豫北太行山南緣寒武系地層巖溶發育特征研究

□王耀軍 □郭其峰 □周延國(黃河勘測規劃設計有限公司）

0 引言

豫北太行山南緣寒武紀濱-淺海相碳酸鹽巖廣泛分布，該區分布有眾多的水利水電工程，水庫的滲漏條件及防滲處理均與寒武系地層中的巖溶發育程度密切相關，研究本區寒武系地層中巖溶發育的規律對水利工程建設具有重要的實踐意義。

1 地質背景條件

1.1 地層巖性

地殼以雙層結構為主，基底為新太古界～古元古界的中深度變質的片巖、片麻巖、大理巖，蓋層為中元古界～第四系陸、海相沉積巖，其中寒武紀—奧陶紀濱—淺海相碳酸鹽巖夾泥頁巖構成了蓋層的主體，也是本區巖溶洞穴發育的主要層位。寒武系地層在本區為一套淺海相碎屑巖—碳酸鹽巖沉積，總厚420.00～470.00m，巖性與厚度均比較穩定。

1.2 地質構造

自喜山運動以來，太行山南緣發育了北臺期、太行期和唐縣期三級夷平面，記錄了太行山南緣地區古近紀一新近紀的隆升歷史，表明新生代以來該區經歷了三個構造活動相對穩定的夷平時期，三個快速隆升階段。

在新構造運動背景下，太行山隆起帶的上升和西安-徐州裂谷轉換帶的下降，對太行山南緣施加向南的拉張應力，形成近東西向的張裂帶及多組傾角近直立的斷層、破劈理帶、密集節理帶的斷裂構造格局。斷層大部分傾向南，傾角達70～80°,斷層組合總體呈向南依次下降的階梯狀，控制了太行山南緣構造地貌階梯的形成。斷裂帶大部分屬張性斷裂，有利于水流對深部可溶巖的溶蝕。

2 巖溶發育特征

2.1 巖溶發育形態洞

2.1.1 溶洞

溶洞是區內寒武系中、上統可溶巖地層中一種常見的地下巖溶現象，在平面上，溶洞多集中在斷層破碎帶、節理裂隙密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶以及質純的灰巖地層中。

2.1.2 溶蝕裂隙

溶蝕裂隙是該區寒武系地層中巖溶的主要發育形態，主要分為三種類型：①節理溶隙：沿節理溶蝕擴大而成，一般張開程度差，有灰華沉淀，地下水流速緩慢。②層面溶隙：沿巖層層面溶蝕擴大而成，特別是沿可溶巖與非（弱）可溶巖界面極易發育成較寬的層間溶隙，有時可溶蝕擴大成溶洞，在地下水面以下往往成為地下水富集帶。③溶蝕密集帶：沿斷裂帶或裂隙密集帶溶蝕擴大而成，溶蝕強烈，局部發育管道式溶洞。

2.1.3 溶孔、晶洞

溶孔、晶洞是區內寒武系地層中常見的一種巖溶發育形態，主要發育在泥灰巖、白云巖等薄層或互層狀巖體中。

2.1.4 干谷及干溝

干谷及干溝是區內裸露型巖溶分布最多且最為典型的巖溶形態。干谷及間歇性河谷往往是地表水匯集入滲的主要地段，干谷之下地下巖溶均較發育，常是地表水集中滲漏和地下水補給運移的地段，在一些干谷中，沿斷裂形成落水洞和漏水深槽，地表水大量滲漏。

2.2 巖溶發育的規模

張夏組巖層由巨厚的質純灰巖組成，屬強可溶性巖，發育有較大規模溶洞。項目區內出露高程從450.00～1200.00m不等，洞穴長度幾十到數百米，寬度一般0.50～5.00m，高度0.80～10.00m。

除張夏組外，其余地層多為碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層狀分布，其巖溶形態多為小溶孔、溶隙及少量小溶洞，孔徑多小于1.00 cm，個別大者可達數厘米至數十厘米，未見大型溶洞。溶孔、溶隙一般沿裂隙面、層面零星發育，充填方解石晶體等，連通性較差，局部節理裂隙密集處溶孔、溶隙可呈蜂窩狀發育，連通性較好。

2.3 巖溶空間分布特征

項目區內規模較大的溶洞出露高程均高于當地河水面，隨太行期及唐縣期兩級夷平面分布，多為750.00～850.00m或1050.00～1150.00 m 左右,少數隨河流階地分布高程為350.00～450.00m左右。海拔300.00m以下的河谷兩側巖溶形態多為溶蝕裂隙或蜂窩狀溶孔，沿古河道或河流階地可見小型溶洞發育，且巖溶的發育規模也具有由岸邊向遠岸區減弱的特點。

