云南鶴慶西山地質構造對巖溶發育的控制作用分析

王錦國，趙洪達，周 云，黃 華，陳長生

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098； 2.長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

我國云南地區碳酸鹽巖分布廣泛，地質條件復雜，巖溶程度高。巖溶發育受多種條件影響。其中，地質構造作為重要影響條件，不僅能夠控制巖溶發育過程，也在很大程度上影響巖溶地區工程建設。因此，已有科研人員從構造與巖溶發育關系入手，對巖溶發育特征及分布規律進行研究。

受斷裂影響，地層結構與巖體完整性遭到破壞，會促進巖溶的發育[1]。有學者從地表巖溶現象入手，分析巖溶形態與構造體系間的關系。周宇成等[2]結合豐富的地表巖溶現象，根據由斷裂形成溝谷的寬度和深度，劃分了地表巖溶的斷溶-溶縫序列；繆世賢等[3]分別對徐州地區裸漏型與覆蓋型巖溶進行分析，得到巖溶發育總體受構造控制呈北東向“強-弱”相間展布的結論；有學者對斷裂帶附近巖溶塌陷的規律性進行研究，認為斷裂主要控制了巖溶塌陷的形態，在張性斷裂與裂隙附近巖溶發育程度更高[4-5]。也有學者著重關注斷裂特征，探討構造對巖溶發育的控制作用。Jacek等[6]的研究結果表明，受斷層影響巖溶地下水徑流與巖溶管道發生改變，進而改變水文地質結構，對巖溶洞穴發育起到促進作用；鄭小戰等[7]在研究金沙洲地區巖溶發育特征時指出，沿斷裂兩側100 m范圍內，單孔巖溶率明顯強于外部范圍，總體巖溶程度高。還有部分學者將構造對巖溶發育的影響作用分析應用到工程建設中，具有一定的指導意義；李保方等[8]結合大藤峽水利樞紐工程，認識到斷裂構造控制巖溶管道發育方向；陳祥軍等[9]通過分析巖體面溶蝕率的方法，對水布埡大壩左岸山體滲透性進行探討，強調了大型溶蝕洞穴與小尺度溶蝕裂隙在巖溶發育過程中的作用。

云南鶴慶西山地區經歷多期構造運動，形成以NNE-NE向構造帶為基本格架的構造體系，巖性以北衙組碳酸鹽巖為主[10]，區內巖溶發育受地質構造影響強烈，主要具有以下3個特征：(a)研究區內發育多層次構造，不同層次構造分別從不同程度影響巖溶發育；(b)不同埋深條件下構造特征不同，導致巖溶發育具有差異性；(c)研究區巖溶發育具有階段性，巖溶地貌具有分層性特點。筆者通過對鶴慶西山地區實地調查，分析探討該區地質構造對巖溶發育的控制作用，以期為研究區相關工程建設提供依據。

1 地 質 背 景

1.1 地層巖性

研究區地層由老到新依次為：二疊系峨眉山組(Pβ)、黑泥哨組(P2h)，三疊系青天堡組(T1q)、北衙組(T2b)、松桂組(T3sn)，古近系麗江組(El)，新近系(N)及第四系(Q)[11]。其中三疊系北衙組(T2b)屬于研究區內碳酸鹽巖出露最廣泛的巖石地層單位，也是構成鶴慶西山巖溶發育的主要地層單位。研究區具體地層巖性特征及其位置分布如表1所示。

表1 研究區主要地層巖性及分布

表2 研究區地史時期主要構造事件

1.2 構造演化

研究區在三疊紀為淺海環境，沉積了以北衙組(T2b)為代表的巨厚碳酸鹽巖地層，為研究區巖溶發育奠定了豐富的物質基礎。印支運動期間，由于印度板塊自南向北的俯沖，在研究區形成以NNE-NE向為主的構造格局，而后地殼擠壓縮短，在鶴慶西山形成一系列近東西向斷層，整體自北向南推覆。三疊紀末期燕山運動，地殼持續抬升，研究區及周邊缺失侏羅系、白堊系地層。進入喜馬拉雅造山運動后，研究區以強烈的地殼活動為主，地殼差異性抬升，研究區北部抬升較快，發育有溶蝕山峰與兩級臺地，而南部抬升較慢或相對下降，盆地寬平。上新世末期全區進一步隆升形成如今的高原地貌[12]。

1.3 構造發育特征

1.3.1 研究區構造層次劃分

研究區的構造大致可分為4個層次：(a)區域性斷裂帶，一般延伸數十千米；(b)次級斷裂，延伸數千米至十數千米；(c)大型構造裂隙，延伸數百米；(d)節理，發育在巖體內部，規模從數厘米至數米不等。

