西山煤田中奥陶统岩溶发育主控因素分析

李俊杰

(西山煤电(集团)公司 地质处，山西 太原 030053)

西山煤田为典型的石炭－二叠系煤田，煤系地质下伏为巨的中奥陶统可溶性碳酸盐岩。自20世纪80年代以来，西山煤田进行了大量的水文地质勘探工作，关于煤层下伏奥陶系碳酸盐岩的岩溶发育状况取得大量直观资料。对西山煤田中奥陶统岩溶发育主控因素进行研究，明确其岩溶发育规律与状态，直接关系到各带压开采矿井的防治水工作与安全生产。

1 矿物及化学成分

西山煤田中奥陶统地层依据岩性不同划分为3组8段，由于不同组、段岩性不同，矿物及化学成分存在差异，其岩溶发育程度也不相同。研究表明，强岩溶层主要发育在泥晶石灰岩以及含白云石石灰岩中，特别是中奥陶统峰峰组上段、上马家沟组上段等地层中。而弱岩溶层主要发育在中奥陶统峰峰组下段、上马家沟组下段等地层中的泥晶－粉晶白云岩、白云质石灰岩，角砾状石灰岩中等岩层中。可见，不同岩性及岩石结构对溶蚀条件影响较大。中奥陶统地层中CaO含量多在40% ～50%以上，相对溶解度为1左右。

水文地质钻探中，峰峰组与上马家沟组上部石灰岩溶蚀现象明显(见图1)，各组中白云质灰岩、白云岩、角砾状灰岩溶蚀不明显，常常可以作为相对隔水层(见图2、3)。对研究区中奥陶统地层所取岩样进行岩石薄片分析及X荧光衍射试验表明:峰峰组上段石灰岩，CaO含量均值＞40% ，CaO/MgO值150以上;峰峰组下段岩样CaO含量多数＜40%，CaO/MgO值均＜30，岩溶化程度相对较弱;上马家沟组上段碳酸盐岩中，CaO含量＞60%，CaO/MgO值＞200;可见峰峰组上段与上马家沟组上段最易发生岩溶(见图4)。

图1 钻孔中上马家沟组上部岩溶发育情况图

图2 峰峰组下部角砾状石灰岩，岩溶不发育图

图3 上马家沟组下部白云质石灰岩，岩溶不发育图

图4 峰峰组上部泥晶灰岩，方解石含量90%以上图

岩石中可溶性成分的存在是岩溶发育的基础条件，质纯中－厚层石灰岩其岩溶率最高。通常石灰岩为强岩溶化岩体，厚层白云岩或泥质石灰岩可视为相对隔水层，同时，相对隔水的泥灰岩、白云岩与中－厚层石灰岩的接触部位，岩溶较为发育。根据钻孔资料，岩溶及漏水层段都位于这些层位，地表观察岩溶都分布，也多位于这些层段中。根据西山Z－6孔(图5)岩样化学成分分析，峰峰组上段厚层灰岩CaO含量为60% ～80%，而泥质白云岩为30% ～40%，CaO和MgO的比值为0.6～8;上马家沟组上段泥晶灰岩CaO含量为50% ～90%，含云泥晶灰岩CaO含量为60% ～70%，MgO含量30% ～40%，两者比值1.5～1.7，相对溶解度为1，有利于岩溶发育。而在泥灰岩段CaO含量少，MgO则含量高，一般岩溶不发育。奥陶系下统MgO和SiO2含量增高，相对溶解度变小，岩溶发育不及前者。

2 水化学及水动力条件

2.1 水化学条件

受大气降水或地表水补给，可溶性岩层中地下水沿岩溶裂隙、孔隙流动，在这一过程中，在具侵蚀性CO2的参与下，动力中的地下水与可溶性岩层持续发生物理化学作用，进一步加剧了岩层中的岩溶和裂隙。

图5 西山Z－6孔化学组分含量关系图

在西山煤田，中奥陶统地层相对岩溶发育段都处于浅部埋藏区，其上覆包括石炭、二叠系非可溶性岩层厚度大都不超过200～300 m。在这个深度范围内，地下水中所含侵蚀性CO2的含量使得岩溶能够发育，埋藏越浅，岩溶发育就越普遍。在西山煤田西北部及汾河两岸，中奥陶统埋藏不足百米，其岩溶最发育，地层富水性最强。在部分地区，由于受新构造运动影响，中奥陶统岩溶发育深度可达400～500余m，除此之外，正常情况下随着可溶性岩层埋藏深度的增加，其岩溶发育程度逐渐减弱、甚至不发育或消亡。主要原因在于上覆石炭－二叠系相对隔水的非可溶性岩层影响下，随着中奥陶统地层埋藏深度的增加，其可溶岩层接触空气中CO2条件变差，地下水渗流条件也逐渐减弱，从而失去了其岩溶发育的水化学和水动力条件，原有古岩溶也随着水动力及水化学条件变化而逐渐充填、消亡。对柳林河口CK93号钻孔分析表明，在孔深57.8 m时，侵蚀性CO2含量为1.54 mg/L，当孔深达到200 m时，其侵蚀性CO2减少为0.44 mg/L，说明侵蚀性CO2含量与埋藏深度具有直接相关性。西山煤田GS－8－1钻孔与GS－8－2钻孔，由于中奥陶统地层埋藏深度大，勘探中岩溶发育弱，无水。上述现象说明，在西山煤田岩溶随埋深加大而逐渐失去了溶蚀的水化学条件，岩溶与埋藏深度关系密切。