區內溶洞空間展布有明顯的方向性，幾乎所有溶洞都與節理、裂隙、斷層等密切相關，在遠離斷層或褶皺帶的地段，溶洞少見，規模較大的溶洞均位于走向75度的階梯狀正斷層組附近。

3 巖溶類型劃分

3.1 按形成時代劃分

就項目區而言，新生代以來的喜山運動，導致了太行山的快速抬升，太行山南緣的水文地質環境發生了徹底的改變，因此，可將新生代作為劃分本區古巖溶的分界線。喜山運動唐縣期以后是現代河流水系形成時期，其水文地質環境較唐縣期夷平面形成時期及以前有很大差異，因而可將唐縣期作為區域老、現代巖溶的分界。

項目區古巖溶主要分布在太行山山頂和山前盆地的奧陶系灰巖中，具有形成時代跨度巨大，分布范圍廣的特點，寒武系地層中古巖溶發育作用較弱。

寒武系地層中老巖溶主要發育時期為太行期至上新統唐縣期，主要分布于海拔900.00m高程以上，可見較多溶洞發育，按規模劃分以中小型洞穴為主，落水洞、漏斗等縱向巖溶形態不發育。

現代巖溶的主要發育時期為第四系汾河期及湟水期，巖溶作用的營力主要為地下徑流，巖溶作用多借助于巖溶裂隙發展，在這種滲透水流的作用下，其巖溶形態，必然以溶蝕裂隙和蜂窩狀溶孔為主，溶洞次之。在海拔300.00m以下，現代巖溶形態多為溶蝕裂隙或蜂窩狀溶孔，且主要分布于河谷兩側的強徑流帶內，在某些河谷，現代巖溶作用是借助于古巖溶通道而進行的[5]。

3.2 按地下水徑流循環條件劃分

按巖溶地下水徑流的循環條件將區內寒武系巖溶劃分為淺部巖溶和區域深巖溶。

在太行山南緣山前斷裂以北地區，太古界登封群及中元古界汝陽群非巖溶化巖層控制了區域內巖溶向深部的發育，基本為淺部巖溶。斷裂以南，非巖溶化巖層跌落近千米，河流排泄基準面以下存在寒武、奧陶系碳酸鹽巖組，為區域深巖溶的發育提供了物質基礎，其下部應發育有區域深巖溶。如在濟源市以北的克井盆地，發育于奧陶系灰巖中的裂隙巖溶水成為具有供水意義的地下水源。

3.3 溶類型綜合劃分

在上述按形成時代、地下水循環條件對巖溶分類的基礎上，結合巖溶發育特征，將豫北太行山南緣地區的寒武系巖溶發育分為了三類：①古巖溶：主要分布在本區太行山山頂和山前斷陷盆地，由于經歷的歷史時期最長，受多次新構造運動影響，其發育規模一般較大。②各級夷平面巖溶：巖溶發育程度較強，常見中小型巖溶洞穴，巖溶發育的階段性與華北地區新構造背景相一致，發育高程與各級夷平面高程相一致。③現代河谷巖溶：主要是指唐縣期以后沿河谷兩岸發育的巖溶，巖溶形態以小型溶洞、溶孔、溶隙為主，巖溶發育程度在不同高程、不同地段差異性較大，一般需要進一步分級分區評價。

4 結論

根據前述巖溶發育現象及控制因素的分析，豫北太行山南緣寒武系地層中巖溶發育的總體特征如下：一是受地層巖性控制，巖溶發育程度在不同巖層中的差異明顯，規模較大的巖溶發育主要集中在張夏組灰巖中，其余巖組中沿可溶性強的碳酸鹽層段發育有小型的溶蝕現象，巖溶形態以溶孔、溶隙為主。二是巖溶發育與構造密切相關，溶洞嚴格受太行山南麓構造斷裂帶控制，其空間展布明顯的方向性。三是老巖溶和現代巖溶并存，老巖溶及現代巖溶分布高程分別與夷平面及河流階地一致，現代巖溶多發育于河谷兩側強徑流帶或者構造發育地段，海拔300.00m以下的現代河谷，巖溶形態以溶蝕裂隙和蜂窩狀溶孔為主。四是研究項目區內與水庫滲漏密切相關的寒武系地層以現代河谷巖溶為主，相應的水庫滲漏形式為裂隙型或裂隙管道混合型。

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[5]王聚.淺談豫北太行山東麓碳酸鹽巖巖溶形成時期及其劃分[J].河南地質，1989,7(01):39-43.