云南南洞地下河系统边界及结构特征研究

发布时间：2020-06-20 20:54

【摘要】：南洞地下河是云南规模最大、典型性突出的喀斯特高原地下河系统,本文依据野外调查、勘探、试验资料,以地球系统科学理论为指导,运用现代岩溶学、地质学及水文地质学的分析方法,对南洞地下河系统岩溶发育的物质基础及形成条件、边界位置和性质、地下河系统的结构进行了深入的研究,并从水动力场、水化学场、温度场等方面研究了1号暗河子系统和2号暗河子系统之间的异同,以期为南洞地下河的开发利用提供科学依据。本文主要取得以下研究进展:1.南洞地下河系统岩溶地貌主要有溶丘洼地、峰丛洼地(漏斗)、岩溶中山、岩溶低中山、岩溶断块山、构造岩溶断裂陡坡六种。其中,峰丛洼地和溶丘洼地是研究区最主要的地貌类型,主要分布在研究区东部岩溶化高原面上、盆地间岩溶浅丘及大庄盆地北部一带,大部分地下河管道均发育于峰丛洼地和溶丘洼地区。研究表明,地层岩性、构造、地下水径流、新构造运动控制了岩溶地下河的发育与分布。受到碳酸盐岩成分和厚度的影响,个旧组(T2g)质纯、层厚的灰中地下河最为发育,其它碳酸盐岩层位中,碳酸钙含量较低,岩溶化较弱,地下河管道弱发育或不发育;南洞地下河系统岩溶发育及地下河展布的方向受NW、NE两组构造的控制,地下河大多追踪断裂发育而成,主要呈NW-SE展布和NE-SW展布;草坝东山高原区的水动力条件好,水交替迅速,岩溶发育程度较其它地段高,岩溶作用强烈,地下岩溶形态以溶洞、管道为主;盆地区地下水动力条件较差,水流循环交替缓慢,岩溶发育程度不高,大部分地段地下岩溶形态以溶孔、溶隙为主,只有沿岩石结构松散的断裂破碎带,有利于地下水的径流,岩溶发育程度高,一般为岩溶洞穴或管道;新构造运动使研究区地貌具有台阶状的特点,发育三层溶洞,形成了以大庄、草坝、蒙自盆地和开远盆地为主的两级排泄基准面,每一级基准面的形成都使岩溶的发育进入强烈时期,其中大庄、草坝、蒙自盆地基准面的形成为平石板、黑龙潭、石洞-大黑水洞(灰土地洞)岩溶管道的发育创造了条件;开远盆地基准面的形成造就了 1号暗河管道的形成以及2号暗河管道出口段向上游溯源侵蚀并逐渐袭夺、归并石洞-大黑水洞(灰土地洞)管道而形成2号暗河管道主流。2.对南洞地下河系统边界进行了重新分析研究,查明研究区边界类型主要有地表分水岭、地下分水岭、阻水断裂构造岩带、非可溶岩隔水层、埋藏型岩浆岩岭脊分水岭,碳酸盐岩深埋滞留性边界。其中,东北部边界由原来的开远-马吊陡坡断裂(F14)调整为这一带的地表分水岭边界,修正了前人的认识;东南部边界与前人的研究结果一致,即东段为地表分水岭边界,南段为阻水断裂与碎屑岩组成的混合边界;本文新率定的西南部边界与前人的认识有较大差异,我们认为西南边界分为两段,盆地区为新近系泥灰岩沉积深槽形成的隔水边界,管家山-个旧市段为地表分水岭与岩浆岩基底地下分水岭组成的混合边界;西部边界为本文新厘定的边界,主要以个旧-开远阻水断裂(F1)为边界。1号暗河子系统与2号暗河子系统间的内部边界为大庄盆地北部一带地下分水岭,应为碳酸盐岩深埋滞留性边界,推测与这一带的地表分水岭一致。对南洞地下河系统顶、底界的认识,本文认为在含水层裸露的岩溶区,系统的顶界就是岩溶水面;在覆盖区,系统顶界为起伏变化较大的土石分界面。系统底界为岩溶发育下限,底界形态总体应较为平缓。3.南洞地下河系统由输入系统和输出系统组成,输入系统主要执行物质和能量的输入功能,主要由中山岩溶洼地子系统、峰丛(溶丘)洼地子系统、斜坡丘陵落水洞子系统、盆地区洼地落水洞子系统构成;输出系统执行物质和能量的输出功能,主要由管道系统组成,并将管道子系统进一步划分为1号暗河子系统和2号暗河子系统,它们在平面上为平行的枝状结构。2号暗河子系统是南洞地下河系统的主要输出系统,结构复杂,既有平列又有叠置关系的岩溶管道,如主流上的大黑水洞一带,上部管道间有平行并列关系,形成多个出水口,与深部径流带间,又有迂回叠置关系。平石板暗河、小黑水洞大泉、黑龙潭暗河为叠置在2号暗河主流之上的全排型暗河。4.1号暗河子系统与2号暗河子系统在水力坡度上差异较大。1号暗河纵剖面为均衡剖面,上游水力坡度较大,下游水力坡度较小或平缓,形成一条凹形曲线,出口段水力坡度仅在2-7‰左右;上游开远东山顶-清塘子水力坡度46.78‰,受地壳的间歇性升降运动影响,地下河在剖面上呈多层结构。