葉 浩，周 云，房艷國，羅文行，吳海斌，翁文林，付興偉

（1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；2.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038）

0 引言

我國是巖溶發(fā)育最為廣泛的國家之一，尤其在滇、黔地區(qū)，巖溶地層以碳酸鹽巖為主，由于氣候濕熱、降水豐沛，巖溶作用強烈，溶孔、溶隙、溶洞及暗河水系十分發(fā)育，形成極具特色的巖溶系統(tǒng)[1-5]。巖溶區(qū)通常存在復雜的地下洞穴和暗河系統(tǒng)，在巖溶區(qū)施工長大隧道不可避免地會使當地巖溶水系統(tǒng)發(fā)生改變，如地下水水位的下降、地表泉點的漏失等，極易引發(fā)隧洞涌水、突泥和巖溶崩塌等工程地質問題[6-8]。巖溶系統(tǒng)在空間上的展布規(guī)律是認識巖溶系統(tǒng)的基礎，其控制因素則是最根本問題，也是工程地質關注的重點。

對于滇中鶴慶—劍川地區(qū)巖溶系統(tǒng)，其發(fā)育特征及其控制因素是該地區(qū)巖溶系統(tǒng)的重要科學問題之一。本文擬總結鶴慶—劍川巖溶系統(tǒng)的發(fā)育特征，并討論影響巖溶系統(tǒng)發(fā)育的主要控制因素，為深入認識研究區(qū)巖溶系統(tǒng)及工程實踐提供參考。

1 研究區(qū)概況

鶴慶—劍川位于云南省中部，大地構造位置上位于揚子地臺鹽源—麗江臺緣凹陷鶴慶—洱海臺褶束、中甸褶皺束和云嶺褶皺帶維西褶斷束、以及滇藏歹字形構造體系中的鶴慶西部構造區(qū)黑泥哨褶斷區(qū)復合部位。受印度板塊向北傾伏俯沖擠壓作用[9-11]，研究區(qū)歷經多期構造的復合作用和以板塊活動為特點的新構造活動，地質構造十分復雜。主要表現為以近南北向構造帶與北北東—北東向構造帶為基本骨架，復合有近東西向構造的構造格局[12]，表現為斷裂構造發(fā)育，褶皺構造一般規(guī)模較小。區(qū)域地層發(fā)育較為完整，除侏羅系、白堊系地層缺失外，從寒武紀至第四紀地層均有不同程度出露。其中分布范圍較廣的地層包括二疊系、三疊系以及古近系地層，同時碳酸鹽巖在該區(qū)的古生界—新生界地層中普遍存在并分布廣泛。

鶴慶—劍川區(qū)內共發(fā)育六大巖溶系統(tǒng)，分別為白漢場巖溶系統(tǒng)、拉什海巖溶系統(tǒng)、文筆海巖溶系統(tǒng)、鶴慶—西山巖溶系統(tǒng)、清水江—劍川巖溶系統(tǒng)和南溪—拉郎巖溶系統(tǒng)，總體走向為北東—北西向（圖1）。

圖1 鶴慶—劍川地區(qū)地質簡圖及巖溶系統(tǒng)分布Fig.1 Geological sketch map and karst system distribution in Heqing-Jianchuan area

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶層組類型

研究區(qū)出露的主要巖溶地層有志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系和古近系。根據巖性組合特點，可將研究區(qū)巖溶層組類型劃分為4種類型：（1）連續(xù)純碳酸鹽巖型、（2）碳酸鹽巖夾非碳酸鹽巖型、（3）碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互（間）層型和（4）非碳酸鹽巖夾碳酸鹽巖巖溶層組。其中以（1）和（2）為主，（3）和（4）在本區(qū)分布并不普遍。

