淮南潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征及成因_许光泉.pdf

第 卷 第 期安徽理工大学学报（自然科学版）年 月 （）淮南潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征及成因许光泉，何玉鹏，张海涛，杨婷婷，魏挺双，程庆和（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南；淮河能源煤业分公司潘二煤矿，安徽 淮南）摘 要：为探讨华北板块南缘的奥陶系古岩溶成因，进一步为矿山岩溶水害防治提供基础研究和依据，以华北煤田南缘的淮南潘集矿区为对象，采用岩芯描述、观测统计、薄片分析等方法，对区内奥陶系角砾岩厚度、结构特征及分布规律进行系统研究，并探讨成因。结果表明，岩溶角砾岩距基岩面深度为 ，呈三层状不等间距分布，平均厚度为、；岩溶角砾段的角砾含量为，粒径为，主要为白云质灰岩、白云岩和灰质白云岩等岩屑，角砾岩屑中主要矿物成分为白云石颗粒，其次为微晶隐晶质方解石，裂隙多被方解石脉充填；按成因可分为沉积间断期所形成的同生角砾岩和加里东运动抬升后经长期风化剥蚀及岩溶作用所形成的后生角砾岩，并提出对应的发育模式。关键词：奥陶系；同生角砾岩；后生角砾岩；潘集矿区中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；安徽省安徽理工大学引进人才科研启动基金资助项目（）；安徽省高等学校自然科学研究基金资助项目（）作者简介：许光泉（），男，安徽六安人，教授，博士，研究方向：水文地质及环境地质。，（，；，）：，：；我国华北煤田奥陶系角砾岩是油气水重要储存场所和运移重要通道，其岩石学特征、空间分布规律是研究矿床堆积物源、沉积环境、古岩溶、构造演化等重要依据。以往研究发现，从成因角度，碳酸盐岩角砾岩可分为 类：沉积期间尚未固结成岩的碳酸盐岩因重力流、碎屑流和风暴沉积作用形成的沉积同生角砾岩；因地壳抬升后，在碳酸盐岩层间发育层间溶洞，溶洞顶壁塌陷而形成的岩溶角砾岩；由强构造应力作用下在构造带内充填形成的构造角砾岩；由强烈的火山活动在一定空间内所形成，有方解石和黄铁矿次生矿物产生的热液角砾岩。华北板块的奥陶系碳酸盐岩角砾岩在我国鄂尔多斯和塔里木盆地中广泛发育，保存良好，国内学者已在其分布、成因方面作了大量研究。淮南煤田中，奥陶纪地层沉积时间相对较短、陆地暴露面积较少，其在沉积过程和后期多次构造运动的作用下导致奥陶系角砾岩发育特征并不明显，且碳酸盐岩多被上覆松散层及煤系地层所覆盖，目前对其发育特征及成因机制研究相对较少。本文以安徽淮南煤田潘集矿区奥陶纪岩溶为对象，通过对区内 个钻孔采用岩芯描述、观测统计与薄片鉴定等方法，研究了奥陶系岩溶角砾发育特征及分布规律，结合淮南煤田构造演化史，探讨成因模式，为客观认识华北板块南缘奥陶系古岩溶形成与矿山岩溶水害防治提供一定参考。研究区概况淮南煤田位于华北煤田南缘，为两翼对冲推覆复向斜构造。因受加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动等多期构造运动叠加作用，地质及水文地质条件极为复杂，整体呈 向展布（见图）。潘集矿区位于淮南煤田中部潘集背斜，包括潘一矿、潘二矿、潘三矿和潘北矿等矿井，总体形态为宽缓略不对称的背斜构造，近似“马鞍形”，区内还发育近 向的断裂构造，切断了整个潘集背斜（见图）。由于矿区为新生界松散层所覆盖，自下而上发育震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系地层、新生界松散层等地层。其中奥陶纪地层厚度约为，自下而上为贾汪组、萧县组、马家沟组，如图 所示。下奥陶统贾汪组与上寒武统土坝组硅质结核白云岩呈平行不整合接触，由黄、紫红页岩、灰绿色泥岩、含泥质白云质灰岩组成，平均厚度。萧县组位于下奥陶统中部，主要由灰色厚层状灰岩、泥质灰岩、角砾状灰岩组成，平均厚度，全区分布稳定。马家沟组位于下奥陶统顶部，其下段为褐灰色白云质灰岩，局部含燧石结核或条带，上段为深灰色厚层状白云岩，平均厚度，顶部为灰绿色泥岩、铝质泥岩的风化壳，即石炭统本溪组。