地下岩溶分布特征
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发布时间：2022-04-20 15:42
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时间：2023-07-27 10:06
尽管岩溶发育和分布非常不均匀，但却不是杂乱无章的。地下岩溶的发育主要受岩石性质、地质构造、水文与气候等因素的控制。因此，岩溶分布具有以下几个特征。
1.岩溶多沿厚层纯灰岩地层分布
可溶性岩石是岩溶发育的物质基础。岩石的可溶性越强，就越有利于岩溶发育。在常见的碳酸盐类岩石中，纯石灰岩比白云质灰岩及白云岩易受溶蚀;白云岩比硅质灰岩及泥灰岩易受溶蚀。在各种碳酸盐类岩石分布地区，岩溶主要沿着厚层纯灰岩发育。
在碳酸盐类岩石中，不溶于酸的物质(黏土、二氧化硅、沥青等)含量越多，岩石的可溶性就越低，岩溶就越不发育。由于这些不溶物质的存在，阻碍了水同岩石中可溶成分的接触，尤其是这些不溶物质呈分散状态或以胶结物形式存在时，更是如此。如果不溶物质呈粒状或结核状集中存在时，则影响较小。泥灰岩溶蚀后，便形成黏土残余物，阻碍可溶成分的继续溶解。再加上泥灰岩中的黏土物质遇水后体积膨胀，更容易堵塞裂隙和孔隙，阻碍水的侵入。所以，泥灰岩中一般很少发现有强烈的岩溶现象。此外，当存在有非可溶性岩石夹层时，对岩溶发育也不利。如河北邯邢地区，据钻孔揭露资料统计，可溶性岩石按岩溶发育程度分为五类:①质纯厚层石灰岩岩溶最发育，以溶蚀裂隙和小型溶洞为主，并有一定数量的大型溶洞;②白云质灰岩及白云岩岩溶发育次之;③大理岩岩溶发育较弱;④泥质灰岩、泥灰岩及泥质、白云质角砾岩岩溶发育很弱;⑤蚀变灰岩、矽卡岩岩溶发育甚微。
2.岩溶多沿着构造破碎带分布
可溶性岩石中的构造裂隙，为岩溶发育提供了有利条件。使地下水不断沿着岩石裂隙进行化学溶蚀，形成空洞。裂隙发育的地方岩石破碎，地下空洞容易发生洞顶崩塌，为大型溶洞的形成提供了条件。构造裂隙的延伸方向常常控制着地下岩溶的发展方向。
(1)岩溶沿断层破碎带发育
可溶岩层的断层破碎带，特别是张性断层破碎带，地下岩溶特别发育，常发育有地下河或强岩溶带，在断层交叉的部位形成大型溶洞、地下河天窗及地下湖池等。例如，河北曲阳县朱家庄村饮水井(359号)，打在南北和东西向断层的交汇部位，大理岩内有南西向发育的管状溶洞，井深30m，水位埋深17.82m，水量达1200m3/d(图11－1)。
图11－1 河北曲阳县朱家庄村饮水井剖面图据河北省地质局水文地质四大队，1978)
(2)岩溶沿着褶曲轴部发育
可溶岩层褶曲构造的轴部，因为纵张裂隙较多，有利于地下水活动，岩溶发育。地下水易沿着张裂隙溶蚀扩展，形成溶蚀裂隙和溶洞，发展成为强岩溶带或地下河。
从褶曲轴部张裂隙发育的条件来看，背斜优于向斜，但因向斜轴部常有良好的汇水条件，当向斜拗陷不深时，其轴部的岩溶发育往往比背斜轴部还要强烈，容易溶蚀成地下河系。如广西地苏地下河系的主干即沿向斜轴展布，其支流显然是沿着横张裂隙发育的(图11－2)。
图11－2 广西地苏地下河系略图
(3)岩溶沿着层面构造裂隙发育
可溶岩层的层面裂隙也为岩溶发育提供了条件。岩层褶曲过程中最容易产生层间滑动，在两翼产生层面扭裂隙，在轴部产生层面张裂隙。这些层面构造裂隙是地下水活动的通道，岩溶很容易沿着它们发育起来。在包气带中，由地面下渗的水，顺着层面倾斜方向运移，促使岩溶沿着层面倾斜方向发育。在饱水带中，地下水多沿层面裂隙顺着岩层走向运移，所以溶洞和溶蚀裂隙也顺层面走向发育。
3.岩溶多沿着可溶岩层与非可溶岩层接触带分布
