川藏鐵路格聶山和察雅段構造巖溶發育規律及巖溶地下水循環模式研究

李向全 ，馬劍飛 ，張春潮 ，王振興 ，付昌昌 ，白占學

（1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 050061；2.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室，河北 石家莊 050061）

高原深埋長隧道高壓突水突泥災害是川藏鐵路建設面臨的重大地質安全風險類型之一。川藏鐵路雅安—林芝段穿越4個一級構造單元，13條晚更新世以來的活動斷裂帶，沿線分布75套碳酸鹽巖地層[1-2]，復雜的地質構造條件和高寒氣候特征造就了較為獨特的高原構造巖溶類型。鐵路經過的構造巖溶發育區段表現為巖溶管道發育、巖溶水量豐沛和高壓高水頭等水文地質特征，極易發生隧道高壓突涌水災害，直接影響鐵路安全施工及運行維護。

川藏鐵路沿線區域水文地質調查及研究程度總體偏低，川西地區水文地質調查精度為1∶50萬，藏東地區僅為1∶100萬。近年來，中國地質調查局相關直屬單位有針對性地開展了鐵路廊道1∶25萬和重點隧址區1∶5萬水文地質地熱地質調查工作。國鐵集團針對川藏鐵路設計線路開展了大量的水文地質勘查工作，積累了較豐富的地質資料[3]。

在高原巖溶研究方面，部分學者對高原巖溶形態及成因進行了初步研究，對上新世以前形成的古巖溶地貌特征，以及現代冰川作用與高寒風化對巖溶發育的影響進行了探索研究[4-7]。許模等[8]針對川藏鐵路巖溶突涌水災害評價做了大量研究工作。近期，中國地質科學院水文地質研究所結合地質調查項目，編制了鐵路廊道區域1∶25萬水文地質圖，劃分了水文地質單元，對重點隧址區開展了構造巖溶高壓突涌水風險評價工作[9-10]。

在前期研究基礎上，本文重點針對高原構造巖溶的發育規律、形態特征和巖溶地下水循環模式進行深入分析，為深埋隧道巖溶高壓突水突泥災害防治提供參考依據。

1 研究區地質概況

格聶山研究區位于金沙江左岸的碳酸鹽巖地塊（圖1）。區域構造上跨越金沙江構造結合帶、中咱—中甸地塊2個次級構造單元，分布齋如隆—樂玉共斷裂（北段為俄德西—紅軍山斷裂）、定曲河斷裂（北段為降曲—色伊斷裂）和崗通隆斷裂等NNW向斷裂，以及巴塘斷裂等NE向斷裂。巖斷裂層主要分布于齋如隆—樂玉共斷裂和定曲河斷裂之間，以上寒武系、泥盆系、石炭系和二疊系碳酸鹽巖地層為主（圖2）。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Location map of the study area

圖2 格聶山地區水文地質簡圖Fig.2 Hydrogeological sketch map of the Genie Mountain

察雅研究區位于西藏自治區察雅縣東北部。區域構造上位于瀾滄江斷裂帶東部，發育有瀾滄江斷裂、雅曲勇斷裂、王卡—雜拉鋪斷裂、阿托卡巴斷裂和格日瑪斷裂。巖溶地層以泥盆系、二疊系和三疊系碳酸鹽巖地層為主，受區域構造控制，呈NNW向條帶狀分布（圖3）。

圖3 察雅地區水文地質簡圖Fig.3 Hydrogeological sketch map of Zaya County

2 高原構造巖溶層序規律

2.1 高原構造巖溶發育級次

格聶山和察雅地區構造巖溶發育具有明顯的層序規律和高程區間，垂向由上至下大體分為四級巖溶發育級次。一級巖溶發育區，海拔高程為4 900～5 300 m，巖溶地貌形態以大型落水洞、天生橋和角峰為主；二級巖溶發育區，海拔高程為4 000～4 300 m，巖溶地貌形態以中、小型溶洞、溶隙為主；三級巖溶發育區，海拔高程為3 500～3 700 m，巖溶形態以大、中型溶洞、溶隙為主；四級巖溶發育區，海拔高程為2 900～3 200 m，巖溶形態以大、中型溶洞、溶隙為主（圖4）。三、四級巖溶發育區通常發育巖溶大泉，是巖溶地下水集中排泄區。

