東升廟礦區應力場以及礦巖層形成變化規律分析

張永亮

（西北礦冶研究院，甘肅 白銀730900）

地應力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應力，產生的原因是非常復雜的。實測和理論分析表明，地應力形成主要與地球的各種動力運動過程有關，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內應力、地心引力、地球旋轉、巖漿侵入和地殼非均勻擴容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其他物理化學變化等，也可引起相應的應力場。其中，構造應力場和重力應力場是現今地應力場的主要組成部分［1］。

無論是研究區域穩定性問題，還是研究與地壓有關的井巷、采場穩定性問題，都與構造應力場 （包含重力場）及其作用的產物 （各種構造形跡）密切相關。一般而言，構造活動往往呈現一定的繼承性，有一個演化過程，因此必須從老到新，從區域到礦區來研究構造應力場，特別是著重研究現今構造應力場［2］。

1 區域和礦區局部應力場

1.1 區域構造分區及應力演化分析

一般認為，華北地臺基底最終形成于古元古代末，本區太古宙烏拉山群邊緣拼貼了古元古代的色爾騰山群的含鐵變質巖系之后，形成了克拉通基底。從中元古代進入古大陸邊緣的構造發展期，中新元古代是被動大陸邊緣，至古生代在北部邊緣轉化為活動大陸邊緣。元古宙大陸邊緣，可以根據沉積建造分布劃分為隆起、裂陷相間的構造環境［3］，由于沉積建造應力活動主要以重力應力場為主。

根據地層建造對比，區內下元古界變質巖的分布范圍，可以延伸至烏拉特后旗以北的東克日，經蘇尼特左旗、錫林浩特至林西一線。大量古生代以來的重熔型花崗巖基、巖體的存在及混合花崗巖、混合巖、混合片麻巖等過渡型巖體的存在表明，古元古代變質巖在后期陸內造山作用中，發生了明顯的重熔，形成巖漿巖體，應力場主要以構造應力為主，而殘存的古元古代基底變質巖建造的研究，就成了分析區內構造應力及演化的基礎。

從中元古界的巖性組成及分布范圍可以看出，中元古代整體表現了被動大陸邊緣的構造環境，發生了多期局部拉張的裂陷作用，形成了多條、多期裂谷，表現了臺地形成早期陸緣基底的凹凸不平及地殼厚薄不均的原始構造形態，為中元古代地幔分異與陸核增生模式，而沒有穩定的板塊俯沖消減構造。地應力場經過下元古代的加載至中元古代的卸載過程，構造應力場經消減呈趨弱狀態。

狼山地區總體構造線方向呈NE向，與其他地段明顯不協調，一般認為是后期構造作用使其轉向造成，見圖1。因此，狼山東側東升廟及西側霍各乞地區的地層，可以與渣爾泰山裂陷及白云鄂博裂陷內的地層相連，此期內構造應力以拉張應力為主，經應力釋放區域構造應力趨于穩定。

圖1 東升廟鉛鋅礦地質沉積－構造位置簡圖

從中國區域現今應力分區圖［4］上可以看出，東升廟礦區正處于華北應力較穩定低值區。可以證明：該礦區處于區域構造應力較弱區，應力場主要以重力應力場為主。

1.2 礦區局部應力場分析

東升廟礦床具有鮮明的層控特征，容礦巖組中同生斷裂活動十分明顯。原礦巖主應力雖然以重力應力場占主導作用，受同生斷裂活動影響，局部應力分布呈現幾個特征。

（1）原巖應力場以重力應力為主，受礦區內工程地質結構控制，在不同工程地質界線附近，出現局部應力的重新分布。應力方向的變化受工程地質狀態的控制。應力大小主要是重力應力場結構面方向的分量。在東升廟礦床容礦二組的3個巖段中，可見到層間滑塌堆積巖、層間礫巖。一些角礫還具有與上下地層和火山巖夾層變余斑晶形變相似的膝狀構造。據這種宏觀和微觀上受局部構造擠壓變形特征的一致性，可以確認它們是同生角礫，而非后期的構造角礫。這顯然是變余同生沉積構造特征，而非后期構造現象［3］，正好說明該區內沒有受到區域構造運動的作用。

