岩溶基础知识及野外调查

从工程地质水文地质角度调查岩溶的目的是为了充分了解调查区岩溶发育规律、岩溶水文地质条件、场地岩溶发育的规模及分布情况等，结合工程实际，分析其可能带来的工程地质问题、岩溶环境地质问题、岩溶水资源情况等。当岩石经溶蚀后的地下溶空场所足够大，而且上覆岩土层厚度不大、强度不足时，尤其在水流渗透或外荷载作用下，便可以产生地面塌陷，危及场地建筑物安全;对于地下开挖工程，因其巨大溶洞集水，当揭穿洞体时会引起施工期突水;地下岩溶系统是强渗流通道，在水利工程中，是地表水体向外围渗漏的重要场所，强烈渗漏影响工程效益，诸如此例，都是岩溶地区工程建设中经常遇到的重大工程地质问题。本教程对这些内容没有详细论述，但应知道，岩溶调查往往是结合解决工程地质水文地质问题而进行的。

(一)岩溶形态

岩溶是指水(包括地表水和地下水)对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用，以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称。

岩溶作用以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用，是一个化学作用及物理作用相结合的综合作用过程。

可溶性岩石包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。

岩石溶蚀后形成独特的地貌，包括地表形态:峰丛(溶洼)、孤峰(溶蚀平原)、石牙、溶孔、溶槽、溶沟、溶洞。地下形态:溶隙、溶洞、暗河。如图2-42所示。

经溶蚀化的岩体水文地质条件复杂化，透水性增强，地下水流态、动态及不均匀性增大，出现伏流、地下河、岩溶泉，构成了独特的水文地质系统(单元)。

(二)碳酸盐岩的溶蚀机理

参与岩溶过程的主要营力是水，水的侵蚀、溶蚀作用是经常性、缓慢的长期作用过程。

图2-42 岩溶地貌形态示意图

1. 石牙;2. 溶沟(槽);3. 石林;4. 漏斗;5. 落水洞;6. 峰丛;7. 溶洼;8. 孤峰;9. 溶蚀平原;10. 溶隙;

11.溶洞;12.暗河;．岩溶泉

碳酸盐为难溶盐，溶解度很低，如25℃时，溶解度为14.2mg/L。由于水的化学成分复杂，且随环境条件而变化，使得碳酸盐岩石处于长期、多变、多种溶蚀效应作用下。溶蚀反应处在由表及里、地下溶蚀优先的复杂地质体之中。

溶蚀过程涉及固、水、气三相，实质是9个离子化合物的平衡体系的动态变化，9个离子是:CO2，H2CO3，HCO－3，CO2－3 ，Ca2+，Ca HCO+3，Ca CO3，H+，OH－。

溶蚀过程如下(以Ca CO3的溶解和沉积为例):

由①及② Ca CO3+CO2+H2O Ca2++2HCO－3

上述反应也可表示为离子平衡式:

Ca2++CO2－3+H++HCO－3 Ca2++2HCO－3

化简为:

CO2－3+H+HCO－3

上述表明:Ca CO3在水中溶解的实质是CO2－3 与H+结合生成HCO－3，因此H+的浓度是溶解的关键。天然水中，H+浓度很低，故Ca CO3在天然纯水中溶解很少，形成岩溶主要是因为水中含有过量的CO2，与水结合电离H+，促使Ca CO3溶解。任何能在水中产生H+的物质均可能使Ca CO3溶解。H+含量多少用p H值表示，当p H值小于6.36时，水具强烈侵蚀性;p H值为10以上时，水不具侵蚀性。

水中的CO2主要来源于大气、土壤的生物作用等外界环境的补给，大气、生物、岩石、水构成一个岩溶动态系统。岩溶是一个复杂的物理化学动态过程:在不平衡状态，当Ca CO3溶解或CO2逸出达到平衡，或析出Ca CO3(沉淀);当水中补充CO2，系统转化为不平衡状态，Ca CO3再度溶解，如此往复进行。

