华北煤田下古生界岩溶主要发育于寒武系、奥陶系碳酸盐岩地层中,位于煤系地层下部,广泛分布于我国内蒙、山西、陕西、河北、山东、河南,徐州、淮北、淮南等地区。岩溶在发育和形成演化过程中改变了煤层底板含隔水层结构,不仅构成区域地下水储存主要场所,也成为我国华北煤田煤炭资源开采过程中重要导突水通道。此外,矿区在疏排水过程中引起岩溶塌陷所带来的一系列环境地质问题,与下古生界岩溶发育与形成过程息息相关。研究岩溶发育特征及其成因模式,为煤炭资源开采过程中系统认识矿区岩溶地下水的赋存规律,采取针对性有效防治水措施,确保矿山安全生产有着重要理论和现实意义。 本文围绕“下古生界岩溶发育特征及成因机制”这一科学问题,以华北煤田南缘的淮南地区下古生界碳酸盐岩为对象,采用野外地质调查、岩芯观测、薄片鉴定、地球化学组分测试以及数值模拟等方法,从岩性及结构、地形地貌、气候与水流、构造及其演化等方面,系统分析了下古生界岩溶发育类型与特征,阐明了岩溶发育影响因素,构建了不同类型岩溶成因模式,取得主要成果如下: (1)根据岩溶形成时期及成因将淮南地区下古生界岩溶划分为沉积岩溶、风化壳岩溶、构造带岩溶和现代表生岩溶四种类型。其中,沉积岩溶以同生角砾岩、溶蚀孔洞及硅质岩为主,分布于奥陶-寒武系沉积间断面;风化壳岩溶包含裂缝、溶蚀孔洞以及溶洞,具有垂向分带性;构造带岩溶以岩溶裂缝、构造孔洞、溶洞以及岩溶陷落柱为主,沿NEE-NE、NWW-NW方向发育,分布于阜凤-阜李断层夹片内以及淮南地区中部;现代表生岩溶以溶缝、溶沟、溶洞以及岩溶塌陷为主,主要沿地层走向、断层走向以及断层交汇处分布。 (2)阐明了淮南地区下古生界岩溶发育过程中的影响因素,主要包括岩性与结构、成岩作用、岩溶作用、构造及其演化、古地貌及水文地质条件等。其中碳酸盐岩岩性及结构、成岩作用及岩溶作用是岩溶发育的基础,而构造及其演化、古地貌、水文条件等则是该过程的主控因素。 (3)构建了四种类型岩溶的形成演化模式,并结合岩溶形态、赋存空间及埋藏条件,进一步细化出八种演化模式。其中,沉积岩溶模式分成了同生角砾岩以及溶蚀孔洞形成演化模式两类;风化壳岩溶模式分为表层风化剥蚀岩溶以及层间溶洞形成演化模式;构造带岩溶模式可分为裸露区构造带岩溶以及隐伏区褶皱构造带岩溶形成演化模式;现代表生岩溶模式分为构造破坏潜蚀岩溶及岩溶塌陷形成演化模式。 (4)依据淮南地区特殊的构造特征与岩溶作用过程,丰富完善了“构造带岩溶”概念内涵,阐述了区内构造带岩溶发育特征,并以张集-谢桥矿区构造带岩溶为例,采用数值模拟方法再现了构造破碎带形成、溶蚀连通扩大及崩塌垮落压实三个演化阶段,并揭示了构造带中岩溶陷落柱的形成与演化过程,其中印支-燕山运动时期的挤压与拉张运动是其形成与控制的关键阶段。 (5)从现代岩溶塌陷的诱发因素出发,以九龙岗-大通和凤台县城岩溶塌陷为例,模拟再现了井下疏放水、城市建设增荷条件下岩溶塌陷形成演化过程,揭示了在疏水降压条件下,岩溶塌陷具有群发性特点;随着上覆荷载增加,松散层覆盖下的碳酸盐岩地带极易产生岩溶塌陷,且垂向塌陷距离随荷载增加而增大。 图[108]表[25]参[276]