（地质工程专业论文）华北地区奥陶系含膏角砾岩地质成因及长期强度研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 含膏角砾岩广泛分布于我国的华北及西北地区，具有极其特殊的物理力学 性质，主要表现为物质成分上的不均性、结构上的松散性、构造上的不均一 性、低强度性、极强的水理性、弱至中等程度的膨胀性和腐蚀性以及可溶性。 深入研究其工程性质，提出对策方案，不但关乎石太客运专线的特长、长大隧 道等重点工程的成败，更对以后的华北地区、西北地区铁路，公路等隧道、桥 梁、路基的设计施工运营具有十分重大的实践指导意义。 作者在前人的研究基础上，通过室内土工试验和现场科研调查，主要就含 膏角砾岩的变形特性、强度特性等从理论、室内土工试验两个方面展开研究， 重点研究了含膏角砾岩的单轴抗压强度和其流变特性；同时通过含膏角砾岩的 高温高压流体压力实验及地温场的a n s y s 数值模拟，分析研究了含膏角砾岩的 地质学成因。其主要研究内容为： 1 通过现场勘察总体上了解石太线的地形地貌、地层岩性、地质构造、 水文地质条件等，调查石太线及山西境内含膏角砾岩的基本特征和分布状况。 2 选取石太线有代表性的岩样，以备室内试验分析其物理力学性质，完 成岩石力学实验，取得岩石的单轴抗压强度值及蠕变实验结果。 3 利用a n s y s 对地温场进行模拟，分析燕山期岩浆活动过程中，华北地 区各地层地温的情况。 4 在高温高压三轴试验系统测试含膏角砾岩的孔隙气( 液) 体压力与温 度的变化关系及含膏角砾岩在高温高压流体压力实验之后其微观结构的变化 特征。 5 根据上面的研究成果，得出含膏角砾岩的力学强度分类及流变特性； 通过数值模拟及高温高压力学实验，分析含膏角砾岩的地质成因。 关键词：含膏角砾岩；蠕变；a n s y s ：高温高压；孔隙气( 液) 体压力 西南交通大学硕士学位论文第l l 页 a b s t r a c t g y p s u m - b e a r i n gb e c c i ao c c u r sa tn o r t hc h i n aa n dn o r t h w e s t e r nr e g i o nw i d e l y ， w h i c hh a ss u c he x t r e m e l ys p e c i a lp h y s i c a lm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa st h em a t e r i a l i n g r e d i e n t sn o n u n i f o r m i t y , s t r u c t u r a ll o o s e n e s s ，c o n s t r u c t i o n a ln o n u n i f o r m i t y , l o w s t r e n g t h ，s t r o n gw a t e rr e a c t i o n ，w e a kt om e d i u md e g r e ee x p a n s i b i l i t y , c o r r o s i v e n e s s a sw e l la ss o l u b i l i t y d e e pr e s e a r c h i n gt h ep r o j e c tc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o p o s i n gt h ec o u n t e r m e a s u r e p l a n n o t o n l y c o n c e r nt h es u c c e s so rf a i l u r eo f p r i o r i t yp r o j e c t s s u c ha s s h i j i a z h u a n g t a i y u a np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ss p e c i a ll o n g ，l o n ga n db i gt u n n e l s ， b u ta l s oh a v et h ev e r ys i g n i f i c a n tp r a c t i c eg u i d i n gs e n s et ot h el a t e rd e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fr a i l r o a d s ，h i g h w a y s ，t u n n e l s ，b r i d g e sa n dr o a d b e d sa tn o r t hc h i n a a n dn o r t h w e s t e r nr e g i o n t h ea u t h o ro ft h es t u d yb a s e do np