（地质工程专业论文）华北地区特殊性岩土含膏角砾岩的膨胀性及腐蚀性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国的蒸发岩矿床非常丰富，与蒸发岩在成因上密切相关的盐溶角砾岩 极其发育。 太行山隧道施工过程中发现的一种角砾岩，具有极其特殊的工程性状和 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。本文根据大量野外露头调查、钻孔岩芯的观察和岩样切片的显 微组构分析，将这种角砾岩定名为含膏角砾岩。 本文研究的思路是通过对华北地台石太客运专线含膏角砾岩资料收集和 现场取样进行室内试验，得到含膏角砾岩物理力学指标及工程特性指标，确 定含膏角砾岩的类别。在此基础上，综合分析最终对含膏角砾岩的成因机制 提出一些结论。根据目前对石太客运专线含膏角砾岩的研究认识程度和现有 的条件，确定本文的主要内容： ( 1 ) 华北地台中奥陶系含膏角砾岩的分布情况和岩性特征；石膏层位及与含膏 角砾岩的关系问题； ( 2 ) 通过综合分析奥陶系膏溶角砾岩资料及石太线太行山隧道区角砾岩的研究 资料，推断含膏角砾岩的成因机制。 ( 3 ) 物质成分微观分析，采用电子扫描电镜及能谱分析法、粉晶x 射线衍射定 量分析含膏角砾岩的物质成分，对易溶盐、石膏、硬石膏的粘土矿物成分 与物质成分详细分析与测定； ( 4 ) 对华北地台石太客运专线太行山隧道段提取岩样进行室内土工试验，结合 已有试验数据综合分析岩样的物理力学性质和工程特性指标； 关键词：角砾岩工程地质特性成因机制膨胀性腐蚀性 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bs t r a c t c h i n ai s v e r yr i c h i n t h em i n e r a ld e p o s i to fh y d a t o g e n i cr o c ka n d e v a p o i l t e s o l u t i o nb r e c c i aw h o s ec a u s e so ff o r m a t i o ni sc l o s e l y r e l a t e d h y d a t o g e n i cr o c k t h e t o o n ek i n do fb r e c c i aw a sf o u n di nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ft a i h a n g m o u n t a i n st u n n e l t h eb r e c c i ah a se x t r e m e l ys p e c i a lp r o j e c tb e h a v i o ra n d p h y s i c a l & m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s u c ha sh e t e r o g e n e i t yo fc o m p o s i t i o n ，l o s s e n e s s o fs t r u c t u r e ，h e t e r o g e n e i t yo fs t r u c t u r e ，l o ws t r e n g t h 。 t h es t r u c t u r eo ft h e h e t e r o g e n e i t ya n dl o ws t r e n 甄h 。h i g h l yr a t i o n a lw a t e r , w e a kt om o d e r a t e e x p a n s i o n ，a sw e l la sc o r r o s i v ea n ds o l u b l e a c c o r d i n gt ol a r g ea m o u n to fs u r v y o no u t c r o p s 。