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寒武系奧陶系可溶巖與巖溶
發(fā)布時(shí)間：2025-05-12 00:26:13
一、區(qū)域可溶巖地層結(jié)構(gòu)及主要巖石類型
廣布全區(qū)的寒武系、奧陶系總厚1000m左右，幾乎全由以碳酸鹽巖為主的可溶巖組成?？傆^全區(qū)可溶巖巖性及其層組結(jié)構(gòu)，有3個(gè)顯著的特點(diǎn)：①巖性穩(wěn)定，厚度大，分布廣，各組段巖性及厚度一般變化不大，全區(qū)可以對(duì)比；②可溶巖厚度雖大，但各組段間石灰?guī)r與白云巖或泥質(zhì)碳酸鹽巖多相間分布，巖石成分及其可溶性都有較大差異；③中奧陶統(tǒng)為一套碳酸鹽巖與硫酸鹽巖混合建造，包括3個(gè)白云巖和泥質(zhì)碳酸鹽巖夾石膏層→石灰?guī)r→石灰?guī)r與白云巖間互層的巖性組合（峰峰組為一段）。據(jù)此分為三組八段。全區(qū)可溶巖巖石類型復(fù)雜多樣，對(duì)巖溶作用影響也不同。
二、碳酸鹽巖巖性對(duì)巖溶作用的影響
可溶巖是巖溶作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，在控制與影響巖溶發(fā)育的各種因素中，巖性是首要因素。
1.巖石成分與巖溶作用的關(guān)系
根據(jù)不同類型巖石室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)成果，結(jié)合巖石微觀研究和野外觀察可以看出，巖石成分對(duì)其相對(duì)溶解速度和巖溶作用有決定性影響，就是說(shuō)，巖石成分決定著可溶巖的主要溶蝕特性。本區(qū)多數(shù)可溶巖中泥質(zhì)含量一般不高，因此，影響巖石溶解的主要因素是白云石含量，相對(duì)溶解速度值隨CaO/MgO比值大小而變化。樣品中各類白云巖的CaO/MgO比值為1.44～2.44，相對(duì)溶解速度值為0.52～0.82（標(biāo)準(zhǔn)大理巖為1，下同）；而O2灰?guī)r的CaO/MgO比值為3.9～100，相對(duì)溶解速度都大于1。野外觀察和鉆孔巖心中都可看出巖溶作用有著明顯的選擇性，石灰?guī)r巖溶一般都比白云巖發(fā)育，區(qū)內(nèi)大型溶洞都發(fā)育在灰?guī)r中。據(jù)北京房山和門(mén)頭溝調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)，深度大于20m的65個(gè)較大溶洞中，灰?guī)r中有50個(gè)，占總數(shù)的77%。在上、下馬家溝組上部石灰?guī)r與白云巖間互層中，巖溶發(fā)育嚴(yán)格受巖性控制。沿灰?guī)r層常形成一系列層狀溶洞。我們認(rèn)為，這主要是由于巖石溶解速度的差別造成的，也就是說(shuō)，巖石的溶解速度在很大程度上決定著巖溶作用的方向和強(qiáng)度。
