宜万铁路岩溶与地层岩性调查结果

2．1．2　宜万铁路岩溶与地层岩性

宜万铁路工程区广泛分布碳酸盐岩，占整个分布区的70%～75%，为岩溶、岩溶水发育提供了场所。不同地层的碳酸盐岩岩性及其岩组组合的溶蚀特性的差异，控制岩溶发育的程度。

一、岩溶层组的类型控制岩溶发育程度

不同类型的岩溶层组反映不同的沉积相、不同的岩石矿物组成、不同的岩石结构构造等的特性差异。因而不同特性差异的岩溶层组的组合，其岩溶发育程度亦不同。划分岩溶层组类型，便于对地层单位的碳酸盐岩岩溶发育程度进行评价。结合工程区出露的寒武系－三叠系地层的碳酸盐岩岩性、厚度、组合特征，对岩溶层组的类型划分如下：

（1）非碳酸盐岩岩组类型。碎屑岩类，为阻水层。

（2）不纯碳酸盐岩岩组类型。由泥质灰岩、灰质泥岩、硅质灰岩等组成，溶蚀性差，岩溶发育微弱或不发育。

（3）纯碳酸盐岩岩组类型。由灰岩、白云岩组成。据其岩性特征可划分如下亚类：

1）均匀灰岩型。单一灰岩连续厚度较大，溶蚀性强，有利于岩溶发育，具备断层面、构造破裂面等发育规模较大的岩溶、岩溶水系统的条件，属岩溶、岩溶水发育层。

2）均匀白云岩型。单一白云岩厚度较大，溶蚀性欠强，但长期溶蚀作用往往使白云岩整体解体，整个岩体变得疏松，甚至呈白云石砂状，但岩溶规模较小，往往具类似均匀含水特征。

（4）不纯碳酸盐岩与纯碳酸盐岩产出相间的间互类型。据间互层的特征划分如下亚类：

1）纯碳酸盐岩层占10%～40%时，纯碳酸盐岩层可溶性强，但受非碳酸盐岩（泥灰岩、页岩）相间控制，岩溶、岩溶水的发育受控于该纯碳酸盐岩层中，因纯碳酸盐岩夹层厚度较小，该类型总体岩溶发育偏弱。

2）以纯碳酸盐岩为主，其厚度大于整个层组厚度的60%，其岩溶、岩溶水发育程度与纯碳酸盐岩岩组均匀型差异较小，但岩溶、岩溶水发育受非碳酸盐岩夹层限制。倾角较缓时，垂直向受限制；倾角较陡时，侧向受限制。

3）纯碳酸盐岩与非碳酸盐岩所占比例相当，其岩溶、岩溶水发育受纯碳酸盐岩连续层厚度、补给环境、构造切割环境（包括地层产状）、岩溶水流场环境等控制。岩溶层组类型的划分如表2－2所示。

表2－2　岩溶层组分类特征表

二、各时代地层不同岩层层组、岩溶层组类型的岩溶发育程度

1．寒武系

水井沱组（∈₁s）和石牌组（∈₁sh）。泥质粉砂岩、页岩等，属非碳酸盐岩岩组类型，为阻水层，不发育岩溶。

石龙洞组（∈₁sl）。厚度64～1 168m。上部为厚层—巨厚层灰岩，中、下部为灰岩与白云岩间互，为均匀型—纯碳酸盐岩岩组类型，总体属强溶蚀、强岩溶和岩溶水发育层。

高台组（∈₂g）、茅坪组（∈₂m）。主要为不纯碳酸盐岩与非碳酸盐岩或碎屑岩间互型，不利岩溶发育，属弱透水层、相对阻水层。

光竹岭组（∈₂gn）。厚度503m，主要为灰岩、白云岩，属均匀型—纯碳酸盐岩岩组类型，单层厚度、连续厚度、总体厚度均较大，为强溶蚀层，有利于岩溶、岩溶水的发育。

三游洞群（∈₃S）。中厚层白云岩、白云质灰岩，属纯碳酸盐岩组—均匀型类型，整个厚度大，有利于岩溶、岩溶水的发育，属岩溶、岩溶水发育层。

2．奥陶系

南津关组（O₁n）。厚度130～180m。除底部有页岩夹泥质条带灰岩属不纯碳酸盐岩外，其余为均匀型—纯碳酸盐岩岩组类型，溶蚀强，为岩溶、岩溶水发育层。

分乡组（O₁f）。岩层厚22～60m，为厚层灰岩与页岩互层，属纯碳酸盐岩与非碳酸盐岩间互类型，由于灰岩单层厚度、连续厚度不大，碳酸盐岩虽具岩溶、岩溶水发育条件，但受页岩阻限，岩溶、岩溶水发育的规模、空间受限制，多循顺层方向发育。

红花园组（O₁h）。层厚41～82m，厚层灰岩，属纯碳酸盐岩岩组类型，岩溶、岩溶水发育。

大湾组—五峰组（O₁d—O₃w）。总厚50～157m，为页岩、泥质灰岩、泥灰岩等，含泥质高，限制了岩溶、岩溶水的发育，属不纯碳酸盐岩岩组类型，为相对阻水层。

3．志留系

为碎屑岩，属非碳酸盐岩类型，是很好的阻水层。(www.xing528.com)