o b s e r v a t i o n so nd r i l lc o r er o c ks a m p l e s a n a l y s i so fm i c r o s l i c eo f f a b r i co fr i c ks a m p l e s ，t h i sp a p e rn a m e dt h i sk i n do fb r e c c i aa sg y p s u mb r e c c i a i nm i sp a p e r , w ew i l lo b t a i nt h ei n d i c a t o ro fp h y s i c a l & m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dt h ep r o j e c tb e h a v i o ro ft h eg y p s u mb r e c c i a ，t h e nw ed e f i n et h e e x a c t l yt y p eo ft h eg y p s u mb r e c c i a i no r d e rt ow o r ko u to u rr e s u l t ，w ec o l l e c t d i f f e r e r n tk i n d so fg y p s u mb r e c c i as a m p l e sf r o ms 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 r r a i l w a y 】i n ei nn o r t hc h i n a a n dd oi n d o o re x p e r i m e n t so nt h e s er o c ks a m p l e s a f t e rt h a t ，w ew i l lm a k es o m ec o n c l u s i o n sa b o u tt h ec a u s e sf o r m a t i o no fg u p s u m b r e c c i at h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s o nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s e a r c ho u t c o m e so fg y p s u mb r e c c i af r o m 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 rr a i l w a y l i n ea n dc u r r e n tc o n d i t i o n s w e d e t e r m i n e dt h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , s t u d yo ft h ed i s t i l b u t i o n a n d l i t h o l o g i c c h a r a c t e r so fm i d d l e o r d o v i c i a ni nn o r t hc h i n ap l a t f o r m ，a n dd i s c u s st h er e l a t i o nb e t w e e ng y p s u m h o r i z o na n d g y p s u m b r e c c i a s e c o n d l y 。 i n f e rt h ec a u s e sf o r m a t i o no f g y p s u m b r e c c i a t h r o u g h c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h er e s e a r c hi n f o r m a t i o no nm i d d l eo r d o v i c i a ng y p s u m b r e c c i aa n dt a j h a n gm o u n t a i nt u n n e la r e ab r e c c i af r o ms h i j i a z h u a n g 碱y u a n p a s s e n g e rr a i l w a yl i n e t h i r d l y , q u a n t i t a t i v ea n a l y z es u b s t a n c ec o m p o s i t i o no fg y p s u mb r e c c i a ， e s p e c i a l l yd od e t a i lr e s e a r c ho nt h o s ec l a ym i n e r a la n dm a t e r i a lc o m p o n e n t s w h i c ha r es o l u b l e ，s u c ha ss a l t ，g y p s u ma n da n h y d r i t eb yt h em e t