r e v i o u s ，t h r o u g hi n d o o rg e o t e c h n i c a lt e s ta n d f i e l ds c i e n t i f i c s t u d yi n v e s t i g a t i o n ，t h e a u t h o rl a u n c h e dt h er e s e a r c ha b o u t g y p s u m - b e a r i n gb e c c i a st h ed i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n t e n s i t yc h a r a c t e r i s t i c f r o mt h et h e o r y , t h ei n d o o rg e o t e c h n i c a lt e s tt w oa s p e c t s ，a n ds t u d i e dw i t ha n e m p h a s i sg y p s u m b e a r i n gb e c c i a ss i n g l e a x l e c o m p r e s s i v es t r e n g t h a n di t s c h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c a tt h es a m et i m et h r o u g hg y p s u m - b e a r i n gb r e c c i a sf l u i d p r e s s u r ee x p e r i m e n ta tc i r c u m s t a n c e so fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ea n dt h e g r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l da n s y sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ea u t h o ra n a l y s e sa n d s t u d i e dg y p s u m - b e a r i n gb r e c c i a sg e o l o g i c a lo r i g i n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa s f o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h es c e n er e c o n n a i s s a n c et of i n do u tt h es h i j i a z h u a n g t a i y u a nl i n e s t e r r a i n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r a t u m ，t h eg e o l o g i cs t r u c t u r e ，t h eh y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n ds oo n ，t oi n v e s t i g a t eg y p s u m b e a r i n gb r e c c i a se s s e n t i a lf e a t u r e sa n d d i s t r i b u t e dc o n d i t i o ni nt h es h i j i a z h u a n g t a i y u a nl i n ea sw e l la ss h a n x i 2 s e l e c t i n gt h er e p r e s e n t a t i o n a lr o c ks a m p l e st oa n a l y z ei t sp h y s i c a lm e c h a n i c s n a t u r et h r o u g ht h er o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t ，t h e nt h er e s u l t st h a tt h es i n g l ea x l e r e s i s t a n tt oc o m p r e s s i o ni n t e n s i t yv a l u ea n dt h ec r e e pt e s tc a nb eo b t a i n e d 3 u s i n ga n s y st oi m i t a t et h eg r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h