織金大龍井巖溶大泉形成機(jī)理研究

　　摘要：為了弄清大龍井巖溶大泉形成機(jī)理以及地下水補(bǔ)徑排關(guān)系。通過調(diào)查大龍井地形地貌、補(bǔ)徑排關(guān)系以及對水化學(xué)分析等研究大龍井巖溶大泉的形成機(jī)理，通過調(diào)查得知：大龍井巖溶大泉是形成于低山-丘陵地區(qū)的石灰?guī)r地區(qū)。是山盆期和烏江期的強(qiáng)烈?guī)r溶作用以及河谷的不斷下切，加上上寨臺地地表峰叢之間發(fā)育洼地、漏斗，中間區(qū)域的落水洞，大氣降雨沿著落水洞進(jìn)入地下，在重力作用下從南向北徑流，在這過程中水流逐漸集中，巖溶空間形態(tài)也逐步擴(kuò)大，最終水匯集于龍洞溝呈泉集中排泄出地面，形成大龍井巖溶大泉以及大龍井水系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：巖溶;徑流;補(bǔ)給;排泄;系統(tǒng)

　　0引言

　　織金大龍井巖溶大泉位于貴州省織金縣茶店鄉(xiāng)龍洞溝，是茶店鄉(xiāng)最大的巖溶大泉。巖溶地下水經(jīng)地下由南向北于茶店鄉(xiāng)龍洞溝流出地表，形成大龍井巖溶大泉。巖溶地下水系統(tǒng)是西南巖溶石山地區(qū)最基本的水系統(tǒng)，巖溶大泉是大量巖溶地下水集中排泄而形成[1-5]。關(guān)于西南巖溶地下水，前人開展過大量研究：歸納提出了巖溶水系統(tǒng)分類分級方案及其基本水文地質(zhì)特征，將巖溶水系統(tǒng)分為三級，第一級為巖溶水系統(tǒng)，第二級分為淺循環(huán)和深循環(huán)巖溶水系統(tǒng)，第三級分別進(jìn)一步分為裸露型、裸露—覆蓋型、裸露—埋藏型及層控型和斷裂帶型五類基本的巖溶水系統(tǒng)[6-7]，得出了貴州省巖溶區(qū)管道流與水動(dòng)力特征，認(rèn)為管道流是受管道結(jié)構(gòu)、補(bǔ)給方式和路徑所控制的[8-9]。

　　通過同位素示蹤劑及水化學(xué)分析法分析，追蹤水源來源和最終流向可以得到地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系以及巖溶地下水徑流特征[10-13]。同時(shí)通過對水文地質(zhì)調(diào)查，得出了巖溶受巖性以及構(gòu)造作用的抬升影響[14-16]，溶洞的發(fā)育對地層層位、構(gòu)造部位、地形地貌單元有著極鮮明的選擇性[17-18]。貴州能化擬建一個(gè)化工廠在大龍井巖溶大泉北側(cè)，化工廠位于大龍井巖溶大泉水流下游，為防止化工廠將水污染后流向下游水庫，故迫切需要查明大龍井巖溶大泉的含水介質(zhì)特征與補(bǔ)給特性，為今后大龍井水源保護(hù)提供指導(dǎo)。

　　1基本地質(zhì)條件

　　研究區(qū)位于大龍井巖溶大泉出水口南側(cè)。是位于低山-丘陵地區(qū)，總體上地勢起伏不平，南高北低。地形地貌格局由山盆期殘存臺地在烏江期壟升階段河流、溝谷深切過程中形成，茶店—上寨村一帶臺地標(biāo)高約1350~1400m，地貌主要為巖溶地貌，其次為構(gòu)造剝蝕地貌。大龍井后緣為海拔較高的灰?guī)r溶蝕臺地，臺地上溶丘連綿，溶丘之間洼地、漏斗發(fā)育。研究區(qū)大部分區(qū)域出露碳酸鹽巖，屬巖溶地貌。出露的碳酸鹽巖巖性上有較大的差異，調(diào)查區(qū)出露地層主要為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組一段(T2g1)的泥質(zhì)白云巖、關(guān)嶺組二段(T2g2)的灰?guī)r以及三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)的白云巖，可溶性有較大差異，加上巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造的影響，在地貌上表現(xiàn)出明顯的差異性。

