新 2013-01-28 修改稿 新-奥陶系硬石膏层孢粉特征双(英).doc

山西新阳煤矿奥陶系硬石膏层孢粉特征及地质意义方向清 傅耀军 王炳强（中国煤炭地质总局水文地质局,河北 邯郸 056004）摘要：华北煤田是我国煤炭重要生产基地，有多层可采煤层，水文地质条件复杂，水害时有发生，为研究煤水关系、岩水关系，地下水与矿坑水关系，本文对山西新阳矿区典型岩石（硬石膏、角砾状灰岩）进行了孢粉特征分析，结果显示角砾状灰岩与硬石膏层之间孢粉特征存在着差异性；特别是奥灰中的硬石膏孢粉组合表现为木本花粉占优势，达66.667%，主要为桦木粉属（Aliollenites）、榆粉属（Ulmipollenites），认为硬石膏是晚期充填到奥陶系灰岩溶洞中的，“膏溶角砾岩”是风化或岩溶塌陷等其他作用形成的。该结论对于重新认识华北型煤田岩溶水系统的岩溶发育规律具有重要意义。关键词：奥陶系；硬石膏；角砾状灰岩；孢粉组合；地质意义中图分类号: P52, P641.1，P534.42 文献标识码：A 文章编号：图1 XF7钻孔峰峰组顶部柱状图Fig 1 The top of stratigraphic column in Fengfeng Formation , XF7 drilling自然伽玛侧向电阻率长源距伽玛伽玛取样位置华北型煤田以太行山为界，以西为第二级阶梯，海拔20001000m，由高原、盆地及山地组成，以黄土高原为主，基本属于干旱、半干旱岩溶区；以东为第三级阶梯，为海拔1000m以下的丘陵和200m以下的平原区，属温带湿润岩溶区。区内碳酸盐岩类分布稳定、厚度巨大、多为海相沉积。一般厚度在1000m以上，其地层沉积时代主要为太古代、元古代、早古生代及石炭纪。其中，华北型煤田奥陶系灰岩地层中广泛发育硬石膏层和角砾状灰岩，且硬石膏多与角砾状灰岩相伴生，有观点认为角砾状灰岩是膏溶作用形成的，因而也称膏溶角砾岩。但华北区，在中（早）奥陶世至早石炭世有长达1亿多年的沉积间断，且寒武-奥陶系灰岩中有多期岩溶作用，寒武-奥陶纪沉积的石膏，为什么能保存至今，且与角砾状灰岩相伴生？本文试图通过岩石的孢粉特征探讨硬石膏、角砾状灰岩形成的时间顺序。课题依托项目为新阳煤矿水文地质补充勘查项目。1.地质概况新阳煤矿属华北型煤田，地处山西省中部，位于单斜构造分散径流集中排泄型岩溶水系统郭庄泉岩溶水系统北部径流区。矿区中部贤者向斜和东部高阳向斜为强径流带奥灰水带压区，水文地质条件复杂，其余区段水文地质条件中等。矿区地表绝大部分被新近系沉积物覆盖，第四系零星分布在沟谷及黄土梁上。基岩仅在西部、南部河谷中出露，地层由老至新有奥陶系上马家沟组（s）、峰峰组（f），石炭系本溪组（b）、太原组（C3t），二叠系山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）上石盒子组（P2s），新近系上新统（N2），第四系下更新统（Q3）、中、上更新统（Q1+2）。其中奥陶系中统峰峰组（f）为浅灰色及深灰色，致密厚层状海相石灰岩，质较纯，性较脆，顶部具溶蚀现象，常见有黄铁矿晶体及不规则之方解石细脉，顶面50m之下夹石膏层。厚度162.25m。山西新阳煤矿共施工9个钻孔揭露奥陶系峰峰组，仅XF7相邻2个钻孔见硬石膏层，其他钻孔只见石膏脉。XF7钻孔（图1）见多层硬石膏，呈灰黑色，断口为油脂光泽。见有蠕动构造和白色石膏脉（图2）。2取样及实验方法本次研究共取7组样。其中2组岩样取自XK7钻孔，分别为峰峰组角砾状灰岩和硬石膏。孢粉的提取：先样品加入盐酸充分反应后（除去CaCO3），水洗至中性；再加入氢氟酸充分反应后（除去SiO2），水洗至中性，最后运用超声波过筛（7m）；外加石松孢子（27637粒）以计算孢粉的浓度。孢粉的鉴定与统计是在400倍的光学显微镜下进行，参照正式出版文献的图版进行鉴定，共鉴定出孢粉22科属，7个样品共观察活动片70片，统计有效孢粉74粒。孢粉百分比图谱采用Tilia软件制作。3 样品孢粉组合3.1角砾状灰岩样品分析结果见表1表1 角砾状灰岩的孢粉组合Table 1 The pollen assemblage of brecciated limestone孢粉种类百分比%木本20草本60蕨类20粒数Ulmoideipites榆粉1Salixipollenites柳粉属1Marsypiletes小泡粉属6Polypodiaceaesporites水龙骨单缝孢属2总数10孢粉组合中草本花粉占优势，为60%。