織金大龍井巖溶大泉形成機理研究

　　摘要：為了弄清大龍井巖溶大泉形成機理以及地下水補徑排關系。通過調查大龍井地形地貌、補徑排關系以及對水化學分析等研究大龍井巖溶大泉的形成機理，通過調查得知：大龍井巖溶大泉是形成于低山-丘陵地區的石灰巖地區。是山盆期和烏江期的強烈巖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育洼地、漏斗，中間區域的落水洞，大氣降雨沿著落水洞進入地下，在重力作用下從南向北徑流，在這過程中水流逐漸集中，巖溶空間形態也逐步擴大，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。

　　關鍵詞：巖溶;徑流;補給;排泄;系統

　　0引言

　　織金大龍井巖溶大泉位于貴州省織金縣茶店鄉龍洞溝，是茶店鄉最大的巖溶大泉。巖溶地下水經地下由南向北于茶店鄉龍洞溝流出地表，形成大龍井巖溶大泉。巖溶地下水系統是西南巖溶石山地區最基本的水系統，巖溶大泉是大量巖溶地下水集中排泄而形成[1-5]。關于西南巖溶地下水，前人開展過大量研究：歸納提出了巖溶水系統分類分級方案及其基本水文地質特征，將巖溶水系統分為三級，第一級為巖溶水系統，第二級分為淺循環和深循環巖溶水系統，第三級分別進一步分為裸露型、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[6-7]，得出了貴州省巖溶區管道流與水動力特征，認為管道流是受管道結構、補給方式和路徑所控制的[8-9]。

　　通過同位素示蹤劑及水化學分析法分析，追蹤水源來源和最終流向可以得到地下水的補徑排關系以及巖溶地下水徑流特征[10-13]。同時通過對水文地質調查，得出了巖溶受巖性以及構造作用的抬升影響[14-16]，溶洞的發育對地層層位、構造部位、地形地貌單元有著極鮮明的選擇性[17-18]。貴州能化擬建一個化工廠在大龍井巖溶大泉北側，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特征與補給特性，為今后大龍井水源保護提供指導。

　　1基本地質條件

　　研究區位于大龍井巖溶大泉出水口南側。是位于低山-丘陵地區，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—上寨村一帶臺地標高約1350~1400m，地貌主要為巖溶地貌，其次為構造剝蝕地貌。大龍井后緣為海拔較高的灰巖溶蝕臺地，臺地上溶丘連綿，溶丘之間洼地、漏斗發育。研究區大部分區域出露碳酸鹽巖，屬巖溶地貌。出露的碳酸鹽巖巖性上有較大的差異，調查區出露地層主要為三疊系中統關嶺組一段(T2g1)的泥質白云巖、關嶺組二段(T2g2)的灰巖以及三疊系中統楊柳井組(T2y)的白云巖，可溶性有較大差異，加上巖體結構、地質構造的影響，在地貌上表現出明顯的差異性。

　　如白云巖可溶性差、主要為薄層結構，地表巖溶景觀不顯著，地表溶溝溶槽、石芽不發育，山體渾圓，發育沖溝，兼有強烈的剝蝕作用，地表多被植被覆蓋。而灰巖可溶性較強，主要為厚層狀結構，地表巖溶景觀十分顯著，地表溶溝溶槽、石芽發育，巖石出露地表，山體較陡峻。灰巖區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。調查區主要發育了兩條斷層以及一個上寨背斜，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向的斷裂規模較小，延伸長度大約2~5km，在區內錯斷NE-SW向斷層。上寨背斜軸線為NE-SW向，長約3.5km，核部地層為關嶺組一段泥質白云巖，兩翼地層為關嶺組二段灰巖、楊柳井組白云巖。受北東向和南西向兩個方向斷層的影響，背斜西南側地層不對稱。

　　2大龍井泉點基本情況

　　2.1流量大小及地下水類型

　　根據調查資料以及現場實際調查，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)。研究區主要分布在灰巖、白云質灰巖地區，總體裂隙十分發育。地下水動力條件為管道、廊道集中流運動，含水極不均一，以地下河、巖溶大泉為主要排泄特征。大龍井泉點發育在關嶺組中段，關嶺組中段灰巖溶隙裂隙等較為發育，局部發育較大的溶洞，并形成地下暗河等，水量較大。研究區地下水類型主要為碳酸鹽巖溶洞水。

　　2.2水化學分析

　　水化學分析法是在關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特的研究意義，在一定程度上記錄著水體的補給來源、賦存條件、滲流途徑等信息，因此，水文地球化學指標可作為研究地下水補、徑、排的重要依據[12，19-20]。本次在研究區內選2個地下水點進行采樣與水化學指標的測定，從水化學類型、水化學離子指標進一步分析研究區地下水的補、徑、排條件。

　　巖溶水化學成分的形成是地質條件、水文地質條件、物理化學平衡等因素綜合控制下元、素遷移的結果，其空間分布特征主要取決于地下水的循環交替條件，反之，巖溶水的化學組成也可反映水動力場的基本特征[21]。由圖4可清楚地看出：這些水樣點在圖形中都比較集中，說明兩組樣中水化學類型變化不大，在陰離子三角形圖中，這些水樣點落在三角形圖的左側邊界偏下附近，Cl-貧乏;在陽離子三角形圖中，這些水樣點落在三角形圖的左側偏下部附近，Na+和K+含量較少，主要為Ca2+和Mg2+;在菱形區域上這些水樣點主要分布左側偏下部附近，水化學類型為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大龍井巖溶發育特征