圖4 不同級次構造巖溶地貌Fig.4 Tectonic karst landforms of different levels

格聶山地區目前發現四級巖溶發育區。以霍熱拉喀—亞日貢水文地質剖面為例（圖5），一級巖溶發育區位于霍熱拉喀分水嶺一帶，海拔高程在5 000～5 200 m之間，廣泛發育溶蝕洼地、落水洞和角峰等巖溶地貌，溶蝕洼地最大者長800 m，寬500 m，深大于80 m。由于溶蝕洼地的匯水漏失作用，形成眾多的“干海子”（圖6）。該區常年積雪，大氣降水、冰川融水和地表水通過沿構造發育的古巖溶通道滲漏補給地下水，是巖溶地下水的高位補給區。二級巖溶發育區，位于南部德仁多一帶，海拔高程4 000～4 200 m；可見沿齋如隆—樂玉共斷裂分布的巖溶洞穴溶隙，有巖溶泉群出露，泉流量10～100 L/s。三級巖溶發育區位于東側定曲河谷，沿定曲河斷裂發育，海拔為3 500～3 600 m，出露巖溶大泉，泉流量10～330 L/s。四級巖溶發育區位于南部亞日貢麥曲河谷一帶，海拔高程為2 900～3 200 m，發育有沿構造線分布的大型巖溶洞穴和溶隙，洞口直徑最大可達3 m，可見深度約5 m。由于接近區域侵蝕基準面，為區域巖溶水集中排泄區，有大型泉群出露，最大泉流量可達470.74 L/s，眾多巖溶大泉在此高程區間出露排泄（圖7）。

圖5 格聶山地區亞日貢水文地質剖面圖Fig.5 Hydrogeological section in Yarigong of the Genie Mountain

圖6 格聶山地區高位冰湖、干海子遙感解譯圖Fig.6 Interpretation of the high-level glacial lake of the Genie Mountain

圖7 格聶山和察雅地區構造巖溶統計Fig.7 Statistics of tectonic karst in the Genie Mountain and Zaya County

察雅地區目前發現三級巖溶發育區。以察雅縣雅曲勇水文地質剖面為例（圖8），一級巖溶發育區位于4 700～4 900 m高程區，發育落水洞、溶隙、溶孔等巖溶地貌，常年積雪覆蓋，是巖溶水補給區。二級發育區位于4 200～4 600 m高程區，主要發育中小型溶洞、溶孔、溶蝕裂隙等，溶洞直徑0.1～4.0 m，有少量巖溶泉水出露，流量約為2 L/s。三級巖溶發育區位于3 500～3 700 m高程區，大型溶洞、溶隙發育，溶洞直徑可達16 m，出露巖溶大泉，如恩達泉流量347.22 L/s。

圖8 察雅縣雅曲勇水文地質剖面圖Fig.8 Hydrogeological section in Yaquyong of Zaya County

2.2 高原隆升對巖溶的區域性控制作用

青藏高原自始新世開始緩慢隆升，并逐漸加速，自上新世晚期至更新世以來，出現快速隆升[11]。整體抬升過程中有短暫停留，層狀地貌發育，由高到低依次發育二級夷平面和二級谷肩。一級夷平面海拔高程5 000～5 200 m，形成于中新世之前；二級夷平面海拔高程4 300～4 800 m，形成于中新世晚期至上新世（7.0 Ma.B.P—3.6 Ma.B.P）；一級谷肩海拔高程3 400～3 500 m，二級谷肩海拔高程2 900～3 000 m，形成于上新世至更新世[12-13]。

高原巖溶發育層序規律明顯受到高原隆升作用的控制。對比四級巖溶發育區，在地貌上分別與一級高原夷平面、二級高原夷平面、一級谷肩和二級谷肩相對應，夷平面、谷肩形成期，地殼隆升相對緩慢，也正是巖溶發育時期。

