晉寧昆陽區上震旦統燈影組巖溶水特征研究

許漢華 譚錦華

（中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司）

地下水是水資源的重要組成部分之一，是人類不可或缺的水源，全球有超過15 億人把地下水作為飲用水源［1］。巖溶地下水化學成分特征是特定地質環境下巖土體中的礦物成分和地下水流之間長期相互作用的綜合表現，巖溶地下水中的化學成分可以示蹤地下水的循環途徑，反映地下水流系統的流動特征［2］。含水層的巖性組合特征、水文地質條件（補給、徑流、排泄條件）以及賦存環境等對地下水化學成分的形成產生重要影響，可通過水化學檢測資料科學地分析地下水的賦存環境、徑流條件、物質交換等重要信息［3］。巖溶水系統是一個通過水與巖溶介質相互作用、不斷演化的地下水系統，具有相對穩定的邊界、匯流范圍、儲蓄空間以及獨立而完整的補徑排條件和統一的水力聯系［4］。巖溶水系統的劃分和地質結構的研究是水均衡分析，水資源潛力評價，計算巖溶水的補給、徑流和排泄量的基礎［5］。中國南方廣泛發育震旦系，時限約為635～541 Ma，最大殘厚逾千米，其中僅上揚子區燈影組面積就達75×104km2，燈影組在近600 Ma的成巖過程中，先后受到海水、大氣淡水、地層水等流體的影響，形成了一系列的巖溶特征，根據巖溶形成的先后順序、特征以及影響因素等，可將巖溶細分為同生-準同生期、表生期、埋藏期和褶皺期4種類型［6］。

1 研究區概況

云南省巖溶面積為110 875.7 km2，占全省面積的28.14%，主要連片分布于滇東、滇西北以及滇西的保山至滄源片區。在云南巖溶石山地區，分布著一種重要的類型——斷陷盆地，是云南主要的盆地類型。昆明、昭通、文山、玉溪、蒙自、大理、曲靖、麗江、保山等較大盆地均為斷陷盆地［7］。研究區位于昆明斷陷盆地西南，東面緊靠滇池，北西南三面系山地，主體山勢南高北低，由西向東傾斜。長期上升和侵蝕結果，層狀地形顯著，按標高和形態分為4 層：1 900 m以下屬湖—洪積階地范疇，1 950～2 150 m 系低山、溝谷分布區，2 150～2 350 m為中高山地帶，2 350 m以上系古侵蝕面或高山區。因為巖層普遍裸露及人類活動影響，植被較稀疏。

區內主要地表水系分布在西南部，受地質構造影響，主流走向北北西或南北，支流則呈東西向。如三家村河由西向東注入滇池，栗廟河由東向西流入北北西向的二街河。兩河相背發育，顯然是受東西向的西漢營—八街逆掩斷層控制，分水嶺地帶是平緩的丘陵，處于東西向栗廟向斜傾沒端附近，落水洞、漏斗、水平狀溶洞、溶溝和溶槽發育，大氣降水補給十分有利，出露流量1～5 L/s，屬于降水動態型的下降泉。由于三家村河較栗廟河低，前者有逐漸襲奪后者的跡象。同時，各支流短小，流域面積不大，補給能力有限，屬季節性河谷。研究區氣候具有干濕明顯，四季溫暖如春的特色，多年平均降雨量913 mm，集中在6～10月，占年總量的80%以上，平均氣溫14.6 ℃，蒸發量達1 941 mm。

震旦系經歷了長期復雜的演化歷史，根據古巖溶發育特征、發生的時間、地質環境等將其劃分為沉積期、風化期、埋藏期3種巖溶作用類型，其中以風化期巖溶為主［8］。研究區位于川滇經向構造體系東緣，昆明斷陷盆地西側向褶皺山區過渡的地帶內，斷層和褶皺頗為發育。前震旦紀昆陽群淺變質的石英砂巖、砂質板巖、千枚巖等巖層直接覆于古生代巖層上，形成西漢營—八街逆掩斷層，并構成南部隔水邊界。筇竹寺組的時代屬早寒武世早期，分布于滇東一帶，命名地在云南昆明以西7 km 的關山北坡的筇竹寺。本組為海相泥沙質沉積，以綠色、灰色、黃色及黑色頁巖為主，夾薄層砂巖，含三葉蟲Eoredlichia等，總厚70～200 m，與下伏燈影組呈假整合接觸。燈影組與下寒武統筇竹寺組磷塊巖之間有數十米厚的頁巖、砂質頁巖、粉細砂巖阻隔，兩者水力聯系不明顯，其余年代巖層出露面積較小，位置較高或富水性較差，供水的技術經濟效益不夠理想，所以，本研究主要討論燈影組巖溶水特征及開發利用問題。

