李會(huì)強(qiáng) 閆常赫
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
無論從平面上,還是空間上,中國(guó)巖溶發(fā)育都體現(xiàn)了多樣性和復(fù)雜性。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)碳酸鹽出露面積約91萬km2,加上已知的隱伏性巖溶,巖溶分布總面積達(dá)340萬km2,約占全國(guó)面積的1/3[1]。針對(duì)巖溶問題,已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究,曹賢發(fā)等研究中國(guó)巖溶的分區(qū)[2];王增銀等認(rèn)為清江流域是中部地區(qū)最為典型的巖溶發(fā)育區(qū)之一[3-4];李光偉給出巖溶區(qū)工程選線的8條建議[5];劉興云通過多元示蹤試驗(yàn),為地下暗河研究提供一種可行方法[6];另外,還有其他學(xué)者通過示蹤試驗(yàn)對(duì)巖溶地下水文進(jìn)行深入研究[7-8]。
清漁河間地塊地處湖北宜昌,巖溶形態(tài)多樣,地下暗河發(fā)育,對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)造成極大困難。因此,對(duì)清漁河間地塊巖溶進(jìn)行研究很有必要。
清漁河間地塊為清江及其支流漁洋河交匯形成,面積約1 200 km2。區(qū)內(nèi)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,具有四季分明,雨熱同期,寒旱同季的氣候特征。多年平均降水量為1 701.4 mm,最大年降水量為1 999 mm,最大24 h降雨量為279.5 mm。年平均氣溫為13.7 ℃~17.6 ℃,極端最高氣溫43.1 ℃,極端最低氣溫-15.6 ℃。清漁河間地塊位于構(gòu)造溶蝕、剝蝕中低山、丘陵區(qū),高程200~1 000 m,相對(duì)高差50~500 m。區(qū)內(nèi)溝谷深切,自然坡度較陡,局部近直立,地勢(shì)整體起伏較大,受地質(zhì)構(gòu)造影響西高東低,溪河流向和山脈走向大致平行褶皺軸成近東西向展布。區(qū)內(nèi)溶蝕地貌較為明顯,溶洞、溶溝、暗河、峰叢、孤峰、落水洞、天坑、溶丘、洼地等巖溶形態(tài)十分發(fā)育。地下水主要為碳酸鹽巖巖溶水、松散巖類孔隙水和碎屑巖裂隙水3種。區(qū)內(nèi)雖然降雨充足,雨量豐沛,但地表河流干涸,是典型的喀斯特干旱地貌。
清漁河間地塊除侏羅系缺失以外,其他地層均有出露,巖性主要為寒武、奧陶系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和二疊系、三疊系灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖、頁巖及煤層。區(qū)內(nèi)主要由東西向的褶皺和北西向的斷裂組成,在剖面上體現(xiàn)為“一箱兩直兩歪”的構(gòu)造形態(tài),見圖1、圖2。
圖1 褶皺帶構(gòu)造剖面
圖2 地質(zhì)構(gòu)造綱要
清漁河間地塊屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)上揚(yáng)子臺(tái)坪八面山褶皺帶,位于新華夏系第三隆起帶內(nèi),自古生代至中三疊系,清漁河間地塊是穩(wěn)定的地臺(tái)區(qū),中三疊后期的印支運(yùn)動(dòng),區(qū)域大面積抬升,產(chǎn)生了東西向的隆起、凹陷及相應(yīng)的北北西和北北東向扭裂面,燕山運(yùn)動(dòng)使得侏羅系及以前地層普遍褶皺,形成一系列的褶皺和斷裂,第三紀(jì)開始的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)繼承了燕山運(yùn)動(dòng)的特征,山區(qū)上升,盆地下降,中更新世以來清漁河間地塊構(gòu)造體現(xiàn)為震蕩抬升,并且抬升幅度相對(duì)均勻[9]。