h o d so fs c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p ea n ds p e c t r u ma n a l y s i s x r a yd i f f r a c t i o no fp o w d e rc r y s t a l a n a l y s i s f i n a l l y , d o i n d o o rt e s to ft h er o c ks a m p l e sf r o mh i j i a z h u a n g t a i y u a n p a s s e n g e rr a i l w a yl i n e 砥h a n gm o u n t a i nt u n n e l c o m b i n e t h eh i s t o r i c a l e x p e r i m e n td a t a s t u d yp r o j e c tb e h a v i o ra n dp h y s i c a l & m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e s es a m p l e s k e yw o r d s ：g y p s u mb r e c c i a c h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n e e r i n gg e o l o g y ； g e n e t i cm e c h a n i s m ；e 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 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“) 学位论文作 日期：抄 _ 享 贩习 名覃r 签 磁 加 剥 ： 导 期 指 日 膨诊1 绷 y 1 秒7 签 3 眷只 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 集体已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， 均已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。 扣1 。夏刁j j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 概述 我国的蒸发岩矿床非常丰富，而与蒸发岩在成因上密切相关的盐溶角砾 岩极其发育。 目前对于盐溶角砾岩的分类和命名均较乱，斯廷顿( s t c n t o n ，1 9 6 6 ) 将那 些成因上和溶解作用相关的角砾岩，包括盐溶角砾岩在内，均统称为溶解角 砾岩( s o l u t i o nb r e c c i a s ) ；克利夫顿( c l i n f t o n ，1 9 6 9 ) 则统称为溶解一崩塌角砾 岩( s c l u t i o n c o l l a p s eb r e c c i a s ) 。在国内的某些文献资料中，将因溶解作用而 使岩层崩塌破碎而成的角砾岩，均统称为“溶解角砾岩”，将因蒸发盐岩溶解 崩塌而成的角砾岩称之“盐溶角砾岩 。 华北地区中奥陶统地层发育多层分布较广的角砾岩，这种角砾岩在奥陶 系中统普遍可见，有四个突出的特点： 1 有固定层位，都与含石膏层紧密相关。在地表沿走向变为泥晶白云岩和 泥质碳酸盐岩，在地下则逐渐过渡为含膏层。 2 角砾和胶结物的成分与含膏层及上覆岩层相同。 3 角砾大小混杂，无磨圆，没有搬运分选的迹象。 4 项板岩层都非常错乱破碎，底板岩层却较完整，层面平整清晰。 对于这些角砾岩层的成因认识观点比较多，如沉积角砾、断层角砾及溶 解坍塌角砾等。本文依据大量野外露头资料、钻孔岩芯的观察和显微组构分 析，将此角砾岩定名为含膏角砾岩，本论文主要以石太客运专线太行山隧道 段的含膏角砾岩为研究对象。 1 2 研究现状 从目前所收集的资料上看，有关含膏角砾岩的研究少之又少，只是在娘 子关泉域的有关研究资料上有略微涉及，关于含膏角砾岩这一特殊的岩土名 称最早始见于韩行瑞先生所著的山西省岩溶大全，在书中他仅指出了在奥 陶系中的三组八段的底部分布有一层特殊的岩土。针对其具体的成因、沉积 建造以及与工程密切相关的物理力学性质目前所做的地质工作微乎其微。 从目前最新的娘子关泉域等研究资料来看，含膏角砾岩的生成很可能是 由构造原因引起的，是次生的。从力学强度划分其属于极软岩系列，属软岩 硬土。