烧变岩水文地质特征研究现状与展望

烧变岩水文地质特征研究现状与展望

1烧变岩的地质意义及形成时代中国西北部广泛分布的煤层自燃区（煤矿火区）（管海伦等人，1998年）是地质历史时期窃取的，大量资源和热量被烧弃，形成燃烧的岩石（侯恩科等人，1993；范立民，1997）。烧变岩的研究有益于对煤层形成以来所经历的构造运动、古气候和古地理的探讨。同时,它也是重要的水文地质研究对象。在陕北,侏罗纪煤田分布区生态环境脆弱,水资源贫乏,地下水资源主要赋存于第四系萨拉乌苏组和烧变岩中(范立民,1996)。烧变岩孔洞、裂隙发育,有利于地下水的径流与储存。在有利的构造条件下,形成强富水含水层,是陕北地区主要含水层之一(王双明等,2010)。它不仅为煤炭基地建设提供水源,而且是生态脆弱矿区生态环境改善的重要基础,也是保水采煤的重要研究对象(王双明等,2010;范立民,2005)和矿井防治水的防范对象(贺卫中,2002;党浩宇,2009;王宏科等,2009)。关于对烧变岩的研究,张志坚(1959)首次系统报道了烧变岩的形成及特征。他认为,就烧变岩的岩性看,它具有火成岩、沉积岩及变质岩的部分特征;就成因看,它同某些火成岩和变质岩有一定相似的成岩过程,因之烧变岩可以考虑作为三大岩类间的一类岩石。从1961年开始,煤田地质工作者在新疆、甘肃、宁夏三区(省)近20多个井田试验采用磁法和自然电场法探测火区,效果较好,但直到1980年才陆续报道了烧变岩的磁性特征及勘探方法(张秀山,1980,2001;祁明星等,1987;刘长龄,1988;尚桂林等,1990;张全洪,1988;冯富成,1991)。刘长岭(1988)认为,烧变矿床及烧变岩系煤自燃的产物,应从宏观及微观上搞清其产状、分带性、物质组分及其形成机理,开拓地质科学的新领域,填补岩石矿物学及矿床学中的空白,并作为找煤的有效标志,增加耐火材料、建材、陶瓷原料的新类型和基地。关于烧变岩的形成时间,一些学者曾使用ESR技术测试了侵入岩和烧变岩中石英氧空位的相对浓度。根据库车河二次侵入岩的K-Ar年龄,以及石英氧空位的相对浓度和剂量率,估算出上三叠统塔里齐克组烧变岩的形成年龄为(3.26±0.3)Ma,中侏罗统克孜努尔组烧变岩的形成年龄为(2.33±0.2)Ma(业渝光等,1998)。侯恩科(1993)等研究了煤层自燃特征。黄雷等系统研究了陕北烧变岩岩石学特征和形成时间(黄雷等,2008),开发了烧变岩建筑材料(杨时元等,2008)。而对于烧变岩水文地质意义的认识,韩树青(1989)提出了萨拉乌苏组是陕北侏罗纪煤田的主要含水层,烧变岩直接或间接接受萨拉乌苏组地下水的补给,其含水丰富,是理想的水源地。随后,一些地学工作者陆续针对特定研究区域,论述了烧变岩的水文地质条件(姜建海,1990;范立民,1996;范立民等,1996;蒋泽泉,2005)。烧变岩是煤层自燃后,围岩发生火烧,有机质烧失后坍塌形成的特殊岩体,与煤层采出后围岩坍塌类似。结合大柳塔煤矿采空区泉水流量观测结果,范立民提出了保水采煤的新思路,即采空区含水层再造问题(范立民等,2006)。陕北侏罗纪煤田烧变岩主要分布在各河流及其支沟两侧,呈条带状展布,其长度蜿蜒十到几十千米,甚至更长,宽度一般为1～2km,总分布面积687km2。其中神北矿区485km2,榆神矿区202km2。