Rocas solubles y karst del Cámbrico-Ordovícico
El espesor total de los sistemas Cámbrico y Ordovícico ampliamente distribuidos en la región es de unos 1000 m, y casi todos ellos están compuestos por rocas solubles, principalmente rocas carbonatadas. . En general, la litología y la estructura estratificada de las rocas solubles en toda la región tienen tres características importantes: ① La litología es estable, espesa y ampliamente distribuida. La litología y el espesor de cada sección generalmente cambian poco y toda la región puede cambiar. comparado (2) Aunque el espesor de la roca soluble es relativamente grande, la piedra caliza y la dolomita o la roca carbonatada arcillosa se distribuyen alternativamente entre cada sección, y la composición y solubilidad de la roca son muy diferentes ③ El Ordovícico Medio es un conjunto de mezclas; roca carbonatada y ácido sulfúrico La roca salada incluye tres combinaciones litológicas: dolomita y roca carbonatada arcillosa intercaladas con capas de yeso → piedra caliza → piedra caliza y dolomita intercaladas (la Formación Fengfeng es una sección). En consecuencia, se divide en tres grupos y ocho secciones. Los tipos de rocas solubles en toda la región son complejos y diversos, lo que tiene diferentes impactos en la karstificación.
En segundo lugar, la influencia de la litología de las rocas carbonatadas en la karstificación.
La roca soluble es la base material del karst. Entre los diversos factores que controlan e influyen en el desarrollo del karst, la litología es el principal. factor.
1. La relación entre la composición de las rocas y la karstificación
Según los resultados de las pruebas de disolución en interiores de diferentes tipos de rocas, combinados con estudios microscópicos de las rocas y observaciones de campo, se puede observar que los efectos relativos de la composición de la roca sobre la tasa de disolución y la karstificación tienen una influencia decisiva, es decir, la composición de la roca determina las principales características de disolución de las rocas solubles. El contenido de lodo en la mayoría de las rocas solubles en esta área generalmente no es alto, por lo que el factor principal que afecta la disolución de la roca es el contenido de dolomita y la velocidad de disolución relativa cambia con la relación CaO/MgO. La relación CaO/MgO de varias muestras de dolomita es de 1,44 a 2,44 y la tasa de solubilidad relativa es de 0,52 a 0,82 (el mármol estándar es 1, lo mismo a continuación). La relación CaO/MgO de la piedra caliza O2 es de 3,9 ~ 100 y la tasa de disolución relativa es superior a 1. Se puede ver a partir de observaciones de campo y núcleos de perforación que el karst tiene una selectividad obvia. El karst de piedra caliza está generalmente más desarrollado que la dolomita, y todas las cuevas grandes de la zona están desarrolladas en piedra caliza. Según datos de estudios realizados en Fangshan y Mentougou en Beijing, 50 de las 65 grandes cuevas con una profundidad de más de 20 metros están hechas de piedra caliza, lo que representa el 77% del total. En la piedra caliza y dolomita intercaladas en la parte superior de la Formación Shangxiajiagou, el desarrollo kárstico está estrictamente controlado por la litología. A menudo se forman una serie de cuevas en capas a lo largo de capas de piedra caliza. Creemos que esto se debe principalmente a las diferentes velocidades de disolución de las rocas, es decir, la velocidad de disolución de las rocas determina en gran medida la dirección y la intensidad de la karstificación.
También cabe señalar que la piedra caliza y la dolomita tienen diferentes métodos y características de disolución debido a las enormes diferencias en la composición de la roca y la estructura interna. La piedra caliza en esta zona tiene una estructura micrítica, la roca es muy densa, los poros naturales son muy pequeños y la permeabilidad del agua a través del macizo rocoso intacto es extremadamente débil. Por lo tanto, la disolución de las rocas se produce principalmente a lo largo de diversas uniones y superficies de fisuras, es decir, el karst tiene propiedades superficiales y las formas kársticas son principalmente fisuras de disolución y cuevas. Los cristales de dolomita tienen partículas gruesas y una gran porosidad natural, y los poros intergranulares obvios se pueden ver al microscopio. El agua tiene cierta permeabilidad en el macizo rocoso y algunas dolomitas a menudo contienen fenocristales o grupos de calcita, que pueden formar fácilmente poros pequeños, como poros disueltos y poros de cristales. Por lo tanto, la dolomita tiene la propiedad de disolución espacial o volumétrica, ocurriendo disolución en los espacios de fractura y en todo el macizo rocoso.