清漁河間地塊水文發(fā)展受地形地貌、水文氣象和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多項(xiàng)因素控制,其中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是決定因素。白堊系之前,鄂西—川東地區(qū)西降東升,地表水自東向西流入四川盆地,白堊系燕山運(yùn)動(dòng)致使古地貌發(fā)生巨大變化,東部形成江漢盆地,西部恩施、建始形成斷陷盆地,中更新世漢江盆地襲奪恩施盆地形成自西向東的清江水系[10-11]。
清漁河間地塊巖溶發(fā)展演化過程中,既具有階段性,又具有繼承性。階段性形成巖溶臺(tái)面(或巖溶夷平面),繼承性形成了巖溶疊加,既保留了早期巖溶作用的痕跡,又開啟新巖溶的塑造[12-13]。清漁河間地塊巖溶經(jīng)歷鄂西期(2 000 m)、臺(tái)原期(1 600 m)、山原期(1 200 m)、山盆期(800 m)、云盆期(400 m)和清江期(50~240 m)發(fā)展過程,見圖3。
圖3 巖溶發(fā)育過程示意
清漁河間地塊碳酸鹽巖約占總面積的82%,受控于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣候和水動(dòng)力條件,結(jié)合其發(fā)育位置特征,可分為巖溶臺(tái)地、巖溶斜坡、巖溶暗河[14]。
巖溶臺(tái)地主要分布在高程500~1 000 m的分水嶺地帶,位于松園坪斷裂和曾家坪斷裂附近,多呈平緩的高原巖溶臺(tái)面。洼地面積一般小于2 km2,地形相對(duì)高差一般小于100 m。大氣降水多以分散的形式在洼地中匯集,經(jīng)洼地底部的管道狀落水洞或溶蝕裂隙入滲補(bǔ)給地下水。這種地貌的形成,一是由于其地勢(shì)較高幾乎沒有外源地表水補(bǔ)給,以大氣降水為主要補(bǔ)給的就地溶蝕作用為主;二是由于該處出露的地層主要為上寒武的純碳酸鹽巖巖組。
巖溶斜坡主要沿清江及漁洋河展布,為巖溶臺(tái)地與河谷的過渡區(qū),呈帶狀分布,發(fā)育高程80~500 m,呈30°~50°斜坡。受縱張和橫張裂隙控制,發(fā)育北西、南西向、南北向的小型地表溪溝,有利于大氣降水的匯集和排泄,地表巖溶發(fā)育程度為中等-強(qiáng)烈。巖溶斜坡早期經(jīng)歷比較強(qiáng)烈的地表及地下巖溶作用,后期受地殼抬升,漁洋河、清江及其支流等進(jìn)一步向分水嶺處的高原巖溶臺(tái)地溯源侵蝕,改造形成的巖溶地貌形態(tài)。同時(shí)受侵蝕基準(zhǔn)面控制,暗河出口多發(fā)育于巖溶斜坡地帶。
清漁河間地塊發(fā)育有千漁洞、洞灣、謝家洞等多個(gè)大型巖溶地下暗河系統(tǒng)。為查明其空間分布,對(duì)3個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行多元化示蹤試驗(yàn),即在每個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)補(bǔ)給區(qū)(2個(gè)及以上)投放不同的示蹤劑,在排泄點(diǎn)采用瑞士GGUN-FL Fluorometer光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。以千漁洞系統(tǒng)為例,在盧底沖消水洞投放羅丹明,在馬家沖消水洞投放熒光素鈉,在許家龍坑消水洞投放熒光增白劑,經(jīng)過1個(gè)多月的試驗(yàn),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的示蹤劑濃度曲線見圖4~圖6。