區(qū)域內屬于（1）型巖溶層組類型的主要有石炭系中統(tǒng)和上統(tǒng)灰?guī)r，二疊系下統(tǒng)灰?guī)r、硅質灰?guī)r，三疊系北衙組中上段灰?guī)r、白云巖、白云質灰?guī)r。其中，三疊系北衙組中上段的灰?guī)r、白云質灰?guī)r和白云巖在研究區(qū)出露最廣，連續(xù)厚度均在100 m以上。其巖溶作用發(fā)育強烈，表現在地表以峰叢洼地、峰丘洼地（或谷地）為主，大型巖溶洼地、落水洞、巖溶漏斗和巖溶塌陷分布普遍，地下多發(fā)育巖溶管道或地下河，有眾多巖溶大泉出露地表。

在研究區(qū)內屬于（2）型巖溶層組類型的主要有泥盆系青山組和上三疊統(tǒng)中窩組。泥盆系青山組為含硅質、泥質夾層的灰?guī)r，其上部碳酸鹽巖連續(xù)性較好，分布區(qū)巖溶發(fā)育強烈，地表多發(fā)育淺蝶形洼地、谷地，屬于強巖溶層組。

麗江組主要分布于鶴慶東山坡，為一套紫色塊狀石灰質角礫巖、薄至中層狀細粒石英砂巖及砂質頁巖，其中的紫色塊狀石灰質角礫巖屬于不純碳酸鹽巖，因此，其屬于不純碳酸鹽巖互層型，其巖溶發(fā)育中等，在盆地邊多發(fā)育有中、小規(guī)模巖溶泉，泉數量多、單泉流量小。非碳酸鹽巖夾碳酸鹽巖巖溶層組巖溶層組類型有泥盆系蓮花曲組，巖性為灰色頁巖夾燧石結核灰?guī)r、生物灰?guī)r，巖溶不發(fā)育，地表主要為侵蝕地貌，可歸屬于非碳酸鹽巖隔水層組。

2.2 巖溶形態(tài)

巖溶發(fā)育具有明顯的空間上分異性，主要表現在巖溶發(fā)育形態(tài)特征、規(guī)模等方面存在明顯的空間分異性。區(qū)內巖溶地貌組合形態(tài)包括溶蝕平原、溶丘谷地、溶丘洼地、溶蝕邊緣谷地、巖溶斜坡或陡崖等類型。

2.2.1 溶蝕平原

主要分布在拉市海及其西南的拉市海復式向斜核部，安樂壩、沙子坪、馬廠、黃蜂廠等大型溶蝕洼地總體上可以歸屬于溶蝕平原類。這些溶蝕平原均分布在北衙組泥質灰?guī)r為主的巖溶層組中，構造上主要位于向斜核部，巖溶破碎程度高。溶丘谷地包括溶丘谷地和嶺丘谷地兩種，均受線狀構造控制。

2.2.2 溶丘谷地

見于老凹各、馬廠東山、安樂壩北部、劍川東山山頂、魯禿南部和銀河水庫—河底村附近和麗江海西等地，以長條形洼地與溶丘（或連底座的孤立溶丘）相間排列為特征，溶丘坡頂平滑。在老凹各受北西、北東兩組破碎帶的控制，形成棋盤式溶丘與谷地格局。在魯禿—寒鏡落之間，北北西和近南北向相間排列的溶丘與谷地最為發(fā)育。嶺丘谷地表現為長條形溶蝕山嶺與溶蝕谷地相間分布，山體規(guī)模較大。

2.2.3 溶丘洼地

在研究區(qū)分布較廣，北至文筆海以南的五臺山—立子課一帶，中部扣潭—爭都、下馬塘—安樂壩，西南部的新華—黃蜂廠—背馬廠—東甸一帶，以及馬廠東山等地均有分布。溶丘洼地的形成大多數與棋盤式構造格局，即兩組平行構造（包括大型共軛節(jié)理、橫穿緊密褶皺的破碎帶等）大角度交匯有關。

2.2.4 溶蝕邊緣谷地

溶蝕邊緣谷地是指在可溶巖與非可溶巖接觸界面附近，尤其是可溶巖與非可溶巖接觸界面，形成的長條形溶蝕谷地。在研究區(qū)較為常見。典型的溶蝕邊緣谷地有分布于馬廠東山沿青石崖斷裂形成的千里居—春山坡北邊緣谷地、寒鏡落南部邊緣谷地等。