（2）單一巖礦體可視為均勻彈性介質，其邊緣部位出現應力突變以外，內部應力應按重力應力場均勻分布。

（3）隨著巖層深度的增大，重力應力將增大。在容礦地層巖相的突變處，如從深部到地表，在容礦巖組中，順地層層位可見從細晶白云石大理巖突變為碳質千枚巖或其他巖性。將出現局部應力集中，不利于井下工程的穩固性。

（4）在采礦工程的開挖過程中，應力分布將出現變化。在井巷工程的拱角處和采空區的頂部邊緣，應力分布呈現局部集中狀態。對工程的維護和礦柱的處理極為不利。

（5）礦柱的應力分布主要顯現在最大應力點集中轉移到礦柱內部，尤其是在礦柱內部的結構弱面上。這是因為在開挖過程中，爆破作用及解除約束而在礦柱表層礦石內引起的應力松馳或破壞，產生0．6m至1．8m厚的低應力區。

2 礦、巖層形成以及穩定性

2.1 礦、巖層形成與變化規律

東升廟含礦的巖系屬狼山群和渣爾泰山群經歷過多次構造擠壓作用的區域變質巖系，構造運動可以改變先存地層的厚度。根據：①厚度大的地層，往往發育層間角礫巖和滑塌沉積巖，它所含的礦體也往往發育角礫狀礦石，而厚度小的相應巖性地層，則不發育或者缺失層間角礫巖。②從宏觀上看，各容礦巖段的界線和具有特定層位的礦體，如東升廟礦床的2＃礦體總體都連續，呈舒緩波狀。從巖石力學性質來看，當剛性巖與柔性巖并存，且在相同應力場作用下時，剛性巖比柔性巖形變小。但東升廟礦床剛性的白云石大理巖段 （）的厚度，比柔性的碳質千枚巖段（）的厚度變化性反而大。因而有理由認為，造成這兩大礦床容礦巖段厚度出現突變的根本原因，主要是同生斷裂的作用。東升廟礦床的變質基性火山巖具一定的線狀分布特征，在靠近同生斷裂處，厚度增大；遠離同生斷裂時厚度變小，甚至消失。③同生斷裂活動頻率與持續時間影響礦床規模。東升廟礦床在含礦的第二組第一段（Pt2ls12），一開始沉積，同生斷裂就已活動，這從二組一段底部的1＃硫鐵礦體中，有同生角礫狀硫鐵礦石可得到證實。此后，隨著地殼運動加強，同生斷裂繼續活動，在下降盤層間礫巖發育，切割地殼的深度也不斷加大。到二組一段沉積晚期，“雙峰式”火山巖夾層形成，意味著賦礦盆地進入相對張裂高峰期，同時也為深部成礦物質繼續順同生斷裂上升進入賦礦海盆做了準備。在第二組二段 （）和三段 （）沉積階段，同生斷裂進一步活動，大量的Zn、Pb、Cu、Fe不斷地沿同生斷裂上升，在賦礦盆地噴流卸載、聚集形成Zn、Pb、Cu、Fe硫化物復合礦體和菱鐵礦層，以致礦床規模達到超大型。如圖2所示。

圖2 東升廟礦床縱剖面

2.2 同生斷裂活動對礦、巖體穩定性的影響

東升廟礦區位于狼山－渣爾泰山裂陷槽內三級斷陷盆地邊緣的更次級凹陷中。中元古代沉積的早期，處于離古陸不遠的陸源、濱海位置，主要接受陸源碎屑物質沉積，賦礦盆地中同生斷裂活動相對較弱；中元古代沉積的中期，隨著拉張作用的進行，沉積盆地水深加大，進入狼山群第二組和渣爾泰山群的增隆昌組＋阿古魯溝組以白云巖為主、另有碎屑巖沉積的噴流－沉積成礦時期，賦礦盆地中同生斷裂活動十分明顯。同生斷裂持續、脈動性活動結果是：［5］

