區域構造特征與巖溶發育空間分布關系研究
——以長沙市煤炭壩地區為例

尹 歐，何 陽，李 彬，楊 帆，凌躍新，柏道遠

(湖南省地質調查院，湖南 長沙 410014)

巖溶管道的發育受控于很多因素，如巖性、構造運動、氣候條件、水文條件、生物條件等(袁道先，2015)。100多年來，有關巖溶與構造的關系研究始終是地質、水文地質、地貌和洞穴等領域學者所關注的重點。構造對巖溶管道的控制作用已被巖溶界的學者所公認。我國地質構造復雜，即使在地臺區各種形式的褶皺、斷裂也很發育，這為我國相關研究提供了天然素材。比較典型的有湖南洛塔向斜圈閉構造(于浩然等，1982)、百郎地下河背斜圈閉構造(易求芳，1983)、云南南洞地下河斷陷盆地構造(馬祖陸，1993)以及北方的一些單斜或斷塊構造泉域(裴捍華，2003；孫斌，2014)。這些構造形態不僅對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構面影響、控制了洞隙系統的發育及空間分布。傳統研究認為，張性斷裂構造對巖溶發育起控制作用，但是閆長虹等人(2008)在對貴州普定地區的地下河和溶洞進行調查后發現，某些規模大的壓性斷層因為拖曳使巖層中張裂隙發育，控制了區內的巖溶管道發育。本文以長沙市煤炭壩地區為例，以巖溶塌陷發育特征、巖溶構造條件等為研究基礎，深入剖析區內構造與巖溶地層裂隙發育關系，確定區內巖溶構造與巖溶發育程度的關系。

1 研究區概況

研究區內為低山丘陵緩坡地形，屬于構造侵蝕—剝蝕巖溶地貌。礦區地形標高在110～150 m之間，沖溝發育，相對高差一般小于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°。丘間溝谷呈枝狀發育，一般呈“U”型谷，谷底開闊平緩。研究區區內地層主要為二疊系、白堊系、第四系。其中二疊系下統棲霞組、茅口組的頁巖、硅質灰巖，厚約400 m；二疊系上統龍潭組的煤層、泥巖、砂巖、灰巖，厚約17 m，長興組的灰白色硅質灰巖，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。研究區南華系—早古生代奧陶系褶皺地層，構成區內基底褶皺；以角度不整合覆于其上的中泥盆世—晚石炭世的沉積，以及白堊紀紅層沉積地層，構成研究區的沉積蓋層(見圖1)。

圖1 研究區區域地質圖

2 區域構造形態特征

研究區位于揚子板塊東南緣，揚子與華夏陸塊結合帶部位，其基底由武陵期及加里東期褶皺構成。研究區的主體構造形跡形成于晚三疊世的印支運動，構造特征表現為NEE向褶皺及其同期伴生斷裂、次級褶皺。典型構造以煤炭壩復式向斜為代表，其核部在煤炭壩附近，主要為二疊系組成，邊緣分布有次級褶曲，北翼部分地層產狀較陡，傾角40°～50°，局部達到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了，區內印支期與加里東期疊加褶皺難以分辨。

3 巖溶發育特征

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

4 構造控制巖溶發育條件

4.1 區內地質構造發展歷程

研究區經歷了多期構造變形事件，其中中生代以來的印支運動近SN向擠壓、早燕山運動NWW向擠壓、晚燕山運動的區域伸展和喜山運動的NE向擠壓，在區內形成了大量不同走向、規模、性質的斷裂和節理裂隙，形成了較復雜的褶皺斷裂構造系統，并導致巖溶作用的非均質性和巖溶發育的復雜化。研究區不同類型、不同強度巖溶區內部形成局部性的巖溶形態及巖溶地貌，后期構造白堊紀形成大量的灰質礫巖以及灰質粉砂巖沉積，灰巖碎屑物源來自區內的石炭系至二疊系碳酸鹽巖地層，同時巖溶地下水作用造就了灰質膠結，隨之洞庭湖構造盆地形成，研究區內斷陷邊界明顯，巖溶隨之分級發展，巖溶基準面的不斷抬升，造就區內深度上巖溶發育的特征，前期造山運動—中期構造擠壓破壞—后期區域斷陷下沉，三個階段的構造歷程造就區內復雜的巖溶發育基礎條件，即是復雜構造斷裂系統導致巖溶復雜化的實際體現。

4.2 地質構造對巖溶的控制

研究區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。區內棲霞組和茅口組對應的覆蓋型中巖溶區連片分布于中部(復向斜核部)；復向斜內部的次級褶皺疊加，導致龍潭組和大隆組對應的覆蓋型弱巖溶區在中部呈多塊散布(次級向斜區)(圖3)。

圖3 巖溶發育程度及巖溶塌陷點分布簡圖

如煤炭壩向斜核部由于應力集中而發育密集的節理裂隙，由北往南形成了賀石橋、磚塘、楠竹山、賀家灣等巖溶發育集中區。這說明該復式向斜褶皺核部或轉折端常為應力集中帶，節理裂隙更為發育，有利于巖溶的發育。各向斜的水文地質條件均較復雜。其次本區斷層發育，落差大于30 m的達18條，多為正斷層，另有數十條小斷層。斷層的富水，導水性與斷層性質，上下盤對接巖石特征等相關。如賀家灣斷裂，斷裂破碎帶寬度0～97.7 m不等，水力聯系密切，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50 m，該斷層穿過煤炭壩向斜南翼，斷層的巖溶化強烈、連通性好，地表水、地下水補給五畝沖礦井。

