī)模最大，洞口低矮狹窄，高約2.0 m，寬7.4 m，由丙洞、雨洞、陽(yáng)谷洞、金龍洞、天后宮洞、隔凡洞等6個(gè)大小不等的洞體組成，總面積約4 200 m2，總體呈東西兩端大，中間小的葫蘆形態(tài)；洞內(nèi)廣如大廈，溶溝溶槽等廣泛發(fā)育，寬度約0.5～1.0 m，石芽成林，洞頂近水平，最高處可達(dá)8 m，鐘乳石、石筍、石柱、石幔等巖溶堆積物較發(fā)育；洞頂沿裂隙、鐘乳石滴水較多，在金龍洞內(nèi)發(fā)育一巖溶泉，水量較大，形成地下河，據(jù)調(diào)查，洞內(nèi)最低標(biāo)高約2.0 m，低于太湖正常水位，洞內(nèi)平均每天抽水量約300 m3；林屋洞由于獨(dú)樹(shù)一幟，別具一格，被冠以“天下第九洞天”的美譽(yù)。

圖5 石公山歸云洞 圖6 龍洞山林屋洞

圖7 茅山老君洞 圖8 茅山三官洞

圖9 茅山柏子洞 圖10 茅山金牛洞

表2 蘇州常州地區(qū)主要溶洞一覽表

3.4 湖蝕巖穴、湖蝕溶洞

主要分布在蘇州市太湖東岸西山碳酸鹽巖裸露區(qū)，由于西山特殊的地理位置，具有湖水侵蝕這一特殊的地質(zhì)營(yíng)力，形成了太湖東岸特有的湖蝕溶洞和湖蝕巖穴兩種巖溶形態(tài)(圖11)，以石公山處最為發(fā)育，兩種巖溶形態(tài)皆分布于太湖岸線附近，圍巖為石炭系船山組灰?guī)r，其中湖蝕溶洞向太湖開(kāi)口，走向NW340°，基本與湖岸延伸方向一致，洞向0.5～1.5 m，寬度約30 m，長(zhǎng)度3～5 m，洞底部較平坦，無(wú)巖溶堆積物；湖蝕巖穴一般呈圓形，直徑10～30 cm，光滑無(wú)棱角。

圖11 太湖石公山湖蝕溶洞

3.5 巖溶裂隙

蘇州常州地區(qū)巖溶裂隙也比較發(fā)育，在巖溶山區(qū)的采石宕口內(nèi)，均可見(jiàn)巖溶裂隙發(fā)育(圖12)。垂向上不同深度巖溶裂隙的發(fā)育特征不盡相同，總體上呈“V”型，淺部由于水動(dòng)力條件好，溶蝕作用強(qiáng)烈，形成的巖溶裂隙寬度一般較大，寬度一般0.3～0.5 m，最寬可達(dá)1.0 m以上，規(guī)模更大者形似落水洞，裂隙產(chǎn)狀較陡，近于垂直，常平行排列，多被粘土等充填；深部地下水動(dòng)力條件減弱，裂隙寬度逐漸變小，巖溶裂隙基本上與節(jié)理發(fā)育方向一致，數(shù)量較少，多被方解石充填。

圖12 太湖大山島巖溶裂隙

4 巖溶發(fā)育程度控制因素

蘇州常州地區(qū)的巖溶發(fā)育過(guò)程中，巖石成分與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件起著控制作用[2]，同時(shí)也受到人類活動(dòng)的影響。

4.1 巖石成分與結(jié)構(gòu)

碳酸鹽巖的主要化學(xué)成分CaO、MgO和CO2，其次還有一些其他氧化物及混合物，一般來(lái)說(shuō)，碳酸鹽巖成分越純，CaO含量越高、酸不溶物含量越低，可溶蝕性越好，巖溶發(fā)育程度越高。根據(jù)不同地層的碳酸鹽巖成分測(cè)試結(jié)果(表3)，CaO含量從黃龍組→船山組→棲霞組→青龍組上段→燈影組→青龍組下段→黃墟組逐漸降低，酸不溶物在震旦系黃墟組、燈影組和三疊系青龍組碳酸鹽類巖中含量較高，其他地層中較低。