除补充水的CO2影响岩溶作用外，以下几种情况同样会改变水的溶蚀能力。

(1)两种不同饱和度的溶液混合后，水的溶解性增强。

(2)如果有两种温度不同而饱和度相同的水相混合，或一种水溶液由高温变为低温，都可以加大CO2的溶解度，从而加强溶液的溶蚀能力。

在地质条件特殊的部位，因上述混合溶蚀效应，常使岩溶作用较之其他地段强烈。这些特殊部位有地下水面附近，断层交错等地下水渗流汇合点，河谷岸坡附近，温泉出露点附近等。

(3)天然地下水中成分较复杂，大致有两类离子:一类是与碳酸盐岩溶解产生的相同离子，如Ca2+、Mg2+、CO2－3等;另一类是不同的离子，如Na+、Cl－、SO2－4等。这些离子对溶液的溶解性都有一定影响，即产生离子效应。比如:①酸离子效应。任何酸解离出H+后，溶液中H+浓度增加，H+和CO2－3结合生成HCO－3，从而加速Ca CO3的溶解。比如地质上含硫酸的岩层渗出的地下水有较大溶蚀性。②同离子效应。加入Ca2+或CO2－3等同等离子后，减缓水对碳酸盐的溶蚀能力。③离子强度效应。水中增加与Ca CO3不相一致的强电解离子时，它们会以较强的引力吸引Ca2+或CO2－3离子，从而降低Ca2+与CO2－3的结合，增大水对Ca CO3的溶解性。

(三)影响岩溶发育的因素

岩溶发育的条件是:具有可溶性岩石，具有溶蚀能力的水，具有良好的水循环交替条件。凡是影响上述3个条件的因素均是影响岩溶发育的因素。

1．碳酸盐岩岩性的影响

碳酸盐岩被溶解程度如何，主要取决于岩石的性质，如组成物的化学成分、矿物成分及结构。碳酸盐岩是指碳酸盐矿物含量超过50%的一类沉积岩。主要化学成分是Ca CO3、Mg CO3、Si O2、Fe2O3、Al2O3及黏土杂质等。常见的岩石有:灰岩、白云岩、白云质灰岩、灰质白云岩、硅质灰岩、泥质灰岩等。

不同岩石，其溶解性是不同的，可用两个指标表示:

KV及KCV越大，说明岩石的溶蚀强度和溶蚀速度越大。研究表明:方解石含量越高，即Ca O/Mg O比值越大，KV及KCV越大。当Ca O/Mg O比值在1.2～2.2之间(相当于白云岩)，相对溶解度在0.35～0.8之间;Ca O/Mg O比值大于10(相当于石灰岩)，相对溶解度接近于1;介之白云岩与灰岩之间者，相对溶解度在0.8～0.99之间。酸不溶物含量越高，KV及KCV越小。矿物结晶越小，其比表面积越大，KV越大。碳酸盐岩经变质后常呈粒状变晶，白云岩也常呈晶粒结构，灰岩多呈微晶、泥晶或亮晶颗粒结构。白云岩类通常因结构及微孔隙性，在有的情况下具有微渗透性，而大多数灰岩孔隙度都小于2%，渗透率几乎等于零。

我国碳酸盐岩不溶物含量都较低，成分较纯，主要是方解石，白云石次之，而且时代愈老白云石含量愈高。实际上寒武系以前的碳酸盐岩以白云岩为主，奥陶系以后以灰岩为主，中国的岩溶主要发育在奥陶系以后的地层中。

2．地形地貌的影响

地形地貌条件通过影响水的入渗、循环交替条件，进而影响岩溶发育的规模、速度、类型及空间分布。比如一个地区的区域地貌格局宏观上控制了某地区的地表水文网及地下水排泄基准面的性状，从而控制了地表地下水的运动趋势，进而控制了岩溶发育的总体形式。

3．地质结构构造的影响

从区域性角度，大地构造格局控制碳酸盐岩分布，比如地台、地槽区碳酸盐岩具有不同沉积建造类型，岩溶发育具有明显差别。

对一个具体地区而言，影响岩溶发育的构造条件主要有如下几方面。

1)断裂的影响

成岩、构造、风化、卸荷等作用形成的各种破裂面，为地下水入渗和流动提供了通道，同时为地下水有效向深部渗入并形成深部岩溶提供了条件。

例如，沿断裂面岩溶发育强烈，各组破裂面相互交织、延伸进而控制了岩溶发育的形态、规模、速度和空间分布，使得岩溶发育具有宏观不均一性;同时，各种破裂面相互交织，使地下水混合溶蚀效应明显，促进岩溶发育。