安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷图 淮南煤田基岩地质图图 潘集矿区基岩地质图第 期 许光泉，等：淮南潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征及成因图 潘集矿区地层综合柱状图 研究区从下到上为寒武系岩溶含水层、奥陶系岩溶含水层、石炭系太原组灰岩裂隙岩溶含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层、新生界松散含水层。近年来，先后对潘集矿区奥陶系和寒武系水文地质条件进行补勘，发现奥陶纪地层发育多层的岩溶角砾岩且成层分布。受后期构造影响，裂隙、溶隙和溶孔较为发育，有水蚀现象，为地下水提供较好的储存空间。奥陶系角砾岩空间分布特征通过对区内 个钻孔取芯，分别进行岩芯鉴定，发现不同深度范围内发育大小不同岩溶角砾岩 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷的分布特征。垂向分布特征结合潘集矿区井田钻孔揭露统计，十线 孔揭露奥陶纪地层总厚，东 孔揭露厚度达；综合隐伏区揭露资料分析，潘集矿区奥陶系平均厚度（见图）。通过统计发现，区内奥陶系角砾岩呈顺岩层或似层状分布，距基岩面深度为 。三层中的岩溶角砾岩厚度不同：第一层平均厚度为；第二层平均厚度为；第三层平均厚度为（见表）。图 潘集矿区奥陶系钻孔柱状对比剖面图第 期 许光泉，等：淮南潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征及成因表 潘集矿区奥陶系角砾岩空间位置及厚度变化情况钻孔名称角砾岩距基岩面垂向距离 第一层第二层第三层角砾岩厚度 第一层第二层第三层 孔 孔孔 十西线 孔十线 孔九线 孔九 孔补水 孔奥观 孔奥观 孔 奥观 孔 奥观 孔 奥观 孔 平面分布特征岩溶角砾岩发育深度和厚度在空间上具有一定规律。角砾岩呈层状分布，主要赋存于马家沟组与萧县组，总体呈背斜构造形态，连续性较好，且厚度由上向下逐渐增加（见图）。根据钻孔岩芯揭露，第一层角砾岩为沉积间断期形成的同生角砾岩，发育溶孔如图（）所示，角砾岩屑为长条状，存在沉积重力滑塌现象，角砾岩成分与围岩相同，分选性和磨圆度差，反映出近距离搬运和碎屑堆积作用，为成岩阶段形成的产物；第二、三层角砾岩存在溶蚀作用现象，岩芯中岩溶角砾岩层上下界面，裂隙较为发育，存在明显的水流冲刷作用痕迹，为后期构造抬升后在地下水流作用下形成的后生角砾岩（见图）。图 潘集矿区奥陶系角砾岩顶板等高线图 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷 奥陶系角砾岩特征 宏观特征通过对钻孔岩芯观测，角砾岩以白云质灰岩、白云岩和灰质白云岩为主，钙质、泥质胶结，夹泥质条带，岩芯段内角砾含量约 （见图），粒径为 （见表），偶见黄铁矿晶体（见图）。第一层同生角砾岩，大小混杂，多呈次棱角状或长条形状，分选性和磨圆度差，垂向粒序不明显，均为区内早期沉积过程中弱固结的碳酸盐岩受大气降水、地表径流和地下水入流等作用影响，在低洼处发生滑塌破碎，再被胶结，继续沉积形成图（）、图（）；第二层、第三层后生角砾岩，形态各异，颗粒大小不等，分选性和磨圆度相对较好，为区内地下水流作用，沿垂向潜流带和水平渗流带发生溶蚀作用所致，岩溶发育，溶洞发生坍塌，角砾颗粒多被泥质、钙质所充填（见图、图）。表 潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征取样编号钻孔名称位置深度 角砾岩特征岩性结构特征分选性奥观 孔潘一矿 角砾灰岩含较多角砾，大小不一（），形状各异分选性差，多呈次棱角状或次圆状补水 孔潘北矿白云质角砾裂隙发育，角砾大小不一（），分选性差分选性差 孔 潘三矿 泥质角砾裂隙发育，角砾大小不一（），形状各异分选性一般，多呈次圆状奥观 孔潘二矿 角砾灰岩充填方解石脉，角砾大小不一（），缝合线发育分选性一般第 期 许光泉，等：淮南潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征及成因图 潘集矿区奥陶系角砾岩岩芯宏观特征 微观特征显微镜下鉴定发现，奥陶系角砾岩表面形态常呈不规则状，胶结物主要由钙质、方解石和泥质等组成，并含有与角砾相同成分物质。