東升廟礦區(qū)應(yīng)力場以及礦巖層形成變化規(guī)律分析

張永亮

（西北礦冶研究院，甘肅 白銀730900）

地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，產(chǎn)生的原因是非常復(fù)雜的。實測和理論分析表明，地應(yīng)力形成主要與地球的各種動力運動過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學(xué)變化等，也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場。其中，構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場是現(xiàn)今地應(yīng)力場的主要組成部分［1］。

無論是研究區(qū)域穩(wěn)定性問題，還是研究與地壓有關(guān)的井巷、采場穩(wěn)定性問題，都與構(gòu)造應(yīng)力場 （包含重力場）及其作用的產(chǎn)物 （各種構(gòu)造形跡）密切相關(guān)。一般而言，構(gòu)造活動往往呈現(xiàn)一定的繼承性，有一個演化過程，因此必須從老到新，從區(qū)域到礦區(qū)來研究構(gòu)造應(yīng)力場，特別是著重研究現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場［2］。

1 區(qū)域和礦區(qū)局部應(yīng)力場

1.1 區(qū)域構(gòu)造分區(qū)及應(yīng)力演化分析

一般認(rèn)為，華北地臺基底最終形成于古元古代末，本區(qū)太古宙烏拉山群邊緣拼貼了古元古代的色爾騰山群的含鐵變質(zhì)巖系之后，形成了克拉通基底。從中元古代進(jìn)入古大陸邊緣的構(gòu)造發(fā)展期，中新元古代是被動大陸邊緣，至古生代在北部邊緣轉(zhuǎn)化為活動大陸邊緣。元古宙大陸邊緣，可以根據(jù)沉積建造分布劃分為隆起、裂陷相間的構(gòu)造環(huán)境［3］，由于沉積建造應(yīng)力活動主要以重力應(yīng)力場為主。

根據(jù)地層建造對比，區(qū)內(nèi)下元古界變質(zhì)巖的分布范圍，可以延伸至烏拉特后旗以北的東克日，經(jīng)蘇尼特左旗、錫林浩特至林西一線。大量古生代以來的重熔型花崗巖基、巖體的存在及混合花崗巖、混合巖、混合片麻巖等過渡型巖體的存在表明，古元古代變質(zhì)巖在后期陸內(nèi)造山作用中，發(fā)生了明顯的重熔，形成巖漿巖體，應(yīng)力場主要以構(gòu)造應(yīng)力為主，而殘存的古元古代基底變質(zhì)巖建造的研究，就成了分析區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力及演化的基礎(chǔ)。

從中元古界的巖性組成及分布范圍可以看出，中元古代整體表現(xiàn)了被動大陸邊緣的構(gòu)造環(huán)境，發(fā)生了多期局部拉張的裂陷作用，形成了多條、多期裂谷，表現(xiàn)了臺地形成早期陸緣基底的凹凸不平及地殼厚薄不均的原始構(gòu)造形態(tài)，為中元古代地幔分異與陸核增生模式，而沒有穩(wěn)定的板塊俯沖消減構(gòu)造。地應(yīng)力場經(jīng)過下元古代的加載至中元古代的卸載過程，構(gòu)造應(yīng)力場經(jīng)消減呈趨弱狀態(tài)。

狼山地區(qū)總體構(gòu)造線方向呈NE向，與其他地段明顯不協(xié)調(diào)，一般認(rèn)為是后期構(gòu)造作用使其轉(zhuǎn)向造成，見圖1。因此，狼山東側(cè)東升廟及西側(cè)霍各乞地區(qū)的地層，可以與渣爾泰山裂陷及白云鄂博裂陷內(nèi)的地層相連，此期內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力以拉張應(yīng)力為主，經(jīng)應(yīng)力釋放區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖1 東升廟鉛鋅礦地質(zhì)沉積－構(gòu)造位置簡圖

從中國區(qū)域現(xiàn)今應(yīng)力分區(qū)圖［4］上可以看出，東升廟礦區(qū)正處于華北應(yīng)力較穩(wěn)定低值區(qū)?？梢宰C明：該礦區(qū)處于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較弱區(qū)，應(yīng)力場主要以重力應(yīng)力場為主。

1.2 礦區(qū)局部應(yīng)力場分析

東升廟礦床具有鮮明的層控特征，容礦巖組中同生斷裂活動十分明顯。原礦巖主應(yīng)力雖然以重力應(yīng)力場占主導(dǎo)作用，受同生斷裂活動影響，局部應(yīng)力分布呈現(xiàn)幾個特征。

（1）原巖應(yīng)力場以重力應(yīng)力為主，受礦區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，在不同工程地質(zhì)界線附近，出現(xiàn)局部應(yīng)力的重新分布。應(yīng)力方向的變化受工程地質(zhì)狀態(tài)的控制。應(yīng)力大小主要是重力應(yīng)力場結(jié)構(gòu)面方向的分量。在東升廟礦床容礦二組的3個巖段中，可見到層間滑塌堆積巖、層間礫巖。一些角礫還具有與上下地層和火山巖夾層變余斑晶形變相似的膝狀構(gòu)造。據(jù)這種宏觀和微觀上受局部構(gòu)造擠壓變形特征的一致性，可以確認(rèn)它們是同生角礫，而非后期的構(gòu)造角礫。這顯然是變余同生沉積構(gòu)造特征，而非后期構(gòu)造現(xiàn)象［3］，正好說明該區(qū)內(nèi)沒有受到區(qū)域構(gòu)造運動的作用。