e v a r i o u ss t r a t ag r o u n dt e m p e r a t u r es i t u a t i o na tn o r t hc h i n ar e g i o ni nt h ey a n s h a n t i m em a g m a a c t i v i t yp r o c e s s 4 1 1 lh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r et r i a x i a lt e s ts y s t e m ，t h er i s i n gc h a n g e r e l a t i o n so fg y p s u m b e a r i n gg y p s u m - b e a r i n gb r e c c i a sh o l eg a s ( 1 i q u i d ) p r e s s u r e 西南交通大学硕士学位论文第1 li 页 a n d t e m p e r a t u r e w e r e t e s t e d ，m i c r o s c o p i c s t r u c t u r a lc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so f b r e c c i aw e r et e s t e da f t e rh i g ht e m p e r a t u r eh i g hp r e s s u r ef l u i dp r e s s u r ee x p e r i m e n t 5 a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s ，t h ep a p e ro b t a i n e dg y p s u m b e a r i n g b r e c c i a st h ec l a s s i f i c a t i o no fm e c h a n i c a ls i r e n g t ha n dt h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e m e c h a n i c a le x p e r i m e n t ，a n a l y s i so ft h eg e o l o g i c a lc a u s e so fg y p s u m b r e c c i a k e yw o r d s ：g y p s u m - b e a r i n gb e c c i a ；c r e e p ；a n s y s ；h i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ；h o l eg a s ( 1 i q u i d ) p r e s s u r e 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 利用a n s y s 对华北地区地温场进行数值模拟，分析燕山期岩浆活动过程 中，华北地区各地层地温的情况。在高温高压三轴试验系统中测试含膏角砾岩 的孔隙气( 液) 体压力与温度的变化关系及对比含膏角砾岩在高温高压流体压 力实验之后其微观结构的变化特征。分析研究含膏角砾岩的地质成因。详细内 容可参见论文第4 章、第5 章和第6 章。 意鲁。 汹；u 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：菇牟 日期： 2 岬3 2 0 茅币一 日期： 硝t ) i 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 概述 第一章绪论 角砾岩是成因比较复杂的，正常沉积作用所形成的角砾岩称之为沉积角砾 岩，它们的组成碎块和充填物质主要由先成的母岩风化、破碎，然后就地或经 短距离的搬运堆积胶结而成。岩浆活动所成的角砾岩谓之火成角砾岩，主要有 侵入角砾岩和火山角砾岩两种，而分布最广的是火山角砾岩，经常和火山相伴 分布。构造角砾岩的形成则和构造活动有关，其组成角砾碎块和填隙物质完全 来于构造应力对岩石的机械破碎作用。这类角砾岩分布较少而不规则，它们多 沿断层线、断裂带等构造线分布。此外，还有一类角砾岩谓之溶解角砾岩，它 们主要是由岩石的溶解而成的角砾碎块堆积而成的，而且都是就地堆积而成 的。我们把溶解角砾岩分为两类，一类谓之岩溶角砾岩，一类谓之盐溶角砾岩。 岩溶角砾岩大都是潮湿地区的碳酸盐岩经溶解破碎而成，它们的分布和产状均 不规则，常分布于喀斯特发育的地区；盐溶角砾岩是指富含盐类矿物的岩层， 在地下水的作用下，盐类矿物被大量溶解流失，以致岩层塌陷、崩解、碎裂， 经重新胶结固化，而成具角砾状结构和巨厚层( 块状) 构造的岩石，在国内的 某些文献中，将与石盐的溶解有关的角砾岩称为“盐溶角砾岩”，而和石膏或 硬石膏的溶解有关的角砾岩则称为“膏溶角砾岩其实，二者在地表是很难 区分的，所以“盐溶”和“膏溶”之分必要性不大。 