碳酸盐类岩石与非可溶性岩层或岩体的接触带，常是地下水运动条件发生改变的地方。由于地下水流常在这里集中并沿着接触带流动，所以岩溶常沿着可溶岩层与非可溶岩层的接触带发育。当可溶岩层比非可溶岩层或岩体的透水性大时，非可溶岩层或岩体则起相对隔水或阻水的作用。使可溶岩层中的地下水受到阻挡，在接触带附近造成集中水流，并迫使地下水沿着两种岩层的接触面流动。这样，在紧靠接触面的可溶岩层里便形成了比其他可溶岩层更为有利的岩溶发育条件。当可溶岩层的透水性比非可溶岩层的透水性小时，则非可溶岩层中的地下水流遇到可溶岩层时，便在接触面附近集中并沿接触面流动，使紧靠接触面的可溶岩石首先被溶蚀。接触面附近较为畅通的流水条件有利于岩溶发育。例如，美国猛犸洞区的岩溶竖井，90%以上发育在石炭系灰岩与砂岩交界处。英国普尔顿－普莱尔瓦洞穴区几乎全部落水洞是沿着石炭系灰岩与页岩交界面附近发育。当石灰岩中有火成岩侵入体时，由于侵入时接触带岩石受挤压破碎，渗透性好，故岩溶强烈发育。前述的济南泉群的出露即为一例。河北易县西市村大口井(图11－3)位于下奥陶统冶里组灰岩与侵入岩接触带中，井中岩石破碎，溶洞发育，涌水量达1500m3/d。
图11－3 西市村大口井地质剖面示意图据河北省地质局水文地质四大队，1978)
图11－4 广西河池县流水岩剖面图
当产状倾斜的可溶岩层与上覆和下伏的非可溶岩层接触时，常在其上覆接触带形成一系列溶井、落水洞等垂直形态的岩溶;在下伏接触带常形成一系列岩溶接触泉。如广西河池县的流水岩，就是下石炭统页岩与中石炭统白云岩接触面上的一条地下河出口，水从50m高的悬崖上流出，形成瀑布，最枯流量为0.2m3/s，如图11－4所示。
4.岩溶多沿地下水强烈交替带分布
水的溶蚀能力是岩溶发育不可缺少的条件。它的大小主要取决于水中侵蚀性CO2的含量及水交替的程度。水中的侵蚀性CO2，主要来源于大气及土壤层的生物化学作用。近地表处水中CO2较多，水的溶蚀能力较强。地下水只有在不断交替更新的条件下，才能始终保持其较大的溶蚀能力。因为停滞的水溶解了CaCO3岩石后，很快就会变成饱和溶液，失去其溶蚀能力。所以，水交替积极的地方，岩溶发育强烈，水交替迟缓的地方，岩溶发育弱，水停滞的地方，岩溶不发育。
如图11－5所示，处于同一气候条件下构造开启程度不同的岩溶含水系统，由于地下水径流交替条件不同而具有不同的岩溶发育程度。图中a岩溶含水系统在可溶岩之上无隔水层覆盖，有利于接受降水补给与径流排泄，流线最密集，岩溶最发育。越靠近排泄区流线越密集，岩溶越发育，排泄区断层附近的流线最为密集，故岩溶也最发育。b岩溶含水系统上覆隔水层，但断层导水，径流条件较差，流线较为稀疏，岩溶发育较差。c岩溶含水系统上覆隔水层且断层不导水，除了石灰岩裸露区浅部有短流程地下水径流，岩溶有一定发育外，深部地下水不发生径流，无岩溶发育。
图11－5 不同构造开启程度岩溶含水系统中岩溶发育条件
(1)岩溶垂直分带
在天然条件下，地下水的交替作用随深度增加而减弱，使岩溶发育在垂直剖面上具有明显的分带现象。
我国南方岩溶垂直分带明显。由地表向下，一般可分为以下几个岩溶带。
1)溶洞带:在近地表的浅部，地下水交替作用强烈，由于雨水渗入而带进大量CO2，促使碳酸盐类岩石大量溶解和迁移，并伴有机械侵蚀和重力崩塌作用。因此，这一带岩溶最发育。不仅岩溶率高，岩溶规模也大，形成以溶洞为主的各种形态的岩溶通道系统，如脉状的、树枝状的、网状的等。常形成地下河系、地下湖池等岩溶含水空间或强岩溶含水带。
2)溶隙带:地下水交替较弱，水的溶蚀能力低。地下水以沿着岩石裂隙溶蚀为主，机械侵蚀和重力崩塌作用极微弱，岩石的裂隙形态大部分没有重大改变。岩溶发育较弱，形成以溶蚀裂隙为主的岩溶带。这个带虽然也有溶洞;但溶洞规模小，分布少。
3)溶孔带:地下水运动迟缓，交替作用非常微弱，几乎处于停滞状态。水的溶蚀能力很低，但因水压很大，仍然可以沿着可溶岩石颗粒之间的薄弱环节进行缓慢地渗透溶蚀。岩溶发育非常微弱，只分布有细小的溶孔等溶蚀现象。