（2）單一巖礦體可視為均勻彈性介質(zhì)，其邊緣部位出現(xiàn)應(yīng)力突變以外，內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)按重力應(yīng)力場均勻分布。

（3）隨著巖層深度的增大，重力應(yīng)力將增大。在容礦地層巖相的突變處，如從深部到地表，在容礦巖組中，順地層層位可見從細(xì)晶白云石大理巖突變?yōu)樘假|(zhì)千枚巖或其他巖性。將出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，不利于井下工程的穩(wěn)固性。

（4）在采礦工程的開挖過程中，應(yīng)力分布將出現(xiàn)變化。在井巷工程的拱角處和采空區(qū)的頂部邊緣，應(yīng)力分布呈現(xiàn)局部集中狀態(tài)。對工程的維護(hù)和礦柱的處理極為不利。

（5）礦柱的應(yīng)力分布主要顯現(xiàn)在最大應(yīng)力點集中轉(zhuǎn)移到礦柱內(nèi)部，尤其是在礦柱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)弱面上。這是因為在開挖過程中，爆破作用及解除約束而在礦柱表層礦石內(nèi)引起的應(yīng)力松馳或破壞，產(chǎn)生0．6m至1．8m厚的低應(yīng)力區(qū)。

2 礦、巖層形成以及穩(wěn)定性

2.1 礦、巖層形成與變化規(guī)律

東升廟含礦的巖系屬狼山群和渣爾泰山群經(jīng)歷過多次構(gòu)造擠壓作用的區(qū)域變質(zhì)巖系，構(gòu)造運動可以改變先存地層的厚度。根據(jù)：①厚度大的地層，往往發(fā)育層間角礫巖和滑塌沉積巖，它所含的礦體也往往發(fā)育角礫狀礦石，而厚度小的相應(yīng)巖性地層，則不發(fā)育或者缺失層間角礫巖。②從宏觀上看，各容礦巖段的界線和具有特定層位的礦體，如東升廟礦床的2＃礦體總體都連續(xù)，呈舒緩波狀。從巖石力學(xué)性質(zhì)來看，當(dāng)剛性巖與柔性巖并存，且在相同應(yīng)力場作用下時，剛性巖比柔性巖形變小。但東升廟礦床剛性的白云石大理巖段 （）的厚度，比柔性的碳質(zhì)千枚巖段（）的厚度變化性反而大。因而有理由認(rèn)為，造成這兩大礦床容礦巖段厚度出現(xiàn)突變的根本原因，主要是同生斷裂的作用。東升廟礦床的變質(zhì)基性火山巖具一定的線狀分布特征，在靠近同生斷裂處，厚度增大；遠(yuǎn)離同生斷裂時厚度變小，甚至消失。③同生斷裂活動頻率與持續(xù)時間影響礦床規(guī)模。東升廟礦床在含礦的第二組第一段（Pt2ls12），一開始沉積，同生斷裂就已活動，這從二組一段底部的1＃硫鐵礦體中，有同生角礫狀硫鐵礦石可得到證實。此后，隨著地殼運動加強，同生斷裂繼續(xù)活動，在下降盤層間礫巖發(fā)育，切割地殼的深度也不斷加大。到二組一段沉積晚期，“雙峰式”火山巖夾層形成，意味著賦礦盆地進(jìn)入相對張裂高峰期，同時也為深部成礦物質(zhì)繼續(xù)順同生斷裂上升進(jìn)入賦礦海盆做了準(zhǔn)備。在第二組二段 （）和三段 （）沉積階段，同生斷裂進(jìn)一步活動，大量的Zn、Pb、Cu、Fe不斷地沿同生斷裂上升，在賦礦盆地噴流卸載、聚集形成Zn、Pb、Cu、Fe硫化物復(fù)合礦體和菱鐵礦層，以致礦床規(guī)模達(dá)到超大型。如圖2所示。

圖2 東升廟礦床縱剖面

2.2 同生斷裂活動對礦、巖體穩(wěn)定性的影響

東升廟礦區(qū)位于狼山－渣爾泰山裂陷槽內(nèi)三級斷陷盆地邊緣的更次級凹陷中。中元古代沉積的早期，處于離古陸不遠(yuǎn)的陸源、濱海位置，主要接受陸源碎屑物質(zhì)沉積，賦礦盆地中同生斷裂活動相對較弱；中元古代沉積的中期，隨著拉張作用的進(jìn)行，沉積盆地水深加大，進(jìn)入狼山群第二組和渣爾泰山群的增隆昌組＋阿古魯溝組以白云巖為主、另有碎屑巖沉積的噴流－沉積成礦時期，賦礦盆地中同生斷裂活動十分明顯。同生斷裂持續(xù)、脈動性活動結(jié)果是：［5］