2号暗河主流纵剖面形态变化较为复杂,平均水力坡度10.9-14.5‰,洪水期较枯水期明显增大,其中石洞-大黑水洞(灰土地洞)段平均水力坡度23.38-28.16‰,近草坝东山坡一带水力坡度83.24‰。在盆地和丘陵径流区水力坡度较为平缓,灰土地至草坝一村段仅4.32-4.89‰左右,出口段水力坡度仅2‰。造成上述纵剖面上水力坡度阶梯状变化的原因,主要是构造运动阶段性抬升,不同排泄基准面的形成造成的。5.对南洞地下河系统岩溶含水介质结构特征进行了深入的分析。1号暗河子系统,岩溶含水介质主要为管道介质,旁侧兼具蜂窝状溶孔、溶洞及溶蚀裂隙,管道介质起输水作用,窝状溶孔、溶洞及溶蚀裂隙主要起储水作用。2号暗河子系统岩溶含水介质结构在空间上差异较大:上游为宽大、畅通、导水迅速、排泄快捷的地下管道空间结构系统,以顺直单管道为主,地下水流速快,水流运动通道畅通,岩溶管道、裂隙介质发育完整;下游岩溶含水介质以管道-宽裂隙构成的网状结构为主,导排水较好;中游为覆盖型断陷岩溶盆地,岩溶含水介质以溶隙、裂隙等网状裂隙为主,管道介质发育不完善,地下水流速缓慢,水流运移通道不畅通。南洞口泉流量衰减分析表明,溶隙和管道是地下河系统的两种贮水空间,它们组成溶隙-管道双重含水介质。在衰减初期,岩溶水贮水体积共为115.17×106m3,管道水为11.75×106m3(只占总体积的10.20%),溶隙水贮水体积为103.42×106m3(占89.80%),后者显著大于前者,说明溶隙是南洞地下河系统的主要贮水空间,这也是南洞地下河系统在近半年基本无降雨补给的情况下,仍可保持2-3m3/s似上基流量的重要原因。6.地下河系统“三场”研究表明:在化学场方面,1号暗河子系统与2号暗河子系统的“三场”特征存在明显差异。1号暗河子系统暂时硬度,矿化度相对较低,出口水SIC和SID值为较低的负值,3H含量高于2号暗河子系统3-4TU,δD和δ18O值较小,表明1号暗河子系统岩溶含水介质空间规模大,地下水在岩溶空隙中逗留时间短,地下水循环交替较快,至出口地下水还具有较强的溶蚀性,地下水年龄较新,具有当年补给当年排泄的特点。2号暗河子系统暂时硬度,矿化度比1号暗河子系统稍高,从补给区至排泄区,管道水的矿化度不断增加,盆地径流区地下水的矿化度明显小于管道水矿化度,出口 SIC为正值,SID虽为负值,但较2号暗河子系统的负值高,3H含量低于1号暗河子系统3-4TU,但比降水含量高0.6TU,丰水期暗河水与当年降雨的同位素相比,暗河水的3H含量、δD和δ 180分别高高-14.17‰、-0.342‰和2.6±1TU,表明2号暗河子系统岩溶含水介质空间复杂,地下水在岩溶空隙中逗留的时间长,地下水循环交替没有1号暗河子系统快,出口地下水SIC已经达到饱和,对白云石还有一定的溶蚀能力,暗河管道水在丰水期也并不完全是当年雨季降水补给,地下水年龄相对较老。在温度场方面,1号暗河子系统水温始终高于2号暗河子系统0.5℃左右,说明二者具不同的热场特点。1号暗河子系统从补给区至排泄区水温变化不大;2号暗河子系统水温自上游高原山区(平石板)至盆地东部边缘(大黑水洞等),再到最终出口水温呈逐步升高的趋势。在径流场方面,1号暗河子系统汇水范围较小,径流场较简单,地下水总体由北东流向北西,其中瓦白白-阿德邑一段追踪开远-马吊陡坡断裂(F14)呈近东西向径流。2号暗河子系统地下水总体由南东向北西径流,由于汇水范围较大,各地段径流方向存在差异。2号暗河子系统上层平石板、黑龙潭暗河由于受构造的影响,地下水流向呈南东-北西方向径流,石洞-大黑水洞(灰土地洞)地下水由东向西径流;草坝东山岩溶水运移至灰土地段后,通过盆地基底断裂灰土地-大郭西断裂(F31)、老燕子-雨过铺断裂(F28)、大红地-城红寨断裂(F4)的沟通于城红寨落水洞与下游管道连通,也即盆地区主管道径流路径为灰土地洞→永宁落水洞北→草坝一村32号孔东→雷公哨-老燕子-城红寨一线;大庄盆地东部边缘岩溶水向丫口村方向径流,小黑水洞以北岩溶水向波黑丫口村一带径流,之后两岩溶水汇集沿小芭蕉-波黑断裂(F,)断裂带径流至雷公哨与2号暗河主流汇合。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P641;P931.5
【图文】：