表3 蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖成分測(cè)試成果表 %

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蘇州常州地區(qū)的溶洞、落水洞、溶溝等規(guī)模較大的巖溶形態(tài)(如林屋洞、金牛洞、柏子洞等)大多發(fā)育于石炭系黃龍組、船山組和二疊系棲霞組灰?guī)r中，這些灰?guī)r地層的共同特征是以塊狀生物碎屑、微細(xì)晶結(jié)構(gòu)為主，質(zhì)純致密，CaO含量在53%以上，酸不溶碎屑顆粒含量低于5%，證實(shí)了質(zhì)純、層厚、結(jié)晶顆粒微小的碳酸鹽巖類最有利于巖溶發(fā)育；而黃墟組、青龍組下段由于CaO含量較低，酸不溶物含量較高，以薄層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，一般為泥晶結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)成分含量高，透水性差，巖溶基本不發(fā)育，只在構(gòu)造有利部位發(fā)育溶溝、溶槽、溶隙等巖溶形態(tài)。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造控制了碳酸鹽巖的分布及變形特征，不僅造成巖體結(jié)構(gòu)的不完整，形成局部的不穩(wěn)定，還構(gòu)成了巖溶地下水的集中導(dǎo)水通道或排泄通道，加劇了巖溶巖組的導(dǎo)水性能[3]，為水流對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕創(chuàng)造了基本條件，與巖溶發(fā)育程度的關(guān)系極為密切。

蘇州常州地區(qū)的溶洞基本都分布于斷裂帶附近，如茅山老君洞、三官洞、柏子洞、老虎洞等溶洞皆沿一北北東向張性斷裂帶發(fā)育(圖13)，斷裂帶內(nèi)張性節(jié)理密集，在溶洞周邊，往往共同發(fā)育有深度和寬度均較大的溶溝，寬度可達(dá)1 m以上，高度可達(dá)2 m以上，且溶溝平直無(wú)分叉，顯示該斷裂帶內(nèi)節(jié)理一般為張節(jié)理，水動(dòng)力溶蝕條件強(qiáng)烈且穩(wěn)定，是地下水強(qiáng)徑流帶，極有利于巖溶發(fā)育。而茅山金牛洞發(fā)育也與北北東向斷裂有關(guān)，西山石公山歸云洞發(fā)育與兩組“X”型節(jié)理有關(guān)。溶隙、溶溝一般具有很強(qiáng)的方向性，其發(fā)育方向也與節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀密切相關(guān)，如太湖石公山溶溝、溶槽主要受一組產(chǎn)狀325°∠60°節(jié)理的控制，孟河鎮(zhèn)黃山山頂溶溝、溶槽發(fā)育則主要受兩組走向分別為W270°和NW330°節(jié)理的影響。

圖13 金壇市茅山地區(qū)溶洞分布圖

4.3 水動(dòng)力條件

水是巖溶形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]，水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶蝕、侵蝕破壞時(shí)，必然伴隨著地下水的運(yùn)動(dòng)，地下水的循環(huán)交替一方面不斷更替補(bǔ)充具有侵蝕性的水，另一方面將溶解于侵蝕的物質(zhì)帶走而留下空洞(巖溶)。