1 2 研究现状 1 2 1 盐溶角砾岩分类 岩溶角砾岩和盐溶角砾岩的岩相较为简单，故鲜有研究其分类问题者。 史密斯( s m i t h l 97 2 ) 在研究英格兰某些地区二叠系苦灰岩( z e c h s t e i n ) 的塌陷 地层时，曾将有关的角砾岩分为塌陷角砾岩和裂隙角砾岩两类。实际上仅塌陷 角砾岩可以说是真正的盐溶角砾岩，而裂隙角砾岩中有不少是岩溶角砾岩和构 造角砾岩，仅有一部分是因蒸发盐岩的底劈作用上侵溶解后所成的盐溶角砾 岩。张瑞锡等人( 1 9 7 6 - 1 9 7 8 ) 在研究我国中、下扬子地区三叠系碳酸盐岩中的 盐溶角砾岩时，曾建议根据成因把盐溶角砾岩分为溶解一崩塌角砾岩和塑变一 交代角砾岩( d e f o r m e d - r e p l a c e m e n tb r e c c i a s ) 两种。盐溶角砾岩中角砾碎 块的成因基本有二：1 因蒸发盐岩的溶解而使围岩和夹层岩石崩塌破碎而成； 2 因蒸发盐岩的应力变形而使刚性围岩和夹层岩石破碎而成。前者破碎后多杂 乱地堆积在原地，然后经胶结石化即成为溶解一崩塌角砾岩；后者破碎后大都 原位保存于已经变形的蒸发盐岩中，看上去好像一种蒸发盐岩胶结的角砾岩， 或者是含角砾碎块的蒸发盐岩。待蒸发盐岩溶解后，这些角砾碎块即和溶解崩 西南交通大学硕士学位论文第2 页 塌的角砾碎块堆积在一处，构成溶解一崩塌角砾岩：但如蒸发盐岩方解石化， 则形成塑变一交代角砾岩。上述划分只适合和限于对海相碳酸盐型含盐系地层 中发育的盐溶角砾岩，而未涉及中国已发现的其它类型盐溶角砾岩，例如，陆 相红层碎屑岩型含盐系中的泥砾岩、含凝灰岩角砾的以及古老变质岩系中的盐 溶角砾岩。因此，现有划分是不全面的。魏东岩( 1 9 9 0 ) 鉴于岩石类型划分的 全面性和实用性，先按变质与否划分为变质和未变质两大类，再把未变质的依 照角砾和胶结物成分划分亚类，最后再根据溶解、交代程度进行细分。 爿 杂质盐溶角砾岩 变质盐溶角砾岩 1 2 2 盐溶角砾岩一般特征 不阿时代不同地区含盐系中发育的盐溶角砾岩具有如下一般特征：1 盐溶 角砾岩除少数沿断裂带展布外，绝大部分呈层状分布，产出层位固定。分布范 围与区域上大范围的含盐层位及蒸发岩分布范围相一致。在最强的成盐期中， 盐溶角砾岩的层数和厚度亦最多和最大。2 盐溶角砾岩在含盐系沉积剖面 上，常是沉积旋迥中盐化程度最高的部位。具顶底板( 特别是底板) 常为含石膏 和石盐假晶之白云岩。在这套地层中普遍发育有鸟眼构造、干裂、溶孔等浅水 暴露标志。3 该类岩石的岩石学特征是具角砾状构造，角砾成分较为简单，主 要为结晶灰岩、灰岩、白云岩，还有少量生物碎屑灰岩、蠕状灰岩、泥岩等。 砾石形态呈棱角状、次棱角状，泥岩砾石因其质软常形成次浑圆状。粒径为数 厘米到数十米不等。砾石大小混杂，无分选性，呈杂乱堆积。局部角砾中还保 持原始沉积特征。有的角砾之中有较小的角砾。这反映出角砾形成的多次性。 角砾岩中胶结物以粘土质和碳酸盐为主，胶结程度与胶结物的成分及其含量有 关，一般以碳酸盐为主胶结者，岩石较坚硬，而以粘土或碳酸盐一粘土胶结者 则较疏松。盐溶角砾岩具有明显的次生结构和构造。例如，角砾状、孔洞状、 晶洞状、土状构造以及次生交代残余结构。4 盐溶角砾岩中存在着溶解残余物。 这种蒸发岩溶解后的残存物呈褐色或黑色不规则的薄层或团块状断续分布于 角砾岩之中，一般厚数厘米至半米。它主要由粘土矿物( 伊利石及各种云母) 和 碳酸盐( 主要是菱镁矿) 组成。此外，尚有少量自生石英、碎屑重矿物和有机炭， 并常可见铁染。5 在盐溶角砾岩形成过程中，原岩层破碎后位移不大。这从陕 南中三叠统雷口坡组底部发育的含钾粗面质凝灰岩角砾之盐溶角砾岩可以得 到证明( 魏东岩1 9 8 8 ) ，因为作为标志层的钾粗面质凝灰岩在角砾岩化后，角 砾仍然呈层分布，并无多大的离散。6 对同一层蒸发岩在地下深处与出露地表 的欲溶角砾岩厚度对比表明，盐溶角砾岩的厚度不能代表原蒸发岩的厚度。通 常情况下，盐溶角砾岩的厚度要小于蒸发岩的原厚度。7 盐溶角砾岩中空洞多， 碥 岩碳措觚猕澎鞠 蝻溶 质锚新掀酷睹 西南交通大学硕士学位论文第3 页 易破碎，是构造薄弱地带，岩浆往往易于顺层贯入。华北地台接触交代型铁矿 床中的岩浆岩体主要是沿中奥陶统的几套盐溶角砾岩层位贯入。长江中下游三 叠系中的盐溶角砾岩也可见此种现象。8 陆相碎屑岩型含盐系中发育的盐溶角 砾岩，因其富含泥质，可起隔水层作用，得以保护下部盐层不被溶失。这种现 象在我国东部和西南部中新生代红层合盐系较为普遍。9 盐溶角砾岩在地表常 形成极为奇特的地貌景观。碳酸盐质盐溶角砾岩在地表形成癫巴式石海地形和 孤峰、溶洞等溶蚀地貌；泥质盐溶角砾岩在地表常形成泥砾岩林、溶谷和溶柱 等喀斯特地貌。1 0 我国前震旦纪古老变质岩系中确巳存在蒸发岩环境，至少 在元古代即有蒸发岩建造的形成。例如，在元古代的滹佗群( 白瑾1 9 8 6 ) 、中 条群和昆阳群已经发现或可能存在变质的盐溶角砾岩。