西山煤田中奧陶統(tǒng)巖溶發(fā)育主控因素分析

李俊杰

(西山煤電(集團(tuán))公司 地質(zhì)處，山西 太原 030053)

西山煤田為典型的石炭－二疊系煤田，煤系地質(zhì)下伏為巨的中奧陶統(tǒng)可溶性碳酸鹽巖。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，西山煤田進(jìn)行了大量的水文地質(zhì)勘探工作，關(guān)于煤層下伏奧陶系碳酸鹽巖的巖溶發(fā)育狀況取得大量直觀資料。對(duì)西山煤田中奧陶統(tǒng)巖溶發(fā)育主控因素進(jìn)行研究，明確其巖溶發(fā)育規(guī)律與狀態(tài)，直接關(guān)系到各帶壓開(kāi)采礦井的防治水工作與安全生產(chǎn)。

1 礦物及化學(xué)成分

西山煤田中奧陶統(tǒng)地層依據(jù)巖性不同劃分為3組8段，由于不同組、段巖性不同，礦物及化學(xué)成分存在差異，其巖溶發(fā)育程度也不相同。研究表明，強(qiáng)巖溶層主要發(fā)育在泥晶石灰?guī)r以及含白云石石灰?guī)r中，特別是中奧陶統(tǒng)峰峰組上段、上馬家溝組上段等地層中。而弱巖溶層主要發(fā)育在中奧陶統(tǒng)峰峰組下段、上馬家溝組下段等地層中的泥晶－粉晶白云巖、白云質(zhì)石灰?guī)r，角礫狀石灰?guī)r中等巖層中。可見(jiàn)，不同巖性及巖石結(jié)構(gòu)對(duì)溶蝕條件影響較大。中奧陶統(tǒng)地層中CaO含量多在40% ～50%以上，相對(duì)溶解度為1左右。

水文地質(zhì)鉆探中，峰峰組與上馬家溝組上部石灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象明顯(見(jiàn)圖1)，各組中白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、角礫狀灰?guī)r溶蝕不明顯，常常可以作為相對(duì)隔水層(見(jiàn)圖2、3)。對(duì)研究區(qū)中奧陶統(tǒng)地層所取巖樣進(jìn)行巖石薄片分析及X熒光衍射試驗(yàn)表明:峰峰組上段石灰?guī)r，CaO含量均值＞40% ，CaO/MgO值150以上;峰峰組下段巖樣CaO含量多數(shù)＜40%，CaO/MgO值均＜30，巖溶化程度相對(duì)較弱;上馬家溝組上段碳酸鹽巖中，CaO含量＞60%，CaO/MgO值＞200;可見(jiàn)峰峰組上段與上馬家溝組上段最易發(fā)生巖溶(見(jiàn)圖4)。

圖1 鉆孔中上馬家溝組上部巖溶發(fā)育情況圖

圖2 峰峰組下部角礫狀石灰?guī)r，巖溶不發(fā)育圖

圖3 上馬家溝組下部白云質(zhì)石灰?guī)r，巖溶不發(fā)育圖

圖4 峰峰組上部泥晶灰?guī)r，方解石含量90%以上圖

巖石中可溶性成分的存在是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)條件，質(zhì)純中－厚層石灰?guī)r其巖溶率最高。通常石灰?guī)r為強(qiáng)巖溶化巖體，厚層白云巖或泥質(zhì)石灰?guī)r可視為相對(duì)隔水層，同時(shí)，相對(duì)隔水的泥灰?guī)r、白云巖與中－厚層石灰?guī)r的接觸部位，巖溶較為發(fā)育。根據(jù)鉆孔資料，巖溶及漏水層段都位于這些層位，地表觀察巖溶都分布，也多位于這些層段中。根據(jù)西山Z－6孔(圖5)巖樣化學(xué)成分分析，峰峰組上段厚層灰?guī)rCaO含量為60% ～80%，而泥質(zhì)白云巖為30% ～40%，CaO和MgO的比值為0.6～8;上馬家溝組上段泥晶灰?guī)rCaO含量為50% ～90%，含云泥晶灰?guī)rCaO含量為60% ～70%，MgO含量30% ～40%，兩者比值1.5～1.7，相對(duì)溶解度為1，有利于巖溶發(fā)育。而在泥灰?guī)r段CaO含量少，MgO則含量高，一般巖溶不發(fā)育。奧陶系下統(tǒng)MgO和SiO2含量增高，相對(duì)溶解度變小，巖溶發(fā)育不及前者。