西南边陲,地理坐标,开远市,环境概况

逦云南南洞地下河系统边界及结构特征研究逡逑２．研究区环境概况逡逑２．邋１自然地理概况逡逑２．１．１研究区位置逡逑研究区位于个旧市、开远市和蒙自市三市交界处（图２．邋１），大部分位于蒙自市境内，逡逑地处西南边陲，地理坐标：东经１０３°邋１１＇邋－１０３°邋４４＇，北纬２３°邋１５＇邋－２３°邋４４＇。逡逑１０３ＴＴ０７１０３°｜４５＇逡逑°

水文地质图,裂隙水,富水性,岩溶含水层

图２．邋４逦南洞地下河系统水文地质图（据个旧幅２０万水文地质图修改）ｌｕａ逡逑１．富水性强的岩溶含水层；２．富水性中等的岩溶含水层；３．富水性中等弱的碎屑岩裂隙水；４．新近系裂隙水：５．逡逑岩浆岩裂隙水；６．第四系孔隙水；７．地表分水岭；８．地下分水岭；９．不整合地质界线：１０．地质界线：１１．１号喑河逡逑管道；１２．正断层；１３．逆断层；１４．性质不明断层：１５．地表水及流向；１６．邋２号暗河管道；１７．岩溶竖井；１８．吹吸风逡逑洞；１９．地下水流向；２０．充水落水洞；２１．干枯落水洞；２２．地下河出口；邋２３．地下河入口邋：邋２４．岩溶漏斗；２４．季节性逡逑大泉；２６．岩溶泉，左为编号，右为流量（１／ｓ）：邋２７．水文钻孔，左为编号，右为水位；逡逑从表２．邋３和图２．邋４可看出，研究区个旧组（Ｔ２ｇ）碳酸盐岩厚度最大，分布最广，岩溶发育逡逑最强烈，是研宄区岩溶发育最重要的一个层位，研究区大部分地下河管道均发育于该地层逡逑中。基岩裂隙水在系统内分布十分有限，且含量微弱，大气降水降至地表后，大部分以地逡逑表径流的方式流走，有部分渗入补给了岩溶含水层。盆地边缘局部地段孔隙水对岩溶水有逡逑微弱的越流补给现象，但总体孔隙水、裂隙水与岩溶水间的水力联系较差，岩溶水为区内逡逑主要的地下水类型，为本次研究的重点。逡逑

【参考文献】