浅析急倾斜地层中的古岩溶陷落柱

说起地层中的陷落柱，拿我们旅游中常见的溶洞来打个比方，其实很好理解。形成溶洞有两个基本条件，一是要有可溶性的岩层，如各种膏盐地层、灰岩地层，二是要有流动的水。在地质应力的作用下，那些可溶性岩层形成了大量的裂隙，水沿着裂隙渗透进入可溶性岩石中，将部分岩石成份溶入水中，并通过流动的水流带往其它地方，或进入大海，或储入其它的地层空间保存下来。在以万年为单位的地质历史长河中，那些可溶性岩石被溶蚀得越来越多，裂隙变成了孔隙，孔隙变成了空洞，小洞变成了大洞。那些奇形怪状、奇妙无比的溶洞景观由此形成。溶洞顶部岩层的承受力是有限的，当其自身重力以及上覆岩层的压力超过其承受力时，洞顶便会垮塌。如果溶洞足够大，垮塌的规模很大，垮穿到了地表，就是我们旅游的另外一种景点——天坑；如果没有垮穿到地表，就是我们在矿井生产过程中揭露出来的岩溶陷落柱。

图1 原始水平状态下的煤岩组地层示意图

图2 溶蚀作用下产生的溶蚀孔隙（洞）示意图

图3 溶蚀作用产生的大型地下溶洞示意图

图4 溶蚀产生大型穿越地层组的空洞示意图

图5 杂乱岩块充填的岩溶陷落柱

日常矿山生产过程中，在水平地层或缓倾斜地层中发现的陷落柱比较多，但在急倾斜地层中的古岩溶陷落柱，呈现给世人的却比较少。甚至有一些人不理解，为什么急倾斜地层中还会形成古岩溶陷落柱？今天，我就给大家分享一下有关急倾斜地层中古岩溶陷落柱的故事。

上个世纪八十年代末，我大学毕业后分配到了当时的煤炭工业部下属的广旺矿务局赵家坝煤矿，在地质测量科从事地质技术工作。

正式上班不久，就有同事告诉我，在主平硐水平（标高555米）的七石门和八石门之间的岩石大巷里，揭穿了两个大断层，大断层形成的破碎带很宽，一个有14米，一个有42米。两个破碎带相隔的距离不过两百多米，并且七石门在施工过程中，由于破碎岩层中所含的瓦斯大量涌出，有位工人的矿灯失爆引爆了瓦斯，造成了瓦斯爆炸事故。

大的断层破碎带和严重的瓦斯爆炸事故，给我留下了深刻印象。为了尽快熟悉矿井地质情况，我把矿井的勘探报告、矿井延深地质报告找出来，全部通阅了几遍。特别注意到地质报告中提到的，在矿井的14号勘探线（七石门附近）的2号钻孔，在+400米至+200米位置，钻进了一个破碎岩石带内，取出的岩芯破碎，有微变质现象。

图6 根据钻孔揭露的地层情况制作的勘探线剖面图

综合钻孔资料和岩石大巷揭露出来的大破碎带情况，看来这个断层确实不小。作为一名从事矿井地质的技术人员，我必须得认真了解和研究才是。于是，在认真研究已有地质报告的地质资料的基础上，着重对有关区域地质构造背景、矿区地质构造演化，以及矿井地质构造规律等方面的资料，进行了收集整理分析。并对钻过破碎带的地质钻孔实录柱状图，岩石大巷揭露两个破碎带的原始记录资料，进行了仔细整理分析。井口到七石门、八石门那一片区域，足足有好几千米的距离，一般情况下都是坐井下人车到了那里边的一个车场下车，再到附近的采煤、掘进工作面开展技术业务工作，很少有人在七石门或八石门下车，因为那里既没有工作面，也没有停车场。为了直观把握现场情况，我多次从车场走路过去，在七石门至八石门的岩石大巷里，反复察看两个岩石破碎带的充填物、断裂面、岩石与破碎带接触面等方面的特征。越看疑问越多。