　　如白云巖可溶性差、主要為薄層結(jié)構(gòu)，地表巖溶景觀不顯著，地表溶溝溶槽、石芽不發(fā)育，山體渾圓，發(fā)育沖溝，兼有強(qiáng)烈的剝蝕作用，地表多被植被覆蓋。而灰?guī)r可溶性較強(qiáng)，主要為厚層狀結(jié)構(gòu)，地表巖溶景觀十分顯著，地表溶溝溶槽、石芽發(fā)育，巖石出露地表，山體較陡峻�；�?guī)r區(qū)微地貌單元上以溶蝕丘陵、低山為主，巖溶槽谷、洼地、漏斗、落水洞等地表巖溶景觀也較普遍。調(diào)查區(qū)主要發(fā)育了兩條斷層以及一個(gè)上寨背斜，兩條斷層主要為NE-SW向和NW-SE向的斷裂，其中NE-SW向斷裂切割地層分別為二疊系和三疊系。主斷裂走向變化于30°~65°，斷面傾向南東或北西，傾角65°~80°。NW-SE向的斷裂規(guī)模較小，延伸長度大約2~5km，在區(qū)內(nèi)錯(cuò)斷NE-SW向斷層。上寨背斜軸線為NE-SW向，長約3.5km，核部地層為關(guān)嶺組一段泥質(zhì)白云巖，兩翼地層為關(guān)嶺組二段灰?guī)r、楊柳井組白云巖。受北東向和南西向兩個(gè)方向斷層的影響，背斜西南側(cè)地層不對稱。

　　2大龍井泉點(diǎn)基本情況

　　2.1流量大小及地下水類型

　　根據(jù)調(diào)查資料以及現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，大龍井巖溶大泉出水口高程約1236m，雨季暴雨后泉最大流量144L⋅s-1(1980.7.9)，枯季最小流量20.2L⋅s-1(2016.1.14)。研究區(qū)主要分布在灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地區(qū)，總體裂隙十分發(fā)育。地下水動(dòng)力條件為管道、廊道集中流運(yùn)動(dòng)，含水極不均一，以地下河、巖溶大泉為主要排泄特征。大龍井泉點(diǎn)發(fā)育在關(guān)嶺組中段，關(guān)嶺組中段灰?guī)r溶隙裂隙等較為發(fā)育，局部發(fā)育較大的溶洞，并形成地下暗河等，水量較大。研究區(qū)地下水類型主要為碳酸鹽巖溶洞水。

　　2.2水化學(xué)分析

　　水化學(xué)分析法是在關(guān)于地下水研究方面的主要手段之一，它在水的徑流等研究中也具有獨(dú)特的研究意義，在一定程度上記錄著水體的補(bǔ)給來源、賦存條件、滲流途徑等信息，因此，水文地球化學(xué)指標(biāo)可作為研究地下水補(bǔ)、徑、排的重要依據(jù)[12，19-20]。本次在研究區(qū)內(nèi)選2個(gè)地下水點(diǎn)進(jìn)行采樣與水化學(xué)指標(biāo)的測定，從水化學(xué)類型、水化學(xué)離子指標(biāo)進(jìn)一步分析研究區(qū)地下水的補(bǔ)、徑、排條件。

　　巖溶水化學(xué)成分的形成是地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、物理化學(xué)平衡等因素綜合控制下元、素遷移的結(jié)果，其空間分布特征主要取決于地下水的循環(huán)交替條件，反之，巖溶水的化學(xué)組成也可反映水動(dòng)力場的基本特征[21]。由圖4可清楚地看出：這些水樣點(diǎn)在圖形中都比較集中，說明兩組樣中水化學(xué)類型變化不大，在陰離子三角形圖中，這些水樣點(diǎn)落在三角形圖的左側(cè)邊界偏下附近，Cl-貧乏;在陽離子三角形圖中，這些水樣點(diǎn)落在三角形圖的左側(cè)偏下部附近，Na+和K+含量較少，主要為Ca2+和Mg2+;在菱形區(qū)域上這些水樣點(diǎn)主要分布左側(cè)偏下部附近，水化學(xué)類型為HCO3-CaMg型。pH為8.32，呈弱堿性水。與西南巖溶地下水的特征一致[7]，主要受控于碳酸鹽巖溶解。