圖4 熒光素鈉監(jiān)測(cè)曲線
圖5 羅丹明監(jiān)測(cè)曲線
圖6 熒光增白劑監(jiān)測(cè)曲線
由圖4~圖6可知,熒光素鈉和羅丹明均在一定時(shí)間出現(xiàn),并持續(xù)上漲,達(dá)到峰值之后,示蹤劑濃度逐漸衰減至天然背景值,說明盧底沖消水洞和馬家沖消水洞兩個(gè)補(bǔ)給區(qū)和排泄點(diǎn)存在水力聯(lián)系。熒光增白劑未出現(xiàn)異常,說明許家龍坑消水洞補(bǔ)給區(qū)和排泄點(diǎn)不存在水力聯(lián)系。
熒光素鈉的濃度-時(shí)間曲線呈基本對(duì)稱的單峰型曲線,熒光素鈉濃度上升段與下降段出現(xiàn)波動(dòng)狀變化,上升支與下降支明顯拖長(zhǎng),使該曲線成為鈍峰,示蹤劑經(jīng)過地下水池時(shí),在地下水池中彌散、稀釋,導(dǎo)致示蹤劑的運(yùn)動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng),說明補(bǔ)給區(qū)與排泄點(diǎn)之間的巖溶管流場(chǎng)類型為單一管道串聯(lián)地下溶潭,且地下溶潭數(shù)量較多。
羅丹明的濃度-時(shí)間曲線總體呈多峰曲線,羅丹明濃度曲線經(jīng)歷了2次較為明顯的濃度升高現(xiàn)象,呈現(xiàn)雙峰曲線形態(tài),且都表現(xiàn)出第二個(gè)峰值與第一個(gè)峰值基本相等的現(xiàn)象。由于管道的長(zhǎng)度、直徑、彎曲程度不同,各管道中地下水流速也不同,故產(chǎn)生了2個(gè)峰,且2個(gè)峰相隔時(shí)間較大,表明2條管道的位置關(guān)系;峰值大小基本相等,根據(jù)濃度的疊加效果,表明由第一個(gè)距離較短的管道所攜帶的示蹤劑較多,為主通道;此外其下降明顯延長(zhǎng),呈現(xiàn)拖尾現(xiàn)象,表明補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)之間的管流場(chǎng)類型為并聯(lián)多管道串聯(lián)。
謝家洞系統(tǒng)和千漁洞系統(tǒng)類型相似,洞灣系統(tǒng)只有單一管道,未見多管道串聯(lián)。
通過對(duì)清漁河間地塊的水文地質(zhì)調(diào)查和地下水示蹤試驗(yàn),基本確定巖溶地下水來源、徑流方向以及地下水流速和巖溶管道介質(zhì)等特征[15]。
清漁河間地塊多為溶蝕帶的裸露巖溶,絕大多數(shù)溶洞是在沒有任何特殊封閉的水文地質(zhì)條件下,由大氣降水交替循環(huán)而成的普通洞穴。這些洞穴按形態(tài)和成因可分為豎向洞穴、橫向洞穴和橫向-豎向組合洞穴。其中,豎向洞穴是發(fā)育于地下水面以上的垂直滲流帶內(nèi)垂向延伸的落水洞;橫向洞穴系是發(fā)育于地下水面以下飽水帶內(nèi)的水平管道河洞室;橫向-豎向洞穴是通過傾斜通道或豎井將不同水平面的橫向洞穴聯(lián)系起來,構(gòu)成層狀的樓式結(jié)構(gòu)。地表落水洞起著暗河入口或集中補(bǔ)給點(diǎn)的作用,上層水平管道也往往通過傾斜通道與下層水平管道相聯(lián)系,或通過豎井向下層消水。
(1)空間展布的方向性
清漁河間地塊洞穴空間的展布表現(xiàn)出極強(qiáng)的方向性,洞穴軸線的延伸方向無論在個(gè)體,還是整體上都顯示出與所在地段的構(gòu)造線方向或巨型裂隙、優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水裂隙組方向一致。清漁河間地塊構(gòu)造格局和構(gòu)造線方向在不同的構(gòu)造單元上差異較大,故洞穴發(fā)育的方向也隨之變化。