2)褶皱的影响

褶皱的类型和部位不同，裂隙发育程度不同，岩溶强度不同，如核部比翼部发育，背斜比向斜发育。褶皱的形态、性质、尺寸和方向影响了可溶岩的空间分布，也影响岩溶发育的特征。

3)岩层组合特征的影响

可溶岩与非可溶岩可能在不同地段形成十分复杂的各种组合形式，因而岩石溶蚀性存在显著差异，从而形成复杂的岩溶现象。如下4种类型的组合形式，岩溶发育明显不同。

(1)厚而纯的碳酸盐岩。地下水在岩体内运动可以大致分为包气带垂直渗流、季节变动带垂直及水平两向渗流、饱水带近河谷水平渗流、深循环带远排泄点水平渗流。渗流方向总体上决定了垂向及水平向岩溶发育的程度。该结构最有利于岩溶发育。

(2)碳酸盐岩夹非可溶性岩层。由于非可溶岩的存在影响地下水运动，岩溶发育没有纯厚碳酸盐岩充分，不一定具备上述4个分带特点。但也常有岩溶现象发育，其程度因不可溶岩夹层的厚度和夹层多少而不同。

(3)非可溶性岩层与碳酸盐岩互层。岩溶作用一般较弱，往往因非可溶岩的隔水作用，定得形成局部地下水系统，从而可能形成多层岩溶现象。

(4)非可溶性岩层夹碳酸盐岩。非可溶岩的隔水作用，使得地下水循环交替条件很差，岩溶发育极弱。

4．新构造运动的影响

地壳的上升、下降、相对稳定运动的性质、幅度、速度和波及范围，控制着水循环交替条件及其变化趋势，从而强烈地控制着岩溶发育的类型、规模、速度、空间分布及岩溶作用。

地壳较快上升期:侵蚀基准面相对下降，地下水位适应排泄基准面而逐渐下降，侧向岩溶欠发育，规模小而少见，分带现象不明显，以垂直形态的岩溶为主。

地壳相对平稳期:侵蚀基准面和地下水面相对稳定，溶蚀作用充分进行，分带现象明显，侧向岩溶规模大，可形成较大规模的水平岩溶和暗河，岩溶地貌较明显典型。

地壳下降期:常形成覆盖型岩溶，地下水循环条件变差，岩溶作用受到抑制或停止。

从更长的地质历史时期来看，地壳运动包括以下几种类型。

(1)间歇性上升。上升→稳定→再上升→再稳定，水平溶洞成层状分布，高程往往与该区域阶地、台地相对应。

(2)振荡升降。岩溶作用由弱到强，由强到弱反复进行。以垂直形态的岩溶为主，水平溶洞规模不大，而且成层性不明显。

(3)间歇性下降。下降→稳定→再下降→再稳定。岩溶多被埋于地下，规模不大，但具成层性，洞穴中有物质充填。

从层状洞穴的分布情况及充填物的性质，可查明岩溶发育特点及形成的相对年代。

5．气候的影响

1)温度的影响

水温度升高，水中CO2的溶解度减小，不利于岩溶作用。一般情况下，水温升高20～30℃，溶于水中的CO2减少一半;同时，温度升高，化学反应速度也大大加快，有利于岩溶作用，一般温度升高10℃，化学反应速度加快一倍。

气候对植被、细菌及土壤空气中的CO2含量有重大影响，湿热地区较干旱区岩溶作用强烈。

温度对岩溶作用的影响具有两面性，总的来讲，温度的升高有利于岩溶作用的进行，温度降低不利于岩溶作用进行。

2)降水的影响

水直接参与岩溶作用，充足的降水是保证岩溶作用强烈进行的必要条件。水是溶蚀作用的介质和载体，充足的降水保证了水体良好的循环交替条件，促进岩溶作用的强烈进行。非岩溶地区的外源水比岩溶地区内源水具有更强侵蚀性。相同气温条件地区，降水量的差异使得岩溶差别很大。