2. La relación entre la estructura de la roca y la karstificación
Se puede observar a partir de una gran cantidad de datos experimentales que a medida que aumenta el número de partículas de roca, la tasa de disolución relativa disminuye gradualmente. Esto también lo confirman los resultados experimentales de varias muestras de dolomita con composiciones similares y diferentes tamaños de grano en la zona. Cuanto más gruesas sean las partículas de cristal mineral, menor será la velocidad de disolución relativa. Las tasas de disolución relativas promedio son 0,8 (dolomita de micrita), 0,77 (dolomita de grano fino) y 0,52 (dolomita de grano medio-grueso). Esto se debe a que, bajo ciertas condiciones, cuanto más finas son las partículas minerales de la roca, mayor es la porosidad total y el área de superficie de disolución, y mayor es la velocidad de disolución relativa. En la naturaleza, el desarrollo kárstico de estas dolomías es opuesto. Entre ellos, además de las cuevas kársticas, también se pueden formar cuevas y cuevas kársticas más grandes, y algunos manantiales a menudo quedan expuestos, convirtiéndose así en un karst relativamente uniforme dominado por dolomita de grano fino O1. El grado de desarrollo kárstico es mucho más débil. Algunas cuevas kársticas y cuevas de cristal son comunes, pero las cuevas kársticas grandes y las cuevas kársticas son raras. La dolomita de micrita en la primera sección del grupo O2 tiene el grado más bajo de karst. poros disueltos. Los dos últimos están separados por agua.
Esto se debe principalmente a que cuanto más finas son las partículas minerales, mayor es la porosidad total y el volumen total de disolución, pero están dispersas en una gran cantidad de microporos, lo que no favorece el desarrollo concentrado del karst; la porosidad total de las partículas gruesas es pequeña; , pero concentrado, lo que favorece el desarrollo del karst.
Las principales formaciones calizas de esta zona tienen distintos grados de dolomitización y las formas estructurales tienen diferentes efectos en el desarrollo kárstico de toda la formación. Debido a la dolomitización desigual, existen numerosos parches dolomíticos en las diferentes secciones de piedra caliza de O2. Experimentos en interiores y observaciones de campo muestran que aunque la relación C a O/MgO es baja, es necesario reducir su tasa de disolución relativa y la intensidad del desarrollo kárstico. La observación microscópica muestra que, aunque el contenido de dolomita es elevado, existe en forma de manchas. Esta estructura sólo puede afectar parcialmente la disolución de las rocas, provocando una disolución desigual, pero tiene poco efecto sobre la disolución de macizos rocosos completos. Al mismo tiempo, debido a la rápida disolución de la matriz de calcita, estas placas causarán daños mecánicos, acelerando así la disolución y el daño de todo el macizo rocoso. Esto se puede comprobar por los hoyos que a menudo quedan a lo largo de algunas partes moteadas después de la disolución. de algunas muestras. La relación promedio CaO/MgO de la piedra caliza oolítica en la muestra es 8,75, y el contenido de calcita aún es alto, pero su tasa de disolución es solo 0,89, que se encuentra entre la piedra caliza y la dolomita. Los estudios microscópicos bajo el microscopio muestran que estas rocas tienen una estructura ooide obvia, la dolomitización es relativamente uniforme y parte de la calcita está envuelta en dolomita, lo que obviamente no favorece la disolución de la roca. Las observaciones de campo muestran que el grado kárstico de este tipo de caliza oolítica generalmente no es muy alto y el karst se desarrolla principalmente a lo largo de zonas estructurales.
3. La relación entre estructura del lecho y karstificación
Existen varios tipos de rocas carbonatadas en la zona, y su espesor de lecho y formas de combinación de litología también son diferentes, lo cual es muy importante. para el desarrollo del karst el impacto es significativo. Cuanto mayor sea el espesor de una sola capa de roca soluble, más propicia será para el desarrollo del karst. En dolomías finas con básicamente la misma composición rocosa, el desarrollo de fisuras y karsts varía mucho debido a los diferentes espesores de las capas individuales. Cuando algunas zonas con uso intensivo de juntas pasan a través de gruesas capas intermedias de dolomita, la separación de las juntas es generalmente de 1 a 3 m, y se pueden formar espacios disueltos de 1 a 5 cm de ancho y se pueden ver algunas pequeñas cuevas similares a fisuras. Sin embargo, cuando estas juntas pasan a través de dolomita de espesor medio, en su mayoría se dispersan en muchas juntas pequeñas cerradas, y su contenido de agua y su permeabilidad al agua también son pobres. A lo largo de las superficies superiores de estas delgadas dolomías, a menudo se puede ver algo de agua estancada de la capa superior esparcida y desbordándose en las paredes de la zanja.
