Dissolution characteristics and mechanism of gypsum-salt-rich-red beds in Cretaceous Guankou formation in Chengdu
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摘要:
成都市白垩系灌口组近地表红层富膏盐地层因富含膏盐、钙芒硝等易溶矿物普遍发育红层类岩溶现象，制约着地下空间的开发利用。为梳理出成都市域灌口组富膏盐红层溶蚀规律与机理，防范红层硫酸盐岩溶相关的工程地质问题，综合利用钻孔岩芯、物探、测井、物性测试、溶解实验等资料，分析区域内富膏盐地层的分布规律、富膏盐红层溶蚀特征、溶蚀发育的影响因素和红层硫酸盐岩溶机理。综合研究表明，成都市白垩系灌口组富膏盐红层溶蚀现象普遍发育于低丘台地区及平原河谷区。红层硫酸盐岩溶受地形、构造、地下水活动、断裂等多种因素的综合影响，地下水活动和断裂系统是最关键因素。存在两种不同的溶蚀模式：在高于平原区的低丘地区，地表水透过第四系松散卵砾石层，入渗至裂缝发育、岩体破碎的强-中风化以及富含膏盐的白垩系灌口地层，溶蚀钙芒硝、石膏、硬石膏等矿物后，地下水顺流至低洼的平原、河谷地带或汇入地表径流，促使溶蚀作用的持续发生；在低于平原区的较深部，地表径流沿向斜翼部侧向顺层流动或沿断裂系统入渗补给地下水，导致60 m以深的较深部发生溶蚀现象。 Abstract:Because the red beds in Guankou formation of Cretaceous in Chengdu are rich in gypsum salt， glauberite and other soluble minerals， the red bed karst phenomenon develop extensively in near-surface layer. This phenomenon restricts the exploitation and utilization of underground space. Based on the data of drilling core， geophysical exploration， well logging， physical property test and dissolution experiment， the distribution law of gypsum-salt-rich strata，the dissolution characteristics of gypsum-salt-rich-red beds ， the influencing factors of dissolution development and karst mechanism of red beds are analyzed. The study shows that the dissolution of gypsum-salt-rich-red beds rich in gypsum salt in Guankou formation of Cretaceous in Chengdu generally develop in low hilly areas as well as plain and valley areas. The karst of red beds is comprehensively affected by many factors such as topography， structure， groundwater activity and faults， among which the groundwater activity and fault system are the most key factors. Besides， there are two different dissolution modes， first one， in the low hilly area higher than the plain area， surface water penetrates through the loose gravel layer of Quaternary， and then infiltrates into fissure-growing and weathered Guankou formation of Cretaceous with rich gypsum salt . After dissolving glauberite， gypsum， anhydrite and other minerals， groundwater flows downstream to the low-lying plain and river valley or converges into the surface runoff and finally promotes the dissolution. Second one， in the deeper part below the plain area， the surface runoff flows laterally along the syncline wing and the bedding or infiltrates along the fault system to recharge groundwater， which finally results in the dissolution phenomenon generating in the deeper part below 60 m. -
Key words:
- karst /
- dissolution mechanism /
- Guankou formation /
- gypsum-salt-rich-red-beds /
- source-sink system
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图 1 研究区地质概况图
Figure 1. Geological overview and lithologic histogram of Guankou formation in the study area
图 2 灌口组岩性柱状图
Figure 2. Geological overview and lithologic histogram of Guankou formation in the study area
图 3 成都地区白垩系灌口组岩芯照片
Figure 3. Photo of rock core of Cretaceous Guankou formation in Chengdu
图 4 白垩系灌口组岩性电阻率—自然伽马交会图
Figure 4. Cross plot of lithology resistivity and natural gamma of Cretaceous Guankou formation
图 5 成都市白垩系灌口组红层富膏盐泥岩埋深分布规律
Figure 5. Distribution of buried depth of gypsum-salt-rich mudstone in the red bed of Cretaceous Guankou formation in Chengdu
图 6 溶蚀孔洞（洞穴）及松散软弱层岩心照片
Figure 6. Photo of dissolution holes (caves) and cores of loose-weak layers
图 7 a.为钙芒硝岩、含泥钙芒硝岩、钙芒硝质泥岩、石膏岩溶解过程中溶液TDS变化曲线，b.为溶解过程中总溶解量的变化曲线，c.溶解速率随溶解时间变化曲线，d.为硫酸根离子浓度随时间变化曲线（标准溶液刻度TDS）
Figure 7. a.Variation curve of solution TDS in the dissolution process of glauberite, glauberite mudstone and gypsum rock，b.Variation curve of total dissolved amount during dissolution process，c.Variation curve of dissolution rate varying with dissolution time，d.Variation curve of sulphate ions concentration varying with time
图 8 地下水Piper三线图及舒卡列夫分类结果
Figure 8. Piper three-line map of groundwater and results by schukalev classification method
图 9 钻井溶蚀现象分布及地形、地下水位特征图（地下水位）
Figure 9. Distribution of drilling dissolution phenomenon and characteristics of topography and groundwater level
图 10 黄渡—煎茶镇地质剖面及钻孔揭示溶蚀现象分布
Figure 10. Distribution of dissolution phenomenon revealed by geological section and borehole of Huangdu Town-Jiancha town
图 11 等值反磁通瞬变电磁解译成果图及ZK10井溶蚀带声波速度特征
Figure 11. Interpretation results of equivalent antimagnetic flux transient electromagnetism and characteristics of acoustic velocity of dissolution zone in well ZK10
表 1 成都地区白垩系灌口组岩石密度、电阻率、声波速度、自然伽马参数表
Table 1.