4.3 構造演化對巖溶的控制

上述控制巖溶發育的不同類型構造形成于中生代以來的多期構造事件。此外，晚古年代后期的構造抬升也引發過古巖溶作用。

4.3.1 晚古生代東吳抬升對巖溶的控制

研究區內二疊系茅口組碳酸鹽巖沉積之后經歷過抬升暴露(東吳抬升)，水平展布的茅口組中發生了深度約50 m且由淺至深強度減弱的古巖溶作用(圖4)。受此影響，研究區中部中、上二疊統分布區，在距離龍潭組煤層0～50 m范圍內的茅口組可溶巖中溶洞、溶隙分布較多，巖溶特別發育。

圖4 研究區不同標高溶洞個數及與煤層關系示意圖

4.3.2 印支運動和早燕山運動褶皺變形對巖溶分帶性的控制

研究區內地質構造發展歷程中，多期擠壓構造事件中以印支運動和早燕山運動最為重要。印支運動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向強烈擠壓應力下，形成了研究區內煤炭壩NEE向褶皺，及同走向斷裂；同時，研究區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(見圖2)，另桃江巖體主體為加里東期巖體，區內NEE向構造形跡主要與區內近SN向的擠壓應力有關，與巖體侵位關系較小。NEE向的構造線致使區內構造巖溶帶走向呈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，。而早燕山運動形成的NNE向褶皺疊加在印支運動形成的NEE向褶皺之上，對先期構造面貌進行了較大改造和重塑。如早燕山運動形成的寧鄉大背斜，對煤炭壩復式背斜造成向南傾斜，復式向斜西側受區域斷裂而缺失含煤地層，而復式向斜東南側巖溶發育劇烈。同時，早燕山運動與印支運動的近橫跨褶皺疊加可形成穹盆狀褶皺，導致研究區中部覆蓋型中巖溶區呈大小不一的碎塊狀分布。

圖2 研究區區域構造行跡圖

尤為重要的是，中三疊世后期印支運動形成了灰山港—煤炭壩大型復向斜，晚三疊世南西面溈山隆起的形成使復向斜向西揚起，使得研究區東南部位于復向斜核部區，構造位置較低，侵蝕作用較弱并遭受長期的強烈風化，從而形成很厚的殘坡積，并成為典型的覆蓋型巖溶區。

4.3.3 晚燕山期伸展活動對巖溶作用的影響

白堊紀—古近紀區域上發生大規模伸展，研究區區域上形成多條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生張性活動。這些正斷裂或張性斷裂無疑有利于巖溶作用的增強，研究區大部分的巖溶塌陷集發區均位于白堊系淺覆蓋區內即與之有關。受NE向和NW向正斷裂控制，白堊紀—古近紀盆地周緣抬升，盆地內部也存相對升降差異而形成較復雜的隆-凹相間構造格局(圖5)，從而導致上古生界基底高低起伏并產生巖溶強度和巖溶類型的橫向差異，較強抬升區形成裸露型巖溶，弱抬升區形成覆蓋型巖溶，下降區形成埋藏型巖溶。

圖5 區域構造運動分區示意圖

此外，研究區白堊紀—古近紀盆地構建了寧鄉凹陷，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的NE向正斷裂控制，導致研究區盆地基底總體向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，從而導致東部埋藏型巖溶區的巖溶強度總體自西向東變弱。

4.3.4 新構造運動對巖溶作用的影響

研究區內古近紀中后期斷陷盆地收縮、消亡，新近紀處于抬升和風化、剝蝕狀態(圖5)。早更新世研究區北東側的洞庭盆地斷陷沉降，而研究區則相對抬升并遭受風化剝蝕。剝蝕作用導致上覆古近紀—白堊系減薄，使得下伏上古生界可溶巖處于巖溶發育深度范圍內，導致研究區中南—中東部埋藏型巖溶的廣泛發育。根據圖3，研究區內古巖溶發育深度在標高-200-(+40)m之間，而(+40)m標高與目前區域洞庭湖標高基本一致，現代巖溶集中在標高-40-(+120)m范圍，巖溶發育程度隨之重疊，在(-40)-(+80)m區域是區內巖溶最為發育的埋深地段。北東側洞庭盆地的斷陷沉降以及研究區的相對抬升，控制了研究區總體自西向東的水系走向，從而形成了沿水系發育的巖溶增強帶。

5 結語

(1)研究區內巖溶發育空間分布受區域構造運動作用明顯，中生代以來的多期構造運動形成了區內及其與之伴生的斷裂帶，強烈影響巖溶發育的程度和深度，向背斜褶皺帶巖溶強發育特征明顯；

(2)斷裂錯開地層，向斜核部巖層厚度寬擴，使區內的灰巖與地下水得到溝通，使接觸部位的巖溶發育。在斷裂帶、向斜核部的范圍內，巖溶發育強烈，巖溶個體形態以巖溶塌陷、地下溶洞、溶隙為主；

(3)褶皺核部或轉折端常為應力集中帶，節理裂隙更為發育，有利于巖溶的發育，區內三大地下水徑流帶均位于褶皺轉折端，如煤炭壩向斜核部由于應力集中而發育密集的節理裂隙，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育集中區；

(4)北東側洞庭盆地的斷陷沉降以及研究區內構造塊體的相對斷陷及抬升，導致東部埋藏型巖溶區的巖溶強度總體自西向東變弱，而在北部及背斜中部地段加強，并形成地表徑流主方向，從而形成了沿水系發育的巖溶增強帶。