Según la relación entre los diferentes tipos de rocas, se puede dividir en cinco tipos de combinación litológica, siendo también muy diferentes sus características de desarrollo kárstico (Tabla 5).
Tres. Las principales capas que contienen yeso y las características de disolución del yeso
Las capas intermedias de yeso son comunes en el Ordovícico Medio en toda el área (Figura 21), y las principales capas que contienen yeso son la primera sección de cada grupo. Su depósito primario es un conjunto de construcción mixta de micrita, dolomita-roca carbonatada arcillosa-yeso y anhidrita en fase lagunar. Debido a la destrucción de la karstificación moderna, el yeso es escaso en la superficie y en capas poco profundas. Es común ver una gran cantidad de yeso disuelto en la brecha y el lecho no está claro. Las capas bien conservadas de yeso y anhidrita se encuentran sólo en núcleos profundos cubiertos por los períodos Carbonífero y Pérmico. Los yacimientos son en su mayoría estratificados, en forma de capas y algunos tienen forma de lente. La mayoría de ellas son pequeñas cuencas en el plano, con una superficie de aproximadamente 2 ~ 3 km2. La misma capa de yeso se pellizca rápidamente a lo largo del rumbo.
Tabla 5 Tipos de estructuras estratigráficas de rocas carbonatadas y características de desarrollo kárstico
Figura 21 Diagrama esquemático de la distribución de brechas de disolución de yeso y depósitos de yeso
1—Liangjiashan Yunping área de distribución en el primer período; 2-área de distribución de brechas solubles en yeso del período Majiagou Superior; 3-área de distribución de brechas solubles en yeso del período Majiagou Superior; 5-área de investigación el límite de >; De acuerdo al análisis de la historia geológica y características de disolución del yeso de la zona, luego de la deposición del yeso nativo, ésta ha experimentado repetidos cambios y procesos de disolución y destrucción de yeso a anhidrita y luego a yeso. En este proceso, el tectonismo, la hidratación de la anhidrita y la disolución del yeso juegan papeles clave.
1. Tectónica
Los procesos tectónicos regionales, especialmente el plegamiento y fallas de Yanshan y los movimientos recientes de bloques, son uno de los requisitos previos para una serie de disoluciones de yeso. Por un lado, se aumenta la acumulación de sal en la capa de yeso y, al mismo tiempo, se forma una red de fisuras articulares, que se convierte en un canal para la circulación profunda de las aguas subterráneas. Sin embargo, el reciente movimiento de bloques de fallas ha elevado significativamente la meseta de Shanxi y las montañas Taihang, y los ríos superficiales se han reducido rápidamente, acelerando la aparición y el desarrollo de la circulación profunda de aguas subterráneas y la disolución del yeso.
2. Hidratación y expansión de la anhidrita
Con la circulación profunda del agua subterránea, ésta actúa gradualmente sobre la capa de anhidrita, provocando que esta se hidrate convirtiéndose en yeso. Durante este proceso, su volumen aumentó en un 67% y generó una enorme fuerza de expansión de volumen, causando una fuerte deformación por compresión y fractura en la propia capa que contiene yeso y en la capa de roca suprayacente. Esta hidratación avanza primero a lo largo de las articulaciones, fisuras y lechos, formando a menudo zonas de hidratación en forma de cola de caballo, dendríticas, de cinta y de red. Con la expansión de la hidratación, varias zonas de hidratación se conectan entre sí y la mayor parte de la anhidrita se convierte en yeso.
3. Disolución y destrucción del yeso
Basado en datos experimentales del área de Niangziguan. La velocidad de disolución del yeso es de 5 a 10 veces mayor que la de la piedra caliza y la dolomita. A temperatura y presión normales, la solubilidad del yeso es de aproximadamente 2 g/l, que es de 5 a 20 veces mayor que la de la piedra caliza y la dolomita. Por lo tanto, el yeso intercalado en la roca carbonatada es siempre el primero en disolverse, provocando una serie de daños a la roca carbonatada.
(2) El impacto de la disolución del yeso en el desarrollo kárstico de las rocas carbonatadas
El proceso de disolución del yeso anterior y sus características tienen un impacto en el desarrollo del karst en el carbonato del Ordovícico Medio Las rocas de la región, su resistencia y características morfológicas tienen un gran impacto.