上述三个带，实际上是逐渐过渡的。它们之间没有明显的分界线。随着各地地下水的径流交替条件不同，这三个带的发育深度和厚度变化很大。如广西武鸣县伊岭峰林谷地，地面标高130m左右，溶洞带厚40～60m，溶隙带厚20～50m，90m以下未发现溶洞，在140m深处只见溶孔。而桂林孤峰平原及峰林平原的溶洞带厚达50～60m，溶隙带厚40～80m。图11－6为湖北几个隐伏岩溶类型矿区的岩溶发育随深度变化的情况。这几个矿区的岩溶发育深度均在当地侵蚀基准面以下。除巷子口矿区岩溶发育下限深达－250m标高外，其余三个矿区岩溶下限大致均在－160m标高。岩溶发育程度明显地受深度控制。浅部岩溶率高，以溶洞为主，洞高一般在1m以上，最大溶洞高达21.79m。向深部岩溶率逐渐降低，并以溶孔为主。
图11－6 湖北几个矿区岩溶率随标高变化图
我国北方岩溶发育深度比南方大，但岩溶化程度一般比南方低，也具有垂直分带现象。根据邯邢地区勘探资料，中奥陶统马家沟灰岩的岩溶发育在垂直剖面上可大致分为以下三个带。
1)上部充填岩溶带:主要分布在包气带中，岩溶虽较发育，但多被外来物质和溶蚀残留物质充填。充填程度随深度增加而减弱。充填带厚度一般为30～70m，局部达100m以上。
2)中部强岩溶带:大致位于区域地下水侧向径流交替带的部位，以水平溶蚀作用为主，溶蚀裂隙及溶洞发育。这个带的厚度一般为70～170m。个别地段，由于断裂及褶皱的影响，厚度大于200m。
3)下部弱岩溶带:此带埋藏深，水交替作用迟缓，溶蚀能力低，岩溶不发育，连通性差。岩溶现象主要是蜂窝状、网格状的溶孔。该厚度一般为80～100m。
(2)岩溶发育在水平方向的变化
岩溶在水平方向上，有从分水岭补给区至河谷排泄区岩溶化程度由弱到强的变化特征。分水岭地区地下水径流量小，岩溶作用较弱。随着向河谷排泄区过渡，地下水汇水面积增加，径流量增大，水运动和交替条件越来越好，岩溶化程度也相应增强。因此，强岩溶带多分布在地下水径流排泄区。
从地下水流动系统的观点看待岩溶发育的垂直分带性，可分为非饱和流动系统带、局部流动系统带和区域流动系统带。如图11－7所示，非饱和流动系统带位于地下水面以上。次带中地下水以大气降水的间歇性垂向运动为主，与此相应，常形成垂向发育的溶蚀裂隙、落水洞、溶斗及竖井等。地下水面以下一定深度在局部(当地)侵蚀基准面控制下形成局部流动系统，此处循环深度浅，源汇距离短，水力坡度大，地下水径流强烈，受当地侵蚀基准面控制，大体以水平运动为主。在此带岩溶最为发育，多形成以水平溶洞为主的管道系统(在排泄区可常见指向排泄点的倾斜溶洞)。由此向下为区域地下水流动系统，地下水流受区域性侵蚀基准面控制，径流途径长，径流迟缓且越往深处越缓慢，故此处岩溶通常不发育，到一定深度岩溶消失。此带岩溶空隙主要以细小的溶孔和溶蚀裂隙为主，仅仅在特别有利的条件下(如存在导水性良好的断层带)，在局部径流较强的地段形成岩溶洞穴。
图11－7 地下水流动系统与岩溶发育垂直分带
5.硫化矿体氧化带附近岩溶发育
硫化矿体易于氧化。硫化矿物氧化后产生大量硫酸，使地下水呈酸性，对碳酸盐类岩石有很大的侵蚀性，导致岩溶强烈发育。
硫化矿物氧化过程的化学反应式如下:
普通水文地质学
上述化学反应产生的大量H2SO4加快了水对碳酸盐类岩石的溶解速度，其化学反应式为
普通水文地质学
水中H2SO4增多，pH值降低，使水溶液呈酸性反应。水中的H+就与CaCO3中的CO2－3结合成HCO－3，而使Ca2+溶解于水中。这样就使岩溶作用增强。酸性水不仅使碳酸盐类岩石裂隙迅速溶蚀扩大，而且也使岩石内部产生大量微孔隙，也给岩溶进一步发育创造了有利条件。然而，由于硫化矿体氧化带的分布并不普遍，所以它对碳酸盐类岩层的岩溶发育影响也是局部的。