云南昆陽巖溶區具有巖溶分布廣、類型復雜及發育強烈等特點，燈影組自下而上劃分為4 段，即燈影組一、二、三、四段，燈影組三段巖性種類豐富，巖性以鈣質細粒石英細砂巖、砂質亮晶白云巖、含磷泥晶灰巖、泥質灰巖、鈣質泥巖、含磷粉砂巖、砂質泥晶白云巖、泥晶灰巖等巖性為主，且發育有條帶狀、紋層狀等沉積構造［9］；除燈影組三段主要為細碎屑巖外，其余巖石類型皆為白云巖。出露在本區的燈影組巖層常構成褶皺軸部，巖性為白色、灰白色、淺灰色的硅質灰巖，硅質白云質灰巖，硅質白云巖，偶夾燧石條帶或扁豆體，包括微凝塊石、生物格架、球粒狀凝塊石、疊層石、泡沫綿層、層紋石白云巖，以及砂礫屑、泥（微）晶、核形石、砂屑、緬粒、泥質泥晶白云巖等［10］，薄至中厚層，堅硬致密，和其他古生代巖層一樣，巖體內含有黃鐵礦，總厚度大于400 m。

上揚子區燈影組沉積期發育了中國含油氣盆地中最古老、保存最完好的碳酸鹽鑲邊臺地［11］，燈影組在漫長的地質歷史時期中經歷過多期次的巖溶作用改造，而表生巖溶作用是其中最為重要的一種［12］。由于燈影組巖層經歷過多次構造變動，因而巖體較破碎。節理一般有3 組，主要2 組傾向50°～110°或230～300°，傾角大于50°，2 組節理交角60°～80°。節理裂口寬2～20 mm，同組節理間距5～25 cm，常形成棱角狀巖塊，頂部裂隙有黏性土混砂礫充填。

頻繁的構造運動使斷層和褶皺演變復雜化，褶皺以中誼村—柿子樹背斜為主體，走向東西，長達20余千米，一般寬4～6 km，由西向東傾沒，軸部由燈影組巖層構成，兩翼分布有次一級或更小的褶皺，東部被滇池正斷層切斷，南北兩翼巖層較平緩，其他年代巖層略呈對稱狀出露，西南翼緊接東西向，栗廟向斜長達10 余千米，軸部由石炭統碳酸鹽巖組成。背斜和向斜南翼受西漢營—八街逆掩斷層影響，接近斷層地帶的巖層傾角逐漸變陡。西漢營—八街斷層是本區規模較大的斷裂，東西走向，長約30 km，向南傾斜，傾角35°以上，是南部的隔水邊界，其次是北西向二街正斷層，長約10 km，東側下降，傾角大于30°，切斷西漢營—八街斷層，構成西部弱透水邊界。此外還有次一級的北東、北西、南北向斷層，它們有時相交或切斷東西向斷層，導致構造形態和地貌類型的多樣化。

2 控制巖溶發育的主要因素

巖層的可溶性、滲透性和水的侵蝕性是形成巖溶的基本條件，區內巖溶空間分布在垂向上受巖性控制，燈影組由可溶性的碳酸鹽巖組成，破碎的巖體有一定的滲透能力，在以降水為主要補給來源的條件下，水體具有侵蝕性，在地表流動或向地下滲透，必然會溶解可溶巖和搬運溶解物。同時，在強烈氧化環境中，巖體內的黃鐵礦被溶濾，產生游離硫酸，相應地增大了地下水的溶蝕能力。含水層的滲透性和富水性進一步得到改善。這些因素綜合促進了巖溶發育，根據區內巖溶的分布和類型，主要分為裸露型和覆蓋型兩大類。