1. Formar una zona especial de disolución y fractura de yeso.
La zona de fractura incluye una parte superior y una parte inferior (Figura 22). La parte inferior se ubica en la capa portadora de yeso, la cual está compuesta por brechas de yeso disuelto, finas capas de micrita dolomita y roca carbonatada arcillosa, fuertemente arrugada y quebrada. La parte superior es la zona de fractura y zona de fractura densa desarrollada en la sección de piedra caliza. Las zonas de fractura por compresión a menudo aparecen como una serie de masas rocosas fracturadas en forma de cono con un espesor de aproximadamente 10 ~ 30 m ~ 30 m, y a menudo desarrollan cuevas. Una gran cantidad de grietas de tracción en la densa zona de fractura se extienden radialmente de abajo hacia arriba con espesores variables. Estas zonas de disolución y fractura del yeso se pueden observar en toda la región. Las zonas inferiores de brechas de solución de yeso y pliegues de carbonatos arcillosos son generalmente poco permeables y relativamente impermeables. El karst se desarrolla en la zona superior de fractura de piedra caliza, y el área de descarga de escorrentía subterránea a menudo forma una zona rica en agua en capas relativamente uniforme y estable. Durante el proceso de exploración y desarrollo de aguas subterráneas en Yangcheng, Yangquan, Hanxing y otros lugares, estos lugares encontraron abundante agua kárstica y la tasa de formación de pozos también fue alta.
2. Formación de un tipo de roca especial: brecha de solución de yeso.
Este tipo de brecha se encuentra ampliamente en el Ordovícico Medio y presenta cuatro características destacadas: ① Tiene capas fijas y está estrechamente relacionada con las capas portadoras de yeso. Después de perforar a lo largo de la misma capa de brecha, se puede encontrar que cambia a dolomita micrítica y carbonato arcilloso a lo largo de la dirección del rumbo en la superficie, y gradualmente pasa a la capa subterránea que contiene yeso (Figura 23). ②La composición de la brecha y el cemento es la misma que la de la capa que contiene yeso y la capa de roca suprayacente. ③Las brechas varían en tamaño, no están redondeadas y no muestran signos de transporte ni clasificación. (4) La capa de roca del techo está muy desordenada y quebrada, pero la capa de roca del fondo está relativamente completa, con capas lisas y claras.
Figura 22 Corte transversal esquemático de la zona de disolución y fractura del yeso de Getao con parte superior plana.
(1) Caliza subyacente completa; ② Dolomita arcillosa fuertemente quebrada y encogida; ③ Zona de brechas de yeso disuelto; ④ Zona de grava y cuevas: ⑤ Zona intensiva en fisuras;
Las características anteriores indican que su origen no es ni sedimentación primaria ni acción tectónica, sino producto de la disolución del yeso.
3. Formación de un fenómeno kárstico especial: el colapso del pilar.
Distribuidas en las zonas expuestas del Ordovícico Medio, rocas solubles y sus estratos suprayacentes del Carbonífero y Pérmico. Según las estadísticas de la encuesta de algunas áreas en el área minera de Fenxi. La frecuencia de distribución promedio es de 37/km2 y la más alta es de 72/km2. Su forma plana es mayoritariamente circular, con un diámetro de decenas a cientos de metros. Su característica principal es que la composición de los estratos de roca suprayacentes ingresa repentinamente a los estratos de roca subyacentes en forma de columna (Figura 24). La profundidad del hundimiento a menudo alcanza más de 100 metros y se pueden ver paredes de roca en forma de arco en el suelo. Al observar la distribución y las características de desarrollo de las columnas de hundimiento en toda la región, se puede ver que: ① Las columnas de hundimiento que se ven en la superficie comienzan todas desde la capa que contiene yeso (2) Aunque la composición de los cuerpos de asentamiento es compleja; , la mayoría de ellos cambian de viejo a nuevo de abajo hacia arriba. El orden (3) La sección es más grande en la parte inferior y más pequeña en la parte superior, muy parecida a la masa rocosa rota en forma de cono invertido que se ve en la superficie.
Figura 23 Diagrama esquemático de la disolución del yeso en el Ordovícico medio en el área de Yangquan
1-Caproca de lutita de arenisca carbonífera y pérmica; 2-piedra caliza; 4-dolomita; formación rocosa que contiene; formación que contiene 5-yeso; brecha de 6-yeso disuelto
Figura 24 Diagrama esquemático de la columna de la depresión sur de Pingding
Aún hay desacuerdos sobre el origen del colapso. columna. Creemos que es sin duda producto de la disolución del yeso y es un fenómeno kárstico único en el Ordovícico Medio en la meseta de Shanxi y sus alrededores.