4．石炭系

灰岩，厚度小，常划归于栖霞组。

5．二叠系

栖霞组（P₁q）。厚度139～245m。含生物屑亮晶、微晶灰岩，属纯碳酸盐岩夹不纯碳酸盐岩岩组类型，中等—强岩溶发育层。

茅口组（P₁m）。厚度97～153m。含燧石结核的微晶灰岩、局部夹硅质岩等，为纯碳酸盐岩为主相对视为纯碳酸盐岩间互类型，岩溶、岩溶水强—中等发育。

吴家坪组（P₂w）。厚度56～150m。炭质页岩、含煤层等，为非碳酸盐岩岩组类型，为阻水层。

长兴组（P₂c）。厚度300m。中—厚层微晶灰岩，夹硅质灰。属纯碳酸盐岩与不纯碳酸盐岩间互型，因该层夹于P₂w（吴家坪组含煤层）、d（大冶组下部页岩）两阻水层之间，补给源和水流活动受到限制，岩溶发育受到侧向阻限明显。

6．三叠系

大冶组（T₁d）。总厚度259～8 000m。底部有厚约50～100m的页岩，构成阻水层；下部为灰岩夹页岩间互型；其余基本为均匀型—纯碳酸盐岩岩组类型，岩溶、岩溶水主要发育于上部。

嘉陵江组（T₁j）。255～600m。恩施地区该组下段为灰岩（纯碳酸盐岩均匀型），连续厚度大，溶蚀强，具备发育强岩溶、岩溶水的条件；中段下部发育夹数层泥质灰岩（具相当厚度），可构成相对阻水层，其余大部为灰岩（均匀型—纯碳酸盐岩组类型），为岩溶、岩溶水发育层；上段岩石较复杂，有白云岩、白云质灰岩、灰质白云岩、角砾岩等交互，岩溶、岩溶水发育中等。

巴东组（T₂b）。基本为碎屑岩（非碳酸盐岩组类型），为阻水层。

三、不同时代地层岩组的岩溶、岩溶水发育程度由强至弱序列

据相关地区碳酸盐岩试验资料表明，碳酸盐岩的溶蚀程度取决于比溶解度（CaO/MgO），即碳酸盐岩中方解石的含量增加，可溶程度提高；若碳酸盐岩中白云岩含量增加，可溶程度则减小。岩石方解石含量愈多，愈趋纯碳酸盐岩岩组，越易溶解，岩溶越发育（图2－2）。

图2－2　CaO/MgO与比溶解度相关图（据邹成杰等，1994）

综上所述可知：

（1）不同的岩组类型（不同CaO含量即不同纯度的碳酸盐岩），在地下水作用下的溶蚀程度不同，其岩溶、岩溶水发育程度亦不同，依岩溶发育由强至弱的次序排列为：纯碳酸盐岩岩组均匀型→纯灰岩与白云岩间互型→以纯碳酸盐岩为主与不纯碳酸盐岩组成的间互型→纯碳酸盐岩与不纯碳酸盐岩均等的间互型→不纯碳酸盐岩组均匀型→非碳酸盐岩岩组均匀型。

（2）不同时代地层的不同岩溶层组类型，其岩溶、岩溶水发育程度由强至弱的次序与上述系列对应：石龙洞组（∈₁š）、光竹岭组（∈₂）、三游洞群（∈₃S）、南津关组（O₁n）、嘉陵江组（T₁j）发育最强；红花园组（O₁h）、栖霞组（P₁q）、茅口组（P₁m）、长兴组（P₂c）、大冶组（T₁d）发育强—中等；其余为中—弱→不发育。

宜万线8座主要岩溶隧道洞内涌水状况表明，涌水点数量多、涌水强度最大的相关地层都属碳酸盐岩纯度高的地层岩组（表2－3）。

四、单独的阻水层和碳酸盐岩中的阻水层

（1）碎屑岩与碳酸盐岩的接触带，因碎屑岩阻水，往往是岩溶水汇聚、富集的场所，常形成大型管道流或暗河。如白杨坪暗河、齐岳山隧道德胜场暗河，它们皆发育于T₁j灰岩与T₂b碎屑岩界面；长阳背斜北翼的榔坪地区出露的大型泉群和产出的管道流，皆发育于O₁（灰岩）与O_2＋3（泥灰岩）＋S（碎屑岩）阻水层之间的界面；马鹿箐隧道进口地区的油竹暗河发育于P₁q、P₁m的灰岩与S—D碎屑岩的界面附近。

表2－3　主要隧道岩溶点、涌水点统计表

（2）纯碳酸盐岩岩组中的阻水层往往起到限制岩溶、岩溶水发育的作用。如夹于志留系碎屑岩与吴家坪组（P₂w）页岩两阻水层之间的栖霞组（P₁q）、茅口组（P₁m）的灰岩，其地下岩溶水的溶蚀、径流活动多限于上述两阻水层之间，因此，多顺岩层走向发育管道流，且成独立体系，如野三关隧道3^＃暗河；而夹于吴家坪组（P₂w）煤系地层与大冶组底部页岩两阻水层之间的长兴组（P₂c）灰岩厚度大，因受到上、下阻水层的挟制，岩溶、岩溶水发育规模有限。

图2－3　马鹿箐隧道阻水层作用示意图

（3）产状（倾角）平缓的灰岩岩组中，若下伏为页岩，由于页岩的阻隔作用，岩溶、岩溶水发育多止于页岩。如马鹿箐隧道出口嘉陵江组（T₁j）中发育一层厚度约70m的薄层泥灰岩，为相对阻水层，其倾角平缓，平伏于整个单斜斜坡，由于它的阻隔，强岩溶发育止于阻水层，尽管泥灰岩上方岩溶、岩溶水极发育，但泥灰岩阻水层下部灰岩洞体未遇见岩溶及岩溶水（图2－3）。