(四)岩溶野外调查

岩溶调查应以查明工程地质条件对岩溶发育的控制作用、岩溶发育的现状、岩溶发育规律、岩溶系统的分布和特征为基础，结合岩溶水文地质条件，岩溶工程地质问题进行分析，为工程建筑的实施提供可靠的地质背景资料。

1. 地质背景条件调查

在灰岩分布区，地形地貌是岩石经剥蚀风化、水流侵蚀、溶蚀及重力堆积等各种作用下形成的，地形地貌影响了岩溶发育，同时也是一定程度溶蚀作用的结果。要调查山体形态和走势，地形分水岭展布，沟谷切割深度及形态，地表水文网发育特征及配置，台状地貌(如平面、阶地、台地等)分布及高程。各地貌单元分布、成因、物质组成、形成时代。注意分析地形地貌与区域构造、地层岩性与岩溶现象之间的关系。

地层分布及岩性是决定岩溶发育的基础，通过资料分析及野外踏勘调查，搞清楚调查区发育哪些地层及其分布情况。区分可溶岩与不可溶岩，可溶碳酸盐岩还要按岩石性质进一步区分其溶蚀差异性，明确一个地区哪些地层具备岩溶化的物质基础。注意一个地区有哪些地层具备相对隔水性能，以及其岩性及分布稳定性、岩层的组合结构特征(如单一结构型、互层结构型、夹层结构型等)，这对于控制一个地区岩溶发育有重要控制作用。

一个地区岩溶发育与该区构造格局、主体构造型式及形态特征、构造线方向、规模及分布紧密相关。要注意研究调查区具有区域性及区段性控制作用的褶皱发育情况，有一定规模的断层发育特征，主要构造裂隙的发育特征等。一个地区的构造格局实质上就决定了可溶岩、不可溶岩、隔水岩层及透水岩层的空间分布，从而控制了该区岩溶总体发育条件和规律。对于单体的岩溶现象，其发育与断层裂隙有密切关系，其发育方向、规模、形态、网络格局很大程度与构造发育相一致。

2. 岩溶发育特征专门调查

1)岩溶现象调查

岩溶地区都会发育各种岩溶现象，小到浅表部的溶槽、溶孔、落水洞等，大到溶蚀洼地、地下溶洞、暗河等。各种岩溶现象的发育一般并非孤立的，它们之间往往存在时空上的联系。地表调查时，对于溶蚀洼地、漏斗、落水洞、竖井、宽大溶槽、溶沟、溶洞等现象应注重调查。

岩溶漏斗、溶蚀洼地、槽谷都是岩溶区最常发育的大型岩溶负地貌。漏斗是规模小一些的碟状或椎状封闭洼地，而溶蚀洼地规模更大，底部较平坦，洼地内部也可发育漏斗。重点调查各岩溶现象分布位置、分布面积、形态、长轴方向、底部高程、底部覆盖物情况，洼地内漏斗及落水洞发育位置、高程、特征，洼地发育与岩性、构造等关系，洼地接收降水汇集下泄情况。这些地貌现象往往平面上呈串分布，调查分析其若干洼地平面展布，对于帮助分析地下岩溶系统十分重要。

落水洞、天窗、竖井等都属于竖向“井状”溶空地貌，它们大都是地表水向地下下泄的集中通道，多发育于漏斗、洼地内，呈串分布，与地下管状流或地下河方向相对应，两者都是岩溶系统的组成部分。应详细调查它们发育的位置、地面高程、体积大小、洞体形态、长轴方向、发育深度、地下水位及动态。如能深入洞内调查，应了解其与地下暗河之间的关系，测量地下水流动方向、流速、流量、水质，内部堆积物，溶隙发育等细微特征。