還應(yīng)指出，由于巖石成分及由此而引起的巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的極大差別，石灰?guī)r與白云巖的溶蝕方式和特點(diǎn)也不相同。本區(qū)石灰?guī)r多泥晶結(jié)構(gòu)，巖石非常致密，天然孔隙甚微，水流通過(guò)完整巖體的滲透能力極弱。因此，巖石的溶解主要是沿各種節(jié)理和裂隙面進(jìn)行的，即巖溶作用具有面的性質(zhì)，巖溶形態(tài)以溶隙和洞穴為主。而白云巖的結(jié)晶顆粒一般較粗，天然孔隙率也大，鏡下可見(jiàn)明顯的晶間孔隙，水在巖體內(nèi)有一定的滲透能力，加之一些白云巖中又常含方解石斑晶或團(tuán)體，易于形成溶孔、晶孔等小孔洞，因此，白云巖具有空間或體積溶蝕的性質(zhì)，溶蝕作用是在裂隙及整個(gè)巖體的空間內(nèi)進(jìn)行的。
2.巖石結(jié)構(gòu)與巖溶作用的關(guān)系
從大量實(shí)驗(yàn)資料中可以看出，隨巖石顆粒的增大，相對(duì)溶解速度值逐漸減小。本區(qū)幾個(gè)成分相近不同粒度白云巖樣品的試驗(yàn)成果也證實(shí)了這一點(diǎn)，礦物結(jié)晶顆粒愈粗，相對(duì)溶解速度值愈小。其相對(duì)溶解速度平均值分別為：0.8（泥晶白云巖），0.77（微、細(xì)粒亮晶白云巖）0.52（中、粗粒亮晶白云巖）。這是因?yàn)樵谝欢l件下，巖石的礦物顆粒愈細(xì)，其總的孔隙度和溶蝕表面積就愈大，相對(duì)溶解速度也隨之增大的緣故。野外觀察這些白云巖的巖溶發(fā)育情況卻與之相反。其中：溶洞外，還可形成較大的溶隙和洞穴，又常見(jiàn)一些泉水出露，從而成為相對(duì)均勻的巖溶含O1微、細(xì)粒亮晶白云巖的巖溶發(fā)育程度弱得多，多見(jiàn)一些溶孔和晶孔，大的溶隙和洞穴少見(jiàn)；O2各組第一段泥晶白云巖巖溶化程度最低，僅見(jiàn)一些小溶孔。后二者都具相時(shí)隔水性質(zhì)。這主要是由于組成巖石的礦物顆粒越細(xì)，總的孔隙度和總?cè)芪g量雖大，卻分散于大量微孔隙中，不利于巖溶集中發(fā)育；而粗粒的總孔隙度雖小，但卻集中，有利于巖溶發(fā)育。
本區(qū)各主要灰?guī)r層都有不同程度的白云石化現(xiàn)象，白云化作用的程度和結(jié)構(gòu)形式不同，對(duì)整個(gè)巖層巖溶發(fā)育的影響也不一樣。O2各灰?guī)r段中，常因不均勻白云化作用而含大量白云質(zhì)斑塊，室內(nèi)試驗(yàn)和野外觀察證明，盡管其C a O/MgO比值較低，但并求降低其相對(duì)溶解速度和巖溶發(fā)育強(qiáng)度。鏡下觀察可見(jiàn)，白云石含量雖高，但卻呈斑狀集中存在，這種結(jié)構(gòu)只能局部影響巖石的溶解，造成不均勻溶蝕，而對(duì)整合巖體的溶蝕不產(chǎn)生太大影響。同時(shí)，由于方解石基質(zhì)的快速溶解，這些斑塊又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械破壞，反而加快了整個(gè)巖體的溶蝕破壞，這可以從一些樣品溶蝕后常沿一些花斑部位留下的凹坑得到證明。試樣中
3.層理構(gòu)造與巖溶作用的關(guān)系
區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖石類型多樣，其層理厚度和巖性組合形式也不相同，這些都對(duì)巖溶發(fā)育有顯著的影響?？扇軒r單層厚度愈大，對(duì)巖溶發(fā)育愈有利。在巖石成分基本相同的微、細(xì)粒白云巖中，因其單層厚度不同，裂隙和巖溶發(fā)育也迥然不同。當(dāng)一些節(jié)理密集帶通過(guò)厚層白云巖夾層時(shí)，節(jié)理間距一般為1～3m，可以形成1～5cm寬的溶隙，還可見(jiàn)到一些縫隙狀小溶洞。而當(dāng)這些節(jié)理穿越中薄層白云巖時(shí)，則多分散成眾多細(xì)小的閉合節(jié)理，其含水和透水性能也更差一些，沿這些薄層白云巖的頂面?？梢?jiàn)到一些上層滯水在溝壁上分散溢出。