　　3大龍井泉域劃分

　　3.1大龍井巖溶發(fā)育特征

　　大龍井的補(bǔ)給區(qū)為其后緣斜坡及上寨村臺地上關(guān)嶺組二段灰?guī)r出露區(qū)。臺地與大龍井出水點(diǎn)高差近200m。臺地地表發(fā)育峰叢(丘陵)，峰頂與臺面高差30~50m，峰叢之間發(fā)育洼地、漏斗，中間區(qū)域發(fā)育落水洞。大部分洼地面積不大，也有個(gè)別直徑過百米的洼地。其地表巖溶的發(fā)育特征與兩條斷層從臺地中部穿過，同時(shí)發(fā)育褶皺構(gòu)造(背斜)有關(guān)。臺地上漏斗、洼地已覆蓋一定厚度的紅黏土或次生紅黏土，峰叢之間均被開墾為耕地，山體上基巖出露地表。臺地上未發(fā)現(xiàn)土洞、地表塌陷。

　　大氣降水除少量蒸發(fā)、滯留于覆蓋層外，絕大部分補(bǔ)充地下水，為地下巖溶的發(fā)育提供了充分的保證。臺地地下巖溶空間發(fā)育特征受到巖體結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)造的影響，總體上沿層面、構(gòu)造裂隙面發(fā)展。地下巖溶空間形態(tài)可分為垂向發(fā)育帶和水平發(fā)育帶。垂向發(fā)育帶地下巖溶空間形態(tài)上主要為豎向(局部斜向)洞穴和溶蝕縫隙。因處于地表水入滲區(qū)，而地表水僅為大氣降水，補(bǔ)給量有限，垂向發(fā)育帶不具備發(fā)育規(guī)模較大的巖溶空間的條件，故臺地上未發(fā)現(xiàn)地表塌陷現(xiàn)象。下部地下水逐步轉(zhuǎn)化為水平徑流，地下巖溶形態(tài)發(fā)生改變，在強(qiáng)水平徑流帶至排泄點(diǎn)，水流逐漸集中，巖溶空間形態(tài)逐步擴(kuò)大，由溶蝕裂縫、小型洞隙轉(zhuǎn)化為較大的溶蝕洞穴、管道。此外，大龍井后緣至臺頂之間為緩坡，斜坡區(qū)地表發(fā)育石芽、溶溝溶槽、巖溶落水洞，大氣降水以分散流的形式補(bǔ)給地下水，地下巖溶空間形態(tài)主要為溶蝕縫隙。

　　3.2大龍井巖溶大泉形成過程

　　研究區(qū)位于晚近山盆期第二亞期臺面后緣與烏江期的過渡壟升帶，上寨村臺地為山盆期第二亞期殘存臺地，標(biāo)高1400~1500m。山盆期第二亞期地殼穩(wěn)定時(shí)間長、巖溶作用強(qiáng)烈，水平溶蝕作用為主，垂直溶蝕作用次之，形成寬谷、盆地。烏江期由于地殼強(qiáng)烈上升，巖溶由水平侵蝕為主變?yōu)榇瓜蚯治g為主，六沖河、底那河河谷下切，大龍井泉點(diǎn)出水點(diǎn)北側(cè)逐步發(fā)育出以沖溝，形成場地至底那河之間的上寨村臺地。臺地巖溶作用也變?yōu)橐源瓜蜃饔脼橹�，地表水短途徑流后沿層面、�?jié)理裂隙下滲，在臺地上逐步形成溶丘、洼地、漏斗、落水洞等巖溶地表巖溶景觀。隨著臺地周邊地形的不斷下切，臺地巖溶水的排泄基準(zhǔn)面不斷改變，且早期以分散性排泄為主，包括臺地東側(cè)新場—水井灣也應(yīng)為排泄區(qū)，因此早期不具備發(fā)育規(guī)模較大水平洞穴的條件。