同时根据其物理成份成因，也称之为构造角砾岩，具体表现为石膏遇 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 水之后的一系列变化所引起的上部岩层尤其是泥灰岩等软岩的相应变化，含 膏角砾岩的生成控制和影响了其整体的工程性状，表现出不同的物理力学性 质。但因其生成关系复杂，也有不少学者持有不同的看法。至于其工程性质 的相关研究在国内外几近空白。 1 3 研究的必要性 角砾岩是成因比较复杂的一类岩石，目前角砾岩的分类主要是根据成因。 正常沉积作用所成的角砾岩谓之沉积角砾岩，它们的组成碎块和填隙物质主 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。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 溶解而成的角砾岩碎块就地堆积而成的。 我们将溶解角砾岩分为两类，一类为岩溶角砾岩，另一类为盐溶角砾岩。 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。盐溶角砾岩可以根据成因分为不同 的类型。盐溶角砾岩中所含的角砾碎块的来源主要有二：( 1 ) 来于蒸发盐岩 层的溶解所造成的崩塌作用；( 2 ) 来于盐层塑性变形的破碎作用。 当处在地下潜水带时，含膏盐岩系中的石膏( c a s 0 4 ) 因其溶解度较大， 随地下潜水的不断溶蚀形成空洞；而含膏盐岩系的碳酸盐岩顶板或夹层、角 砾因自重应力失去下方的支撑而破裂崩塌，呈棱角状堆积在原地，被石膏溶 解后的钙、镁质或泥质等杂质胶结起来，形成膏溶角砾岩。当膏溶角砾岩上 方有坚硬岩体构成较稳定顶板时，在其下部常形成膏溶空洞与其共生。在膏 溶角砾岩层中，因重力压实差异同一点在纵向上可出现两个以上的空洞不连 续共生。膏溶角砾岩一般呈深灰至黑褐色，角砾由原岩崩塌堆积而成，故成 分单一，棱角明显，大小悬殊。角砾因后期地下水的溶蚀作用，棱角稍有纯 化，但无磨圆和分选现象。胶结物由隐晶质方解石、白云石和泥质组成。由 于胶结物是在地下水流动条件下生成的，故胶结物往往围绕角砾呈波浪状、 纹层状、条带状分布，形成典型的角砾状、条带状联合构造，致使岩石外观 呈铁丝网状花斑，学者称为“鸡丝网笼构造，这是膏溶角砾岩的典型标志。 膏溶角砾岩层位稳定，但不一定连续，其底面比较平整，而顶面则不甚整齐， 总体多呈不规则扁透镜状或似层状间断分布。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 新建石太客运专线在初勘时发现在沿线河北井陉、山西盂县沁水盆地北 缘等地，分布有一种工程性质极其特殊的岩土含膏角砾岩，这种特殊的软 岩硬土具有极其特殊的工程性状和物理力学性质，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，但对其更深入的膨胀性、腐蚀 性及其流变特征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 机制控制和决定了各类工程结构。这些将直接影响工程的造价、施工安全和 运营安全。如果处理不当，将对铁路工程带来了极其严重的危害，给铁路工 程的施工、运营安全构成极大的隐患。因此，深入研究含膏角砾岩工程性质， 提出对策方案，不但关系着石太客运专线桥基、边坡尤其是特长、长大隧道 等重点工程的成败，更对以后华北地区、西北地区铁路在类似地质条件下的 设计施工运营具有十分重大的实践指导意义。 1 4 论文研究内容和方法 本文研究的思路是通过对华北地台石太客运专线含膏角砾岩资料收集和 现场取样进行室内试验，得到含膏角砾岩物理力学指标及工程特性指标，确 定含膏角砾岩的类别。在此基础上，综合分析最终对含膏角砾岩的成因机制 提出一些结论。根据目前对石太客运专线含膏角砾岩的研究认识程度和现有 的条件，确定本文的主要内容： ( 1 ) 华北地台中奥陶系含膏角砾岩的分布情况和岩性特征；石膏层位及与含膏 角砾岩的关系问题； ( 2 ) 通过综合分析奥陶系膏溶角砾岩资料及石太线太行山隧道区角砾岩的研究 资料，推断含膏角砾岩的成因机制。 ( 3 ) 物质成分微观分析，采用电子扫描电镜及能谱分析法、粉晶x 射线衍射定 量分析含膏角砾岩的物质成分，对易溶盐、石膏、硬石膏的粘土矿物成分 与物质成分详细分析与测定； ( 4 ) 对华北地台石太客运专线太行山隧道段提取岩样进行室内土工试验，结合 已有试验数据综合分析岩样的物理力学性质和工程特性指标； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章华北地区奥陶系含膏角砾状灰岩分布及特征 2 1 地层划分及历史沿革 表2 - 1 华北奥陶系主要分层系统对比刚删 华北奥陶系山西地矿山西地矿 地矿部二大地矿部三长庆石油勘探 蒙庆( 山东地质 山两省地质 专题会议局2 1 3 队局科研所 队( 1 9 8 4 )普( 1 9 8 7 )局( 1 9 8 7 ) 矿产局第二地调查院晋中 ( 1 9 7 5 )( 1 9 8 1 ) ( 1 9 8 4 ) 质队1 9 9 5 )分院( 2 0 0 2 ) 华北地区山西临汾山西地区华北地区华北地区陕北、晋西山西柳林襄汾忻州地区 上上上 上 上 六 统统统中统统段 二七峰峰 上 马六段 上 峰 二 蝰 峰峰组 统 峰段段组 统 峰 段 上 五 五 峰 、 组 。 