　　大龍井的補給區為其后緣斜坡及上寨村臺地上關嶺組二段灰巖出露區。臺地與大龍井出水點高差近200m。臺地地表發育峰叢(丘陵)，峰頂與臺面高差30~50m，峰叢之間發育洼地、漏斗，中間區域發育落水洞。大部分洼地面積不大，也有個別直徑過百米的洼地。其地表巖溶的發育特征與兩條斷層從臺地中部穿過，同時發育褶皺構造(背斜)有關。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。臺地上未發現土洞、地表塌陷。

　　大氣降水除少量蒸發、滯留于覆蓋層外，絕大部分補充地下水，為地下巖溶的發育提供了充分的保證。臺地地下巖溶空間發育特征受到巖體結構特征及構造的影響，總體上沿層面、構造裂隙面發展。地下巖溶空間形態可分為垂向發育帶和水平發育帶。垂向發育帶地下巖溶空間形態上主要為豎向(局部斜向)洞穴和溶蝕縫隙。因處于地表水入滲區，而地表水僅為大氣降水，補給量有限，垂向發育帶不具備發育規模較大的巖溶空間的條件，故臺地上未發現地表塌陷現象。下部地下水逐步轉化為水平徑流，地下巖溶形態發生改變，在強水平徑流帶至排泄點，水流逐漸集中，巖溶空間形態逐步擴大，由溶蝕裂縫、小型洞隙轉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，斜坡區地表發育石芽、溶溝溶槽、巖溶落水洞，大氣降水以分散流的形式補給地下水，地下巖溶空間形態主要為溶蝕縫隙。

　　3.2大龍井巖溶大泉形成過程

　　研究區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，標高1400~1500m。山盆期第二亞期地殼穩定時間長、巖溶作用強烈，水平溶蝕作用為主，垂直溶蝕作用次之，形成寬谷、盆地。烏江期由于地殼強烈上升，巖溶由水平侵蝕為主變為垂向侵蝕為主，六沖河、底那河河谷下切，大龍井泉點出水點北側逐步發育出以沖溝，形成場地至底那河之間的上寨村臺地。臺地巖溶作用也變為以垂向作用為主，地表水短途徑流后沿層面、節理裂隙下滲，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面不斷改變，且早期以分散性排泄為主，包括臺地東側新場—水井灣也應為排泄區，因此早期不具備發育規模較大水平洞穴的條件。

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

　　此外，臺地南側底那河下切深度大于大龍井出水點，且位于背斜的南翼，必然發育巖溶大泉。該區域位于峽谷中，底那河水量大，未能調查到出水點。臺地后緣雖有大量的地下水補給，但早期排泄基準面六沖河、底那河高程未降低到足夠深度，地表水入滲后很快又轉化為泉水向臺地周邊低洼區域排泄，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。經勘察大龍井至六沖河區域灰巖巖溶發育較弱，為平流狀地下水動力條件，不具備發育較大巖溶空間的條件。

　　4大龍井巖溶地下水系統

　　4.1大龍井巖溶水系統補徑排關系

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

　　同時，其經過臺地的兩條斷層以及褶皺構造(背斜)，加速了大氣降雨的入滲速度，大氣降水除少量蒸發、滯留于覆蓋層外，絕大部分補充地下水。臺地地下的巖溶空間形態為垂向發育帶和水平發育帶。大氣降雨與地表入滲，入滲到地下后遇到底部關嶺組一段巖溶不發育的白云巖，下部地下水逐步轉化為水平徑流，在重力作用下從南向北徑流，在強水平徑流帶至排泄點，水流逐漸集中，隨著巖溶空間形態逐步擴大，水流由沿著溶蝕裂縫、小型洞隙轉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楊柳井組一段底部泥質白云巖阻隔，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

　　位于大龍井泉點出水點東西側。該系統西部、北部、東部邊界為楊柳井組一段(T2y1)底部“淺灰色厚層泥晶-細晶白云巖，灰質白云巖，夾薄層含泥質白云巖”作為地下水系統的隔水邊界，南側邊界以關嶺組二段(T2g2)及關嶺組一段(T2g1)泥質白云巖分水嶺作為邊界，該子系統面積3.35km2。根據調查資料，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)，動態變化率7.13倍，極不穩定。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“近源補給”的特點和典型的“暴起暴落”、“快補快排”山區的巖溶水動態特征。根據1∶5萬水文地質圖分析，該泉域面積約3.35km2，據此計算出子系統內地下水枯季徑流模數5.2L⋅s-1⋅km-2。

　　5結論

　　大龍井巖溶大泉是形成于低山—丘陵地區的的碳酸鹽巖地區，巖性和可溶性有較大差異，加上地質構造的影響，地貌上表現出明顯的差異性。地表溶溝溶槽、石芽發育，巖石出露地表，山體較陡峻。同時上寨臺地洼地、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化為水平徑流，地下巖溶形態發生改變，水流逐漸集中，巖溶空間形態逐步擴大，由溶蝕裂縫、小型洞隙轉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給以及少部分生活用水補給，沿著后緣斜坡地帶以及上寨臺地間落水洞等進入地下，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。大龍井巖溶大泉流量受季節影響比較大，泉流量在暴雨后迅速增大，具有“近源補給”的特點和典型的“暴起暴落”、“快補快排”山區的巖溶水動態特征。

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　　巖溶論文投稿刊物：《中國巖溶》(季刊)1982年創刊，為我國目前為止唯一國內外公開出版發行的巖溶學術期刊;內容豐富，覆蓋面廣，可讀性強，是地質、地理、農林、水利、建筑、環境保護等行業科技人員及高校師生不可多得的一本權威性參考讀物。

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