Question

北方的岩溶和岩溶水

Answer 1

北方可溶岩主要有中上元古界和下古生界碳酸盐岩，以及石炭系煤系地层中的薄层灰岩，又以寒武-奥陶系碳酸盐岩和蓟县系雾迷山组白云岩最为重要，它们分布在华北地块中，主要位于山西、陕西、河北、河南、山东、北京、天津、内蒙古、辽宁等省(市、区)。北方自古生代以来，地壳运动相对缓和，地层褶皱平缓，主要是较大块体的整体隆起或沉降，碳酸盐岩因此被分割，在隆起区和坳陷区又被不同级别的断层切割以及侵入岩体分隔，因此多呈不同规模的块状分布。在隆起山区碳酸盐岩有较大裸露面积，并被上覆非可溶岩埋藏，在山西高原附近局部被黄土覆盖，而在断陷或坳陷盆地则被上覆厚层松散沉积物覆盖或被非可溶岩埋藏。

图8.18 广西乐业县百郎地下河流量过程线与降水量关系(据易求芳，1983)

北方岩溶区地处温带半干旱气候区，年降水量多在400～800mm之间，可溶岩中主要沿构造裂隙及层间裂隙溶蚀形成溶隙网络，在局部构造裂隙密集带和断层破碎带可以形成强岩溶发育带，地下岩溶形态以溶隙为主，也有溶孔，在现代排泄基准面之上有不少大型溶洞，地表岩溶形态多见常态山、干谷、溶痕、岩溶大泉等，以及较少的洞穴沉积和洞外沉积。

北方碳酸盐岩分布区以溶隙型含水介质为主，局部为溶孔型含水介质或溶洞型含水介质。相对于南方以溶洞型含水介质为主的岩溶区，北方岩溶地下水分布比较均匀，含水介质一般为溶隙网络构成的连续介质。但是北方岩溶含水层的富水性仍然存在差异，在断裂带及地下水主径流带钻孔涌水量往往较大。

在碳酸盐岩的块体状分布基础上，我国北方半干旱岩溶区常形成岩溶大泉，以岩溶泉域构成一个个完整的岩溶水系统。泉域岩溶含水层呈单斜、向斜、背斜及断块等储水构造展布，有明确的地表分水岭和地下分水岭以及隔水边界。泉域面积小者数十平方千米，大者可达数千平方千米。岩溶泉的流量在每秒数十升到数千升，其中流量在1m³/s以上的大泉有50多处，成为北方岩溶水的重要特征。岩溶大泉主要分布在山西高原、太行山东麓、山东中北部和西南部、燕山南麓和辽东半岛等地区。

岩溶泉一般出露在泉域边界最低点的深切河谷或山前地带，多以泉群的方式出露，在泉口附近常存在阻水构造，例如阻水地层或岩体，或者渗透性差的沉积物，因而北方岩溶泉多是溢流泉，而且多数是全排型泉，有少数为非全排型泉。泉域地下水的补给主要是在碳酸盐岩裸露区的大气降水入渗补给，降水入渗系数达到0.15～0.3，来自非可溶岩地区的河流流经碳酸盐岩裸露区及被第四系覆盖的河床的渗漏补给也是重要的补给来源。地下水自补给区向着泉口径流，流速较慢，常存在若干个强径流带，在强径流带内地下水面水力梯度小、地下水流速比非主径流带快。

由于岩溶泉域规模大，岩溶水径流途径长、流速慢，致使岩溶水系统的动态相对比较稳定，具有巨大的储存和多年调节地下水的能力。北方大多数岩溶泉的流量动态比较稳定，其不稳定系数多为1～2，少部分为2～5。泉流量过程线在一年内多为一峰一谷，峰值比当年降水峰值滞后2～6个月(图5.21、图5.22、图5.26)，少数泉出现两个峰值，第二个峰值常是由远距离的补给形成的。泉域岩溶水系统的多年调节能力与泉域的规模、岩溶发育程度、补给区的大小及远近等有关。调节期为1～2年的岩溶泉有山东济南泉、河南辉县百泉、山西郭庄泉和坪上泉等，调节期为3～5年的岩溶泉有河北黑龙洞泉、山西广胜寺泉和神头泉等，调节期大于5年的有山西娘子关泉、辛安泉和龙子祠泉等(袁道先，1994)。

位于山西省平定县的娘子关泉是我国北方最大的岩溶泉，地处太行山东麓，泉域面积4667km²(图8.19)，其中碳酸盐岩裸露区面积2188km²，隐伏岩溶区面积2549km²(韩行瑞等，1993)。泉域内地形自西向东降低，而地层则向西倾斜。岩溶水系统内主要地层东部为奥陶系中、下统灰岩，西部为石炭-二叠系砂岩、页岩、泥灰岩及煤层。灰岩裸露区地表、地下岩溶广泛发育，常见有垂直溶隙、层面溶隙，包气带保留有一些古溶洞，地表有很多干谷和干沟，在泉口附近局部发育岩溶管道，在奥陶系中统与石炭系接触带发育溶隙密集带，在奥陶系中统的含石膏层发育似层状溶隙、溶孔、溶洞及蜂窝状溶蚀混合体。奥陶系下统白云岩岩溶发育微弱，为相对隔水层。泉域内发育有两条溶蚀裂隙密集形成的岩溶水强径流带，一条自南部的昔阳向北经阳泉后向东至娘子关，长约50km，另一条由西向东经由阳泉至娘子关，长约70km。泉域内岩溶水的主要补给方式为大气降水入渗和河流渗漏补给。娘子关泉出露在桃河和温河汇流地段，由11个泉组组成，包括五龙泉、水帘洞泉、城西泉、坡底泉等泉组，其成因是地下水在向东径流的过程中，受到娘子关附近南北向的娘子关背斜的奥陶系下统白云岩相对隔水层的阻水而在河谷中溢出，属于侵蚀接触溢出泉，也是全排型泉。

图8.19 山西省娘子关泉泉域水动力条件图(据韩行瑞等，1993)

除了泉域岩溶水系统外，埋藏在北方沉陷区或沉积盆地深处的碳酸盐岩也构成岩溶含水层，例如黄淮海平原(包括华北盆地)、下辽河盆地、汾渭盆地以及鄂尔多斯盆地等。华北盆地数百米至数千米深处的碳酸盐岩及其上覆非可溶岩，常被北东向深大断裂及其他方向次级断裂切割形成一系列隆起和坳陷及凸起和凹陷，其上部被古近系、新近系和第四系沉积物覆盖(图8.20)。在碳酸盐岩分布区特别是被称为古潜山的隆起及凸起区的碳酸盐岩中岩溶发育，常分布有地下热水，成为热储层。这种岩溶含水层规模大，但由于地下水补给区极远，开采后导致地下水位持续下降。沉陷区岩溶含水层还与石油、天然气的分布有关系。在盆地边缘开采埋藏较浅的石炭-二叠系中的煤矿时，常受到下伏奥陶系灰岩岩溶水突水的威胁。

图8.20 华北平原深部碳酸盐岩剖面图(据刘鸿麟，1978，转引自王钧等，1989，有改动)