洞穴系統(tǒng)的延伸方向主要受華夏系及新華夏系的縱張、橫張裂隙、斷裂控制,因而發(fā)育北北西(南南東)、北東(南東)、東西向、南北向的管道系統(tǒng)。其中,磨市巖溶區(qū)西側(cè)主要發(fā)育東西向管道系統(tǒng),東側(cè)發(fā)育南北向和北西向管道系統(tǒng);大堰巖溶臺(tái)地則發(fā)育有從中間向周邊的擴(kuò)散狀巖溶系統(tǒng)。雖然大型管道系統(tǒng)內(nèi)部方向常交替變化,迂回曲折,但其總體展布方向總是明顯受控于構(gòu)造線方向、縱張方向和橫張方向。
(2)平面分布的不均一性
清漁河間地塊巖溶發(fā)育受地層巖性組合,構(gòu)造變動(dòng)程度和水動(dòng)力學(xué)條件控制,由于以上控制要素的差異,巖溶發(fā)育在平面上極不均一,表現(xiàn)出對(duì)地層層位、構(gòu)造部位和地貌單元有著鮮明的選擇性。
不同地層中巖溶發(fā)育規(guī)模及密度不同。區(qū)內(nèi)巖溶系統(tǒng)主要分布于下奧陶系的南津關(guān)組、寒武系上統(tǒng)三游洞組及中統(tǒng)覃家廟組。寒武系三游洞組地層大面積出露,往往集中發(fā)育有大型洞穴系統(tǒng),但由于內(nèi)部巖組的差異,其發(fā)育程度和出現(xiàn)頻率也明顯不同;奧陶系南津關(guān)組為單一均勻連續(xù)型,有利于巖溶發(fā)育,為強(qiáng)透水層,其中洞穴、暗河發(fā)育;寒武系中統(tǒng)覃家廟組主要為不純碳酸鹽巖,主要發(fā)育裂隙、溶隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
根據(jù)總體地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化情況,將清漁河間地塊分為清江南岸巖溶區(qū)、馬燕山巖溶區(qū)、大堰巖溶臺(tái)地、五眼泉巖溶區(qū)和志留系巖溶區(qū)5個(gè)大區(qū)和19個(gè)亞區(qū),見圖7。
根據(jù)主洞口高程,所處地貌單元特征,可將清漁河間地塊發(fā)育的洞穴在垂向劃分出幾個(gè)集中分布層,其分布高程分別與清漁河間地塊各級(jí)巖溶臺(tái)面相對(duì)應(yīng)。
受地質(zhì)構(gòu)造背景控制,清漁河間地塊缺少1 100 m以上的巖溶系統(tǒng),鄂西期(清江一期、白堊系)、臺(tái)原期(清江二期、早第三系)、山原期(清江三期、晚第三系)清江水自東向西,該地區(qū)處于最上游,以地表剝蝕溶蝕為主。山盆期(清江四期、更新世)受地殼運(yùn)動(dòng)影響,江漢平原襲奪恩施盆地,清江流水改向,清漁河間地塊巖溶洞穴系統(tǒng)自此拉開序幕,其發(fā)展剖面規(guī)律見表1。
表1 清漁河間地塊巖溶發(fā)育剖面規(guī)律
上述各級(jí)巖溶臺(tái)面相對(duì)應(yīng)的巖溶系統(tǒng),代表清漁河間地塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)受間歇式抬升的影響和制約。地下水系統(tǒng)適應(yīng)于不同相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期的區(qū)域地下排泄基準(zhǔn)面發(fā)生的巖溶作用結(jié)果,以第二層、第三層發(fā)育最為強(qiáng)烈,構(gòu)成清漁河間地塊龐大的巖溶系統(tǒng),縱斷面見圖8。
圖8 清漁河間地塊縱斷面