变质的盐溶角砾岩一般 在冒地槽型含火山凝灰岩一黑色页岩一白云岩含膏建造和地台型碎屑岩膏盐 建造( 朱上庆1 9 8 7 ) 。 1 2 3 盐溶角砾岩的成因分析 盐溶角砾岩是表生条件下的次生产物，它的形成必须具备内因和外因两个 条件。内因是：必须有个含蒸发岩的层位，蒸发岩为钠、钾、镁、钙的碳酸 盐、硫酸盐、氯化物和硼酸盐类等；外因是：构造因素：由于构造作用( 褶皱 和断裂作用) 将蒸发岩层抬升到地表，这是形成盐溶角砾岩的重要条件，构造 变动的强度和次数直接影响到角砾岩化的强度、次数、特性和持续时间；气 候因素：气候必须是潮湿多雨的，这样地表水和地下水发育，加速盐类矿物的 溶解和淋失，有利于盐溶角砾岩的充分发育；塌陷岩石一蒸发岩顶板岩石的 物理化学特性和强度，直接影响岩石的塌陷和破碎；生物因素：地表水溶解 蒸发岩而形成的溶滤卤水利于细菌的繁殖生长，这种含有细菌的水体又加速了 岩石的破碎，促进了交代作用。 蒸发岩较其它地质体更具易溶、易熔、易变的特点。当其在地下深处，可 脱水变为不含水的矿物。在应力的作用下或者断裂成不连续块体，或者呈流体 状发生挠曲。蒸发岩作为地质体是在不断运动，不断变化之中的。蒸发岩形成 后遭受到多次构造运动的作用，例如我国早中三叠世沉积的碳酸盐一蒸发岩建 造，在其成岩后经历了印支运动、燕山运动、喜山运动。在构造应力集中的地 区，区域构造运动使原始沉积地层发生褶皱和断裂。深埋于地下的膏盐层在强 大的应力作用下，发生塑性变形并引起流动，导致各种变形构造，诸如肠状、 波状及其它褶曲形态的形成。在变形的同时，与膏盐层互层或呈夹层的脆性碳 酸盐岩则发生破碎，并随着膏盐层发生流动，于是产生了角砾岩化。角砾为成 分单一的棱角状白云岩和菱镁矿岩，而胶结物则为硬石膏和石膏。随着构造运 动，膏盐层被抬升至地表或近地表。这时含有细菌的地表水或具近地表运动型 式的地下水在流经蒸发岩时，石膏率先溶解而产生高c a m g 比值的水，从而可 使原来的白云岩发生方解石化( 即脱白云石化) 。德格罗特经实验指出，白云岩 方解石化的三个必要条件是：( 1 ) 保持低m g c a 比值的快速水流；( 2 ) c o ：的局 部压力大大低于0 5 a r m ( 1 a t m = 1 0 1 3 2 5p a ) ；( 3 ) 温度不高于5 0 从以上几个 西南交通大学硕士学位论文第4 页 条件来看，靠近地表是方解石化必不可少的条件。脱白云石化是一种次生交代 作用，它是膏( 盐) 溶角砾岩化的必然产物。 蒸发岩的快速溶解，常使盐层的顶底板和夹层岩石失去支撑，而崩塌成大 小不同的角砾碎块，在这些碎块中也包含有早先盐层塑性变形碎裂的夹层碎 块。蒸发岩围岩岩性也部分地影响着角砾岩碎屑的形状和大小，并因而影响角 砾岩的全部特征。坚硬的结晶岩石趋向于碎裂成大块角砾，而不太坚硬的则破 碎成很多细小岩屑和小碎块。这些崩塌、碎裂的碎块，经方解石或泥质物胶结 便形成了角砾岩。盐溶角砾岩的形成是个复杂的动力学和物理化学的综合作用 过程。在盐溶角砾岩的角砾中常可见易溶性盐类矿物，如石盐、钙芒硝、石膏 等遭受淋滤溶解后残留的方形、菱板状、不规则状溶失空洞。有时，这些空洞 又被充填形成石育、钙芒硝和石盐等的假晶。这表明，盐类矿物在溶解的同时， 还发生了交代和充填作用。 1 2 4 盐溶角砾岩基本物理力学性质 在我国以往的铁路、公路等工程建设中，较少遇到盐溶角砾岩，故对其研 究甚少。祁( 县) 一临( 汾) 段高速公路在勘察、施工过程中，遇到含盐溶角砾岩 地层。根据综合因素考虑给定的地基岩土容许承载力o 。在4 0 0 - - - 5 0 0k p a 之间， 桩周极限摩阻力t ，为1 6 0k p a ；该地层的变形模量民变化于1 5 - - - 6 5m p a ，平均 为5 0m p a ，其中最小值已接近或部分小于粘性土指标，表明地层土质不均，局部 压缩性高；该地层易溶盐含量不均，局部土的盐酸浸出液中s 0 。2 离子含量高达 5 0 7 5 9 k g ，对混凝土有结晶类腐蚀性，腐蚀等级已达到中等。大( 同) 一运( 城) 高速公路的主要桥梁之一仁义河特大桥，该特大桥南端桥墩、桥台边坡主要由 石膏角砾岩组成。根据常规三轴实验，其强度参数为粘聚力2 3 m p a ，内摩擦角 3 7 9 。：根据浸水单轴压缩蠕变试验，获得长期强度参数为：粘聚力0 8 m p a ， 内摩擦角2 5 5 。 1 3 研究的必要性 太行山隧道是我国开工建设的第一条客运专线石太铁路客运专线的 控制工程，全长为2 7 8 3 9 米。在线路的勘察施工过程中发现一种工程性质极其 特殊的岩土一含膏角砾岩，这种特殊的软岩硬土具有极其特殊的物理力学性 质，主要表现为物质成分上的不均一性、结构上的松散性、构造上的不均一性、 低强度性、极强的水理性、弱至中等程度的膨胀性和腐蚀性以及可溶性。但对 其更深入的塑性变性特征、流变特征、应力应变特征、强度衰减变化等力学机 制尚缺乏深刻的认识和研究。这些物理力学特征和机制控制决定了隧道结构设 计的模式、理念和支护衬砌参数的选取以及施工预案、施工工艺的选取、施工 组织的安排等。这些将直接影响隧道工程的造价、施工安全和运营安全，如果 处理不当，将对工程带来了极其严重的危害，铁路工程的施工、运营安全构成 极大的隐患。