根據(jù)不同類型巖石的相互組合關(guān)系，可以劃分為5種巖性組合類型，其巖溶發(fā)育特征也有很大差異（表5）。
三、主要含石膏層位及膏溶特點(diǎn)
全區(qū)中奧陶統(tǒng)中普遍有石膏夾層（圖21），主要含石膏層位是各組第一段。其原始沉積為一套潟湖相泥晶白云巖－泥質(zhì)碳酸鹽巖－石膏及硬石膏巖混合建造。由于近代巖溶作用的破壞，地表及淺層部位的石膏已經(jīng)少見(jiàn)，常見(jiàn)的是大量層次不清的膏溶角礫巖，僅在石炭二疊系覆蓋的深孔巖心中才能見(jiàn)到保存完好的石膏和硬石膏層。礦體多為層狀和似層狀，部分是透鏡狀。在平面上，它們大都是面積約2～3 km2的小盆地。同一石膏層沿走向迅速尖滅。
表5 碳酸鹽巖層組結(jié)構(gòu)類型與巖溶發(fā)育特征
圖21 膏溶角礫巖和石膏礦層分布示意圖
1—亮甲山期云坪分布區(qū)；2—下馬家溝期膏溶角礫巖分布區(qū)；3—上馬家溝期膏溶角礫巖分布區(qū)；4—峰峰期膏溶角礫巖分布區(qū)；5—研究區(qū)界線；6—石膏礦化礦點(diǎn)；7—小型石膏礦；8—大中型石膏礦；9—石鹽礦
（一）石膏的后生變化和破壞
根據(jù)本區(qū)地質(zhì)歷史和膏溶特點(diǎn)分析，原生石膏沉積后，先后經(jīng)歷了由石膏→ 硬石膏→ 石膏的反復(fù)變化和溶蝕破壞過(guò)程。在這一過(guò)程中，構(gòu)造作用、硬石膏水化和石膏的溶蝕破壞又起著關(guān)鍵的作用。
1.構(gòu)造作用
區(qū)域構(gòu)造作用，特別是燕山期褶皺斷裂和挽近期斷塊升降運(yùn)動(dòng)，是促成一系列膏溶作用的前提條件之一。這一方面加大了石膏層的鹽丘狀聚集，同時(shí)又形成了節(jié)理裂隙網(wǎng)，成為地下水向深部循環(huán)運(yùn)動(dòng)的通道。而挽近期斷塊運(yùn)動(dòng)則使山西高原及太行山區(qū)大幅度抬升，地表河流迅速下切，加速了地下水的深循環(huán)和膏溶作用的發(fā)生與發(fā)展。
2.硬石膏水化膨脹作用
隨著地下水向深部循環(huán)，逐漸影響到硬石膏層，使其水化變?yōu)槭唷Ｔ诖诉^(guò)程中其體積增加67%并產(chǎn)生極大的體積膨脹力，從而在含石膏層本身和上覆巖層中造成強(qiáng)烈的擠壓變形和破碎。這種水化作用首先是沿著節(jié)理裂隙和層面進(jìn)行的，因此常形成馬尾狀、樹(shù)枝狀、條帶狀和網(wǎng)狀水化帶。隨著水化作用的擴(kuò)展，幾個(gè)水化帶相溝通，硬石膏大部變?yōu)槭唷?/p>
3.石膏的溶解破壞
據(jù)娘子關(guān)地區(qū)試驗(yàn)資料。石膏的溶解速度是石灰?guī)r和白云巖的5～10倍。常溫常壓下，石膏的溶解度約2g/L，又比石灰?guī)r和白云巖高5～20倍。因此，夾于碳酸鹽巖中的石膏總是最先溶解，并導(dǎo)致碳酸鹽巖層的一系列破壞作用。
（二）膏溶作用對(duì)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育的影響