表生巖溶作用是指松散的沉積物經過固結成巖后，由于構造抬升等原因使已經固結的巖石再次暴露地表，在富CO2的大氣淡水作用下，巖石發生淋濾、溶解、侵蝕、搬運、再沉積等一系列作用，是眾多巖溶作用中的一種［12］。裸露型的巖溶分布在褶皺較強烈的部位，巖溶形態有溶蝕洼地、溶蝕裂隙、漏斗、落水洞、溶洞、溶溝、溶槽、溶坑、干谷、巖溶泉和泉華，出露范圍以中層地形為主，位于補給區向徑流區過渡的地段內，降水補給，泉流量不大，下降形式的巖溶裂隙泉最常見。

覆蓋型的巖溶分布在谷地、溶蝕洼地、湖—洪積階地，是徑流區向排泄區過渡的地段，屬于下層地形形態。燈影組之上有第四系沉積物或筇竹寺組巖層覆蓋，一方面給找水工作帶來一些困難；另一方面又決定了含水層屬于巖溶裂隙承壓水類型，有利于開發利用，地下巖溶形態以溶孔、晶孔溶隙和蜂窩狀溶洞等為主，直徑2～10 cm，呈蜂窩狀的溶孔、小晶洞也相當發育，寬2～5 cm、垂直巖層面的溶隙也很普遍，溶洞則較少，溶孔之間連通性較好，為地下水富集創造了條件。以中誼村水源地為例，巖溶主要分布在地面下30～80 m 處，一般低于滇池正常水位標高1 885 m。這說明巖溶的分布規律與地形及新構造運動相適應。此外，由于受黃鐵礦溶濾時產生的氧化鐵浸染影響，溶孔、晶洞、溶隙及裂隙內有黃褐色鐵薄膜沉積，有時被黏性土、方解石脈充填。

3 不同巖溶類型的富水性

地層巖性、地質構造和地形地貌共同決定了巖溶水系統的外部邊界和內部結構，層面、裂隙、斷裂以及褶皺空間展布則影響著巖溶形態特征、巖溶水流場及水資源量。根據地質因素、巖溶發育程度、地形地貌特點、水動力條件等的不同，巖溶的富水性就有差異。在地表水與斷裂構造接觸的地段，巖溶也很發育，下面舉2 個覆蓋型和1 個裸露型的巖溶實例來說明。前者是三家村、中誼村水源地，后者是栗廟向斜。

三家村水源地位于中誼村—柿子樹背斜的南翼，系一單斜構造。單斜西南面緊接栗廟向斜，南面被東西向西漢營—八街逆掩斷層切斷，磷礦層和可溶巖含水層分布面積變小，減少了各自的資源數量。當然，東西向斷層的發生，導致巖體破碎，改善了含水層的滲透性和富水性，有利于促進巖溶發育。因而在三家村河谷內出露有零散的、流量小于0.5 L/s 的泉水。這說明因為逆掩斷層的阻隔，單斜底部是地下水的相對富集區。但是，從總體來看，地段是中下層地形的徑流區，地下水位較滇池水位高，具有較強的排泄能力。第四系沉積物之下，通常還有弱透水的筇竹寺組巖層阻隔，三家村河也由于流域面積不大，補給能力受到限制。加之施工的方式方法不同，井孔的富水性就不同。

?