（1）導(dǎo)致含礦巖段巖性、地層厚度和礦體厚度急劇變化，并在一定程度上控制著礦體的形成與空間分布。從東升廟礦床12勘探線附近往西，白云石大理巖段厚度急劇增加，到0線附近達(dá)到最大，厚達(dá)460余m；至7勘探線往西再變薄，形成本礦床很特殊的以塊狀白云石大理巖為主的無礦帶。該帶內(nèi)層間角礫巖發(fā)育，說明在此沉積階段內(nèi)，12勘探線附近以西至7勘探線附近，是下降盤，且沉降幅度較大。進(jìn)入，以含碳質(zhì)頁巖為主的沉積階段，12勘探線附近以西至7線一帶則轉(zhuǎn)為上升盤，巖段變薄、礦化弱；而12勘探線附近以東則轉(zhuǎn)為下降盤，巖段的地層厚度變大。12勘探線以東，正好是東升廟目前開采地段，地層厚度變大有利于巖石的穩(wěn)定性。

（2）導(dǎo)致海底火山噴溢和深部成礦流體進(jìn)入海盆，并制約一些礦體的形成與空間分布。同生斷裂是深部成巖、成礦流體等進(jìn)入古裂谷盆地的通道。在下降盤，礦種多、礦化度高，還可有含角礫狀礦石的厚大Zn－Pb－Cu復(fù)合礦體的形成。東升廟礦床的變質(zhì)基性火山巖具有一定的線狀分布特征，在靠近同生斷裂地帶，厚度增大，遠(yuǎn)離同生斷裂時厚度變小，礦體受同生斷裂控制，為成礦液體進(jìn)入裂谷盆地而成，礦體受構(gòu)造應(yīng)力影響很小，對礦體的穩(wěn)定性不構(gòu)成干擾。

（3）同生斷裂活動頻率與持續(xù)時間影響礦床規(guī)模。東升廟礦床在含礦的第二組第一段（）一開始沉積，同生斷裂就已活動，這從二組一段底部的1＃硫鐵礦體中，有同生角礫狀硫鐵礦石可得到證實。此后，隨著地殼運動加強，同生斷裂繼續(xù)活動，在下降盤層間礫巖發(fā)育，切割地殼的深度也不斷加大。到二組一段沉積晚期，“雙峰式”火山巖夾層形成，意味著賦礦盆地進(jìn)入相對張裂高峰期，同時也為深部成礦物質(zhì)繼續(xù)順同生斷裂上升進(jìn)入賦礦海盆做了準(zhǔn)備。同生斷裂活動的加強，給礦體的形成提供了空間，斷裂處于張裂期對礦體沒有形成構(gòu)造活動影響。中元古代沉積的后期，礦區(qū)再度處于離古陸不遠(yuǎn)的陸源、濱海位置，如圖1所示。賦礦盆地中同生斷裂活動遺跡已不明顯，再次主要接受陸源碎屑物質(zhì)沉積，形成了不含礦的狼山群第三組和渣爾泰山群劉鴻灣組的以石英砂巖、砂頁巖為主的碎屑巖建造。再次說明，東升廟礦體的形成過程中，主要受多次沉積和沉降作用影響，構(gòu)造活動處于穩(wěn)定后，礦巖體很少受到大的外力構(gòu)造活動影響。

3 結(jié)論

（1）區(qū)域分區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的演化過程，從古元古界－中元古界－下元古界構(gòu)造應(yīng)力，經(jīng)歷了以沉積建造應(yīng)力為主的重力應(yīng)力場，到構(gòu)造應(yīng)力減弱并趨于穩(wěn)定的過程。

（2）東升廟礦區(qū)處于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較弱區(qū)，受同生斷裂活動影響，重力應(yīng)力場占主導(dǎo)作用。

（3）礦區(qū)含礦區(qū)域變質(zhì)巖系歷經(jīng)多次構(gòu)造擠壓作用，巖層厚度發(fā)生變化。在靠近同生斷裂處，厚度增大；遠(yuǎn)離同生斷裂時厚度變小，甚至消失。

（4）東升廟礦體的形成主要受多次沉積和沉降作用，構(gòu)造活動穩(wěn)定后，礦體很少受到大的外力構(gòu)造活動影響。

［1］ 蔡美峰，喬蘭，李華斌 ．地應(yīng)力測量原理和技術(shù) ［M］．北京：科學(xué)出版社，1995．

［2］ 王連捷，任希飛，丁原辰，等．地應(yīng)力測量在采礦工程中的應(yīng)用 ［M］．北京：地震出版社，1994．

［3］ 彭潤民，翟裕生，王志剛．內(nèi)蒙古東升廟、甲生盤中元古代SEDEX礦床同生斷裂活動及其控礦特征 ［J］．地球科學(xué)，2000，25（4）：404－409．

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