1.3.2 構造發育特征

研究區主要發育有龍蟠-喬后、麗江-劍川與鶴慶-洱源3條區域性斷裂帶，整體構造行跡以NNE-NE為主，各斷裂帶構造特征見表3。龍蟠-喬后斷裂位于研究區西北部，為一區域性逆斷層，沿線主要錯段三疊系地層，北衙組(T2b)大面積分布于該斷裂東側，為研究區巖溶發育的主要物質基礎。

表3 研究區區域性斷裂帶主要構造特征

麗江-劍川斷裂帶由三條主斷裂構成，自麗江盆地向西南方向延伸。三疊紀以前斷裂活動以張性為主，沿斷裂可見二疊紀基性巖漿巖侵入，進入喜山期后，斷裂活動轉變為由北西向南東的逆沖擠壓[13]。該斷裂帶垂向相對隔水，對研究區巖溶的空間展布起到一定控制作用，構成鶴慶西山巖溶發育的西北邊界。

鶴慶-洱源斷裂帶由兩條主斷裂組成，控制鶴慶盆地的形成和演化[14-15]，構成鶴慶盆地的北西和南東邊界。該斷裂帶北西支主要錯段北衙組(T2b)灰巖地層，破碎帶寬大，拉張裂隙、溶蝕裂隙發育，透水性好，控制鶴慶西山地下水的徑流與排泄，與鶴慶西山地區地下巖溶管道、鶴慶盆地西邊緣一系列巖溶大泉的形成密切相關。

次級斷裂主要發育于鶴慶西山，按照構造行跡可劃分為：NNE走向的金棉-七河斷裂、近南北走向的下馬塘-黑泥哨斷裂以及東西向構造。其中，東西向構造受區域性斷裂帶影響和改造，以壓性逆沖斷層為主，由北向南依次為水井村斷裂、石灰窯斷裂、馬場逆斷裂、汝南哨斷裂和青石崖斷裂，各斷層長10～15 km不等，總體上組成由北向南的逆沖推覆構造，表現為北衙組下段(T2b1)、三疊系下統(T1q)和北衙組中段(T2b2)重復出現的構造特征(圖1)。一方面，由于上盤以北衙組灰巖為主，巖石破碎，拉張裂隙發育，能夠促進鶴慶西山東西向地下水徑流和巖溶發育[16]；另一方面，逆斷層發育有擠壓擦痕等典型的壓性構造面特征，導致斷層南北向相對隔水，巖溶在東西向相對獨立發展。

圖1 鶴慶西山逆沖推覆構造(剖面1-1′)Fig.1 Thrust-Nappe Belt in Profile 1-1′ in the Westshan mountains of Heqing county

受斷層活動影響，區內主要發育NE向和NW向兩組大型構造裂隙，多位于碳酸鹽巖地層，一般延伸數百米距離，易形成巖溶負地形，對地表水的匯聚與徑流有積極作用，促進地表水與地下水轉換，利于地下巖溶管道發育。研究區節理規模從數厘米至數米不等，節理延伸方向能夠影響巖溶發育方向，碳酸鹽巖中的密集共軛節理對巖溶發育具有促進作用。

2 構造對巖溶發育的控制作用

2.1 區域性斷裂帶控制巖溶發育

二疊紀早期，麗江-劍川斷裂帶以拉張活動為主，玄武巖沿該斷裂帶溢出[17]，呈南北向條帶分布，古近紀以來，該斷裂活動轉變為逆沖擠壓[18]，與玄武巖墻共同組成相對隔水層，其東西兩側區域地下水聯系弱，且受控于不同侵蝕基準面，巖溶發育也因此各自獨立。

研究區北部構造行跡受龍蟠-喬后斷裂影響以NNE向為主，地下水運移受局部侵蝕基準面拉市盆地控制，總體自南向北徑流，排泄高程約2 500 m；而鶴慶西山的地下水徑流則受控于高程約2 200 m的區域侵蝕基準面-鶴慶盆地，整體自西向東徑流，沿盆地西邊緣形成排泄帶，以巖溶大泉和地下暗河形式集中排泄。云南鶴慶地區地質情況如圖2所示。