2.2 水动力条件

区域岩溶地下水水动力条件的地质演变与现状是影响西山煤田岩溶发育的重要因素。构造上，西山地区从整体上为一个近南北向不对称复式向斜构造，西、北、东均向内部倾斜，总体向SSW倾伏深埋，补给区位于西山北部、西部大面积的灰岩裸露区，除接收大气降水补给外，还接受地表水渗漏补给，构成了西山煤田奥陶系碳酸盐岩西、北、东向内及总体向南倾伏的埋藏条件。西山煤田东部和东南部边缘为边山断裂，受区域新构造运动影响，与太原盆地形成极大的落差，从而使区域侵蚀基准面由西北向东南、自北向南逐渐深切，成为西山地区奥陶系岩溶地下水运动的主要水动力条件。主要表现在3个方面:

1)西山煤田构造态势，特别是边山断裂带两侧的差异性升降运动，决定了岩溶地下水总体由北向南、由西向东产生径流，向斜核部可溶性岩层埋藏深，水动力条件差，岩溶发育弱，地层富水性也差，在南部深埋区，中奥陶统地层总体富水性极弱，岩溶不发育。

2)在王封地垒东段南北两侧，除受边山升降运动影响外，同时存在自北向南的掀斜抬升，北部可溶性岩层大量抬高与出露，从而导致峰峰组和上马家沟组地层出现大量干岩溶层(地下水位下降，岩溶层无水)，而现代岩溶则持续向埋藏较深下马家沟组弱岩溶地层发展，甚至发育到寒武系可溶性地层，大量勘探资料也证实了这一点。

3)受边山断裂带影响，其附近水动力条件发生改变，基准面变化下的岩溶继续向深部发育，在煤系厚层非可溶性基岩之下，中奥陶统碳酸盐岩中岩溶现象也极为发育。在边山断裂上盘区域，深部岩溶现象尤为突出。如白家庄矿主－1号孔，中奥陶统上覆非可溶性基岩厚达300 m，但峰峰组及上马家沟组地层中岩溶均很发育，而现代岩溶发育深度在该孔可达666 m;在桃杏D－5号中，中奥陶统上覆非可溶性基岩为485 m，其峰峰组与上马家沟组地层岩溶也很发育，该孔现代岩溶高程深度达7 106 m。两孔所揭露的中奥陶统岩溶含水层径流条件好，富水性强。

3 区域构造运动影响

岩溶发育必然受控于构造动力，西山煤田岩溶发育主要受古生代以来各级构造动力影响。首先是古生代加里东运动，发生于中奥陶统沉积之后，该动力造成中奥陶之后区域性沉积间断，但由于地层抬升、剥蚀时间长，形成剥蚀夷平面，总体地形较为平坦，其岩溶发育程度较弱，深度有限。自中石炭世到三叠纪，该区域广泛沉积了以砂、泥、页岩为主的非可溶性岩层，其沉积总厚度在1 000 m以上，这一时期，各类可溶性岩层逐渐深埋，上覆非可溶性岩层逐渐封闭了水和空气中侵蚀性CO2的渗入途径，从而导致岩溶发育的区域性减弱，甚至消亡。西山煤田主要褶曲及断裂构造形成于中生代末的燕山运动，总体表现为南北向向斜与大量高角度正断层。受此影响，在煤田北部、西部边缘，地层隆起，接受剥蚀，导致该区域碳酸盐岩地层埋藏变浅或裸露，成为进一步发育岩溶的动力与水源补给区，区域岩溶开始再次发育。喜马拉雅运动期，西山煤田东部边缘断陷，太原盆地真正形成，侵蚀基准面变化导致河流在地表不断下切，岩溶向深部发育，边山附近形成大量岩溶泉，至此，该区岩溶景观基本形成，以后的新构造运动在此基础上对本区岩溶发育有一定影响，但其总体趋势未发生根本性变化。

4 结论

西山煤田中奥陶统地层的岩溶主要受矿物及化学成分、水化学及水动力条件以及区域构造运动的影响。不同层段岩石中矿物成分的不同是岩溶差异发育的物质基础，中奥陶统地层溶解度大，岩溶发育;水化学及水动力是岩溶发育的必要条件，岩溶与埋藏深度关系密切;西山煤田岩溶的发育是其长期历史演变过程的结果，区域构造则控制了本区岩溶发育的阶段性。

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