蘇州常州巖溶地區(qū)地形地貌復(fù)雜多變，受地形地貌影響，水動(dòng)力條件具有明顯差異性，而不同的水動(dòng)力條件也決定著巖溶形態(tài)的發(fā)育。以石公山為例，自山頂向坡腳發(fā)育有溶溝、溶槽、落水洞和溶洞，大氣降水后，山頂部主要以坡面徑流為主，徑流速度快，溶蝕作用強(qiáng)，因此往往形成平直、方向性好、深度較大的溶溝；自山頂向山下，徑流速度逐漸減緩，流水侵蝕作用逐漸減弱，形成的溶溝彎曲且分叉多，方向性相對(duì)較差，深度和寬度均較小，而在陡坡地段，徑流速度依然較快，仍可形成深大溶溝，如歸云洞東部的一線天景觀，在山頂和山坡的構(gòu)造有利部位，如“X”型節(jié)理密集帶，坡面徑流垂直入滲侵蝕，則垂向的落水洞，如石公山頂部及歸云洞東部的落水洞；坡腳位置為地下水溢出帶，水量較大，地下水運(yùn)動(dòng)方向主要以水平向?yàn)橹?，在?gòu)造有利部位發(fā)育溶洞這一規(guī)模較大的巖溶形態(tài)，如歸云洞。

4.4 人類活動(dòng)

蘇州常州地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，碳酸鹽巖是建筑、水泥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和工業(yè)材料的優(yōu)良原料，需求量大，歷史上露天開(kāi)采活動(dòng)強(qiáng)烈，遺留了諸多規(guī)模較大的采石宕口，地形地貌的破壞改變了原有的水動(dòng)力條件，在部分采石宕口可見(jiàn)新近形成的指向宕口中心的微小溶槽，促進(jìn)巖溶進(jìn)一步發(fā)展。

5 巖溶發(fā)育程度分區(qū)

根據(jù)對(duì)不同地區(qū)、不同地層、不同深度的巖溶率的統(tǒng)計(jì)分析(表4)，蘇州常州地區(qū)的碳酸鹽巖地層中，以石炭系黃龍組、船山組和二疊系棲霞組地層巖溶最為發(fā)育，巖溶率均達(dá)到45%以上；其次為三疊系青龍組和震旦系燈影組，巖溶率大于30%；震旦系黃墟組上段含較多泥質(zhì)成分，巖溶不甚發(fā)育；震旦系幕府山組泥質(zhì)成分高，巖溶基本不發(fā)育。奧陶系碳酸鹽巖地層隱伏分布與第四紀(jì)松散層之下，由于埋藏深度大，巖溶發(fā)育程度差。

表4 研究區(qū)巖溶率綜合統(tǒng)計(jì)成果表

初步按巖溶率可以將蘇州常州巖溶地區(qū)的巖溶發(fā)育程度分為發(fā)育強(qiáng)烈(大于45%)、中等(30%～45%)、較差(小于30%)三個(gè)區(qū)(圖14)。

圖14 蘇州常州地區(qū)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育程度分區(qū)圖

巖溶發(fā)育強(qiáng)烈區(qū)主要分布于蘇州市沿太湖、金壇茅山、溧陽(yáng)千峰山等低山丘陵和吳中區(qū)望亭、木瀆、張家港市金港等平原，低山丘陵區(qū)巖溶出露，平原區(qū)隱伏于第四系松散層之下，埋藏深度小于100 m。碳酸鹽巖地層主要為石炭系黃龍組、船山組及二疊系棲霞組，巖溶發(fā)育。

巖溶發(fā)育中等區(qū)主要分布張家港市楊舍、塘橋、鳳凰、等平原，隱伏于第四系松散層之下，碳酸鹽巖地層主要三疊系青龍組(T1q)。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)蘇州、常州地區(qū)可溶巖為碳酸鹽巖，賦存于震旦系黃墟組、燈影組、寒武系、奧陶系、石炭系黃龍組、船山組、二疊系棲霞組、三疊系青龍組、周沖村組等地層中，分布面積約932 km2。

(2)根據(jù)碳酸鹽巖分布及巖溶發(fā)育特征將蘇常地區(qū)碳酸鹽巖分為太湖西山、溧陽(yáng)南部山區(qū)、溧陽(yáng)上黃等6個(gè)區(qū)。

(3)分析了蘇州、常州地區(qū)巖溶發(fā)育的控制因素，初步按巖溶率將蘇州常州巖溶地區(qū)的巖溶發(fā)育程度分為發(fā)育強(qiáng)烈、中等、較差三個(gè)區(qū)。