笔者主要介绍烧变岩特征及其水文地质意义的研究现状及方向。2岩屑及其划分研究2.1煤层承担计算煤层自燃范围大小由自燃露头宽度和自燃深度所决定,自燃露头宽度在沟谷发育的地方一目了然,但确定自燃深度较为困难。由于本区煤层产状近水平,所以,自燃深度实际上是从露头开始沿近水平方向煤层向里燃烧的深度。由于后期冲刷,煤层自燃部分与未燃部分常暴露于地表,因而野外可直接观测煤层的自燃深度。各煤层自燃范围大小与煤层厚度、煤层出露高度以及节理密集程度三大因素有关。通常,煤层厚度越大,自燃深度越大,煤层出露高度愈高,自燃深度愈大。如,2-2煤层出露高,常大面积自燃且自燃深度很大,节理裂隙愈密集的地带,通风愈好,煤层自燃深度愈大。陕北地区煤层自燃深度一般为30～200m,以50～100m常见。当上述3方面因素有利配合时,自燃深度可达数百米,但这种情况并不多见。2.2岩石学和矿物特征含煤岩系岩性以细粒砂岩、中粒砂岩、粉砂岩、泥岩为主,呈互层沉积,泥质胶结类型居多,局部钙、硅质胶结。不同岩性烧变岩的结构破坏有所差异。细粒砂岩、中粒砂岩烧变后,呈块状结构体,单位面积裂隙率小;粉砂岩、泥岩、烧变变形破坏后,呈片状、棱片状等碎块,裂隙杂乱无绪,孔洞发育。烧变岩体从垂向上可分为3个带:Ⅰ.类熔岩带。为自然煤层顶板,因距火源较近,岩石发生塑变和熔化流变。这一“类熔”变化,会生成炉渣状残留物,岩石呈紫灰、灰蓝等杂色,多气孔,表面粗糙,形状不规则,质地坚硬,厚度1～3m。Ⅱ.烧结岩带。位于类熔岩之上,因岩层烘烤强烈,呈紫红色、砖红色,局部呈白色。未发生或具轻微塑变,结构构造略有改变。其硬度大,裂隙发育且张开度好,厚度10～30m。Ⅲ.烘烤岩带。位于烧结岩之上,距自燃煤层较远。该带岩石呈浅红色,层理清晰,硬度略有增大,裂隙以闭合为主,厚度20m左右。根据烧变岩区的众多钻孔资料和露头观测,烧变岩3个不是处处齐全。当自然煤层愈厚,上覆基岩较厚形成的3个愈明显。一般第Ⅰ类型带的厚度和分布范围比较复杂,而大部分区段以Ⅱ、Ⅲ类型居多。钻进到Ⅱ、Ⅰ类型时,烧变岩段发生掉钻(遇到空洞或大裂隙)现象时有发生,掉钻落距一般为0.3～1.5m。钻孔冲洗液消耗量发生明显漏失位置为Ⅱ类型烧变岩带,所以烧变岩裂隙发育强度在垂向上规律明显:下剧—中强—上弱,烧烤程度不同,裂隙发育也有很大差异。烧变岩裂隙最发育,类熔岩次之,烘烤岩最差(表1)。横向上因裂隙密实程度不一,剧、强、弱都存在。另外,烧变岩裂隙发育程度与原岩岩石类型也有一定关系。泥岩、粉砂岩类受自燃影响,裂隙、孔隙显著增大;砂岩类变化不明显,尤其是粗粒砂岩变化较小,甚至有变小趋势;中粒砂岩孔隙率增大,但含水率降低,可能是由于样品代表性所致(表2)。2.3烧变岩分布及分布区域烧变岩主要分布于现代沟谷沿岸的煤层露头区(图1、图2)。在神木北部矿区烧变岩主要分布于窟野河沿岸,矿区面积为1267km2,烧变岩分布面积为484.75km2。沿煤层露头向深部,最大燃烧宽度为12km。在考考乌素沟中柠条塔烧变岩区由2-2煤自燃形成,沟谷中宽度绵延为0.5～2.5km,烧变岩分布面积为6.14km2,地下水补给面积为20.4km2。烧变岩底板地形低洼,有利于地下水富集,出露有流水壕、水头泉。泉水稳定流量大于6500m3/d,是煤炭资源开发的良好供水资源。