2.2.5 巖溶斜坡或溶蝕陡崖

主要分布于斷陷盆地邊緣，如劍川盆地東山坡、鶴慶盆地西山坡等，其形態(tài)表現為坡度較陡的溶蝕坡面或陡崖，其上可見光滑的溶蝕面和沿坡面分布的平行溶蝕溝谷、溶槽等巖溶形態(tài)。

2.3 巖溶優(yōu)勢發(fā)育帶

巖層界面，尤其碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸界面附近，水—巖交互作用活躍，巖溶作用尤其強烈，通常發(fā)育侵蝕—溶蝕谷地，稱為“巖溶邊緣谷地”。邊緣谷地地貌形態(tài)上表現為沿巖性接觸界面形成的長條型負地形，在碎屑巖一側地形平緩，而在碳酸鹽巖一側通常地形陡峻，多有陡崖，并發(fā)育一個或多個落水洞。典型的如錳礦廠地下河主管道即沿千里居—春山坡北—干海子巖溶邊緣谷地附近發(fā)育。研究區(qū)具有此類巖溶空間發(fā)育、分布規(guī)律的還有馬廠東甸邊緣谷地、劍川東甸巖溶邊緣谷地（長條形洼地）、劍川黃蜂廠谷地，乃至于清水江谷地、汝南河谷地和白漢場—九河谷地、河底—白土坡谷地、馬廠堆煤場谷地、田房谷地、寒敬落谷地等。沿碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸界面發(fā)育的另一種比較普遍的巖溶現象是沿線發(fā)育線狀排列的巖溶泉、地下河或溶洞。此類巖溶現象的形成通常是地下水從碳酸鹽巖分布區(qū)向碎屑巖分布區(qū)運移，遇碎屑巖阻水后岀露地表，并形成規(guī)模較大的溶洞。

區(qū)內巖溶系統(tǒng)有明顯的沿構造帶巖溶強烈發(fā)育的特點（圖1），主要包括褶皺軸部或轉折端，斷層疊置匯聚和構造裂縫。褶皺軸部或轉折端往往巖石較為破碎，巖溶發(fā)育較為強烈。巖溶發(fā)育順背斜軸部或向斜核部發(fā)育較明顯的見于研究區(qū)西北的高美古、汝寒坪、香爐山一線，沿香爐山次向斜軸部，發(fā)育有巖溶谷地，有線性排列的巖溶塌坑、漏斗分布和大型巖溶洼地、湖泊。例如，魯禿山向斜為一軸向北北東向、向北抬起的向斜，受兩翼及向斜抬起端巖溶發(fā)育較差的二疊系和三疊系泥質灰?guī)r、泥灰?guī)r及非碳酸鹽巖含水層組（碎屑巖）控制，地表水、地下水總體上沿向斜核部由北向南運移。在魯禿—寒鏡落之間的向斜核部，發(fā)育有古巖溶干谷（古河道），谷地底部遍布巖溶塌坑、漏斗，表明向斜核部巖溶發(fā)育強烈。

在兩斷層交匯處附近，巖石破碎程度更高，巖溶發(fā)育最為強烈，通常形成典型的巖溶負地形，包括大型巖溶洼地、落水洞、巖溶塌坑等（圖2）。典型的如沙子坪、下馬塘、安樂壩、馬廠、石灰窯、打板菁等大型巖溶洼地，即是沿中部張性斷裂破碎帶與近東西向推覆構造交匯處或多個斷層交匯、夾持形成的巖溶破碎塊體中發(fā)育。與此類似，在斷層與大型密集型構造裂隙交匯處，巖溶發(fā)育也十分強烈，在研究區(qū)內更具有代表性。如在劍川盆地東山或鶴慶盆地西山腳，區(qū)域性深大斷裂（劍川—麗江斷裂帶、洱源—鶴慶斷裂）經多次繼承性活動及北西向斷層的錯斷，帶內巖石破碎，巖溶極為發(fā)育（圖2d）。大型溶洞或巖溶泉均發(fā)育于近南北向區(qū)域深大斷裂帶與北西向張性破碎帶交匯處。典型的如鶴慶西山仕莊龍?zhí)丁↓執(zhí)丁簖執(zhí)兑痪€山腳和山坡近南北向大斷裂帶附近，與北西走向破碎帶（密集節(jié)理）交匯處發(fā)育有天子廟清玄洞、大龍?zhí)缎率瓷舷露吹榷鄠€NW走向規(guī)模較大的溶洞（圖2a、c）。同時，研究區(qū)內巖溶程度沿北東和北西的兩組構造裂隙最為發(fā)育。如在鶴慶西山小龍?zhí)丁簖執(zhí)吨g的西山坡，北西向節(jié)理或破碎帶密集發(fā)育，其走向為295°～310°，沿該破碎面、節(jié)理的巖溶作用極為發(fā)育，形成寬5~50 cm的大型溶蝕裂隙（圖2b）和巖房。

