岩溶含水层组类型及赋水特征

如题所述

在地质演化进程中的不同时期、不同地域,沉积环境的不断变化导致成岩的变化,形成了岩石成分和岩层组合的空间差异,这就使碳酸盐岩地块具有不同的水文地质剖面。不同岩溶层组类型的水文地质剖面,岩溶发育及水文地质特征,都反映出明显的差异。从研究岩溶水文地质特征的需要出发,碳酸盐岩成分及不同岩性层的组合方式,是岩溶发育及其含水层赋水特征的基本控制因素[3][4]。因此,对基于碳酸盐岩岩层组合的岩溶含水层组进行分类研究,是掌握岩溶水赋存特征的基础。

2.1.2.1 碳酸盐岩成分与结构

碳酸盐岩是岩溶发育的基本条件,其中岩石的化学成分和矿物成分对岩石可溶性起着重要的影响作用,此外岩石的结构构造对岩溶发育也有不同的影响。

碳酸盐类岩石通常以其组成的成分进行分类,纯碳酸盐岩可划分为石灰岩和白云岩两大类及一系列过渡类型。碳酸盐岩中方解石或文石含量超过50%的属灰岩类,碳酸盐岩中白云石含量超过50%的属白云岩类,二者之间按方解石和白云石含量的重量百分比,又可以划分出一系列的过渡类型。如:含白云质灰岩、白云质灰岩、含灰质白云岩、灰质白云岩等。但自然界中碳酸盐岩常常含有一定量的不溶物成分,形成了不纯的碳酸盐岩类,不纯的灰岩或不纯的白云岩中皆含有诸如硅质、泥质等不溶物成分。如:泥灰岩、硅质灰岩、泥质白云岩、硅质白云岩等。

在其他条件相同的情况下,石灰岩类总是比白云岩类岩石易溶,纯碳酸盐岩也较不纯碳酸盐岩溶蚀更加强烈。此外,岩石的结构对岩溶发育也有一定的影响。通常是晶粒愈小,相对溶解度就愈大,不等粒结构比等粒结构的相对溶解度大。但粗粒结构又有利于水流渗透,在一定程度上促进了溶蚀作用。岩石的结构对岩溶发育的影响是比较复杂的,在野外鉴别的难度较大。而岩石成分对岩溶发育的影响,在野外表现较为明显,纯灰岩岩溶很发育,溶洞大而集中,典型的岩溶形态发育完善;纯白云岩岩溶率也不低,但溶洞往往很小;含燧石结核或燧石层的碳酸盐岩,岩溶发育一般比较弱,由其硬、脆的特点所决定,常常岩体破碎,节理裂隙成了主要的赋水空隙。

2.1.2.2 岩溶含水层组类型及赋水特征

岩溶含水层(karst aquifer)是能够导水的饱水岩溶化岩层。而岩溶含水层组(karst water-bearing combination)是指碳酸盐岩岩溶含水层与非碳酸盐岩相对隔水层的组合。碳酸盐岩岩溶含水层与非碳酸盐岩相对隔水层的不同的组合方式,会导致碳酸盐岩在岩溶作用方面的明显差异,从而构成具有不同水文地质特征的多种岩溶含水层组类型。对于同一岩溶含水层组类型,其整体的岩溶水赋存特征及富水性与均匀性是相近的。划分含水层组类型是水文地质测绘与编图的基础工作,含水层组类型是野外填图的基本单位

从岩溶水文地质的观点出发,通常是根据同级地层单位中碳酸盐岩岩溶含水层与非碳酸盐岩相对隔水层之间的厚度比例,划分岩溶含水层组类型,最基本的有均匀状岩溶含水层组和间互状岩溶含水层组两大类。

均匀状岩溶含水层组指由基本单一的各类碳酸盐岩岩溶含水层所组成,所夹的非碳酸盐岩相对隔水层厚度小于总厚度的10%。包括均匀状灰岩、均匀状白云岩和均匀状不纯碳酸盐岩岩溶含水层组。

间互状岩溶含水层组有两个亚型:一是碳酸盐岩岩溶含水层占30%~90%,与非碳酸盐岩相对隔水层呈间隔状交互组合的互层型;二是碳酸盐岩岩溶含水层占10%~30%,呈间夹层存在于非碳酸盐岩相对隔水层中的夹层型。

2.1.2.2.1 均匀状岩溶含水层组

(1)均匀状灰岩含水层组:纯灰岩往往二氧化硅及其他酸性不溶物含量极少,地层厚度大,岩石质地坚硬。灰岩的溶蚀作用集中沿构造裂隙、断层带发育,并逐渐扩大裂隙通道,形成溶洞或管道系统,岩溶分异作用显著。岩溶发育的特征是循层面及构造破裂带发育规模较大的溶洞管道系统,岩溶差异发育强烈,普遍不均匀。灰岩地层区地表地下各种岩溶形态均得到较好的发育,地表常见大型溶蚀洼地、漏斗、落水洞、竖井等,石峰、溶丘、石芽和石林典型;地下大型溶洞管道系统发育,暗河水系规模巨大,一般都形成了完整、独立的水文地质单元。

