清漁河間地塊巖溶發育規律與控制因素研究

李會強 閆常赫

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

無論從平面上，還是空間上，中國巖溶發育都體現了多樣性和復雜性。據統計，中國碳酸鹽出露面積約91萬km2，加上已知的隱伏性巖溶，巖溶分布總面積達340萬km2，約占全國面積的1/3[1]。針對巖溶問題，已有許多學者開展相關研究，曹賢發等研究中國巖溶的分區[2]；王增銀等認為清江流域是中部地區最為典型的巖溶發育區之一[3-4]；李光偉給出巖溶區工程選線的8條建議[5]；劉興云通過多元示蹤試驗，為地下暗河研究提供一種可行方法[6]；另外，還有其他學者通過示蹤試驗對巖溶地下水文進行深入研究[7-8]。

清漁河間地塊地處湖北宜昌，巖溶形態多樣，地下暗河發育，對交通基礎設施建設造成極大困難。因此，對清漁河間地塊巖溶進行研究很有必要。

1 清漁河間地塊自然地理概況

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。區內屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，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造溶蝕、剝蝕中低山、丘陵區，高程200～1 000 m，相對高差50～500 m。區內溝谷深切，自然坡度較陡，局部近直立，地勢整體起伏較大，受地質構造影響西高東低，溪河流向和山脈走向大致平行褶皺軸成近東西向展布。區內溶蝕地貌較為明顯，溶洞、溶溝、暗河、峰叢、孤峰、落水洞、天坑、溶丘、洼地等巖溶形態十分發育。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。區內雖然降雨充足，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、白云質灰巖、灰巖和二疊系、三疊系灰巖、泥質條帶灰巖夾炭質泥巖、頁巖及煤層。區內主要由東西向的褶皺和北西向的斷裂組成，在剖面上體現為“一箱兩直兩歪”的構造形態，見圖1、圖2。

圖1 褶皺帶構造剖面

圖2 地質構造綱要

2 清漁河間地塊地質背景

2.1 地質發展史

清漁河間地塊屬揚子準地臺上揚子臺坪八面山褶皺帶，位于新華夏系第三隆起帶內，自古生代至中三疊系，清漁河間地塊是穩定的地臺區，中三疊后期的印支運動，區域大面積抬升，產生了東西向的隆起、凹陷及相應的北北西和北北東向扭裂面，燕山運動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，第三紀開始的新構造運動繼承了燕山運動的特征，山區上升，盆地下降，中更新世以來清漁河間地塊構造體現為震蕩抬升，并且抬升幅度相對均勻[9]。

2.2 水文巖溶發展史

清漁河間地塊水文發展受地形地貌、水文氣象和構造運動等多項因素控制，其中構造運動是決定因素。白堊系之前，鄂西—川東地區西降東升，地表水自東向西流入四川盆地，白堊系燕山運動致使古地貌發生巨大變化，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歷鄂西期(2 000 m)、臺原期(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)發展過程，見圖3。

圖3 巖溶發育過程示意

3 清漁河間地塊巖溶發育特征

清漁河間地塊碳酸鹽巖約占總面積的82%，受控于地層巖性、地質構造、氣候和水動力條件，結合其發育位置特征，可分為巖溶臺地、巖溶斜坡、巖溶暗河[14]。

3.1 巖溶臺地

巖溶臺地主要分布在高程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面。洼地面積一般小于2 km2，地形相對高差一般小于100 m。大氣降水多以分散的形式在洼地中匯集，經洼地底部的管道狀落水洞或溶蝕裂隙入滲補給地下水。這種地貌的形成，一是由于其地勢較高幾乎沒有外源地表水補給，以大氣降水為主要補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。