角砾灰岩主要由大小悬殊的隐晶质灰岩岩屑组成，其次为微晶灰岩颗粒，角砾颗粒和填隙物质之间界线清楚，主要被方解石和有机质充填（见图 图）；白云质角砾主要由白云石岩屑组成，主要矿物为白云石、方解石颗粒等，颗粒间存在溶蚀现象（见图 图）。此外，部分颗粒间裂隙被白云石和隐晶质玉髓充填（见图 图），多数裂缝较为平直，切穿角砾和填隙物（见图 图），被晚期方解石和泥质充填，沿裂隙存在溶蚀现象，有水流和重力作用构造痕迹（见图）。图 潘集矿区奥陶系角砾岩显微结构特征 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷 与相邻地层对比淮南矿区范围内岩溶角砾岩除了奥陶系外，仅在寒武系凤台组可见，且角砾岩岩性以中厚层状白云岩和泥质灰岩为主，胶结物多为白云质或钙质，整体为基底式胶结，角砾含量约 （见图）。角砾岩砾石直径范围为，大小混杂，分选性和磨圆度差，多以棱角、次棱角状为主，局部层位可见明显的层理纹路，其表面裂隙较为发育，常见较大角砾突出于基岩面之上。图 淮南地区寒武系凤台组角砾岩野外宏观特征 文献可知，寒武系凤台组角砾岩是四顶山组顶部同期形成的产物，形成于四顶山组晚期。在构造运动以及差异溶蚀的影响下，呈半固结状态的碳酸盐岩发生破碎，并在地震作用诱发下，岩体顺坡发生滑塌，形成高密度流，而后在此基础上持续堆积形成该组角砾岩。碳酸盐岩移动距离较近但密度较高，致使该组角砾岩形成磨圆度差、分选性差、大小不均的特征。奥陶系角砾岩成因探讨 同生角砾岩成因奥陶纪早期，受加里东运动影响，华北板块处于抬升状态，属于浅表海环境。贾汪组钙质泥岩和夹薄层白云质灰岩表明位于南缘的淮南地区属于陆表海环境，为海水时进时退的震荡运动。同生角砾岩形成于沉积间断期，短期内发生风化剥蚀作用，甚至出现短暂的暴露状态，后期海水进退过程中，对半固结状白云岩进行破坏，形成大小悬殊碎裂状颗粒，在此基础上发生持续沉积。由于该阶段沉积物埋藏深度浅，压实和胶结作用弱，在海平面起伏变化和快速沉积作用下，古大气降水和海水沿着弱胶结面入侵，对不稳定矿物（如文石、高镁方解石、白云石等）进行溶蚀作用，不断溶解碳酸盐岩矿物颗粒，及颗粒间胶结物。本次奥陶系岩芯观测鉴定还发现，碳酸盐岩角砾岩在沉积过程中因地形地貌差异产生了重力滑塌作用，所形成的同生角砾岩具有一定的坍塌变形，其形成背景、条件和成因模式如图 所示。图 同生角砾岩发育模式 后生角砾岩成因受加里东运动影响，区内中奥陶纪后期，发生整体抬升，该期奥陶纪地层沉积间断 第 期 许光泉，等：淮南潘集矿区奥陶系角砾岩发育特征及成因（百万年）左右，导致志留系、泥盆系及下石炭统地层缺失。在长期风化剥蚀和降水入渗淋溶作用下，不仅在地表形成了形状各异的岩溶地貌，同时，地下水流垂向和水平运动，导致沉积层面发生流动，产生不同阶段的岩溶作用，形成过程分析如下。第一阶段为岩溶垂向裂隙发育阶段：加里东抬升运动，导致奥陶系碳酸盐岩完全暴露在地表或近地表的风化剥蚀环境中，受到大气降水的淋滤作用。抬升初期，岩溶主要发育在奥陶系马家沟组，以地表径流作用为主，岩溶裂隙较发育。通过岩芯和野外地质剖面考察发现，长期风化剥蚀形成准平原岩溶地貌，垂向裂隙、溶隙、溶孔和小溶洞在奥陶纪地层顶部较发育（见图）。第二阶段为水平层间岩溶发育阶段：随着岩溶作用的不断深入，垂向裂隙不断发育，在地下水流作用下，沿层面间发生层间岩溶作用。在差异和分异溶蚀作用影响下，通过前期的化学溶蚀作用，到后期的机械侵蚀和搬运作用，将大小不一的颗粒携带到岩层内部，形成层间角砾岩。随着溶蚀作用的进行而形成大溶洞，其顶板在重力、溶解等作用下发生垮塌，形成塌陷角砾岩（见图）。图 后生角砾岩发育模式 结论（）潘集矿区岩溶角砾岩主要分布在距基岩面深度 位置处，呈三层层状不等间距分布，平均厚度约为、。（）岩溶角砾岩成分复杂，岩石角砾含量约，粒径为，微观结构下可见早期形成的裂缝被晚期方解石和泥质充填。（）潘集矿区岩溶角砾岩按成因可分为第一层同生沉积间断期形成的同生角砾岩和第二、三层由加里东运动抬升后经风化剥蚀及岩溶作用形成的后生角砾岩。（）沉积间断期形成的同生角砾岩受古大气降水和海水溶蚀作用控制，分选性和磨圆度较差；在奥陶纪地层抬升后，经历长期风化剥蚀作用，促使岩溶垂向裂隙与水平层间岩溶发育，后生角砾岩分选性和磨圆度相对更好。参考文献：，（，）：，（）：，（）：李慧莉，尤东华，李建交，等麦盖提斜坡北新 井吐依洛克组角砾岩储层特征岩性油气藏，（）：刘军平，宛胜，戴启，等滇中地区因民角砾岩类型、特征及找矿意义地质论评，（）：