Al analizar su proceso de formación, en primer lugar, la enorme fuerza de expansión durante el proceso de hidratación de la anhidrita acumulada en el domo de sal aplastó la capa de roca suprayacente y luego, debido a la disolución de una gran cantidad de yeso y la roca circundante, una gran Se formó una cavidad subterránea. Las capas de roca rotas del techo de arriba continúan colapsando, cayendo e incluso subiendo.
(3) La formación de un karst profundo especial
En el área de distribución estratigráfica del Cámbrico, cuando no hay fallas grandes, el desarrollo kárstico a unos 200 m bajo tierra es generalmente muy débil, pero en Ordovícico Medio En las rocas solubles, muchos pozos se encuentran a cientos de metros por debajo del nivel de base de erosión moderno, y todavía se pueden observar fenómenos evidentes de disolución. Aunque hay 455 metros de capa de roca de esquisto de arenisca del Carbonífero y del Pérmico en el agujero de Potou en Yangquan, todavía hay pequeñas cuevas a una profundidad de 620 metros, un par de pozos de producción construidos en el pozo de la Oficina de Minería de Yangquan están cubiertos por un 200; -Un metro de espesor Cubierto por pizarra arenosa, la profundidad del agujero es de unos 860 metros y todavía hay poros en forma de panal y pequeñas cuevas. En otras palabras, la disolución del yeso profundiza en gran medida la profundidad del desarrollo del karst moderno en O2. Se puede considerar que en las condiciones hidrodinámicas modernas, la profundidad a la que la anhidrita comienza a transformarse en yeso es el límite inferior de la karstificación moderna, la mayor parte del yeso se disuelve y se reemplaza por una gran cantidad de brecha disuelta en yeso, que es la profundidad; de la zona de fuerte desarrollo kárstico. Una gran cantidad de datos confirman que la zona kárstica fuerte puede alcanzar el fondo de O2 en el área expuesta de roca soluble en O2, y en el área kárstica oculta cubierta por los sistemas Carbonífero y Pérmico, la profundidad de desarrollo kárstico puede alcanzar los 1000 m.
A través del estudio de las rocas solubles regionales del Cámbrico y Ordovícico y de las características de desarrollo kárstico, se pueden extraer algunas conclusiones simples sobre las principales leyes y características del desarrollo kárstico en la zona.
(1) La litología es el principal factor que controla y afecta el desarrollo del karst. La estructura en capas de piedra caliza fácilmente soluble y dolomita relativamente insoluble en esta área dio como resultado el desarrollo de un karst multicapa y un contenido de agua kárstico.
(2) La litología de cada sección del área es relativamente estable. Las características de fractura del desarrollo kárstico moderno en el norte hacen que el desarrollo kárstico y el contenido de agua kárstico en la misma sección sean relativamente uniformes.
(3) Debido a los diferentes mecanismos de disolución de la piedra caliza y la dolomita, su desarrollo kárstico y sus características acuíferas también son muy diferentes. En la dolomita de esta zona, los poros cristalinos, los poros disueltos y los poros pequeños están relativamente desarrollados, que son los principales espacios de almacenamiento de agua. Los poros disueltos son tanto espacios de almacenamiento de agua como canales de conducción de agua, y tienen las características de acuíferos de poros y fisuras. La estructura de piedra caliza es muy densa y el karst subterráneo está dominado por poros disueltos, que son el principal espacio de almacenamiento de agua y canal de transmisión de agua, y tienen las características de un acuífero fisurado.
(4) El Ordovícico Medio en la región está dominado por piedra caliza con capas intermedias de yeso. Es la capa kárstica fuerte más importante y el acuífero kárstico más grueso de la región. La mayoría de los manantiales kársticos se originan en esta capa.
(5) La débil capa kárstica regional y la capa relativamente acuífera de la dolomita de grano fino del Ordovícico Inferior y la roca carbonatada arcillosa del Cámbrico Inferior que contiene una gran cantidad de pedernal constituyen a menudo el límite aislado de agua del manantial. área, haciendo que estos manantiales kársticos sean manantiales completamente descargados, proporcionando una base para la evaluación y el desarrollo y utilización racional de los recursos hídricos kársticos regionales.