3 構造巖溶發育的巖性、構造控制作用及地下水動態特征

3.1 地層對巖溶發育的控制作用

格聶山地區巖溶含水巖組由上古生界碳酸鹽巖組成（圖9），主要包括：泥盆系下統格絨組（D1g）白云巖及中上統結晶灰巖；石炭系頂坡組（Cd）結晶灰巖及鮞狀結晶灰巖；二疊系下統冰峰組（P1b）和上統赤丹潭組（P3c）結晶灰巖、鮞狀灰巖及生物灰巖等，層厚質純，巖溶較發育。方解石含量絕大部分在90%以上，平均94.46%。巖溶裂隙率2.34%～4.18%，平均3.17%。地下水豐富，泉水露頭多且流量大。本次調查中，大于10 L/s的泉24個，其中，流量為100～500 L/s的泉有12個，累積流量2 708.78 L/s，約占出露泉水總量的85%。

圖9 構造巖溶發育地層時代占比Fig.9 Proportion of the tectonic karst developed strata

上寒武統額頂組（?3e）大理巖夾片巖、千枚巖，奧陶系、志留系結晶灰巖、白云質結晶灰巖及白云巖夾片巖、千枚巖，層薄且富含硅質，巖溶不發育。方解石含量為60.93%～94.81%，平均83.57%。巖溶裂隙率0.73%～3.63%，平均2.66%。地下水不甚豐富。

察雅縣工作區的可溶巖地層主要為泥盆系卓戈洞組（D3z）、二疊系交嘎組（P2j）和三疊系波里拉組（T3b）碳酸鹽巖。三疊系波里拉組（T3b）巖性以灰巖、生物碎屑灰巖和白云巖為主，可溶性較強，巖溶洞穴、溶隙發育，地下水豐富，泉水多流量大，恩達泉、娘曲泉都在本套地層出露；泥盆系卓戈洞組（D3z）巖性主要為泥灰巖、白云巖、生物碎屑泥晶灰巖，可溶性較差，發育部分表層泉，流量不大；二疊系交嘎組（P2j）含泥質泥晶灰巖，巖溶發育相對最差。

3.2 地質構造對巖溶發育的控制作用

格聶山地區斷裂帶、褶皺帶附近由于應力集中，巖石遭強烈擠壓，裂隙發育。斷裂帶附近裂隙率約達3%。在拉伸應力作用下，背斜軸部裂隙發育程度強于受擠壓的單斜巖層和向斜軸部，平均裂隙率為1.77%。經長期溶蝕作用，這些部位巖溶發育率較高，構造影響區內的巖溶發育率遠高于非影響區，70%的巖溶洞穴、溶隙發育在構造影響區內，巖溶泉點多沿構造線分布。

如巴塘以南至亞日貢地區，古生界泥盆系、石炭系和二疊系碳酸鹽巖地層呈近南北向分布于齋如隆—樂玉共斷裂和定曲河斷裂之間，受斷裂影響構造巖溶發育。斷裂外側被中下三疊系砂、板巖和中下寒武系片巖、千枚巖、火山巖圍隔，成為巖溶水系統的隔水邊界。由于定曲河與麥曲河沿斷裂發育，且切割深，造成巖溶水向東、西兩側河谷集中排泄的有利條件，成為巖溶水的集中排泄區，僅100 L/s以上的泉就有6個，排泄量達1 080 L/s。同時，由于該區斷裂發育，巖層破碎，促進了巖溶發育，致使富水性較差的奧陶系和志留系碳酸鹽巖地層中的泉水也普遍增大，可達60 L/s。

受瀾滄江斷裂帶和昌都以東寬緩復背斜構造體系影響，西藏察雅縣段的可溶巖地層沿雅曲勇斷層和王卡—雜拉鋪斷層以NNW向呈條帶狀展布，分別為雅曲勇巖溶帶和史曲巖溶帶。恩達巖溶大泉出露于雅曲勇斷層帶上，娘曲泉出露于王卡—雜拉鋪斷層帶上。