断层作为一类线状地质构造，除了会造成煤（岩）层的缺失或者错位，还会沿着一定的方向延展开去，而这个沿断层面垂向延展的方向即为断层面的倾向、沿断层面水平平行延展的方向即为断层的走向。断层破碎带，是会沿着断层面的倾向（带着一定的倾角）、走向方向延展的，追踪断层的破碎带，对掌握断层的走向、倾向，以及断层面的倾角，都是十分必要的。根据书本知识，如此大的两个相邻的破碎带，如果不是受深大断裂的影响形成，也应是一个相当大规模的断层才能形成。但是，已有的地质成果中，除了钻孔有资料外，竟然明确阐明，（对断层）地表追踪未发现。

再看岩石大巷揭露破碎带时收集的资料，断层面的倾向从几十度、两百几十度的都有，也就是说，断层面居然在近距离范围内，发生了大幅度的转弯，这有点不可思议、不符断层的原理。另外，断层面无擦痕、阶步等属于断层的明显特征，两边的岩层没有明显错动。而且破碎带里的岩块棱角分明、大小不一，术语叫做“无磨圆”“无分选”，部份岩块来自于岩石大巷所在层位的上覆岩层，有少量煤屑。岩块及煤屑无胶结，岩块间充填物为粘土，遇水变松软，易垮塌。这些现象可以概括为该破碎带没有发生明显的错动。没有发生错动，巨大的破碎带是怎么形成的？断层本身就是在地质应力作用下发生了煤（岩）层的错动，没有发生错动，这“断层”还叫断层么？而且更令人奇怪的是，如此大范围的破碎带，不仅地表没有追索到，就连处于同样层位的、相邻的620岩石大巷（标高620米）、660岩石大巷（标高660米），高差也就是几十米、百来米的，却没有发现破碎带。形成大破碎带的大断层，居然能在几十米的距离内神奇消失？

一个个谜一样的问题，让我一时半会儿有些难解。想想，除了断层外，能够形成破碎带，而且是大破碎带的地质构造，除了断层，那就是陷落柱了。但是，不对呀，赵家坝煤矿的含煤地层属于三叠系上统须家河组的陆相沉积地层，除了煤层，不是砂岩就是细砂岩、粉砂岩、泥岩类的，没有可溶蚀性灰岩地层，没有形成陷落柱的物质基础。再说，就算几百米之外确实有三叠系中统雷口坡组灰岩层的存在，面对五十几度的地层倾角，折算下来这个距离可不小了。怎么从灰岩地层发育过来的，一般都沿垂向上发育的岩溶陷落柱，在这里会横向发育形成么？急倾斜地层发育岩溶陷落柱，别人有疑问，我也疑问不少。

老师说过，遇到问题，一定要大胆分析（猜测），但千万要小心求证。赵家坝煤矿555水平七石门到八石门之间的岩石破碎带，要么是断层形成的，要么是陷落柱形成的。按已有的专业资料，非此即彼。各种收集的资料，不仅不能确证是断层形成的，而且还有诸多不能用专业知识解释的迹象。从岩石断裂面（姑且不能叫断层面了）、破碎带的充填物、煤（岩）层错动情况看，比较符合是陷落柱形成的特征。但是，如何来求证？先得说服自己，才能让别人相信。这俩破碎带要是人的话，我还可以抱去拍个X片，透视一下，也就明白了。可是，当年，矿上乃至矿务局都没有我们现在各矿装备的无线电波坑透仪、瞬变电磁仪等物探设备，钻探设备也没有，地质上的日常工具就是地质锤、罗盘、放大镜。要对井下各种地质情况作出判断，除了利用好已有的地质资料外，其它时候“全靠烧脑”。

一切的转机，全靠当时的矿总工程、现在的四川省煤炭工业协会会长张克林。当时的地测科长傅秉林告诉我，张总听说我对七石门到八石门之间的破碎带有不同的认识，让我写个分析资料出来，确定一下那片区域的煤层受破坏的情况，是否还有开采的可能性，形成技术报告，以便交给矿领导层研究。