睦 段 。- 段 二 段 统 五段 段五上段 组上 段 组 上 段 马 段 马 = 家 马 家 四 。一 家 上 段 四沟 段 _ 上 沟 四四段 马 一_ 马 段 组 。 沟 段 马组 段段_ 组 家 段 由 家 段 家 马 沟 _ 统沟 = 沟 下 三 马 三 家三 由 组 组 二 组 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 _ 马 _ 段 沟 段 段段 家 。 组组 段 家 家 段段 沟 沟 _ 沟 _ - 。_ 组 段段 贾旺组贾旺组 组 组 下下 统 段 段段 亮 统 统 亮甲亮甲 田 亮甲亮甲亮甲 亮甲亮甲 下山组 下 山组 下 山山组山组山组下山组 下 山组 组 统统统 冶 统 冶里组 冶里冶里冶里 冶罩 统 冶里 组 里冶里组 组组 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 , y l _ 0 2 m 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 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 套地层，比如峰峰组( o 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( 0 2 j c ) 一、二、三段相当于马一段、马二 段( 0 2 m 1 、o e 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 华北地台奥陶系岩石岩性特征 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 v ) 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 6m ，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( 0lz ) 该组仅发育于五台山底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 - 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 1 j ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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 2 6 8 6m 。根据其岩石组合特征及 产出层位可划分为四个岩性段。 下部岩性段：主要为青灰紫红色、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 0 c 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 8n l ，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 晶细晶白云岩、厚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 2n l ，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 8m ，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 6 m 。岩性主要为青 灰色中层厚层状云斑灰岩、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，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 3 ) ，上覆太原 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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，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。 