根据调查资料,在滇东岩溶石山地区,灰岩地层中溶洞发育密度可达2.32~6.51个/km2,洞体规模宏大。如泸西阿泸古洞,前洞长2.5km,近洞口段分上、下两层,标高分别为1750m和1720m,上层洞人可通行的地段长1500m,为干洞,下层洞口底部为阿庐古洞暗河,出口标高1917m,长400m,长年有水流出。一般洞高5~70m,暗河水面宽8~12m,最大洞宽30余米。还有建水燕子洞、弥勒白龙洞、开远南洞、昆明观音洞等著名溶洞均发育于灰岩地层中,普遍发育三层溶洞,洞内岩溶形态丰富多样,且下层均为现今的暗河通道。

灰岩中硅质及酸不溶物含量高低对其岩溶发育特征也有影响。三叠系下统永宁镇组(T1y)灰岩与三叠系中统个旧组(T2g)等灰岩地层比较,永宁镇组地层SiO2及Al2O3、Fe2O3等酸不溶物含量普遍较高,地表主要岩溶形态为溶丘洼地,含水介质主要为溶隙,溶洞、暗河不发育,大泉数量也较少;而个旧组SiO2及Al2O3、Fe2O3等酸不溶物含量低,地表主要岩溶形态为石芽、石林、落水洞,地下溶洞发育,含水介质主要为溶洞管道,大泉、暗河数量较多。均匀状灰岩分布区近地表的表层岩溶带,一般发育深度达30m以下,与深层的岩溶空隙联系较密切,出露表层泉相对稀少。

均匀状灰岩含水层组赋水空隙主要为规模不等、形状各异的地下溶洞管道,富水性强而不均匀。

(2)均匀状白云岩含水层组:白云岩岩体一般通过密集的裂隙网络扩散溶蚀,使整个岩体逐渐变得疏松,与灰岩相比分异作用减弱,一般为规模较小的溶管、溶孔等岩溶空隙密集发育。白云岩大面积出露时,地表径流与沟谷较灰岩地区密度增大,反映了地下岩溶作用减弱。白云岩分布区地表主要岩溶形态为谷地、洼地、峰林、溶丘、石芽,地下溶洞一般顺层面发育,多中小型溶洞,暗河及大泉数量相对较少。

如广西罗城石炭系中统(C2)白云岩分布区,属峰林洼地地貌,沟谷增多,显示出地表径流较灰岩区增强。由峰林至平坝的径流途中,出露连串的小泉,说明白云岩以裂隙水为特征,地下大型溶洞管道系统不发育。据钻孔资料,白云岩中溶洞高都小于1m。但在断层发育,河谷深切,地下水循环交替强烈,水动力强度大的高原河谷斜坡地带,均匀状白云岩层组中也仍然能够形成大型的溶洞管道,如著名的云南宜良九乡溶洞群就发育在该类层组中,整个洞穴系统共计近百个溶洞。云南陆良小滴水南盘江两岸的暗河、彝良龙街暗河也都发育于泥盆系上统(D3)白云岩中。

均匀状白云岩含水层组赋水空间主要为溶孔、溶隙等,具有普遍含水且富水性较均匀的特征。

(3)均匀状不纯岩溶含水层组:为均匀状的泥质灰岩、泥质云灰岩、硅质白云岩、硅质灰云岩等层组。由于碳酸盐岩中含有泥质、硅质成分,岩溶作用既有溶蚀也有明显的侵蚀,又因有蚀余的不溶物而造成微裂隙通道“堵塞”,因此岩溶发育微弱甚至不发育,仅在断裂带上形成岩溶管道或溶隙强发育带。

硅质及酸性不溶物含量高低对碳酸盐岩的岩溶发育有很大的影响。从滇东地区的情况看,硅质及酸性不溶物含量低的上古生界及其以上的碳酸盐岩层组,较之硅质及酸性不溶物含量高的下古生界及其以下的碳酸盐岩层组,溶洞、暗河及大泉数量普遍较多。

均匀状不纯岩溶含水层组赋水空间以溶隙、裂隙为主,富水性一般弱—较强,均较为均匀。

2.1.2.2.2 间互状岩溶含水层组

(1)互层状岩溶含水层组:互层状碳酸盐岩层组的碳酸盐岩与碎屑岩呈间互状产出。由于其间碎屑岩层起着相对隔水和溶蚀边界的作用,阻碍了地下水的循环,降低了水动力强度,致使岩溶发育较弱。具有明显的层间裂隙含水层的特征,构造控水作用突出。碎屑岩隔水层对含水层的分布、岩溶水的径流通道的发育控制作用明显。往往追踪构造线或碳酸盐岩层走向发育串珠状分布并呈拉长带状形态的、封闭的岩溶负地形及溶洞管道系统。强岩溶发育带常常顺碳酸盐岩与碎屑岩的界面发育,溶蚀深度与地层产状有关。

该类层组含水层赋水空间主要为岩溶管道、溶隙,构成条带状多层含水层结构,富水性中等且较均匀,主要为层间承压溶隙含水层。

(2)夹层状岩溶含水层组:夹层状碳酸盐岩层组由于有碎屑岩的限制,加之碳酸盐岩层较薄,通常不溶物含量较高,岩溶发育微弱或不发育,以构造裂隙为主要赋水空间。在断裂褶皱发育,地形切割强烈的地区,也能顺层发育溶孔、溶隙、岩溶管道。岩溶水赋存空间主要为形态细小的溶孔、溶隙,具有层间裂隙含水层的特征,沿构造破裂带含水层富水性较强。

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