另外随着时间效应，含膏角砾岩的性质将会发生怎样的变化，对 西南交通大学硕士学位论文第5 页 隧道的结构产生怎样的影响，这些也只能通过在隧道施工过程中及时动态地收 集其地质信息、监测围岩、结构的应力应变的变化来获取上述处理信息，及时 采取处理措施，确保施工及结构安全，同时为以后正确科学地评价隧道结构安 全度，为隧道的结构设计提供依据，并将相应的设计理念、方法、设计参数及 时纳入到今后的设计施工过程中，正确指导施工。因此，深入研究其工程性质， 提出对策方案，不但关乎石太客运专线的特长、长大隧道等重点工程的成败， 更对以后的华北地区、西北地区铁路，公路等隧道、桥梁、路基的设计施工运 营具有十分重大的实践指导意义。 4 论文研究内容和方法 含膏角砾岩在以往工程建设中较少出现，而在含膏角砾岩地层中开挖隧道 在我国还没有先例，但其力学性质和软岩有许多相似之处，通过阅读大量软岩 方面的资料和文献，结合国内外对盐溶角砾岩研究的资料，研究含膏角砾岩的 力学特性及其成因。其主要研究内容为： 1 通过现场勘察总体上了解石太线的地形地貌、地层岩性、地质构造、 水文地质条件等，调查该地区含膏角砾岩的基本特征和分布状况。 2 选取石太线有代表性的岩样，以备室内试验分析其物理力学性质，完 成岩石力学实验，取得岩石的单轴抗压强度值及蠕变实验结果。 3 利用a n s y s 对地温场进行模拟，分析燕山期岩浆活动过程中，各地层 地温的情况。 4 在高温高压三轴试验系统测试含膏角砾岩的孔隙气( 液) 体压力与温 度的变化关系。 5 根据上面的研究成果，得出含膏角砾岩的力学强度分类及流变特性； 通过数值模拟及高温高压力学实验，研究含膏角砾岩的地质成因。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 第二章华北地区奥陶系含膏角砾岩分布及特征 2 1 地层划分历史沿革 表2 1 华北奥陶系主要分层系统对比图 华北奥陶山西地矿局山西地矿地矿部地矿都长庆石油 蒙庆( 山东地山西省地 系专题会2 1 3 一队 科研所二大队 三普勘探局 质矿产局第质调查院 二地质队晋中分院 议( 1 9 7 5 )( 1 9 8 1 )( 1 9 8 4 )( 19 ：b 4 )( 1 9 8 7 )( 1 9 8 7 ) 1 9 9 5 )( 2 0 0 2 ) 华北地山西柳林 华北地区山西临汾山西地区华北地区 陕北、晋西忻州地区 区襄汾 上上上上上六 统统统统统段 二 蝰上上 七 二 马六段 统 蝰段段 蝰蝰 峰 峰峰组五 组 统 蝰 段 上 五 段 l 组 _ 蛏 峰 、 统 五 段 段 二 段 组 段 五 上段 组 上 段 段 马 上 一 = 家 马 段 马 一 _ 家 家四 上 段四 沟 段 _ 上 沟 四 四段 马 马 段 组 沟。 。一 组 段马 组 段段 家 段 由 家 段 家 马 沟 _ _ 统沟= 沟 下 马三 家三 中 组 组 三 二 组 三 段 段 下 段 下 段段 由 家 段 沟 段 统 = 马马 统 沟由 组 _ 一 家 一 家 下 下 组 统 - 下 段 _ - 沟 段 - 马 马 _1 _ 。_ 马 段 沟 段段段 家 组组 段 家 家 段段 沟 沟 ，_ 沟 _ ，- 组 段段 贾旺组 下 贾旺组 组 组 下 统 段段段 统 统 亮 亮甲亮甲亮甲亮甲 圉 亮甲亮甲亮甲 下 山组下山组 下 山组山组山山组下山组山组 组 下 统统统 冶 统 冶里组冶里组 冶里冶里冶里 统 冶里 组 冶里组里 组组组 组 根据表2 - 1 ，各部门对奥陶系中统地层的划分存在一定差异，但分析起来 主要有两种划分：( 1 ) 马家沟组一段至六段( 0 2 m 1 一o 棚6 ) ( 或马家沟一期至 六期) ；( 2 ) 三组八段，其中下马家沟组( 0 2 x ) 划分为三段，上马家沟组( 0 2 s ) 西南交通大学硕士学位论文第7 页 划分为三段，峰峰组( 0 2 厂) 划分为两段。两种划分方式都属于同一套地层， 比如峰峰组( o 矿) 的两段基本相当于马家沟组五段、六段( 0 2 m 5 、0 2 m 6 ) ：上 马家沟组( 0 2 s ) 一、二、三段相当于马三段、马四段( 0 2 m 3 、0 2 m 4 ) ( 或马三 期、马四期) ；下马家沟组( o 蓼) 一、二、三段相当于马一段、- 5 - 8 t ( 0 2 m 1 、 0 2 m 2 ) ( 或马一期、马二期) ，这两种划分方式有一些微小的差异。 2 2 华北地区分布特征 石太客运专线主要穿过盂县盆地，奥陶系岩性特征以忻州幅区调报告为 准： ( 1 ) 冶里组( 0 1 y ) 出露范围总体具北厚南薄的特点，主要岩性组合为薄板状灰岩、厚层状灰 岩、云斑状灰岩、砂砾屑灰岩、竹叶状砾屑灰岩、条带状泥晶灰岩夹灰绿色、 灰黄色、灰黑色页岩、薄层一厚层状白云岩等组成，局部夹有生物屑藻礁灰岩。 竹叶状砾屑灰岩主要出露于中下部，以不具有红色铁染边、水平排列、个体较 小等特征与崮山组砾屑灰岩相区别，中上部云斑灰岩含量较高。出露厚度 5 8 9 - 1 0 4 6 + m ，与上覆亮甲山组呈整合接触。 