圖2 鶴慶—劍川地區(qū)沿NW向破碎帶發(fā)育的巖溶負地形Fig.2 Karst negative topography developed along the NW fracture zone in the Heqing-Jianchuan area

3 巖溶系統(tǒng)的控制因素

3.1 物質基礎

巖溶作用發(fā)生的首要條件是存在可溶性巖石。研究區(qū)可溶巖主要是碳酸鹽巖，主要分布在志泥盆系、三疊系和古近系的不同時代地層中（表1），以濱?！獪\海相沉積建造為主，麗江組可能屬于山前盆地相沉積，是碳酸鹽巖在陸相沉積環(huán)境中的再堆積。巖石的可溶解性主要取決于其化學成分和礦物晶體結構或巖石破碎性等幾大因素。不同化學成分的巖石可溶性強度有較大的差異。一般就溶解度而言，鹵化物＞硫酸鹽巖＞碳酸鹽巖[13-14]。碳酸鹽巖雖然溶解度比起鹵化物和硫酸鹽低，但在自然界中分布最廣，是自然界中的巖溶現象主要發(fā)生對象[15-17]。研究區(qū)的可溶巖均為各類碳酸鹽類巖石，包括石灰?guī)r、白云巖及其之間的過渡類型白云質灰?guī)r、灰質白云巖。其中，灰?guī)r溶解度較高，而白云巖的溶解度稍差。一般而言，碳酸鹽巖中CaO/MgO比值越高，巖石溶解度越高[13]。研究區(qū)內分布有灰?guī)r、白云巖、泥質灰?guī)r和鈣質泥巖等不同類型的碳酸鹽巖，其CaO、MgO和酸不溶物等成分的測試結果見表2。從表2中可以看出，巖溶發(fā)育強度：灰?guī)r＞白云巖＞泥質灰?guī)r或鈣質泥巖。實際上，造成灰?guī)r巖溶發(fā)育強度大于白云巖巖溶發(fā)育強度的是方解石與白云石的礦物結構（包括晶格能）所決定的礦物溶解度，而晶格能是指示結晶物質的穩(wěn)定性能和牢固度指標。方解石的晶格能比白云石的低，顯然更容易被溶解[18]。

表1 鶴慶—劍川地區(qū)可溶巖地層及分布Table 1 Characteristics and distribution of soluble strata in Heqing-Jianchuan area

表2 研究區(qū)不同碳酸鹽巖巖石化學成分分析結果（單位：%）Table 2 Geochemical composition of different kind of carbonate rocks in the study area（unit：%）

3.2 構造作用

研究區(qū)大地構造上位于揚子準地臺麗江臺緣褶皺帶與松潘—甘孜褶皺系兩大構造單元邊界處，印度板塊與歐亞板塊結合處附近。由于印度板塊自南向北、自西南向北東方向向歐亞板塊的俯沖，以及太平洋板塊自東向西向歐亞板塊的俯沖，在西藏高原至中南半島形成了自東向轉近南北、再轉東南方向的“反S”型構造體系。研究區(qū)位于該構造區(qū)中部，滇藏“歹”字形構造體系與三江南北向構造體系的復合部位，構造形跡以近南北向、北北西向構造（區(qū)域大斷裂、褶皺系）為主、東西向構造為輔。北北西—近南北褶皺有中甸褶皺帶、蘭坪—思茅褶皺系（構造凹陷）、云嶺褶皺帶和北北東向的麗江臺緣褶皺帶，斷裂構造以怒江深斷裂帶、瀾滄江深斷裂帶、蘭坪—永平斷裂帶、維西—巍山斷裂帶和金沙江深斷裂帶為代表[19-21]。