清漁河間地塊位于清江中、東段,西高東低,受東西向構(gòu)造影響,山體走勢(shì)大體呈東西向。西側(cè)山嶺高程達(dá)1 000 m,東側(cè)高程約200 m,切割強(qiáng)烈,山體林立,形成高程不同的多級(jí)臺(tái)面。山岳頂面多平緩,發(fā)育各種巖溶地形,清江和漁洋河高程較低,從高差上形成有利的水體梯度。
巖性不同的巖石在地下水作用下的可溶性不同,碳酸鹽巖成分越純,巖溶越發(fā)育,長(zhǎng)陽至五峰段出露面積較大的寒武、奧陶系灰?guī)r,在化學(xué)成分上差別并不明顯,難以確認(rèn)哪個(gè)層位更易發(fā)育。二疊系地層則發(fā)育相對(duì)明顯,僅發(fā)育于馬雁山山頂,出露面積相對(duì)小,且未見大型暗河或管道系統(tǒng)。
巖組類型一般影響水流的相對(duì)集中程度,在局部形成地下水強(qiáng)徑流段而控制洞穴和管道的形成,許多大的溶洞出現(xiàn)于灰?guī)r與相對(duì)隔水層的交匯處,沿不透水的軟弱夾層接觸帶順層分布的現(xiàn)象較為普遍。如禹王宮、龍洞、下觀音洞、夏家洞、桃花洞均體現(xiàn)出該特點(diǎn)。
褶皺構(gòu)造的核部及轉(zhuǎn)折段是巖溶發(fā)育的有利位置,特別是背斜核部,在兩翼邊界作用下往往形成地下水相對(duì)集中地帶,易在核部形成寬度、長(zhǎng)度均較大的巨型裂隙,層面裂隙張開,邊界條件和介質(zhì)滲透性的共同作用形成軸向地下水強(qiáng)徑流通道。區(qū)內(nèi)梁山-肖家隘背斜即為區(qū)內(nèi)最典型的巖溶帶,核部發(fā)育寒武系碳酸鹽巖地層,巨型張裂隙發(fā)育,地表多發(fā)育溝谷,形成良好的補(bǔ)給條件,故該段多發(fā)育溶蝕洼地及落水洞等,底部形成洞穴與暗河管道,謝家洞暗河系統(tǒng)及順梁山-肖家隘背斜發(fā)育。
向斜構(gòu)造在一定程度上也能形成巖溶發(fā)育的有利條件,特別是當(dāng)?shù)貙哟嬖谙鄬?duì)隔水層,構(gòu)成外圍封閉狀態(tài),地下水向斜集水構(gòu)造,相對(duì)隔水層組成隔水底板和邊界,阻止地下水匯入河湖而是沿軸線方向徑流,向傾伏端或隔水底板出露高程最低處排泄。馬雁山巖溶系統(tǒng)即為典型的向斜巖溶系統(tǒng)。
斷層或斷層性裂隙(巨型裂隙)往往構(gòu)成局部地下水集中徑流通道,使巖溶洞穴沿其發(fā)育。特別是斷層性裂隙分布廣,且具有一定密度,區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)巖溶洞穴的形成都與其有關(guān)。禹王宮暗河系統(tǒng)、洞灣暗河系統(tǒng)、向家坪巖溶系統(tǒng)、千魚洞暗河系統(tǒng)、施毛渡暗河系統(tǒng)、羊角洞、十八拐洞等地下暗河均表現(xiàn)為斷層及張裂隙控制的特點(diǎn),另外許家龍坑、螞蝗沖、石磙埫、鄭家沖、楊家灣及馬雁山巖溶溝谷也體現(xiàn)了受斷裂及張裂隙控制的特點(diǎn)。
清漁河間地塊位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,四季分明,雨熱同期,降雨量大,地下水豐富,為巖溶發(fā)育提供良好的必備條件。
清漁河間地塊孕育5個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)和19個(gè)巖溶發(fā)育亞區(qū),整體巖溶極其發(fā)育。巖溶臺(tái)地、巖溶斜坡、溶蝕丘陵、巖溶泉、伏流入口及地下暗河等巖溶地貌齊全,對(duì)工程建設(shè)影響大。