1—第四系黏土、砂礫石；2—新近系粉砂巖夾泥巖；3—古近系麗江組；4—三疊系松桂組；5—三疊系北衙組；6—三疊系青天堡組；7—二疊系黑泥哨組；8—二疊系峨眉山組玄武巖；9—逆斷層；10—隱伏斷層；11—大型構造裂隙；12—地層界線；13—地層不整合接觸界線；14—鉆孔；15—落水洞；16—地下水流向；17—巖溶泉；18—剖面；19—水平溶洞平面發育位置；20—研究區各級階地發育位置圖2 云南鶴慶地區地質圖Fig.2 Geological map of Heqing area in Yunnan Province

總體來說，研究區的3條區域性斷裂帶通過斷裂活動影響研究區地層展布(圖3)，控制區域地下水徑流方向，奠定了鶴慶西山巖溶發育整體格局。

圖3 區域斷裂帶分布(剖面2-2′)Fig.3 Distribution map of regional fault zones in Profile 2-2′

2.2 次級斷裂控制巖溶發育

鶴慶西山次級斷裂對地下水運移和巖溶發育的影響主要表現如下：(a)近東西向斷層沿斷層方向導水，垂直斷層方向阻水。根據閻長虹等[19-20]的研究，逆斷層上盤巖體內部因應力變化導致張裂隙發育，鶴慶西山地下水在張裂隙控制下自西向東徑流；斷層垂向顯示壓性構造面特征，南北向阻水，因此巖溶發育在鶴慶西山表現為獨立的東西向長條形巖溶斷塊，逆斷層控制巖溶發育方向，地下水在盆地邊緣排泄并形成一系列巖溶大泉。(b)斷層交匯處巖溶發育強烈，以下馬塘-黑泥哨斷裂與馬場逆斷裂交匯處為典型。該處巖石破碎程度高，在地表形成安樂壩巖溶洼地地貌，在洼地底部發育2個落水洞，成為地表水匯集及其與地下水交換的主要場所。(c)斷層影響帶控制巖溶發育深度。在馬廠進行了水文地質鉆孔勘察工作，鉆孔XLZK16(表4)孔深659.00～639.30 m段可見2條斷層面，發育有溶蝕孔洞；孔深876.30～878.00 m和883.20～886.50 m段為斷層影響帶。

由表4可知，隨著深度增加，溶蝕程度不斷降低，但由于孔深800 m以下發育有斷層，為巖溶發育提供了一定的空間，以順斷層面發育為主，且在斷層影響帶，地下水徑流速度快、巖溶水循環周期短，巖溶發育較強烈，證明斷層的存在控制了巖溶發育深度，且巖溶發育與淺層相比具有一定差異性。

表4 馬廠水文地質鉆孔XLZK16巖芯特征

2.3 大型構造裂隙控制巖溶發育

受斷層活動影響，研究區主要發育了NE向與NW向兩組大型構造裂隙，與區內整體構造行跡大體一致。如大龍潭—小龍潭—仕莊龍潭一線西山坡處，發育有多條NW向大型構造裂隙，均延伸數百米距離，裂隙規模大，溶蝕作用較強烈，在地表形成大型溶溝和深切巖溶峽谷地貌(圖4(a)、圖4(b))，成為地表水與地下水交換場所，促進NW向巖溶發育與地下水徑流。

圖4 研究區大型構造裂隙及節理Fig.4 Large-scale structural fissures and joints in the study area

2.4 節理控制巖溶發育

北衙組灰巖內部發育有大量密集共軛節理，為地表徑流與降水提供入滲通道；節理本身具有一定儲水效果，在巖體內部尤其是節理交叉處常見溶蝕孔洞(圖4(c)、圖4(d))。在一定程度上能夠影響巖溶發育的方向和規模，有利于地表溶溝、地下溶洞等巖溶地貌的發育。

3 巖溶發育階段及特征

由于研究區具備以三疊系北衙組(T2b)為主體的碳酸鹽巖地層，且構造活動強烈，水-巖交互作用頻繁，巖溶發育程度高。根據研究區保留的多級夷平面和層狀溶洞及其對應的河流階地、盆地邊緣臺地等證據，將巖溶發育劃分為3個階段。

3.1 古近紀巖溶發育期

古新世以來，喜馬拉雅運動一幕期間印度板塊向歐亞板塊俯沖，研究區地殼活動以斷塊分異為主，鶴慶盆地、麗江盆地等內陸盆地在此時形成。喜山運動一幕之后，地殼處于長期穩定時期，研究區進入第一個穩定的巖溶發育階段，保留有海拔3 000 m左右的夷平面。此時巖溶強烈發育，西龍潭上方高程3 100 m左右的仙人洞即為此階段發育的水平溶洞，由于其處于研究區早期巖溶發育階段，隨后續地殼運動不斷抬升，屬于研究區內高程最高、受剝蝕與侵蝕作用最嚴重的頂層溶洞。