位于乌兰木伦河中上游地段的活鸡兔、大柳塔、朱盖塔、孙家岔井田烧变岩区,烧变岩分布面积为2～10km2,其他区有零星分布。1997年,在活鸡兔井田首次发现了“封闭状”的烧变岩区(范立民,1997),周围为未自燃的煤层,在中间一个很小的区域,发现了煤层自燃区,并形成烧变岩。榆神矿区东部的秃尾河西侧,由2-2、3-1煤层自燃形成的烧变岩区分布面积最广,南起大河塔北部到袁家沟,长26km,宽4～11km,面积约202km2。其中,两层煤烧变岩重叠区占有一定范围。红柳沟、清水沟、彩兔沟、黑龙沟和袁家沟各支沟水量均发源于烧变岩区。另外,一些小的沟谷地带,还有零星分布的烧变岩,但往往由于分布面积小,地板向沟谷倾斜。因此,其多数含水微弱或不含水。3北系、规律模型韩树青最早研究了烧变岩的水文地质条件,认为烧变岩富水性强,是陕北侏罗纪煤田开发的重要水源地。研究现状表明,烧变岩的水文地质特征与其分布区及邻区的地形地貌条件有关外(范立民,1996),还与上覆岩层的岩性和厚度有关,也与煤层底板倾斜构造有关。3.1烧变岩地下水的水文、地质背景侏罗系延安组含煤地层,总体呈北西倾的单斜构造,倾角1°～3°。局部存在洼盆形构造。烧变岩区也以这两种底板构造形态为主,并受沟谷切割影响。煤层自燃由沟谷露头向两侧深部扩展,位于煤层倾伏一侧具有隔水边界的烧变岩区易形成储水构造单元,位于仰起一侧的则不易形成储水单元。当沟谷切割方向与煤层倾向一致时,储水构造的完整性与沟谷切割程度相关。神木北部矿区柠条塔露天区,烧变岩底板形成一个含水盆地,形成了强富水区(图3),据水文地质钻孔抽水试验,地下水位下降0.1m,钻孔涌水量达788m3/d。烧变岩区地下水常以下降泉的形式排泄,故泉水出露较多。考考乌素沟从沙渠到四门沟地段,烧变岩泉水总流量为90.635～102.503L/s。其中,沙渠及水头两大泉合计平均流量达65.167L/s。据以往资料,2-2煤烧变岩区地下水静储量约433×104m3,烧变岩地下水的来源主要靠南部沙层潜水的侧向补给。1990年,烧变岩潜水位标高为1144.67m。2006年补勘发现,由于小煤矿采动影响,3-1煤以上的地下水自然流场已经变动,烧变岩水已沟通流入采空区,水头和沙渠两泉干枯,烧变岩潜水位大致在1137m±处,水位南高北低,水位有所降低。活鸡兔井田1-2煤层为特厚煤层,厚度达8.92～11.27m。井田东部1-2煤层自燃,形成了10.97km2的烧变岩,烧变岩裂隙发育(图4),并局部形成了封闭型自燃区(范立民,1997)。补给充沛,水流通畅,其下伏为隔水的延安组泥岩,在活鸡兔井田形成了非常有利的储水构造,是活鸡兔井田的主要含水层。含水层平均厚度为3.50m,总储存量高达130×104m3。据抽水试验,单孔出水量可达2000m3/d。根据勘察资料,由于局部存在1-2、2-2煤的重叠自燃区,因此,含水层厚度增大(图5),形成极强—强富水区。面积为509452m2,含水层平均厚度为6.94m,给水度0.196。计算表明,烧变岩接受大气降水的补给量为52m3/h。由此可见,本区烧变岩地下水是以静储量为主、动储量为次的水文地质类型。大柳塔井田东部的布代壕烧变岩,烧变岩裂隙发育分布面积只有0.6km2(图6),但富水性极强。J175号钻孔单孔出水量达3196m3/d(图6),是陕北罕见的强富水区。但由于采矿影响,该富水区已经被疏干。