冶里组各地岩性、厚度变化较大。总体上具有从北向南白云岩化程度增高， 白云岩夹层含量增多，白云岩化层位逐渐降低、总厚度变薄的趋势，但厚度各 地不一，变化较大，也表明该组白云岩化的不均一性和其与三山子组呈复杂指 状穿插的分布形态。 ( 2 ) 亮甲山组( 0 】z ) 该组仅发育于五台山底一红石头掌及西北部的原平刘家窑一带，南部均已 白云岩化而划归三山子组，其主要岩性以薄层一中厚层含燧石结核、条带泥晶 灰岩、中厚层泥晶灰岩为主夹少量白云岩，厚度变化大，以五台县红石头掌最 厚约4 6 4m ，向南、北西方向减薄，厚度约9 6 , - 一4 6 4 m 。与下伏冶里组薄板灰 岩夹灰绿色页岩组合结束为底界，二者间呈整合接触，上界以平行不整合面与 马家沟组分界，但大部分地区与马家沟组间隔以三山子组白云岩，并与其呈渐 变过渡关系。 亮甲山组划分出1 种基本层序类型：由灰黄色薄层状粉晶白云岩( 或灰岩) 一青灰色中厚层状泥晶灰岩、含生物屑灰岩、云斑灰岩一含燧石结核、条带灰 岩，下部组成单元向上厚度增加，逐渐发育，中上部组成单元逐渐变薄，且燧 石结核条带增多，垂向上构成退积堆积类型。 ( 3 ) 三山子组( 0 蟑) 该组为以准同生或后生白云岩为主的岩石地层单位，其上与马家沟组呈平 行不整合接触，其下自北向南分别与亮甲山组、冶里组、炒米店组、崮山组呈 渐变过渡指状穿插关系，地层分布广泛且岩性厚度变化较大，总体呈北薄南厚、 东薄西厚的趋势，出露厚度7 2 7 - - 一2 6 8 6m 。根据其岩石组合特征及产出层位可 西南交通大学硕士学位论文第8 页 划分为三个岩性段。 下部岩性段：主要为青灰一紫红色、灰白色厚层状砾屑白云岩( 竹叶状砾 屑白云岩) 夹薄层状泥质泥晶白云岩，底部夹一层厚约7 0c m 的海绿石生物屑 白云岩，含三叶虫化石，为崮山组中上部灰岩白云岩化的产物，由于白云石化 界线由南西向北东逐渐抬高，使得原崮山组的地层被白云石化的层位随之变 化，引起了该段厚度在横向上变化较大，厚度5 7 - 2 8m ，具东薄西厚、北薄 南厚的特点。 中部岩性段：为灰褐色中层一薄层状生物扰动现象极为发育的生物扰动粉 晶一纽晶白云岩、厚一巨厚层及块状礁白云岩，中夹薄层生物扰动粉晶白云岩， 礁体原生结构保留不明显，宏观特征较为明显，为下古生界主要成礁期之一。 礁体形态呈透镜状，使得该段厚度变化较大，局部相变为厚一巨厚层状生物扰 动白云岩，m g o 含量高达2 1 左右( 其地层结构相当于炒米店组的特征，为 炒米店组未白云岩化的产物) ，厚度2 5 7 9 2i n ，由北向南、由东向西厚度增 大。 上部岩性段：为灰绿色、灰褐色、灰紫色中层一厚层状生物扰动粉晶白云 岩夹竹叶状砾屑白云岩组成，可见水平层理、波状层理、透镜状层理、泥裂等 沉积构造，岩石组合特征相当于白云岩化的冶里组。厚约3 0 - - 6 8i n ，由测区南 中部的盂县兴道一带向东、西及向北厚度减薄。 顶部岩性段：由灰黄色薄层状粉晶白云岩和中层一厚层状含燧石结核、燧 石条带细晶白云岩组成，可见虫孔、生物扰动现象；上部为灰黄色厚层状细晶 白云岩、浅灰黄色薄层一中层状角砾状白云质灰岩，其顶面不平整，具泥裂、 生物扰动构造。厚度为8 8 - - 1 1 6m ，总体呈西薄东厚的特点。 ( 4 ) 马家沟组 主要出露于盂县盆地北缘、系舟山向斜核部及西北角宁武向斜北东扬起 端南东翼等广大地区，分布广泛，横向稳定。宏观上呈缓陡相间的地貌，与下 伏三山子组呈平行不整合接触关系，总厚度3 5 5 7 - - - 5 9 0 6m 。岩性主要为青灰 色中层一厚层状云斑灰岩、泥晶灰岩、砂屑灰岩、含生物屑灰岩、白云质灰岩 夹泥质一含泥质白云岩和角砾状白云岩、角砾状泥质白云岩。据岩性组合、地 层结构的变化及叠覆规律，由下至上划分出六个非正式岩性段段，各段间均为 整合接触。总体上呈南厚北薄，西薄东厚的趋势( 图2 - 1 ) ，上覆太原组湖田 段在不同地区与马家沟组不同岩性段平行不整合接触，在测区的东南部盂县北 庄一东南关一平定县黄统岭一带与六段相接触，其余地区主要覆盖于五段之 上，在系舟山向斜北东端的五台耿镇一天和一带则直接覆于四段之上。 一段( 0 2 m 1 ) ：下部为灰白色一灰黄色薄层状、页片状泥质白云岩；上部 为灰黄色厚层角砾状泥质白云岩，横向上角砾状白云岩呈透镜状。该段底界与 三山子组接触面凹凸不平，局部可见含砾屑的细晶白云岩或灰褐色薄层状砂质 砾屑泥晶灰岩，具石英等陆源碎屑，可见泥裂、透镜状、小型板状交错层理、 水平层理等沉积构造。厚8 4 - - 3 1 2m 。 西南交通大学硕士学位论文第9 页 二段( 0 2 m 2 ) ：下部为青灰色中层一厚层状泥晶灰岩、含云斑泥晶灰岩夹 少量中层状白云质灰岩和云斑状泥晶灰岩及纹层状泥质白云岩，其中上部夹 图2 1 奥陶系马家沟组岩石地层、年代地层划分柱状对比图 2 - 3 层厚4 - - 1 0m 厚的灰黄色角砾状泥质白云岩或白云质泥晶灰岩；上部为青 灰色薄层状泥质白云岩、灰质白云岩夹中层一厚层状泥晶灰岩、白云质灰岩及 少量的砂砾屑灰岩。厚9 6 - - 1 4 3 9m ，总体呈东薄西厚、北薄南厚的特点。 