为小泡粉属（Marsypiletes）。木本花粉为20%，主要为榆粉属（Ulmipollenites）、柳粉属（Salixipollenites）。图2 硬石膏岩芯Fig 2 An core sample of anhydrite蕨类孢子为20%，为水龙骨单缝孢属（Polypodiaceaesporites）。3.2 硬石膏样品分析结果见表2表2 硬石膏的孢粉组合Table 2 The pollen assemblage of anhydrite孢粉种类百分比%木本66.7草本33.3粒数Ulmipollenites榆粉属1Aliollenites桦木粉属1Chenopodipodipollis藜粉属1总数3孢粉组合中木本花粉占优势，为66.7%。主要为桦木粉属（Aliollenites）、榆粉属（Ulmipollenites）。草本花粉为33.3%，主要为藜粉属（Chenopodipodipollis）。4孢粉组合变化特征及地质意义4.1 孢粉组合特征角砾岩的孢粉组合揭示的植被群落结构较为完整，其中以草本占优势，其次分别为木本和蕨类植物。硬石膏的孢粉组合只有木本和草本，其中以木本占优势，草本植物次之。角砾岩孢粉主要为榆粉属、柳粉属、小泡粉属和水龙骨单缝孢属。其中榆粉属和水龙骨单缝孢属出现时代以古近纪、新近世为主，柳粉属出现时代为晚白垩至新近纪，小泡粉属为晚白垩时代的指示种。硬石膏主要为桦粉属、榆粉属和藜粉属。榆粉属和藜粉属出现在新生代，桦粉属则出现在晚白垩至新生代。通过对角砾状灰岩、硬石膏的孢粉组合的时代特征分析，可以初步的将角砾岩的时代定为晚白垩，硬石膏定为古近纪至新近纪。4.2 地质意义根据硬石膏和角砾状灰岩孢粉组合和差异，初步认为硬石膏是晚期充填到奥陶系灰岩溶洞中的，且角砾状灰岩是膏溶作用形成的可能性不大，原因主要有以下几方面。华北地区在古近系广泛有石膏岩沉积，如山西运城、河南灵宝、河北隆尧等地的古近系中有大型石膏矿。从奥陶系地层中石膏平面分布规律也可说明，一般硬石膏平面上不呈面状分布，如山西某矿揭露奥陶系见石膏层钻孔呈网状分布（图3）；新阳矿施工9个钻孔也仅2 个相邻的钻见硬石膏层。一般认为角砾状灰岩为后期岩溶作用形成的，硬石膏层和灰岩是同期的，这与硬石膏的孢粉组合相矛盾。据角砾状灰岩、硬石膏的孢粉组合所揭示的时代特征判断，角砾岩的时代比硬石膏的要早一些，因此，可以初步认为硬石膏是晚期充填到奥陶系灰岩的。膏溶作用说认为，由于石膏遇水极易溶蚀成洞穴,引起顶板岩石的压裂塌落,其塌落的岩石角砾与残留的石膏混合胶结成角砾岩。另外, 如果夹层是硬石膏,其在转化成石膏时,体积膨胀,也可使顶板岩石压裂崩塌形成膏溶角砾岩。其主观点就是硬石膏在溶解过程中体积增大，对上部灰岩产生压裂作用，笔者认为，硬石膏在溶解过程中不是整体相变为石膏，只是裂隙面和水直接接触部分的局部作用，且随着硬石膏裂隙增加，相变体积作用压力已被增加的裂隙空间抵消，硬石膏的岩溶作用所产生的相变体积压力几乎可以忽略。因而，角砾状灰岩应该是风化或岩溶塌陷等其他作用形成的。图3 山西某矿区揭露奥陶系 见石膏钻孔分布示意图Fig 3 Exposed Ordovician system in a mining area of Shanxi Province See anhydrite drilling of distribution sketch5 结束语文章通过对新阳煤矿角砾状灰岩、硬石膏的孢粉组合的时代特征分析，和钻孔资料分析，初步认为硬石膏层不是奥陶纪时期的，是后期充填到岩溶空间的；角砾状灰岩并非是膏溶作用形成的，是风化或岩溶塌陷等其他作用形成的。致谢：孢粉分析工作由西南大学郝秀东博士提供，在此表示感谢。参考文献1方向清,傅耀军,华解明等.北方岩溶地下水系统模式及特征J,合肥工业大学学报(自然科学版),2011,34(2)：286-291.2唐锦秀.华北石炭、二叠纪孢粉生物地层序列和石炭、二叠系界线J.中国煤田地质,1994,(6)4:7-15. 3王伟铭.中国孢粉学的研究进展与展望J.古生物学报, 2009,48(3):338-346.4张美良,林玉石,邓自强.岩溶沉积-堆积建造类型及其特征J.中国岩溶1998,17(2):168-178.5钱学溥.太行期岩