。小 西家庄一戈 旰市五制 霹 崭 基 三上 7 田家庄一t 罗， 霎 皂囊 蛋瞧 嘲h 1 膏 _ ， 5 潮 f - 。酣1lj 玎 铲 一 o ! 妇3 ，二、j 五台县台毫且 耿蠹举凑黾 玉 ；：面毳玉 ? 一 。 ，柏m： 6 阳曲g - ；i r a l l t ，攀 。 纠- i r 录l l l 口h 7 、0 3 ， 钾7 垂 i 2 - 眵 垂 愿平市南坨， 密 - 5 ， ， ， 一：l ， 蓁 千上早 、 ，r c m o ， s d b - l i 孓r r - ，j 一 _ 章午：、7 i 型e 亡 笛 r 岛一 薹 q m 毫：肇 = 【= ! i 工 毕 1 4 1 1 3霎 1 l j 吾 攀 、 l 订点 _ ：卜 + 、0 轴1由；： # 1 r 。h 广 篓 摹每 q d 垒、必 y ， ，矿 墨 = z = = o 壬薹 l 舢 5 2 7 1 霄冬 一， 一 2 1 1 8篓 。 ， 弓4 龃i& ， = 苎 ， 、 帚1 、 j = # n 舟 递 兽；当 三 蒌 女 耋 叫 l 33 粪q 一 萋 1”i 三皇 = = = 工 垂 薹 l 竹 1 3 3 1 l i b i，面 、l l 擎 孵1 1 型一一， 3 ；二3 f 塞 一蕊。；j 4 j 4 3 9 ! ! 吐扣 1 1 l i 口j 望1 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【引自蔡本俊】 一段( 0 2 m 1 ) ：下部为灰白色灰黄色薄层状、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 。 二段( 0 2 m 2 ) ：下部为青灰色中层厚层状泥晶灰岩、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 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 夹2 - - 3 层厚约4 1 0r n 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、灰质白云岩夹中层厚层状泥晶灰岩、白云质 灰岩及少量砂砾屑灰岩。厚9 6 - - 1 4 3 9r n ，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。仅在原平南坨 及阳曲杨兴一带出露厚度为2 8 o m 。 四段( 0 2 m 4 ) ：下部为青灰色中层厚层状砂屑灰岩、泥晶灰岩，夹青 灰色薄层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 层灰白灰黄色 角砾状白云岩。出露厚度1 4 8 3 - 2 3 4 1 m ，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，夹灰白色薄层极薄层 白云岩；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 ) ：出露于盂县东南关北庄上罗至平定黄统岭、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屑藻屑灰岩、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。 2 3 华北地区奥陶系岩石分布特征 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基本一致， 仅各层段厚度有所不同( 见附图1 附图4 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 角砾岩层位分布及特征总结 1 有固定层位，部分布于奥陶系中统三组八段中每个组的第一段，即主 要分布于奥陶系中的峰峰组第一段( o 一) 或马五段( 0 2 m 5 ) ( 马五期) 、上 马家组第一段( 0 2 s 。) 或马三段( o z m 3 ) ( 马三期) 以及下马家沟组第一段( 0 非1 ) 或( 0 2 m 1 ) ( 马一期) ，且都与含石膏层紧密相关。 2 含膏角砾岩角砾和胶结物成分与含膏层及上覆岩层相同。角砾成份主 要为石灰岩、白云岩及泥灰岩，均来源于上覆峰峰组二段( 0 矿) 、上马家组 中段( o z 5 2 ) 及下马家沟组二段( o ) ，而其胶结基质成份多为泥质、钙质， 少量为无胶结的岩石角砾，这说明其基质成份可能与含青层有关。 3 勘察和隧道、边坡等开挖结果显示：含膏角砾岩的角砾大小混杂，无 磨圆，无搬运分选迹象，并且角砾古量、角砾物质特征不同。