Density， resistivity， acoustic velocity and Natural gamma ray parameters of the Cretaceous Guankou formation in Chengdu area 岩性 声波速度/m 密度/g 电阻率/Ω 自然伽马(API) 范围 平均值 范围 平均值 范围 平均值 范围 平均值 白云质泥岩 3 821~4 838 4 330 2.875~2.945 2.910 35.5~79.6 58.3 11.41~18.40 16.37 粉砂质泥岩 1 699~3 625 2 662 2.281~2.801 2.541 6.4~5 877.8 357.9 13.60~17.69 15.69 钙芒硝 2 826~4 621 3 537 2.687~2.813 2.764 43.4~2 433.0 376.6 4.20~10.11 7.52 含钙芒硝泥岩 2 768~4 165 3 447 2.663~2.758 2.721 29.4~170.2 147.2 7.65~9.80 8.75 膏质白云岩 3 497~3 832 3 680 2.620~2.889 2.789 102.6~161.8 132.2 11.04~12.76 11.96 膏质泥岩 2 912~2 912 2 912 2.357~2.357 2.357 35.1~963.4 347.7 9.52~13.86 11.84 泥岩 1 845~2 615 2 230 2.488~2.636 2.562 7.1~732.0 86.7 14.48~18.06 15.87 泥质粉砂岩 2 499~2 755 2 627 2.371~2.500 2.436 8.8~7 957.1 255.4 15.51~16.65 16.11 （硬）石膏岩 4 073~4 258 4 153 2.824~2.883 2.861 819.3~12 838.9 5 249.5 11.49~13.73 12.57 
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表 2 钻探揭示的溶蚀孔洞、松散软弱层分布深度统计表
Table 2.
Statistical table of distribution depth of dissolution holes and loose-weak layers revealed by drilling 钻孔号 松散软弱层 溶蚀孔洞发育带 深度/m 特征 深度/m 特征 ZK01 98.2~99.4 中砂岩，胶结物被溶解，剩余为石英、长石等骨架矿物，局部呈散沙状，岩心上可见高角度裂缝，倾角大于60° ZK06 45.3~45.5、50.5~50.9 泥岩，松散状，有倾角45°裂缝。 51.1~51.9 含膏泥岩，多为针孔状溶孔，最大直径20 mm， ZK09 43.6~43.9、43.4~43.8、44.4~44.6、58.8~59.0、60.7~61.1、67.4~67.7、68.5~68.6、88.8~89.0 泥岩及粉砂质泥岩，含石膏、硬石膏等膏盐矿物，松散状，部分呈软弱泥状。 45.0~45.2、47.5~47.6、55.3~55.8、59.8~60.0、63.1~63.3、84.0~84.1、95.8~96.0 含膏盐泥岩、含钙芒硝泥岩，溶孔密集发育。 ZK10 20.0~20.2、22.5~22.8、30.2~30.8、31.8~32.6、35.7~37.5、38.1~39.8、41.5~48.7、50.0~50.5 含膏盐、钙芒硝泥岩及粉砂质泥岩，松散状、角砾状，松散软弱层上下或内部发育多条裂缝，倾角30°~65°。 14.7~14.9、15.5~15.7、19.0~20.4、21.5~23.2、26.2~29.2、40.4~40.5 含钙芒硝泥岩，发育直径2~10 mm的溶蚀孔洞，溶蚀孔洞发育段裂缝发育，倾角为30°~65°，缝面见黑色铁锰质浸染。 ZK13 6.8~7.5、14.3~15.0、18.0~19.0、65.3~65.4 含膏盐泥岩及粉砂质泥岩，松散状、软弱状。 10.5~12.8、19.4~19.6、25.8~26.5、31.9~32.0、65.0~65.3、69.8~70.1 含膏盐泥岩，针孔状溶孔发育，溶孔发育段上下岩心发育高角度裂缝，缝面有铁锰质浸染。 ZK14 21.0~21.8、29.6~30.4、38.7~39.2、45.2~45.4、53.1~53.4、64.4~64.7 泥岩及含膏盐泥岩，软弱呈土状。 38.5、39.6~40.1、42.4、48.0~53.6、52.0、86.7~90.2 含膏盐粉砂质泥岩，针孔状溶孔发育，溶孔直径最大20 mm。溶孔发育段伴生有裂缝，缝面有黑色铁锰质浸染。 ZK15 46.3~47.0、86.0~86.3 泥岩，松散呈土状，岩芯上见高角度及近垂直裂缝，倾角70°~90°。 ZK17 34.4~35.0、36.0~36.5、47.5~47.7、53.2~53.5、77.6~77.7、81.4~81.7 泥岩，松散状、碎块状，岩芯上见高角度裂缝。 42.7~44.7、48.0~50.0、63.1~63.4、69.4~69.6 含膏盐泥岩及粉砂质泥岩，溶蚀孔洞直径一般为1~6 mm，最大直径为10 mm，伴生有裂缝，缝面有黑色铁锰质浸染。
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