3.3 活動斷裂對巖溶發育的控制作用

通過對格聶山、察雅構造控水特征分析，發現活動斷裂對巖溶水賦存有明顯控制作用。根據前期學者[14-15]研究，金沙江構造帶活動性以巴塘斷裂為界，北段主要活動時代在始新世至早—中更新世，最新活動可延至晚更新世。巴塘斷裂以南至德欽—中甸—大具斷裂之間的中段，金沙江主斷裂斷錯了晚更新世—全新世地層，屬更新世—全新世活動斷裂。由于幾層巖溶帶多形成于上新世以前，只有活動斷裂能夠使幾層巖溶發育帶得以連通，從而構成了完整的巖溶水補給、徑流、排泄的蓄水構造條件。區域上表現為活動斷裂帶巖溶水富水性強，巖溶大泉多，非活動斷裂帶，巖溶水富水性明顯偏弱。所以金沙江構造帶巴塘斷裂以北區段巖溶發育程度較弱，巴塘斷裂以南區段巖溶發育程度高，出露的巖溶大泉個數和流量都多于巴塘斷裂以北區段，在巴塘斷裂以南，巖溶水沿齋如隆—樂玉共斷裂和定曲河斷裂自北向南徑流，在亞日貢附近集中排泄。根據前期1∶25萬地質調查[1]，察雅地區更新世活動斷裂雅曲勇斷層和王卡—雜拉鋪斷層均有巖溶大泉發育。

值得指出的是，在金沙江構造帶北段，紅軍山斷裂、降曲—色依斷裂為晚更新世活動斷裂（圖1），存在封存巖溶水的可能性，由于格聶山隧道從附近通過，應加強該區巖溶水文地質調查研究。

3.4 巖溶地下水動態特征

為查明研究區巖溶大泉流量及動態特征，分別于2019年3月和8月、2020年7月分3次對格聶山及察雅地區部分巖溶泉點開展了測流工作。測得格聶山地區部分巖溶泉水單點流量為0.37～573.49 L/s；察雅地區巖溶泉水單點流量為2.23～343.88 L/s。通過同一泉點3期流量對比，發現泉水流量豐枯季節波動幅度不大，整體保持穩定（圖10）。

圖10 格聶山地區巖溶泉三期流量對比圖Fig.10 Comparison of karst spring flow measured on three times in the Genie Mountain

對格聶山降曲某支流水文動態監測站監測數據進行分析。采用逐日小波數字濾波法[16-17]，應用MATLAB2018軟件進行了基流分割，計算得到基流量為5.2 L/s。結果表明，9—次年2月地下水徑流量約占總徑流量的76%；其余的徑流量為地表水匯流（圖11）。說明本區地下水泄流量較大，受終年高山冰雪補給，地下水資源豐富，動態穩定。

圖11 降曲某支流監測流量的逐日動態及濾波基流分割曲線Fig.11 Daily dynamics of monitoring flow of a tributary of Jiangqu and the division curve of filtering base flow

4 水化學同位素特征

為研究察雅、格聶山典型構造巖溶分布區巖溶水水化學同位素特征，在區域水文地質調查基礎上，系統采集了巖溶地下水、地表水、冰雪融水及大氣降水樣品。察雅及格聶山研究區分別于2020年5月、2019年4月完成野外樣品采集，共60組樣品，其中察雅研究區26組，格聶山研究區34組。樣品用于常量組分、微量組分以及氘氧氚同位素（D、18O、T）測試（表1）。水樣的溫度、pH值、電導率（EC）、溶解性總固體（TDS）等易變性指標采用便攜式HANNA多參數水質測試儀現場測定，堿度在24 h內滴定。其他離子指標和氘氧氚同位素送至中國地質科學院水文地質環境地質研究所地下水科學與工程重點實驗室測試。

表1 研究區樣品水化學組分及氫氧同位素含量Table 1 Chemical compositions and hydrogen and oxygen isotope content of the water samples in the study area

4.1 水化學特征

察雅及格聶山構造巖溶發育區的巖溶泉水主要陽離 子 為Ca2+、Na+和Mg2+，主 要 陰離子為和（圖12），溶解性總固體為159.10～2 562.00 mg/L。其中表層巖溶泉（冷泉）的溶解性總固體為159.10～286.50 mg/L，水化學類型為HCO3—Ca型和HCO3·SO4—Ca·Mg型，呈堿性低TDS特征。巖溶大泉溶解性總固體為1 002.00～2 562.00 mg/L，均為硫酸型水，察雅研究區水化學類型為SO4—Ca·Mg型水，格聶山研究區為SO4—Na型水，呈堿性高TDS特征。