角砾大小混杂， 从细小的粉末状直至直径超过5 m 均有分布，且含量由5 9 0 以上不等， 甚至也能遇见超过5 m 的巨大石灰岩岩块的泥包石。同时其角砾成份也不尽 相同，但主要为石灰岩、白云岩及泥扶岩三种物质成份。角砾多呈棱角状， 大多无磨圆，少量似有圆化现象。另外，地层垂直方向显示有规律特征即： 1 ) 上部的含膏角砾岩角砾成份主要为石灰岩及白云岩，且角砾粒径大， 含量高，其粒径往往为2 0 0 大于5 0 0 0 m m ，且其含量均在5 0 以上，有的 甚至超过9 0 ，其厚度在5 1 0 m 之间，其胶结物的基质成份主要为泥质， 呈弱胶结，有的甚至无胶结，可称之为巨粒含膏角砾岩，俗称“泥包石”。该 类角砾岩可划归为i 类。( 见图2 2 、2 - 3 ) 图2 - 2 d k l 0 3 边坡揭示i 类图2 - 3 太行山隧道开挖揭示1 类 含膏角砾岩含膏角砾岩 2 ) 中上部的含膏角砾岩角砾粒径相对较小，含量也相对较少，其粒径介 于5 0 2 0 0 m m 之间，角砾含量介于2 0 5 0 域多可达7 0 。其厚度在1 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 0 m 之间，其胶结物的基质成份主要为泥质及钙质，大部以泥质胶结为主， 钙质胶结为辅，呈次胶结，少部则呈半胶结状。可称之为粗粒含膏角砾岩。 该类角砾岩可划归为类。( 见图2 _ 4 、2 - 5 ) 翻蕊鬻臻飘 豳2 - - 4d k l 0 3 边坡揭示l - i i 类图2 - 5 太行山隧道开挖揭示 含膏角砾岩含膏角砾岩 3 ) 中部的含膏角砾岩角砾粒径相对更小，角砾含量相对更少，其角砾粒 径介于5 5 0 m m 之间，角砾含量一般在i 0 3 0 之问，最多可达5 0 ，其 厚度在1 0 2 0 m 之间，此段含膏角砾岩颗粒骨架联结作用则显相对较强，其 胶结物的基质成份主要为泥质及钙质，呈半胶结，少部则呈次胶结状。称之 为中粒含膏角砾岩。可划归为一1 类。( 见图2 - 6 、2 - 7 ) 奥霹殛菇菘辫谝融瓣 囊蘩整饕巍 凹2 - 6 太原西山边坡揭示1 1 、h i图2 - 7 太行山隧道开挖揭示l l i 1 类含膏角砾岩含膏角砾岩 4 ) 中下部的含膏角砾岩角砾粒径更小，含量更少，其角砾成份主要以 泥灰岩为主，夹含少量的石灰岩、白云岩碎屑，角砾粒径小于5 m m ，角砾含 量介于2 1 0 ，其厚度在1 0 2 0 m 之间，其胶结物的基质成份主要为钙质 及泥质，大部呈泥质胶结，少部呈钙质胶结，胶结较好，称之为细粒台膏角 砾岩。该类角砾岩可划归为珊2 类。( 见图2 - 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 图2 - 8 南小坪隧道开挖揭示- 2 类含膏角砾岩 5 ) 底部的古膏角砾岩其表现为无碎屑角砾，以基本物质为原泥岩和角 砾蜕变物质以及“其它物质岩类”为主，原角砾边界可见，其岩体细腻，有滑 感，存在明显的层问剪切滑面，其厚度在1 0 米左右，其胶结物的基质成份主 要为泥质、钙质，胶结程度好，其外观色调主要呈现灰黄色、黄色以及土色， 俗称“硬土”，可划归2 类细粒含膏角砾岩。 4 顶板岩层都非常错乱破碎，底板岩层却较完整，层面平整清晰。勘察 和目前的隧道开挖结果显示：含膏角砾岩上覆地层峰峰组二段( 0 2 产) 、上马 家组中段( o 丛2 ) 及下马家沟组二段( o 矸2 ) 的底部与含膏角砾岩的接触带 部位，岩层破碎较破碎，非常错乱，而其下与其接触的上马家组上段( o ) 及下马家沟组上段( o 矿) 及亮甲山组( 0 1 f ) 地层则界面清晰完整。( 图2 - 9 、 2 1 0 ) 图2 - 9 灵石自然边坡揭示i 类含 图2 - 1 0 太行山隧道开挖揭示完整底板 膏角砾岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 表2 - 2 含膏角砾岩的地质分娄 大 亚娄地质特，怔角砾结拘特征 类 角砾丰宣径天干2 0 c m 的角砾音量大于7 帆，其中角砾粒径大于5 0 c r n 懑 ii 的含量占5 0 以l 泥质含量小于1 0 ，角砾主要以白云岩、灰岩 为主 角砾粒径l o - 2 0 c m 的角砾台置太于5 0 ，粒径小于l o o m 的角砾含 黼 量约为3 0 ，泥质台量小于2 0 角砾班灰岩、白云岩为主及少量 的泥灰岩 i i 角砾粒径5 一l o c m 的角砾古量大于5 0 粒径小于5 c m 的摘砾台量 黼 约为2 0 泥质含量大于3 0 ，指砾以泥灰岩为主及少量的白云岩、 灰岩 角砾粒径2 5 c m 的角砾含量小于5 0 泥质含量大于5 0 ，角砾主 黼 要为泥灰岩和怩岩 角砾粒径小于2 c m 角砾古量小于3 0 ，泥质吉量大干7 0 ，角砾 主要为泥岩和泥灰岩以泥质腔结为主 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第3 章华北地区奥陶系石膏层位及与含膏角砾状 灰岩关系问题 3 1 绪言 华北地台在奥陶纪时为碳酸盐岩相，属地台型沉积。