（1）導致含礦巖段巖性、地層厚度和礦體厚度急劇變化，并在一定程度上控制著礦體的形成與空間分布。從東升廟礦床12勘探線附近往西，白云石大理巖段厚度急劇增加，到0線附近達到最大，厚達460余m；至7勘探線往西再變薄，形成本礦床很特殊的以塊狀白云石大理巖為主的無礦帶。該帶內層間角礫巖發育，說明在此沉積階段內，12勘探線附近以西至7勘探線附近，是下降盤，且沉降幅度較大。進入，以含碳質頁巖為主的沉積階段，12勘探線附近以西至7線一帶則轉為上升盤，巖段變薄、礦化弱；而12勘探線附近以東則轉為下降盤，巖段的地層厚度變大。12勘探線以東，正好是東升廟目前開采地段，地層厚度變大有利于巖石的穩定性。

（2）導致海底火山噴溢和深部成礦流體進入海盆，并制約一些礦體的形成與空間分布。同生斷裂是深部成巖、成礦流體等進入古裂谷盆地的通道。在下降盤，礦種多、礦化度高，還可有含角礫狀礦石的厚大Zn－Pb－Cu復合礦體的形成。東升廟礦床的變質基性火山巖具有一定的線狀分布特征，在靠近同生斷裂地帶，厚度增大，遠離同生斷裂時厚度變小，礦體受同生斷裂控制，為成礦液體進入裂谷盆地而成，礦體受構造應力影響很小，對礦體的穩定性不構成干擾。

（3）同生斷裂活動頻率與持續時間影響礦床規模。東升廟礦床在含礦的第二組第一段（）一開始沉積，同生斷裂就已活動，這從二組一段底部的1＃硫鐵礦體中，有同生角礫狀硫鐵礦石可得到證實。此后，隨著地殼運動加強，同生斷裂繼續活動，在下降盤層間礫巖發育，切割地殼的深度也不斷加大。到二組一段沉積晚期，“雙峰式”火山巖夾層形成，意味著賦礦盆地進入相對張裂高峰期，同時也為深部成礦物質繼續順同生斷裂上升進入賦礦海盆做了準備。同生斷裂活動的加強，給礦體的形成提供了空間，斷裂處于張裂期對礦體沒有形成構造活動影響。中元古代沉積的后期，礦區再度處于離古陸不遠的陸源、濱海位置，如圖1所示。賦礦盆地中同生斷裂活動遺跡已不明顯，再次主要接受陸源碎屑物質沉積，形成了不含礦的狼山群第三組和渣爾泰山群劉鴻灣組的以石英砂巖、砂頁巖為主的碎屑巖建造。再次說明，東升廟礦體的形成過程中，主要受多次沉積和沉降作用影響，構造活動處于穩定后，礦巖體很少受到大的外力構造活動影響。

3 結論

（1）區域分區構造應力的演化過程，從古元古界－中元古界－下元古界構造應力，經歷了以沉積建造應力為主的重力應力場，到構造應力減弱并趨于穩定的過程。

（2）東升廟礦區處于區域構造應力較弱區，受同生斷裂活動影響，重力應力場占主導作用。

（3）礦區含礦區域變質巖系歷經多次構造擠壓作用，巖層厚度發生變化。在靠近同生斷裂處，厚度增大；遠離同生斷裂時厚度變小，甚至消失。

（4）東升廟礦體的形成主要受多次沉積和沉降作用，構造活動穩定后，礦體很少受到大的外力構造活動影響。

［1］ 蔡美峰，喬蘭，李華斌 ．地應力測量原理和技術 ［M］．北京：科學出版社，1995．

［2］ 王連捷，任希飛，丁原辰，等．地應力測量在采礦工程中的應用 ［M］．北京：地震出版社，1994．

［3］ 彭潤民，翟裕生，王志剛．內蒙古東升廟、甲生盤中元古代SEDEX礦床同生斷裂活動及其控礦特征 ［J］．地球科學，2000，25（4）：404－409．

［4］ 孫葉，譚成軒．中國現今區域構造應力場與地殼運動趨勢分析 ［J］．地質力學學報，1995 （3）：1－12．

［5］ 肖榮閣，彭潤民，王美娟，等．華北地臺北緣西段主要成礦系統分析 ［J］．中國地質大學學報，2000，25（4）：362－368．