圖12 察雅和格聶山研究區水樣Piper圖Fig.12 Piper diagrams of the water samples in the study area of Chaya County and Genie Mountain

4.2 同位素特征

利用環境同位素進一步分析了巖溶水的起源及循環轉化特征。所采集的巖溶水、地表水的δD—δ18O關系如圖13所示。

圖13 察雅和格聶山研究區水樣δD和δ18O關系圖Fig.13 Plot of δD vs.δ18O in the study area of Chaya County and Gnie Mountain

結果表明，巖溶泉水大部分沿全球大氣降水線分布，說明巖溶水主要來源為大氣降水[18-19]。依據氘、氧同位素特征，研究區內巖溶水大致可分為2類：一是淺層巖溶水，沿大氣降水線分布，與區內地表水分布范圍基本一致，TDS多小于300 mg/L，表明地下水循環較快，水巖作用不充分，與地表水之間存在密切的轉化關系；二是深層巖溶水，主要為深循環巖溶大泉，分布于大氣降水線左下方，TDS均大于1 000 mg/L，說明地下水主要來源于遠程補給，徑流時間長，水巖作用強烈。魯江溫泉和熱坑1號兩處巖溶溫泉同位素“氧漂移”現象最為明顯，表明強烈的水—巖作用，使得水中18O同位素富集，漂移程度反映了水與圍巖的氧同位素交換程度的大小。巖溶泉水的氚含量集中分布于3.0～16.4 TU之間，僅格聶山熱坑泉水氚含量為1.1 TU，說明巖溶水主要受核爆以來的現代降水補給。

4.3 混合作用分析

由于巖溶大泉氧同位素易受水巖作用的影響，因此利用氘同位素（D）和Cl-離子開展質量平衡計算，分析地下水的混合狀況。選擇補給區冰雪融水、雨水作為淺層水端元；選擇深部巖溶水作為深層水端元。利用三端元混合模型，選取察雅研究區的恩達泉及格聶山研究區的火龍溝泉兩處典型巖溶大泉，進行混合比例計算：

式中： δD—混合水的氘同位素組成/‰；

(δD)i—冰雪融水、大氣降水、深層巖溶水的氘同位素組成/‰；

Cl-—混合水的氯化物含量/（mg·L-1）；

混合比例計算結果表明，兩處巖溶大泉均以冰雪融水補給為主，察雅恩達泉冰雪融水補給占比達71%，大氣降水補給占比為22%；格聶山火龍溝泉冰雪融水補給占比達83%，大氣降水補給占比為8%（圖14）。冰雪融水是構造巖溶發育區巖溶大泉的主要補給來源。

圖14 察雅恩達泉（a）及格聶山火龍溝泉（b）巖溶大泉典型混合模式Fig.14 Typical mixed patterns of the Chaya Enda spring (a) and the Huolonggou Spring of the Genie Mountain (b)

4.4 巖溶大泉的水文地球化學成因分析

為深入揭示低溫冰雪融水對碳酸鹽巖的溶蝕作用機制，利用PHREEQC軟件模擬了冰雪融水的水巖作用過程，進而分析巖溶大泉水文地球化學成因。巖溶大泉主要接受高程約5 000 m的冰雪融水補給，在大氣壓及CO2分壓保持穩定的情況下，冰雪融水中侵蝕性CO2飽和濃度隨著溫度的上升而下降，導致方解石的飽和濃度也隨之下降，見圖15（a），如冰雪融水自0～5 ℃，CO2飽和濃度減小了6.67 mmol/L，方解石和白云石的飽和濃度分別減小了0.89，1.12 mmol/L，表明在冰水混合物狀態下，冰雪融水的侵蝕能力最強。對于Na2SO4型的冰雪融水而言，在冰水混合物（0 ℃）狀態下，隨著水中Na2SO4含量的升高，方解石的飽和濃度值逐漸上升，上升速率隨著Na2SO4濃度的升高而逐漸減緩，見圖15（b）。