其中散布着一些竹 叶状砾屑滩和云坪，它北部有内蒙古陆，南部是临渔一淮阳古陆，东部为胶 辽古陆，西部与祁连地槽相邻。其间有鄂尔多斯古隆起。上述古陆之间，都 有峡口与外界沟通。然而，由于地台范围广阔，坡度小，周围又有古陆的影 响，海水循环受限，盐度增高。( 图3 1 ) 华北中奥陶统具有明显的多旋回特点，上部地层部分缺失，现存的地层 以山西中部和河北南部出露最完全，一般厚4 5 0 - - - 5 5 0 m ，表现为四个相当于 地层组的旋回和顶部一个不完整的旋回。自下而上分别为下马家沟组、上马 家沟组、峰峰组。每个完整的旋回均由下部代表正常海水盐度的碳酸盐岩沉 积和上部以石膏为主的海水浓缩阶段的沉积构成。从全区看，最广泛出露的 代表浓缩阶段的沉积是由各种石膏岩改造而成的次生改造岩石，而石膏岩仅 呈星散的残留体保存于其中。主要工业矿床位于下马家沟组和上马家沟组。 在矿区剖面上，石膏岩的厚度在某一岩组中一般为2 0 - - - 4 0 m ，个别可达7 0 m 以上。 田田：圆s 囤n 口5 臣刁e 华北曲台耍一景_ 身，日；掌及意蔗岩的升南 l 一台鹰_ 弁，碍言分布点2 一石最升南点：一占哺 一摊霸占咄5 一石鹰分南再墁6 一苦t 分南界坟 图3 1 华北地台奥陶系角砾岩及蒸发岩的分布5 5 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 本区石膏的沉积具有全区稳定一致的层位。在蒸发岩沉积相区，石膏的 沉积( 包括次生改造岩石) 不仅在同一地层组、段之间具有空间上的对应性， 甚至在每一个旋回层中也存在着一一对应的关系。另外，粘土矿物组成和微 量元素等方面的研究也显示了相一致的特点。这种全区一致的浓缩和淡化的 旋回变化和浓缩阶段受控于水体盐度分带所造成的巨大的石膏沉积相区和外 围碳酸盐岩相区的水平分带，是本区以石膏为主的蒸发岩沉积的主要特点。 3 2 石膏原始沉积的空间分布规律 3 2 1 华北地台中奥陶世古地理格局 奥陶纪时的华北地台是一个范围广阔的浅水陆表海碳酸盐台地，其四周 均与深海槽相接，表现为深海海槽所包围的陆表海，海水可以从外海中持续 的流入，使得卤水可以保持合适的浓度，适于产生蒸发条件。由于地形差异， 华北地台奥陶系蒸发盐湖的分布具有星罗棋布，若断若续的特点。( 图3 2 ) 固马一段石膏古量大于2 0 的地区l 二= i 马五段石膏含量大于2 0 的地区 图3 - 2 华北地台奥陶系石膏岩盐湖的分布【5 5 】 在早奥陶世冶里期，华北地台西部存在一个面积较大的陆地( 鄂尔多斯 陆) ，此陆地东缘发育云坪和云灰坪：地台东部是一个广阔的陆表海。中奥陶 世下马家沟期发生了大范围的海侵现象，华北地台中部和东部为一广大的开 阔海，云坪和云灰坪弱发育且主要分布在西部，表现为陆地、云坪、云灰坪、 浅滩的古地理格局。到中奥陶世中马家沟期仍然分布着广泛发育的开阔海， 在地台的中部和东部表现尤为明显。而在地台西部，云坪、云灰坪、含膏泻 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 湖以及其它海域发育。到了中奥陶世晚马家沟期，海水大规模的面式退却， 整个地台的水体变浅，形成了广泛发育的潮上云坪环境。地势中间高南北低， 气候比前几期更为干燥，蒸发作用更强，膏岩更为发育。 虽然奥陶纪华北地台总体上比较平缓，但一些高差相对较小的隆起和凹 陷区仍然存在，集中分布在华北地台的西部和中部地区。这样，凹陷区的水 体循环将会进一步受到限制，而且高盐度卤水也在这里集中，而隆起区则由 于水浅，有时甚至露出水面而产生与现代萨巴哈类似的环境。前者形成静水 条件下厚度较大的石膏岩，后者形成萨巴哈石膏岩，介于二者之间的地区形 成砾状石膏岩、竹叶状石膏岩或白云岩。 3 2 2 华北地台奥陶系石膏岩的成因及形成环境 薛平( 1 9 8 5 ) 将山西奥陶系石膏岩的类型归纳为九种： 表3 - 1 山西省石膏岩类型 石膏岩类型 岩石特征成冈环境 浅褐黄一浅灰色，中薄层状，变品结构，由石膏、云 纹层状泥膏 泥岩组成交互密集的毫米级纹层，层面常伴有石盐晶潮上膏泥坪 岩一膏云岩模和泥裂。石膏含量约5 0 。 灰白深灰色，层状团块状，典型鸡笼铁丝状，变形 潮间一潮上半局限浅水、 瘤状石膏岩弯肠状构造，少数孤立结核状构造，瘤体间为白云质、 盐盘 泥质。一般石膏含量7 0 9 0 。 纹层状灰深灰色，层状，细晶结构，由不问色差、含泥量的潮间潮上半局限浅水、 石膏岩石膏