3.2 巖溶斜坡

巖溶斜坡主要沿清江及漁洋河展布，為巖溶臺地與河谷的過渡區，呈帶狀分布，發育高程80～500 m，呈30°～50°斜坡。受縱張和橫張裂隙控制，發育北西、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，地表巖溶發育程度為中等-強烈。巖溶斜坡早期經歷比較強烈的地表及地下巖溶作用，后期受地殼抬升，漁洋河、清江及其支流等進一步向分水嶺處的高原巖溶臺地溯源侵蝕，改造形成的巖溶地貌形態。同時受侵蝕基準面控制，暗河出口多發育于巖溶斜坡地帶。

3.3 巖溶暗河

清漁河間地塊發育有千漁洞、洞灣、謝家洞等多個大型巖溶地下暗河系統。為查明其空間分布，對3個系統分別進行多元化示蹤試驗，即在每個系統的多個補給區(2個及以上)投放不同的示蹤劑，在排泄點采用瑞士GGUN-FL Fluorometer光度計進行檢測。以千漁洞系統為例，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，經過1個多月的試驗，各監測點監測的示蹤劑濃度曲線見圖4～圖6。

圖4 熒光素鈉監測曲線

圖5 羅丹明監測曲線

圖6 熒光增白劑監測曲線

由圖4～圖6可知，熒光素鈉和羅丹明均在一定時間出現，并持續上漲，達到峰值之后，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補給區和排泄點存在水力聯系。熒光增白劑未出現異常，說明許家龍坑消水洞補給區和排泄點不存在水力聯系。

熒光素鈉的濃度-時間曲線呈基本對稱的單峰型曲線，熒光素鈉濃度上升段與下降段出現波動狀變化，上升支與下降支明顯拖長，使該曲線成為鈍峰，示蹤劑經過地下水池時，在地下水池中彌散、稀釋，導致示蹤劑的運動時間增長，說明補給區與排泄點之間的巖溶管流場類型為單一管道串聯地下溶潭，且地下溶潭數量較多。

羅丹明的濃度-時間曲線總體呈多峰曲線，羅丹明濃度曲線經歷了2次較為明顯的濃度升高現象，呈現雙峰曲線形態，且都表現出第二個峰值與第一個峰值基本相等的現象。由于管道的長度、直徑、彎曲程度不同，各管道中地下水流速也不同，故產生了2個峰，且2個峰相隔時間較大，表明2條管道的位置關系；峰值大小基本相等，根據濃度的疊加效果，表明由第一個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，呈現拖尾現象，表明補給區和排泄區之間的管流場類型為并聯多管道串聯。

謝家洞系統和千漁洞系統類型相似，洞灣系統只有單一管道，未見多管道串聯。

4 清漁河間地塊巖溶發育規律

通過對清漁河間地塊的水文地質調查和地下水示蹤試驗，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等特征[15]。

清漁河間地塊多為溶蝕帶的裸露巖溶，絕大多數溶洞是在沒有任何特殊封閉的水文地質條件下，由大氣降水交替循環而成的普通洞穴。這些洞穴按形態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，豎向洞穴是發育于地下水面以上的垂直滲流帶內垂向延伸的落水洞；橫向洞穴系是發育于地下水面以下飽水帶內的水平管道河洞室；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系起來，構成層狀的樓式結構。地表落水洞起著暗河入口或集中補給點的作用，上層水平管道也往往通過傾斜通道與下層水平管道相聯系，或通過豎井向下層消水。

4.1 平面規律

(1)空間展布的方向性

清漁河間地塊洞穴空間的展布表現出極強的方向性，洞穴軸線的延伸方向無論在個體，還是整體上都顯示出與所在地段的構造線方向或巨型裂隙、優勢導水裂隙組方向一致。清漁河間地塊構造格局和構造線方向在不同的構造單元上差異較大，故洞穴發育的方向也隨之變化。