圖15 溫度和Na2SO4影響下碳酸鹽和侵蝕性二氧化碳的飽和濃度變化Fig.15 Changes in the saturation concentration of carbonate and CO2(g) under the influence of temperature and Na2SO4 mineral

在反應初期，1 mmol的Na2SO4能分別促進0.190 mmol方解石和0.096 mmol白云石的溶解，這是因為產生的鹽效應和與各種陽離子形成的離子團會增大碳酸鹽的溶解度。因此，補給區較低溫度、SO4—Na型的冰雪融水，有助于促進方解石和白云石的溶解，使得地下水TDS含量迅速升高，進而形成高TDS的巖溶大泉。

4.5 構造巖溶水文地質結構及循環模式

在深入分析高原巖溶水文地質條件基礎上，構建了區域高原構造巖溶地下水循環模式（圖16）。

圖16 川藏鐵路交通廊道構造巖溶地下水循環模式示意圖Fig.16 Circulation mode of tectonic karst groundwater along the Sichuan-Tibet Railway

研究區發育四級巖溶發育區段，晚更新世以來活動斷裂溝通巖溶發育區段，形成特有的高原區域巖溶蓄水構造條件。

高原構造巖溶地下水系統，區域上可分為高位補給區、遠程管道徑流區和集中排泄區。（1）高位遠程補給區，位于海拔約5 000 m的冰川臺原區，也是一級巖溶發育區，發育溶蝕洼地、落水洞等巖溶地貌，大氣降水、冰川融水、地表水通過落水洞等滲漏補給地下水。（2）遠程管道徑流區，主要由活動斷裂帶和二、三級巖溶發育區構成，為巖溶地下水徑流排泄通道，同時通過斷裂帶、二、三級巖溶發育區接受地表水和淺層地下水滲漏補給。（3）集中排泄區，主要位于三、四級巖溶發育區，常出露流量大于100 L/s的巖溶大泉。

巖溶水流系統，可分為淺部水流系統和深部水流系統，淺部水流系統主要是自一級巖溶發育區至二級巖溶發育區構成的巖溶水流系統，循環深度較淺，出露巖溶泉流量較小；深部水流系統主要是由一級巖溶發育區至三、四級巖溶發育區構成的巖溶水流系統，循環深度大，以出露巖溶大泉為特征。

地下水運動主要受構造控制，方向多與構造線一致，可跨越多個分水嶺，邊運移、邊匯集，屬單向匯流型。地下水徑流途徑較長，補給區至排泄區可達數十公里，水巖作用時間較長，TDS明顯偏高。地下水循環深度大，補給區與排泄區高差多在1 000 m以上，且常導致水溫偏高，個別已與低溫溫泉水溫相當。

5 結論

（1）研究區構造巖溶發育具有明顯的層序規律，大體分為四級巖溶發育區，一級巖溶發育區位于海拔高程4 900～5 300 m，形成于中新世之前；二級巖溶發育區位于海拔高程4 000～4 300 m，形成于晚中新世至上新世；三級巖溶發育區位于3 700～3 800 m，形成于上新世；四級巖溶發育區位于海拔高程2 900～3 200 m，形成于上新世至更新世。

（2）活動斷裂對巖溶水分布、富集具有明顯控制作用，晚更新世以來活動斷裂溝通巖溶發育區段，形成特有的高原區域巖溶蓄水構造條件。

（3）巖溶地下水系統可分為高位補給區、遠程管道徑流區和集中排泄區，高位補給區位于一級巖溶發育區，三、四級巖溶發育區為巖溶水集中排泄區，常出露＞100 L/s的巖溶大泉。

（4）巖溶水流系統可分為淺部水流系統和深部水流系統，淺部水流系統主要是自一級巖溶發育區至二級巖溶發育區構成的巖溶水流系統，深部水流系統主要是由一級巖溶發育區至三、四級巖溶發育區構成的巖溶水流系統。

（5）巖溶大泉均以冰雪融水補給為主，冰雪融水補給占比在70%以上，大氣降水補給占比低于25%。巖溶大泉TDS值偏高，一般大于1 g/L，為硫酸型水。