3.2 新近紀巖溶發育期

新近紀以來，受喜山運動二幕影響，印度板塊向歐亞板塊進一步俯沖，研究區地殼活動加劇，控盆斷裂活動強烈，導致斷塊山地與斷陷盆地顯著分異，盆山高差增大。而后地殼逐漸穩定，研究區進入第二個巖溶強烈發育階段，也即新近紀巖溶發育期。

在此期間，研究區內形成海拔2 500～2 700 m的夷平面，并發育有新一期水平溶洞，以鶴慶盆地邊緣坡頂老鷹洞為代表，其洞口高程2 682 m，洞底發現有代表新近紀地下水活動的紅色鈣質灰巖沉積物，表明新近紀喜山運動二幕以后研究區穩定的地殼環境和水平巖溶發育。

另外，鶴慶盆地中心鉆孔巖芯指示了研究區沉積環境的變化。由于鶴慶盆地周圍都是裸露的三疊系北衙組(T2b)灰巖，盆地內部的碳酸鹽主要來自地表水、地下水對灰巖的沖蝕、溶蝕和徑流作用輸入。因此當沉積物粒度變細、碳酸鹽含量增高，即可表明研究區沉積環境穩定、地下水水力坡度低、水巖作用充分、巖溶發育以水平溶蝕為主的特征。

由表5可知，新近紀鶴慶盆地中心碳酸鹽含量變化為低—高—穩定—較低，沉積了近300 m的厚度(巖芯段694.3～382.3 m)，反映了這一時期氣候溫和、降雨量大、巖溶發育強烈。

表5 鶴慶盆地中心鉆孔巖芯特征

3.3 第四紀(現代)巖溶發育期

第四紀以來，喜山運動三幕青藏高原強烈隆升，影響云南鶴慶地區控盆斷裂差異性升降，盆山高差進一步增大。期間，研究區鶴慶西山中部隆升，兩側巖溶含水層底板埋深降低，在馬廠地區形成自東向西的地下水徑流通道，相關鉆孔地下水位及水力坡度數據見表6。鉆孔XLZK16位于錳礦溝大陡山附近，鉆孔XLZK18位于馬廠洼地，兩鉆孔地下水位高程分別為2 364 m和2 579 m，水力坡度為2.63%和3.91%，排泄點位于鶴慶盆地邊緣錳礦溝黑龍潭，排泄高程為2 365～2 350 m。

表6 鶴慶西山相關鉆孔地下水位統計

喜山運動三幕結束之后，地殼長期處于穩定-微震蕩的動態環境中，研究區進入第四紀(現代)巖溶發育期，表現為在鶴慶盆地邊緣斜坡處發育有多級水平溶洞，分別對應一至四級河流階地或盆地邊緣臺地。按照年代由老至新、高程由高到低依次為：高層溶洞對應四級盆地邊緣臺地，高程2 300～2 500 m，以河頭村西山腰溶洞為代表；中層溶洞對應三級盆地邊緣臺地，高程2 260～2 320 m，以青玄洞為代表；低層溶洞對應二級河流階地，高程2 210～2 240 m，如白巖角溶洞；現代巖溶發育層對應一級河流階地，也即現代河床與漫灘，高程2 200～2 220 m，該層水平巖溶至今仍在發育，主要為鶴慶盆地邊緣的一系列巖溶泉或地下河出口，如黃龍潭、洗馬池等。鶴慶西山階地代表性位置分布及溶洞平面分布見圖5。

圖5 鶴慶西山階地序列與溶洞垂向分層示意圖Fig.5 Terraces and vertical layering of karst caves in the Westshan mountains, Heqing county

4 結 論

a. 云南鶴慶西山受多期構造活動影響，研究區整體上形成以NNE向為主、東西向構造為輔的構造格局，大致可以劃分為區域性斷裂帶、次級斷裂、大型構造裂隙與節理等4個層次。

b. 區域性斷裂帶控制研究區地層展布；東西向構造控制巖溶發育方向，垂向阻水；次級斷裂交匯處巖溶發育強烈；巖溶發育深度受斷層影響帶控制。

c. 大型構造裂隙易在地表形成巖溶負地形，能夠促進地表水與地下水之間的聯系；節理具有一定儲水效果，在一定程度上影響巖溶發育方向。

d. 云南鶴慶西山地區經歷古近紀巖溶、新近紀巖溶，以及第四紀(現代)巖溶等3個巖溶發育期，發育四級河流階地與盆地邊緣臺地，分別對應不同高程的水平溶洞。