洞穴系統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，因而發育北北西(南南東)、北東(南東)、東西向、南北向的管道系統。其中，磨市巖溶區西側主要發育東西向管道系統，東側發育南北向和北西向管道系統；大堰巖溶臺地則發育有從中間向周邊的擴散狀巖溶系統。雖然大型管道系統內部方向常交替變化，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育受地層巖性組合，構造變動程度和水動力學條件控制，由于以上控制要素的差異，巖溶發育在平面上極不均一，表現出對地層層位、構造部位和地貌單元有著鮮明的選擇性。

不同地層中巖溶發育規模及密度不同。區內巖溶系統主要分布于下奧陶系的南津關組、寒武系上統三游洞組及中統覃家廟組。寒武系三游洞組地層大面積出露，往往集中發育有大型洞穴系統，但由于內部巖組的差異，其發育程度和出現頻率也明顯不同；奧陶系南津關組為單一均勻連續型，有利于巖溶發育，為強透水層，其中洞穴、暗河發育；寒武系中統覃家廟組主要為不純碳酸鹽巖，主要發育裂隙、溶隙網絡系統。

根據總體地質結構變化情況，將清漁河間地塊分為清江南岸巖溶區、馬燕山巖溶區、大堰巖溶臺地、五眼泉巖溶區和志留系巖溶區5個大區和19個亞區，見圖7。

4.2 剖面規律

根據主洞口高程，所處地貌單元特征，可將清漁河間地塊發育的洞穴在垂向劃分出幾個集中分布層，其分布高程分別與清漁河間地塊各級巖溶臺面相對應。

受地質構造背景控制，清漁河間地塊缺少1 100 m以上的巖溶系統，鄂西期(清江一期、白堊系)、臺原期(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)受地殼運動影響，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自此拉開序幕，其發展剖面規律見表1。

表1 清漁河間地塊巖溶發育剖面規律

上述各級巖溶臺面相對應的巖溶系統，代表清漁河間地塊構造運動受間歇式抬升的影響和制約。地下水系統適應于不同相對穩定時期的區域地下排泄基準面發生的巖溶作用結果，以第二層、第三層發育最為強烈，構成清漁河間地塊龐大的巖溶系統，縱斷面見圖8。

圖8 清漁河間地塊縱斷面

5 清漁河間地塊巖溶發育主控因素

5.1 地形因素

清漁河間地塊位于清江中、東段，西高東低，受東西向構造影響，山體走勢大體呈東西向。西側山嶺高程達1 000 m，東側高程約200 m，切割強烈，山體林立，形成高程不同的多級臺面。山岳頂面多平緩，發育各種巖溶地形，清江和漁洋河高程較低，從高差上形成有利的水體梯度。

5.2 巖性因素

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，巖溶越發育，長陽至五峰段出露面積較大的寒武、奧陶系灰巖，在化學成分上差別并不明顯，難以確認哪個層位更易發育。二疊系地層則發育相對明顯，僅發育于馬雁山山頂，出露面積相對小，且未見大型暗河或管道系統。

巖組類型一般影響水流的相對集中程度，在局部形成地下水強徑流段而控制洞穴和管道的形成，許多大的溶洞出現于灰巖與相對隔水層的交匯處，沿不透水的軟弱夾層接觸帶順層分布的現象較為普遍。如禹王宮、龍洞、下觀音洞、夏家洞、桃花洞均體現出該特點。

5.3 構造因素

褶皺構造的核部及轉折段是巖溶發育的有利位置，特別是背斜核部，在兩翼邊界作用下往往形成地下水相對集中地帶，易在核部形成寬度、長度均較大的巨型裂隙，層面裂隙張開，邊界條件和介質滲透性的共同作用形成軸向地下水強徑流通道。區內梁山-肖家隘背斜即為區內最典型的巖溶帶，核部發育寒武系碳酸鹽巖地層，巨型張裂隙發育，地表多發育溝谷，形成良好的補給條件，故該段多發育溶蝕洼地及落水洞等，底部形成洞穴與暗河管道，謝家洞暗河系統及順梁山-肖家隘背斜發育。