清江南岸巖溶區(qū),從平面上與嘆氣溝散泉系統(tǒng)、禹王宮暗河系統(tǒng)、夏家洞暗河系統(tǒng)和多寶寺巖溶區(qū)等4個(gè)亞區(qū)相交。其中,嘆氣溝散泉系統(tǒng)、多寶寺巖溶區(qū)屬于寒武系下統(tǒng)及奧陶系中上統(tǒng)地層,發(fā)育多個(gè)相對(duì)隔水層,巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,巖溶水文條件對(duì)工程修建影響相對(duì)較小。禹王宮暗河系統(tǒng)及夏家洞暗河系統(tǒng)對(duì)隧道工程影響相對(duì)較大,易發(fā)生涌水、突水風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)過程中應(yīng)詳細(xì)勘察,并采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施、堵排結(jié)合的水處理方案,并加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等,使工程風(fēng)險(xiǎn)可控。
馬燕山巖溶區(qū)位于軸向近東西向的馬鞍山向斜分布區(qū),核部出露二疊系-三疊系地層,四周被志留泥盆系地層圈閉,并托于山梁上部,表層巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,巖溶水順巖層產(chǎn)狀及相對(duì)隔水層整體向西方向排泄,修建地下工程難度大。巖溶系統(tǒng)以下為志留系頁巖,隧道工程將出現(xiàn)軟巖變形風(fēng)險(xiǎn),建議繞避。
大堰巖溶臺(tái)地從平面上橫穿肖家溢背斜,為長(zhǎng)陽至五峰段洞灣、謝家洞和千魚洞等巖溶地下水系統(tǒng)的分水嶺地帶,雖然區(qū)內(nèi)寒武-奧陶系碳酸鹽巖廣泛出露,但從巖溶地下水系統(tǒng)的空間分布特征分析,巖溶發(fā)育程度、巖溶水系統(tǒng)匯水面積均較低。臺(tái)地東南側(cè)漁洋河排泄區(qū),出水口高程較低,存在工程建設(shè)的可行通道,但因位于邊坡上,地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育,對(duì)工程影響較大,通過時(shí)應(yīng)加強(qiáng)隧道進(jìn)出口防護(hù)措施。
五眼泉巖溶區(qū)發(fā)育有寒武系及奧陶系灰?guī)r,溶蝕作用明顯,主要以裸露性巖溶及淺覆蓋性巖溶為主。地下水、地表水排入漁洋河,地形以溶蝕丘陵為主,整體高程低,巖溶水作用不明顯,對(duì)工程建設(shè)影響較小。
志留系巖溶區(qū)發(fā)育有白馬洞暗河出口,流量較小,巖溶裂隙水、巖溶溶洞水發(fā)育,主要依靠大氣降水及地下徑流補(bǔ)給,排泄方式主要沿垂直節(jié)理裂隙滲入巖溶白馬洞暗河系統(tǒng),在白馬洞低洼區(qū)排泄,水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。區(qū)內(nèi)生物碎屑灰?guī)r條帶狀分布,出露面積小,巖溶水補(bǔ)給有限,巖溶對(duì)工程整體影響相對(duì)較小,工程建設(shè)穿越灰?guī)r段落整體較短,巖溶及巖溶水除對(duì)個(gè)別段落有突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)外,對(duì)工程建設(shè)整體影響不大。
清漁河間地塊巖溶發(fā)育有5個(gè)大區(qū)、19個(gè)亞區(qū),平面上具有不均一性,空間上具有聯(lián)通性。主要受地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造和氣候等影響。盡管巖溶形態(tài)多樣,地下暗河強(qiáng)烈發(fā)育,但依然可為工程建設(shè)提供可行通道,為以后地方建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。