由表1 可見，在同一水文地質單元內，燈影組巖層的巖溶發育程度較磷塊巖好，含水層的富水性同樣較磷塊巖好，但兩者都具有富水性不均勻的特點。

中誼村水源地位于中誼村—柿子樹背斜東部傾伏端，先擠壓后撓曲和受滇池南北向正斷層的影響，燈影組巖體比較破碎，溶蝕現象較為強烈。地形上，地區處于山前侵蝕—溶蝕洼地向湖—洪積階地過渡的地帶上。地面標高1 900～1 930 m，屬于下層地形范疇。第四系沉積物厚5～50 m，通常是直接覆蓋在燈影組巖層上。巖溶裂隙承壓水頭高15～55 m。泉水流量5～40 L/s，動態比較穩定。井孔水位較泉水高2～8 m，或者是高出滇池水位10～20 m。顯然，地下水處于排泄區內，總體流向由西向東補給滇池。

同一水文地質單元內，井孔過濾器直徑一致，含水層厚度和水位降低基本相近的條件下，各井的出水量較大，如表2 所示。單位出水量變化不大。多孔抽水時，水力聯系明顯，停抽后水位恢復迅速，證明巖溶和裂隙的連通性較好。水資源比較豐富，含水層的富水性也比較均勻。但從富水性的分布來看，背斜南翼較北翼好一些。因為背斜軸部發育著一條小型東西向斷層，北翼上升，南翼下降。南翼的井在北翼下方，或者是處在地下水流向的下游，補給面積相對增大，距泉水較近，徑流條件較好。從巖溶和裂隙發育程度來看，南翼的井在35～75 m 深度內，直徑2～5 cm 的蜂窩狀溶孔相當發育，溶隙寬2～4 cm，其內普遍有氧化鐵薄膜沉積，黏性土等充填物也較少，北翼的井情況稍差，富水性也相對弱。

?

至于裸露的巖溶，出露較好的地段是栗廟向斜的傾沒端附近，靠近三家村河和栗廟河的分水嶺地帶，屬于中層地形的徑流區。構成向斜軸部的石炭統威寧群巖溶發育較好，形態有直徑約1 m的落水洞、小型溶洞、漏斗、溶蝕溝槽，降水的直接補給十分有利。向斜南翼被西漢營—八街斷層切斷，溶巖分布面積減少。加上栗廟河位置較高和流域面積不大等因素的影響，地下水資源受到限制，泉流量僅1～5 L/s，屬于降水動態型泉水，只能作為小型或臨時性供水。至于燈影組含水層，因埋深較大，巖溶水的開發利用較為困難。

4 黃鐵礦的溶濾與巖溶及富水性的關系

在燈影組、筇竹寺組等巖層中，經?？梢钥吹叫屈c狀、扁豆狀、團狀、似層狀黃鐵礦。在強烈氧化條件下，黃鐵礦被溶濾，發生

硫酸亞鐵性質不穩定，繼續氧化

硫酸高鐵水解，產生游離硫酸

氫氧化鐵溶解在水中，最后轉變成氧化鐵（褐鐵礦）凝聚物，沉淀在氧化帶內。因而在溶孔、小晶洞、溶隙或裂隙的空間內看到黃褐色的氧化鐵薄膜沉積。這意味著氧化鐵薄膜出現的位置，必須是巖溶發育、巖體破碎、富水性較好的地段。同時，上式生成的游離硫酸使水的pH 值降低，增強了地下水的侵蝕能力，遇碳酸鹽類巖石會加速溶蝕和溶解

硫酸鈣鎂不斷沉淀，二氧化碳逸走，促進巖溶發育，又改善含水層富水性和滲透性。

氧化鐵薄膜、巖溶、富水性三者之間存在著對應關系，如2#和4#井的鐵膜出現部位是溶孔、溶隙、裂隙較發育的地段，雖然兩井深度和含水層厚度不同，仍然可以看到兩井的單位出水量較其他井孔大（表1）。同時4#井的位置較低，距逆掩斷層不遠，受斷層阻隔更有利氧化鐵積聚，因而它的厚度、分布密度、出水量均較2#井大。此外，9#、11#井也有上述現象出現。顯然，利用鐵膜做指示標志，根據它的位置和數量，可以判斷全水層厚度，劃分巖溶發育帶，確定地下水氧化帶厚度和深度，是有實用價值的。

5 水化學特征

本區包氣帶較厚，氧化作用強烈，水交替現象活躍。同時，黃鐵礦溶濾中，除產生上述反應外，二氧化碳再與碳酸鹽巖作用

這些因素構成了地下水水化學的基本特征：水溫18～20 ℃，重碳酸鹽鈣鎂型水；pH 值為6.8～8.2，偏堿性水為主；總硬度為6.4～11.8 度，中硬水占優勢；礦化度小于210 mg/L，屬于很淡的水；不含銅、鉛、鋅、砷，鎘，汞，酚等元素。這說明地下水的時間、空間分布和演變的差異性很小，垂直分帶性極不明顯，值得注意的是井孔中含有較高含量的氡（Rn），見表3。

?