向斜構造在一定程度上也能形成巖溶發育的有利條件，特別是當地層存在相對隔水層，構成外圍封閉狀態，地下水向斜集水構造，相對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。馬雁山巖溶系統即為典型的向斜巖溶系統。

斷層或斷層性裂隙(巨型裂隙)往往構成局部地下水集中徑流通道，使巖溶洞穴沿其發育。特別是斷層性裂隙分布廣，且具有一定密度，區內絕大多數巖溶洞穴的形成都與其有關。禹王宮暗河系統、洞灣暗河系統、向家坪巖溶系統、千魚洞暗河系統、施毛渡暗河系統、羊角洞、十八拐洞等地下暗河均表現為斷層及張裂隙控制的特點，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了受斷裂及張裂隙控制的特點。

5.4 氣候因素

清漁河間地塊位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，降雨量大，地下水豐富，為巖溶發育提供良好的必備條件。

6 清漁河間地塊巖溶發育對工程的影響

清漁河間地塊孕育5個巖溶發育區和19個巖溶發育亞區，整體巖溶極其發育。巖溶臺地、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，對工程建設影響大。

6.1 清江南岸巖溶區

清江南岸巖溶區，從平面上與嘆氣溝散泉系統、禹王宮暗河系統、夏家洞暗河系統和多寶寺巖溶區等4個亞區相交。其中，嘆氣溝散泉系統、多寶寺巖溶區屬于寒武系下統及奧陶系中上統地層，發育多個相對隔水層，巖溶發育相對較弱，巖溶水文條件對工程修建影響相對較小。禹王宮暗河系統及夏家洞暗河系統對隧道工程影響相對較大，易發生涌水、突水風險，設計過程中應詳細勘察，并采取合理的結構設計措施、堵排結合的水處理方案，并加強地質超前預報等，使工程風險可控。

6.2 馬燕山巖溶區

馬燕山巖溶區位于軸向近東西向的馬鞍山向斜分布區，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，表層巖溶發育強烈，巖溶水順巖層產狀及相對隔水層整體向西方向排泄，修建地下工程難度大。巖溶系統以下為志留系頁巖，隧道工程將出現軟巖變形風險，建議繞避。

6.3 大堰巖溶臺地

大堰巖溶臺地從平面上橫穿肖家溢背斜，為長陽至五峰段洞灣、謝家洞和千魚洞等巖溶地下水系統的分水嶺地帶，雖然區內寒武-奧陶系碳酸鹽巖廣泛出露，但從巖溶地下水系統的空間分布特征分析，巖溶發育程度、巖溶水系統匯水面積均較低。臺地東南側漁洋河排泄區，出水口高程較低，存在工程建設的可行通道，但因位于邊坡上，地質災害較發育，對工程影響較大，通過時應加強隧道進出口防護措施。

6.4 五眼泉巖溶區

五眼泉巖溶區發育有寒武系及奧陶系灰巖，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，對工程建設影響較小。

6.5 志留系巖溶區

志留系巖溶區發育有白馬洞暗河出口，流量較小，巖溶裂隙水、巖溶溶洞水發育，主要依靠大氣降水及地下徑流補給，排泄方式主要沿垂直節理裂隙滲入巖溶白馬洞暗河系統，在白馬洞低洼區排泄，水文地質條件較復雜。區內生物碎屑灰巖條帶狀分布，出露面積小，巖溶水補給有限，巖溶對工程整體影響相對較小，工程建設穿越灰巖段落整體較短，巖溶及巖溶水除對個別段落有突水、突泥風險外，對工程建設整體影響不大。

7 結語

清漁河間地塊巖溶發育有5個大區、19個亞區，平面上具有不均一性，空間上具有聯通性。主要受地形、巖性、地質構造和氣候等影響。盡管巖溶形態多樣，地下暗河強烈發育，但依然可為工程建設提供可行通道，為以后地方建設提供科學依據。