2 水化學(xué)及水動(dòng)力條件

2.1 水化學(xué)條件

受大氣降水或地表水補(bǔ)給，可溶性巖層中地下水沿巖溶裂隙、孔隙流動(dòng)，在這一過(guò)程中，在具侵蝕性CO2的參與下，動(dòng)力中的地下水與可溶性巖層持續(xù)發(fā)生物理化學(xué)作用，進(jìn)一步加劇了巖層中的巖溶和裂隙。

圖5 西山Z－6孔化學(xué)組分含量關(guān)系圖

在西山煤田，中奧陶統(tǒng)地層相對(duì)巖溶發(fā)育段都處于淺部埋藏區(qū)，其上覆包括石炭、二疊系非可溶性巖層厚度大都不超過(guò)200～300 m。在這個(gè)深度范圍內(nèi)，地下水中所含侵蝕性CO2的含量使得巖溶能夠發(fā)育，埋藏越淺，巖溶發(fā)育就越普遍。在西山煤田西北部及汾河兩岸，中奧陶統(tǒng)埋藏不足百米，其巖溶最發(fā)育，地層富水性最強(qiáng)。在部分地區(qū)，由于受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，中奧陶統(tǒng)巖溶發(fā)育深度可達(dá)400～500余m，除此之外，正常情況下隨著可溶性巖層埋藏深度的增加，其巖溶發(fā)育程度逐漸減弱、甚至不發(fā)育或消亡。主要原因在于上覆石炭－二疊系相對(duì)隔水的非可溶性巖層影響下，隨著中奧陶統(tǒng)地層埋藏深度的增加，其可溶巖層接觸空氣中CO2條件變差，地下水滲流條件也逐漸減弱，從而失去了其巖溶發(fā)育的水化學(xué)和水動(dòng)力條件，原有古巖溶也隨著水動(dòng)力及水化學(xué)條件變化而逐漸充填、消亡。對(duì)柳林河口CK93號(hào)鉆孔分析表明，在孔深57.8 m時(shí)，侵蝕性CO2含量為1.54 mg/L，當(dāng)孔深達(dá)到200 m時(shí)，其侵蝕性CO2減少為0.44 mg/L，說(shuō)明侵蝕性CO2含量與埋藏深度具有直接相關(guān)性。西山煤田GS－8－1鉆孔與GS－8－2鉆孔，由于中奧陶統(tǒng)地層埋藏深度大，勘探中巖溶發(fā)育弱，無(wú)水。上述現(xiàn)象說(shuō)明，在西山煤田巖溶隨埋深加大而逐漸失去了溶蝕的水化學(xué)條件，巖溶與埋藏深度關(guān)系密切。

2.2 水動(dòng)力條件

區(qū)域巖溶地下水水動(dòng)力條件的地質(zhì)演變與現(xiàn)狀是影響西山煤田巖溶發(fā)育的重要因素。構(gòu)造上，西山地區(qū)從整體上為一個(gè)近南北向不對(duì)稱復(fù)式向斜構(gòu)造，西、北、東均向內(nèi)部?jī)A斜，總體向SSW傾伏深埋，補(bǔ)給區(qū)位于西山北部、西部大面積的灰?guī)r裸露區(qū)，除接收大氣降水補(bǔ)給外，還接受地表水滲漏補(bǔ)給，構(gòu)成了西山煤田奧陶系碳酸鹽巖西、北、東向內(nèi)及總體向南傾伏的埋藏條件。西山煤田東部和東南部邊緣為邊山斷裂，受區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，與太原盆地形成極大的落差，從而使區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面由西北向東南、自北向南逐漸深切，成為西山地區(qū)奧陶系巖溶地下水運(yùn)動(dòng)的主要水動(dòng)力條件。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:

1)西山煤田構(gòu)造態(tài)勢(shì)，特別是邊山斷裂帶兩側(cè)的差異性升降運(yùn)動(dòng)，決定了巖溶地下水總體由北向南、由西向東產(chǎn)生徑流，向斜核部可溶性巖層埋藏深，水動(dòng)力條件差，巖溶發(fā)育弱，地層富水性也差，在南部深埋區(qū)，中奧陶統(tǒng)地層總體富水性極弱，巖溶不發(fā)育。

2)在王封地壘東段南北兩側(cè)，除受邊山升降運(yùn)動(dòng)影響外，同時(shí)存在自北向南的掀斜抬升，北部可溶性巖層大量抬高與出露，從而導(dǎo)致峰峰組和上馬家溝組地層出現(xiàn)大量干巖溶層(地下水位下降，巖溶層無(wú)水)，而現(xiàn)代巖溶則持續(xù)向埋藏較深下馬家溝組弱巖溶地層發(fā)展，甚至發(fā)育到寒武系可溶性地層，大量勘探資料也證實(shí)了這一點(diǎn)。