我当然是欣然受命。按照存在的疑问、分析的依据、论证的方案、煤层受破坏程度及是否可采等方面的思路，很快形成了一个“存在古岩溶陷落柱可能”的简要报告，用复写纸制作了两份（那个时候还没有办公电脑，机械式打印机只有矿办室才有，忙得很），并附上了简易的示意图。很快，矿上在破碎带附近区域实施了巷探工程，用沿煤层掘进巷道的方法，验证了我的推测是正确的。如果是断层的话，那么大的两个破碎带，沿走向和倾向方向，煤层都会受到大的破坏，是不会可能有规模化开采的煤层的。而巷探的结果，那一片区域，是有几个工作面的煤层是可以正常开采的。

一纸判断，获得了可能被丢弃的几个工作面的资源储量。不久，恰逢中国煤炭学会青年工作委员会将在西安召开年会，向全国各地的煤炭行业青年科技工作者征集论文。在领导的号召和鼓励下，我结合有关分析研究情况，并进一步研究分析了急倾斜地层中古岩溶陷落柱的形成原因，形成了一篇国内首例有关急倾斜地层中古岩溶陷落柱研究成果报告的论文，提交给了大会组委会。第二年春天，我有幸在西安召开的年会上交流发言，公布了自己的成果，论文被全文收入论文集，由煤炭工业出版社正式出版。

那么，一直到现在，当有人听说急倾斜地层的古岩溶陷落柱时，几乎都多少有一点疑问。其实，用地质历史演进的观点来分析，一切都是那么的合情合理。

根据古地理学、地史学、大地构造学的研究成果，四川盆地在三叠纪中期之前，大片都是海洋，沉积了大量厚度不等的灰岩地层，现在的广旺矿区，当时的“广旺海槽”也不例外。随着后来的印支运动、燕山运动、喜山运动等多期次的地质构造运动，盆地经历了反复多次的抬升沉降。处于盆地边缘的广旺矿区，在三叠纪晚期沉积了一系列的陆相河流、沼泽相含煤地层，以及侏罗纪、白垩纪时期的地层。这些地层形成后，逐步被抬升接受风化剥蚀。在这个过程中，其下部的三叠系中统雷口坡组及以下的灰岩地层，发生了溶蚀演化，形成大量的岩溶空腔甚至是大型溶洞。当这些大型溶洞顶部岩层在自身重力及上覆岩层的重压下，被破坏失去稳定性而垮塌。上覆的煤层、岩层随之垮落，充填进那些溶蚀空间内，形成岩溶陷落柱。此时的地层应大多处于缓倾斜或水平状态，这也是平常人们所能理解的岩溶岩落柱的形成状态。急倾斜地层的古岩溶陷落柱的形成机理，实际上主要多了一个后面的步骤，即地层的大幅抬升的步骤，大自然给我们造成认识上的错觉就是这个步骤。

图7 掀斜后的岩溶陷落柱示意图

从喜山运动开始，秦岭造山运动加剧，米仓山快速隆起，原本水平或缓倾斜状态的地层被掀斜，广旺矿区的主控构造之一的大两会背斜成型。处于大两会背斜南翼的广旺矿区的含煤地层，就像一块块被倾斜放置的夹芯板，摆放在米仓山南麓。而那些在水平或者缓倾斜条件下形成的古岩溶陷落柱，原本是分布在煤（岩）层的竖向上的破碎岩石柱，也和含煤地层一起被掀斜了。虽然掀斜的方向与地层的方向不一致，但它依然保持了与煤（岩）层大致相垂直的交角存在着。

如果，我们根据赤平投影原理，把现在处于倾斜状态的煤岩组地层旋转至近水平状态——相当于恢复到煤岩组地层的原始状态，勘探线剖面图上那个根据钻孔揭露出来的破碎带而推测绘制出来的“断层”，是不是更像岩溶陷落柱呢？

图8 运用赤平投影原理恢复的古地层剖面

参考文献：

[1]黄祥宽. 急倾斜地层中古岩溶陷落柱的形成机理及识别[J]. 煤炭科学技术, 2006,(01).

[2]黄祥宽.关于赵家坝煤矿存在古岩溶陷落柱的初步论证[C].全国煤炭系统第二届青年科技工作者学术讨论会论文集，煤炭工业出版社，1993.176～180页