　　底那河和以沖溝的下切導(dǎo)致臺地地下水位不斷降低，排泄點(diǎn)逐步集中在南北兩側(cè)。臺地北側(cè)以沖溝下切深度不斷增大，成為臺地巖溶水排泄區(qū)之一，但北側(cè)灰?guī)r區(qū)上覆楊柳井組白云巖，白云巖巖溶發(fā)育條件差，巖溶發(fā)育弱，透水性差，對地下水形成阻擋作用，灰?guī)r區(qū)巖溶水只能從發(fā)育沖溝的相對低點(diǎn)區(qū)域排泄，在地勢較低的沖溝末端形成集中的地下水排泄點(diǎn)。場地內(nèi)發(fā)育的斷層導(dǎo)致在該位置形成深切沖溝，逐漸成為灰?guī)r區(qū)巖溶水的集中排泄點(diǎn)。同時(shí)入滲區(qū)和排泄面(點(diǎn))之間高差不斷增大，形成分流狀—差流狀地下水動(dòng)力條件，有足夠的補(bǔ)給量且地下水動(dòng)力條件充足，最終形成了大龍井巖溶大泉。

　　此外，臺地南側(cè)底那河下切深度大于大龍井出水點(diǎn)，且位于背斜的南翼，必然發(fā)育巖溶大泉。該區(qū)域位于峽谷中，底那河水量大，未能調(diào)查到出水點(diǎn)。臺地后緣雖有大量的地下水補(bǔ)給，但早期排泄基準(zhǔn)面六沖河、底那河高程未降低到足夠深度，地表水入滲后很快又轉(zhuǎn)化為泉水向臺地周邊低洼區(qū)域排泄，匯集于以沖溝、底那河，主要以地表徑流的形式向六沖河排泄。經(jīng)勘察大龍井至六沖河區(qū)域灰?guī)r巖溶發(fā)育較弱，為平流狀地下水動(dòng)力條件，不具備發(fā)育較大巖溶空間的條件。

　　4大龍井巖溶地下水系統(tǒng)

　　4.1大龍井巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)徑排關(guān)系

　　大龍井地下水主要受大氣降水補(bǔ)給和部分生活用水排放補(bǔ)給。不同區(qū)域大氣降水入滲條件差異較大。砂泥巖分布區(qū)多為丘陵斜坡，大氣降水大部分以地表徑流的方式匯集于沖溝。巖溶發(fā)育很弱的白云巖、泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r等地層在地貌上多為中低山、丘陵斜坡地貌，沖溝發(fā)育，入滲條件也較差�；�?guī)r分布區(qū)地表發(fā)育溶蝕洼地、槽谷、漏斗、落水洞，大氣降水入滲條件好，大部分進(jìn)入地下補(bǔ)給地下水。大龍井的補(bǔ)給區(qū)為其后緣斜坡及上寨村臺地上關(guān)嶺組二段灰?guī)r出露區(qū)，補(bǔ)給主要為上寨臺地地表水入滲，主要含水層為關(guān)嶺組第二段石灰?guī)r。關(guān)嶺組第二段石灰?guī)r巖溶發(fā)育，地表基巖裸露、溶蝕洼地和落水洞發(fā)育，含巖溶溶洞水。同時(shí)大龍井后緣至臺頂之間為緩坡，斜坡區(qū)地表發(fā)育石芽、溶溝溶槽，大氣降水以分散流的形式補(bǔ)給地下水。上寨臺地地表發(fā)育峰叢，峰叢之間發(fā)育洼地、漏斗，中間區(qū)域發(fā)育落水洞。形成了良好的匯水區(qū)域。