氡是放射性元素鐳的蛻變產物，也叫做鐳射氣。氡的半衰期只有3.85 d。原子序數是86，原子量是222。氡有Rn222、Rn220、Rn2193 種同位素，常見的是前者。氡具有惰性氣體的特征，由于氡具有放射性，對消化、心血、神經、皮膚、惡性腫瘤等疾病有一定治療作用。在天然水中，如氡的含量較高，不宜做生活飲用水源。我國有一些溫泉及地下熱水含有氡，如北京小湯山、陜西蘭田湯峪、貴州息烽、湖南寧鄉灰湯、湖北湯池。北京、福州、西安等地，水溫46～98 ℃，含氡量2.5～40 Eman/L?？赡苁菬崴泻幸欢〝盗康碾?，增大了它的醫學價值，但如三家村、中誼村那樣的低溫地下水含有較高含量的氡卻存在不利影響。

按照我國現行礦水的分類標準，氡的含量達到每升3.5 馬赫（1 馬赫等于3.64 Eman），可定名為氡礦水。實踐中，有人認為含氡量即使小于10 Eman/L，對人體也有益。雖然本區地下水的含氡量稍低于定名標準，但個別井孔的含氡量很接近定名標準，兼顧到醫學上的價值，定名為冷水型弱氡礦水是比較恰當的。

氡是鐳的蛻變產物，氡的來源及在地下水中的富集途徑取決于巖性成分、地質構造、補給條件、地形等因素，特別是取決于火成巖體的鐳含量及其射氣能力。雖然區內離火成巖體較遠，但不能排除磷礦床含有鐳，它可以通過地質結構的薄弱部位進入含水層，蛻變后變成氡，富集在地下水內。例如，燈影組地下水含有0.08～0.12 mg/L 的磷酸根離子，這是一般巖溶水所沒有的，也是磷礦床水補給燈影組巖溶水的證明。又如三家村井孔水的含氡量普遍較中誼村高（表3），或者是礦區含氡量較外圍高，表明氡與磷礦床有聯系。此外，礦區燈影組地下水含氡量較高，可能是含水層埋深較大，受西漢營—八街斷層阻隔，有利于氡的富集。

歷史上大的地質構造變動引起的區域性地震波及本區，其中以1970年1月5日的華寧、江川、通海、玉溪地震尤為強烈，震中7.8級，距本區僅50多千米，影響頗為嚴重。礦區地震烈度定為7 度，利用氡的惰性，通過監測井孔地下水含氡量的變化來獲取地震前兆的信息，是值得探討研究的，因為氡是惰性放射性氣體，巖層中的構造應力場發生變異，必須會引起含氡量的變化。

6 結 語

（1）從地形、地質因素、巖溶發育程度、水動力特點來看，區內比較富水的地段分布在下、中層地形的谷地、溶蝕洼地、泉旁、褶皺較強烈部位、可溶巖與阻水斷層接觸處。那里的覆蓋型巖溶比較發育，是徑流區或排泄區，巖溶裂隙承壓水為主，水質好，資源比較豐富，宜用管井開發利用。

（2）三家村一帶燈影組之上的筇竹寺組下部分布有1～3 層磷塊巖，是具有開采價值的含水層，為了增大井孔出水量，在確保水質的前提下，可與燈影組含水層同時開發利用。柿子樹、鳴矣河、二街、縣街、香條沖等地第四系之下是可溶巖，補給條件較好，是有希望的富水地段。

（3）黃鐵礦溶濾時產生的氧化鐵薄膜與巖溶、富水性之間有內在聯系，利用鐵膜做指示標志，劃分某些水文地質要素是可行的。此外，有必要繼續探索地下水中的氡來源及利用價值等問題。