溶洞常发育于河谷坡岸地带，一般都是曾经地下水流的集中排泄口，或者是现代地下暗河系统的地下水排泄点。要调查溶洞的高程、深度、形态、形成条件、它与构造及岩层之间的关系。一般而言，溶洞高程代表该时期地壳处于稳定溶蚀时期，它与该地区某级台地、阶地、侵蚀面等高程相对应，这个阶段岩溶相对于地壳抬升期更为发育。溶洞通常为地下河的出口，是长时期水流作用活跃的场所，除洞体本身外，发育各种堆积物，对其进行调查有时可以得到重要信息，比如化学堆积物石钟乳、石笋，采样进行铀钍年龄测定可以判断溶洞形成时期，结合氧碳同位素研究，可以恢复40万年以来的气候环境;溶洞内常会发现如现代河流沉积类似的流水沉积物及相应地貌单元，调查其沉积物的成分、结构、磨圆度、厚度以及地下河展布形态、阶地、坡降、叠坎等形貌，可以间接地帮助判断地下河物质来源、地下水动力学特征等，从而有助于分析岩溶系统的发育特征。

2)岩溶水文地质调查

岩溶系统自成一个水文地质系统(单元)，存在自身的地下水补给、径流、排泄条件。基于这一点，野外针对岩溶水文地质方面的调查，显得尤为重要。水文地质调查成果也是帮助分析岩溶发育规律，确定地下岩溶系统的重要证据。岩溶水文地质调查也应进行地层岩性分析，构造条件分析，含水、隔水地层的分析，从地下水补给、排泄、径流条件入手进行调查。

地下水可以是远距离集中补给，也可以是沿地下水流系统分散补给，补给区一般分布在地形较高地段，往往发育若干洼地、盆地、漏斗、落水洞等地貌单元。

径流区一般都会受厚而稳定的隔水岩层限制，地下水赋存于可溶岩地层中，当地下水流出点确定之后，结合地层分布、构造条件、地形条件及沿途落水洞等发育情况，一般可以大致确定岩溶地下水的流向。

岩溶地下水排泄点的调查十分重要，有一定规模的地下岩溶系统，往往总可以找到地下水出口，即排泄点，排泄点一个或若干个，大的排泄点可能以溶洞形式出现，小一些的可能是发育于溶隙的泉水点等，人工凿井也可成为地下水排泄点。野外凡是井泉、溶洞等地下水流出点都应进行调查，调查方法在前面水文地质调查中已有介绍，即对地下水溢出形式、出水点高程、水量、水质、水温、地下水动态、形成条件等加以详细调查，记录卡片。根据同一含水系统地下水物理化学性质具有相同和相似的原则，从调查及水质分析中得到的大量信息，可以很好地帮助分析地下水系统及岩溶系统发育特征。比如地下水温的明显差异，水质的明显差异，可以认为地下水来源于不同含水系统;地下水透明度、水温、动态变化、地下水动态与降水强度时效性，能帮助判断地下水补给区的远近;氢氧同位素能帮助确定岩溶水补给区，14C氚等测定地下水年龄，估算水的运程、速度等。

查明一个地区岩溶发育特征及岩溶系统发育情况是一项十分复杂的工作，大多数情况下，地表调查条件良好的地区，通过以上地质背景条件调查，岩溶现象发育特征调查，以及岩溶水文地质调查，基本可以大致查明调查区岩溶发育规律、岩溶系统分布的基本情况。野外地质调查是最基本的重要工作，应通过填图方式，按一定工作精度要求认真进行。地表覆盖严重、植被十分发育、地表裸视条件不好，野外调查的工作条件受到限制的地区，此时，应结合轻型物探、钻探等开展勘探工作。有时为了准确确定岩溶水系统补、径、排关系，需要补充一些试验工作，最有效直接的是地下水连通试验。连通试验是一种示踪试验，通过在可能的补给区的某个点(如落水洞)投入某种指示剂，在预判的可能多个出水口处，连续观测指示剂是否出现，以及其出现的时间、浓度、时段等，以判断投入量与观测点地下水是否具有连通性，即表明补给区与排泄区是否属于一个岩溶水文地质系统，同时也可间接确定地下水运动途径、水流速度等。连通试验指示剂类型有化学性指示剂，如石盐、荧光素等;物理性指示剂，如谷糠、木屑、石松孢子等。连通试验只能在有水流的条件下使用，有时一个管道内，部分有水，部分无水，为了查明岩溶系统内某些点位间的水力联系情况，可以在岩溶管道的某些部位，通过某些点的封堵集水、放水等方式，察看某些点位间的水位、流量、水质变化，判断它们之间的连通性;也可以在无水通道点采用释放并观测烟雾、灌(注)水方法探明其试验点之间的连通性。