前述膏溶作用過(guò)程及其特點(diǎn)，對(duì)全區(qū)中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育的機(jī)理、強(qiáng)度和形態(tài)特征有著極大的影響。
1.形成特殊的似層狀膏溶破碎帶
這種破碎帶包括上、下兩部分（圖22）。下部在含膏層位中，為膏溶角礫巖和強(qiáng)烈揉皺破碎的薄層泥晶白云巖及泥質(zhì)碳酸鹽巖等；上部為發(fā)育在灰?guī)r段中的擠壓破碎帶和裂隙密集帶。擠壓破碎帶在剖面上常顯示為一系列錐狀破碎巖體，厚10～30m左右，并常有溶洞發(fā)育。裂隙密集帶大量張裂隙由下向上放射狀延伸，厚度不一。這種膏溶破碎帶全區(qū)可見(jiàn)。下部的膏溶角礫巖和泥質(zhì)碳酸鹽巖揉皺帶通常透水性很差，具相對(duì)隔水性質(zhì)。而上部的灰?guī)r破碎帶巖溶都較發(fā)育，在地下水的徑流及排泄區(qū)常形成相對(duì)均勻而又穩(wěn)定的似層狀富水帶。在陽(yáng)城、陽(yáng)泉、邯邢等地勘探及開(kāi)發(fā)地下水的過(guò)程中，這些部位都遇到了豐富的巖溶水，成井率也都很高。
2.形成特殊的巖石類型——膏溶角礫巖
這種角礫巖在中奧陶統(tǒng)中普遍可見(jiàn)，有4個(gè)突出的特點(diǎn)：①有固定層位，都與含石膏層位緊密相關(guān)。沿同一角礫巖層追索和鉆探可以發(fā)現(xiàn)，在地表沿走向變?yōu)槟嗑О自茙r和泥質(zhì)碳酸鹽巖，在地下則逐漸過(guò)渡為含膏層（圖23）。②角礫和膠結(jié)物的成分與含膏層及上覆巖層相同。③角礫大小混雜，無(wú)磨圓，沒(méi)有搬運(yùn)分選的跡象。④頂板巖層都非常錯(cuò)亂破碎，底板巖層卻較完整，層面平整清晰。
圖22 平定圪套膏溶破碎帶
①完整的下伏灰?guī)r層；②強(qiáng)裂揉皺的泥質(zhì)白云巖層；③膏溶角礫巖帶；④壓碎巖帶及溶洞：⑤裂隙密集帶
上述特點(diǎn)說(shuō)明，其成因既非原生沉積，又非構(gòu)造作用，應(yīng)是膏溶作用的產(chǎn)物。
3.形成特殊的巖溶現(xiàn)象——陷落柱
分布于中奧陶統(tǒng)可溶巖裸露區(qū)及其上覆的石炭、二疊紀(jì)地層中。據(jù)汾西礦區(qū)一些地段的調(diào)查統(tǒng)計(jì)。平均分布頻率為37個(gè)/km2，最高達(dá)72個(gè)/km2。其平面形態(tài)多呈圓形，直徑數(shù)十至百余米。其主要特征是上覆地層的成分突然呈柱狀體雜亂地進(jìn)入下伏地層中（圖24），陷落深度常達(dá)百米以上，地面可見(jiàn)弧形巖壁。綜觀全區(qū)陷落柱的分布和發(fā)育特點(diǎn)可以看出：①地表所見(jiàn)的陷落柱都始于含膏層位；②陷落體內(nèi)成分雖然雜亂，但大都具有由下而上由老變新的順序；③在剖面上下大上小，和地表所見(jiàn)倒錐狀破碎巖體十分相似。
圖23 陽(yáng)泉一帶中奧陶統(tǒng)膏溶作用示意圖
1—石炭、二疊系砂頁(yè)巖蓋層；2—石灰?guī)r；3—白云巖；4—含硬石膏巖層；5—含石膏巖層；6—膏溶角礫巖
圖24 平定南坳陷柱示意圖