三段( 0 2 m 3 ) ：以灰黄色角砾状泥质白云岩、含角砾泥质白云岩为主，夹 青灰色厚层一中层状灰质白云岩、砂砾屑灰岩。厚2 8 1 - - 5 2 7m ，由南西部的 盂县盘道一带向北东方向增厚，其厚度稳定于4 5m 左右。只是在原平南坨及 阳曲杨兴一带出露厚度仅为2 8 m 。 四段( 0 2 m 4 ) ：其岩性特征为下部青灰色中层一厚层状砂屑灰岩、泥晶灰 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 岩，夹青灰色薄层一中层状云斑泥晶灰岩及少量的薄层状泥晶灰岩；中部为青 灰色薄层一中层云斑状泥晶灰岩夹中层状白云质灰岩及少量的含泥白云岩，局 部夹有叠层石礁灰岩；上部为青灰色中层一厚层状泥晶灰岩、灰质白云岩、白 云质灰岩夹薄层白云岩、砂屑灰岩及少量薄层状云斑灰岩及3 - 4 层灰白一灰 黄色角砾状白云岩。出露厚度1 4 8 3 - - - 2 3 4 1m ，具有从北西向南东增厚的特征。 五段( 0 2 m 5 ) ：分布于阳曲县东黄水一石岭关一线以东，定襄县玉池凹一 盂县上罗一平定黄统岭一线以南的地区，在系舟山向斜核部的定襄县尧头一五 台寨里及原平南坨也有零星分布，下部为灰白色厚层状角砾岩夹青灰色厚层状 云斑灰岩、浅灰色薄层一极薄层白云岩，常有石膏矿存在；中部为青灰色厚层 状含生物碎屑砂屑灰岩、白云质云斑灰岩，夹灰白色薄层一极薄层自云岩；上 部为灰白色厚层状角砾岩夹极薄泥云岩、灰白色、肉红色中层状细晶白云岩及 粉晶白云岩，角砾成分为灰质白云岩或泥晶灰岩，风化后呈蜂窝状，胶结物为 泥质白云岩或钙质胶结。厚2 6 0 9 7 7m 。 六段( 0 2 m 6 ) ：出露于盂县东南关一北庄一上罗至平定黄统岭、滩鱼沟等 地的山脊上，其岩性下部为青灰色、灰黑色薄层纹层状泥晶灰岩、含生物碎屑 泥晶灰岩夹薄层含灰云斑白云岩、厚层状生物碎屑泥晶灰岩；中部为灰色极薄 层藻纹层灰岩、极薄层泥晶灰岩夹灰黑色厚层状亮晶生物碎屑砂屑灰岩、青灰 色厚层亮晶砂屑球粒类岩及薄层泥晶白云岩；上部为青灰色厚层、巨厚层生物 碎屑泥晶灰岩夹青灰色厚层状含生物碎属藻屑灰岩、亮晶生物碎屑砂屑灰岩及 生物碎屑云斑灰岩。厚2 5 6 5 8 1m ，具东厚西薄的特征。 分析对比整个华北地区奥陶系中统岩性特征与山西忻州地区是基本一致 的，仅各层段厚度有所不同而已( 图2 _ 2 、图2 _ 3 、图2 _ 4 、图2 5 ) 。 西南交通大学硕士学位论文第11 页 地层单位 区域 柱状图岩性 地层 代号统组 段表 ( 6 ) 中石炭 本溪 ! 铝土页岩 厚度5 5 0 米 c 2 i 瞧 二段 ：i ，li ：；：r ：j 薄层灰岩厚度2 4 4 4 米 o 3 o ； 蝰 灰岩，花斑灰岩，生物碎屑灰岩 组 一段 o 彳2 由 厚度9 4 1 6 6 米 # 斟埘牾 含膏盐层，石膏，硬石膏，钙芒硝、白 上 三段 l ll _ 产一 云岩地表为盐溶角砾岩 厚度3 6 5 6 米 o ，1 】l1 】 1l o ll i j 】l 马 白云质灰岩，上部夹薄层石膏、顶部见 q 奥 家 二段 l li |1 il | | o ：s 3 石膏和石盐假晶 i i| |1 l| | 厚度6 8 i 0 3 米 沟 组一段 灰岩、生物碎屑灰岩 q s 2 厚度1 1 6 - 1 2 7 米 陶 下擀 蒋蔫：鼙 含膏盐层：石膏、硬石膏、白云岩、 卜广 i | 1 士十 白云质灰岩、地表为盐溶角砾岩 q s 二段 1 】l 马 l 厚度17 , , - 一8 0 米 p l o ； 家 l i| |1 i l ；1 i jl 伙石、上百p 口_ 厶胱认由六碍肱侧一 0 3 统 沟一段 ；i ：i ：l ；i ：l 局厚_ 厦u d l o 了不度1 0 6 1 6 9 米 组丁上- t 上t _ * 含膏盐层，地表为膏盐溶蚀角砾岩 贾 h j _ l 4 瞄_ t 十 0 ： 旺 二段 hh h f f 专毒 厚度1 1 - 7 8 米 q x 2 组7 一段、 ；i ii l ! ii ! 州 含砾砂岩、碎屑白云岩厚度6 1 7 米 o z x 下奥亮甲 i i i | i |i l 0 1 陶统山组一 r * 白云岩、含燧石结核 q l 厚度3 1 9 3 米 图2 2 邯邢地区中奥陶统柱状剖面图 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 武安赭山 z k 2 8 孔( 假厚) 1 含砾砂岩：2 石灰岩；3 大理岩；4 生物碎屑岩：5 白云质灰岩；6 花斑状白云质灰岩； 7 白云岩；8 盐溶角砾岩；9 角砾岩：1 0 含石膏白云岩；i i 石膏及硬石膏岩；1 2 石盐假晶； 1 3 钙芒硝i1 4 菱镁矿；1 5 萤石；0 2 f 3 ，0 2 f 2 ，0 2 f 分别为中奥陶统峰峰组三段、二段、一段： 0 2 x 3 0 2 x 2 ，0 2 x 1 分别为中奥陶统下马家沟组三段、二段、一段；0 2 j 2 ，0 2 j i 分别为中奥陶统 贾汪组二段、一段 图2 3 邯邢地区中奥陶统地层柱状对比图( 引自蔡本俊等1