3)受邊山斷裂帶影響，其附近水動(dòng)力條件發(fā)生改變，基準(zhǔn)面變化下的巖溶繼續(xù)向深部發(fā)育，在煤系厚層非可溶性基巖之下，中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖中巖溶現(xiàn)象也極為發(fā)育。在邊山斷裂上盤區(qū)域，深部巖溶現(xiàn)象尤為突出。如白家莊礦主－1號(hào)孔，中奧陶統(tǒng)上覆非可溶性基巖厚達(dá)300 m，但峰峰組及上馬家溝組地層中巖溶均很發(fā)育，而現(xiàn)代巖溶發(fā)育深度在該孔可達(dá)666 m;在桃杏D－5號(hào)中，中奧陶統(tǒng)上覆非可溶性基巖為485 m，其峰峰組與上馬家溝組地層巖溶也很發(fā)育，該孔現(xiàn)代巖溶高程深度達(dá)7 106 m。兩孔所揭露的中奧陶統(tǒng)巖溶含水層徑流條件好，富水性強(qiáng)。

3 區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響

巖溶發(fā)育必然受控于構(gòu)造動(dòng)力，西山煤田巖溶發(fā)育主要受古生代以來(lái)各級(jí)構(gòu)造動(dòng)力影響。首先是古生代加里東運(yùn)動(dòng)，發(fā)生于中奧陶統(tǒng)沉積之后，該動(dòng)力造成中奧陶之后區(qū)域性沉積間斷，但由于地層抬升、剝蝕時(shí)間長(zhǎng)，形成剝蝕夷平面，總體地形較為平坦，其巖溶發(fā)育程度較弱，深度有限。自中石炭世到三疊紀(jì)，該區(qū)域廣泛沉積了以砂、泥、頁(yè)巖為主的非可溶性巖層，其沉積總厚度在1 000 m以上，這一時(shí)期，各類可溶性巖層逐漸深埋，上覆非可溶性巖層逐漸封閉了水和空氣中侵蝕性CO2的滲入途徑，從而導(dǎo)致巖溶發(fā)育的區(qū)域性減弱，甚至消亡。西山煤田主要褶曲及斷裂構(gòu)造形成于中生代末的燕山運(yùn)動(dòng)，總體表現(xiàn)為南北向向斜與大量高角度正斷層。受此影響，在煤田北部、西部邊緣，地層隆起，接受剝蝕，導(dǎo)致該區(qū)域碳酸鹽巖地層埋藏變淺或裸露，成為進(jìn)一步發(fā)育巖溶的動(dòng)力與水源補(bǔ)給區(qū)，區(qū)域巖溶開(kāi)始再次發(fā)育。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期，西山煤田東部邊緣斷陷，太原盆地真正形成，侵蝕基準(zhǔn)面變化導(dǎo)致河流在地表不斷下切，巖溶向深部發(fā)育，邊山附近形成大量巖溶泉，至此，該區(qū)巖溶景觀基本形成，以后的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在此基礎(chǔ)上對(duì)本區(qū)巖溶發(fā)育有一定影響，但其總體趨勢(shì)未發(fā)生根本性變化。

4 結(jié)論

西山煤田中奧陶統(tǒng)地層的巖溶主要受礦物及化學(xué)成分、水化學(xué)及水動(dòng)力條件以及區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。不同層段巖石中礦物成分的不同是巖溶差異發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，中奧陶統(tǒng)地層溶解度大，巖溶發(fā)育;水化學(xué)及水動(dòng)力是巖溶發(fā)育的必要條件，巖溶與埋藏深度關(guān)系密切;西山煤田巖溶的發(fā)育是其長(zhǎng)期歷史演變過(guò)程的結(jié)果，區(qū)域構(gòu)造則控制了本區(qū)巖溶發(fā)育的階段性。

［1］崔振昂，鮑征宇，張?zhí)旄?，?埋藏條件下碳酸鹽巖溶解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2007(3):204－207.

［2］郭盛彬，郭英海，李俊杰，等.屯蘭礦奧陶系隔水關(guān)鍵層厚度分析［J］.煤礦安全，2011，42(4):148－151.

［3］劉建軍，徐會(huì)軍，李俊杰.古交礦區(qū)奧陶系頂部隔水關(guān)鍵層厚度研究［J］.煤炭工程，2011(5):83－85.

［4］李定龍，周治安，王才會(huì).華北地區(qū)奧陶系灰?guī)r巖溶研究的幾點(diǎn)思考［J］.世界地質(zhì)，1997，16(1):60－65.