關(guān)于陷落柱的成因尚有分歧。我們認(rèn)為，它無(wú)疑應(yīng)是膏溶作用的產(chǎn)物，是挽近期強(qiáng)烈抬升的山西高原及其周邊地區(qū)中奧陶統(tǒng)中特有的一種巖溶現(xiàn)象。探究其形成過(guò)程，首先是鹽丘狀聚集的硬石膏水化過(guò)程中的巨大膨脹力，將上覆巖層擠碎，繼而因大量石膏及其周?chē)鷰r石的溶蝕，形成大的地下空洞，在此基礎(chǔ)上破碎的頂板巖層不斷崩塌、陷落及至冒頂。
（三）形成特殊的深巖溶
在寒武系地層分布區(qū)，當(dāng)無(wú)較大斷裂存在時(shí)，一般在地面下200m左右?guī)r溶發(fā)育即很微弱，但在中奧陶統(tǒng)可溶巖中，不少鉆孔在現(xiàn)代侵蝕基準(zhǔn)面以下數(shù)百米，仍見(jiàn)明顯的溶蝕現(xiàn)象。陽(yáng)泉坡頭孔在上有455m石炭、二疊紀(jì)砂頁(yè)巖蓋層的情況下，620m深處仍有小溶洞發(fā)育；陽(yáng)泉礦務(wù)局豎井中施工的一對(duì)生產(chǎn)井，上覆200m厚的砂頁(yè)巖，孔深860m左右尚見(jiàn)蜂窩狀溶孔和小溶洞。這就是說(shuō)，膏溶作用大大加深了O2中現(xiàn)代巖溶發(fā)育深度。可以認(rèn)為，在現(xiàn)代水動(dòng)力條件下，硬石膏開(kāi)始向石膏轉(zhuǎn)化的深度即為現(xiàn)代巖溶作用的下限；石膏多被溶蝕并代之以大量膏溶角礫巖的深度即強(qiáng)巖溶發(fā)育帶的深度。大量資料證實(shí)：在大片O2可溶巖裸露區(qū)，強(qiáng)巖溶帶可以一直達(dá)到O2的底板，在石炭、二疊系覆蓋的埋藏型巖溶區(qū)巖溶發(fā)育深度可達(dá)1000m。
通過(guò)區(qū)域寒武、奧陶系可溶巖及巖溶發(fā)育特征的研究，可以對(duì)本區(qū)巖溶發(fā)育的主要規(guī)律和特點(diǎn)得出幾點(diǎn)簡(jiǎn)單的結(jié)論。
（1）巖性是控制與影響巖溶發(fā)育的首要因素，本區(qū)易溶灰?guī)r與較難溶的白云巖相間存在的層組結(jié)構(gòu)造成了巖溶發(fā)育和巖溶含水的多層性。
（2）區(qū)內(nèi)各組段巖性較為穩(wěn)定，加之北方現(xiàn)代巖溶發(fā)育的裂隙性特點(diǎn)，同一組段巖溶發(fā)育和巖溶含水具相對(duì)均一性。
（3）由于石灰?guī)r和白云巖的溶蝕機(jī)理不同，其巖溶發(fā)育和含水特征也有很大差別，本區(qū)白云巖中，晶孔、溶孔和小孔洞比較發(fā)育，是主要儲(chǔ)水空間，溶隙既是儲(chǔ)水空間又是導(dǎo)水通道，具孔隙－裂隙含水層的特點(diǎn)：而石灰?guī)r結(jié)構(gòu)都很致密，地下巖溶以溶隙為主，是主要儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道，具裂隙含水層的特點(diǎn)。
（4）全區(qū)中奧陶統(tǒng)以石灰?guī)r為主，又有石膏夾層，是全區(qū)最主要的強(qiáng)巖溶層和最厚的巖溶含水層，多數(shù)巖溶大泉即源于此層。
（5）含大量燧石的下奧陶統(tǒng)微、細(xì)晶白云巖及下寒武統(tǒng)泥質(zhì)碳酸鹽巖縣區(qū)域性弱巖溶層和相對(duì)隔水層，常構(gòu)成泉域的隔水邊界，使這些巖溶泉成為全排型泉水，為區(qū)域巖溶水資源評(píng)價(jià)和合理開(kāi)發(fā)利用提供了依據(jù)。