　　同時(shí)，其經(jīng)過臺地的兩條斷層以及褶皺構(gòu)造(背斜)，加速了大氣降雨的入滲速度，大氣降水除少量蒸發(fā)、滯留于覆蓋層外，絕大部分補(bǔ)充地下水。臺地地下的巖溶空間形態(tài)為垂向發(fā)育帶和水平發(fā)育帶。大氣降雨與地表入滲，入滲到地下后遇到底部關(guān)嶺組一段巖溶不發(fā)育的白云巖，下部地下水逐步轉(zhuǎn)化為水平徑流，在重力作用下從南向北徑流，在強(qiáng)水平徑流帶至排泄點(diǎn)，水流逐漸集中，隨著巖溶空間形態(tài)逐步擴(kuò)大，水流由沿著溶蝕裂縫、小型洞隙轉(zhuǎn)化為較大的溶蝕洞穴、管道流。地下水流也逐漸集中，在大龍井地帶受三疊系中統(tǒng)楊柳井組一段底部泥質(zhì)白云巖阻隔，最終絕大部分水匯集于大龍井呈泉集中排泄出地面，沿著龍洞溝流向下游，匯入以沖溝中。

　　4.2大龍井巖溶水系統(tǒng)

　　位于大龍井泉點(diǎn)出水點(diǎn)東西側(cè)。該系統(tǒng)西部、北部、東部邊界為楊柳井組一段(T2y1)底部“淺灰色厚層泥晶-細(xì)晶白云巖，灰質(zhì)白云巖，夾薄層含泥質(zhì)白云巖”作為地下水系統(tǒng)的隔水邊界，南側(cè)邊界以關(guān)嶺組二段(T2g2)及關(guān)嶺組一段(T2g1)泥質(zhì)白云巖分水嶺作為邊界，該子系統(tǒng)面積3.35km2。根據(jù)調(diào)查資料，雨季暴雨后泉最大流量144L⋅s-1(1980.7.9)，枯季最小流量20.2L⋅s-(12016.1.14)，動(dòng)態(tài)變化率7.13倍，極不穩(wěn)定。大龍井泉水排泄出地表后，全部通過龍洞溝匯入以沖溝后排出。而且泉流量在暴雨后迅速增大，具有“近源補(bǔ)給”的特點(diǎn)和典型的“暴起暴落”、“快補(bǔ)快排”山區(qū)的巖溶水動(dòng)態(tài)特征。根據(jù)1∶5萬水文地質(zhì)圖分析，該泉域面積約3.35km2，據(jù)此計(jì)算出子系統(tǒng)內(nèi)地下水枯季徑流模數(shù)5.2L⋅s-1⋅km-2。

　　5結(jié)論

　　大龍井巖溶大泉是形成于低山—丘陵地區(qū)的的碳酸鹽巖地區(qū)，巖性和可溶性有較大差異，加上地質(zhì)構(gòu)造的影響，地貌上表現(xiàn)出明顯的差異性。地表溶溝溶槽、石芽發(fā)育，巖石出露地表，山體較陡峻。同時(shí)上寨臺地洼地、漏斗、落水洞等地表巖溶景觀也較普遍。為地表水下滲提供了良好的通道。地表水入滲后在地下逐步轉(zhuǎn)化為水平徑流，地下巖溶形態(tài)發(fā)生改變，水流逐漸集中，巖溶空間形態(tài)逐步擴(kuò)大，由溶蝕裂縫、小型洞隙轉(zhuǎn)化為較大的溶蝕洞穴、管道。最終形成了大龍井巖溶地下空間。大龍井巖溶大泉泉水類型為HCO3-Ca·Mg型，呈弱堿性。受控于碳酸鹽巖溶解。

　　主要原因是大龍井巖溶大泉主要是受大氣降雨補(bǔ)給以及少部分生活用水補(bǔ)給，沿著后緣斜坡地帶以及上寨臺地間落水洞等進(jìn)入地下，在重力作用下從南向北徑流，在這過程中水流逐漸集中，最終形成大龍井巖溶大泉以及大龍井水系統(tǒng)。大龍井巖溶大泉流量受季節(jié)影響比較大，泉流量在暴雨后迅速增大，具有“近源補(bǔ)給”的特點(diǎn)和典型的“暴起暴落”、“快補(bǔ)快排”山區(qū)的巖溶水動(dòng)態(tài)特征。

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