烧变岩具备了良好的孔隙裂隙空间和储水构造条件,其富水性则取决于补给条件。烧变岩上覆地层一般为第四系砾石黄土,萨拉乌苏组及风积沙,烧变岩带发育高度多波及地表,易于接受大气降水补给。当烧变岩区与邻区第四系萨拉乌苏组存在水力联系时,则形成统一的补、径、排系统,构成极好的富水区。其单位涌水量最大可达88.67L/s·m,渗透系数为1631.30m/d(表3),表明径流非常通畅。烧变岩储水构造类似于一个地下水库,由此可见,烧变岩区储水构造范围越大,接受第四系潜水的补给强度越大,其富水程度越好。如,清水沟、袁家沟烧变岩泉流量达3×104m3/d以上。通过研究,发现烧变岩带富水性因素为:烧变岩层的裂隙发育不均一性是该层富水性不均一的基本因素;储水构造条件是烧变岩水富集部位和地段的制约因素;烧变岩形成的含水层接受外来补给的条件及地下水的排泄基准确面的高低是烧变岩富水程度的决定因素。在钻探施工中,烧变岩钻孔大都发生了不同程度的漏水,漏水层段厚度达3.74～49.54m。依据水文测井,烧变岩潜水井液电阻率曲线ρ反映很明显(图7)。3.2地下水保水开采方案烧变岩地下水资源与浅部第四系潜水资源多分布于煤炭资源浅埋区。烧变岩中发育很多大的泉水,其中单泉流量大于10L/s的至少有28处(表4)。因此,井田划分及矿井布置必须重视并具有中型水源地开发利用的水资源,避免在开采煤炭资源时,造成水资源的严重破坏。笔者认为,应该认真研究采矿对烧变岩地下水的影响(马雄德等,2010),提出建立烧变岩地下水供水水源地的方案,满足矿区建设的用水要求,保护烧变岩地下水资源不受采矿的影响和破坏。值得关注的是,陕北地区特殊的水文地质结构和煤层赋存条件,使采煤对上覆含水层造成破坏,影响到泉的动态,直接危及泉水流量和表生生态环境。4烧变岩水文地质烧变岩是一种特殊类型的岩体,50年来,只有百余篇文献涉及烧变岩,归纳起来,主要研究内容为烧变岩的形成时间、分带特征、岩石学特征、岩体结构特性、物性特征与勘探方法(包括遥感解译)、水文地质意义,只有1篇论文报道了其作为建筑材料的适宜性问题。笔者认为,目前应该继续深入开展烧变岩的研究,主要研究烧变岩的内部结构、非均质性特征、空间分布形态及作为含水层的水文地质参数和供水意义等。在陕北侏罗纪煤田,分布近1000km2的烧变岩(其中,神木北部矿区、榆神矿区烧变岩分布面积为687km2),研究其水文地质意义及采煤对烧变岩含水层的影响、烧变岩含水层对煤矿安全生产的影响,比纯粹研究烧变岩自身特征更具有工程意义。30年来,尽管在烧变岩研究中开展了数十次抽水试验,但除1个钻孔外,多数开展的单孔稳定流抽水试验所取得的参数偏少,精度也有待于提高。因此,建议开展烧变岩水文地质专门勘查工作,为充分、合理利用烧变岩地下水资源提供可靠资料。烧变岩孔隙、裂隙和孔洞发育,其空隙中除提供了地下水的储存空间外,还是各种气体的储存空间,尤其是侵蚀基准面以上的部分,往往储存惰性气体,或者烧变岩地下水中溶解有部分有毒有害气体,在压力释放条件下,气体逸出。陕北侏罗纪煤田柠条塔煤矿巷道掘进通过烧变岩时,就遇到了大量硫化氢等有毒有害气体逸出,造成矿井建设的灾害。因此,烧变岩空隙气体形成及富集规律探测、研究也是烧变岩研究的重要方向之一。5烧变岩的地质特征(1)刘志坚于1959年从地质学角度研究了烧变