鶴慶—劍川巖溶系統(tǒng)的走向在空間上以北東—北西向為主，基本與區(qū)域內主構造線走向一致，同時單個巖溶系統(tǒng)多以斷裂為邊界，這些特征說明區(qū)域內的巖溶系統(tǒng)的發(fā)育與構造活動有關，尤其是區(qū)域性大斷裂。同時就巖溶形態(tài)而言，不同的巖溶形態(tài)是巖溶發(fā)育程度的反映。研究區(qū)內巖溶高度發(fā)育的溶丘谷地或嶺丘谷地，其空間分布受地質構造，尤其是平行或格網狀分布的構造格局的控制。其中，谷地多沿構造破碎帶發(fā)育，以近東西向（推覆構造體）、北東與北西向共軛破碎帶分布區(qū)內最發(fā)育。如白龍?zhí)丁鼾執(zhí)兑晕髦涟矘穳沃g的條形巖溶山地與沿東西向斷層、巖性軟弱的碎屑巖形成的侵蝕、溶蝕谷地相間分布；老凹各沿北東與北西向共軛破碎帶發(fā)育的溶丘或峰丘谷地最為典型。

該區(qū)的構造活動控制巖溶系統(tǒng)的發(fā)育主要表現在兩個方面。其一，斷裂帶內部，褶皺軸部破碎程度高，裂縫發(fā)育[22]。斷裂帶是流體運移的良好通道，構造裂縫是連通巖層的極佳的媒介，這不僅增大了流體—巖石接觸的表面積，同時也增強了巖石的透水性，進而影響巖溶作用在靠近斷裂帶及褶皺軸部尤為劇烈。另一方面影響了區(qū)域性氣候環(huán)境，進而影響巖溶系統(tǒng)的發(fā)育[11，23-24]。青藏高原的隆升是新生代以來全球最為重要的地質事件之一，對亞洲乃至全球氣候演化產生了深刻的影響[11，23-24]。對于云南地區(qū)而言，青藏高原的構造抬升改變了云南地區(qū)的氣候環(huán)境，尤其是降水和植被方面。區(qū)域性降水量的增大，及地表高度覆蓋的植被，也能大大增強巖溶程度。

4 結語

鶴慶—劍川巖溶系統(tǒng)具有以下特點：①連續(xù)純碳酸鹽巖型和碳酸鹽巖夾非碳酸鹽巖型的巖溶層組類型在區(qū)域內占據主要地位，這為巖溶發(fā)育提供了良好的物質基礎；②巖溶沿碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖接觸界面及盆地邊緣發(fā)育；③巖溶系統(tǒng)的走向總體上與區(qū)域內的構造發(fā)育基本一致，具體表現在巖溶順張性斷層帶或壓扭性斷層的一側，褶皺軸部及構造裂縫發(fā)育強烈。結合該區(qū)域地質背景，研究認為鶴慶—劍川巖溶區(qū)主要受控于巖溶物質基礎和構造活動影響?？扇苄詭r石是巖溶區(qū)重要的物質基礎，而碳酸鹽巖在該區(qū)分布廣泛，且連續(xù)純碳酸鹽巖型是該區(qū)重要的巖溶層組類型，這為該區(qū)的巖溶發(fā)育提供了極佳的物質基礎。構造活動對巖溶系統(tǒng)的影響，一方面構造活動產生的一系列斷層及褶皺，包括同期的構造裂縫，增強了流體的運移流通能力，另一方面青藏高原的隆升改變了區(qū)域內的氣候環(huán)境，尤其是降水量和植被的發(fā)育，是巖溶系統(tǒng)發(fā)育的重要的因素之一。