Question

研究区生态地质环境系统结构

Answer 1

大峪沟煤矿山生态地质环境系统可分为两个子系统，一是自然发展形成的地质背景、土壤和植被格局，又称自然子系统;二是人为活动和人工构筑物组成的人工子系统。

2.5.2.1 自然子系统

(1)自然子系统的形成过程

现今的大峪沟煤矿山是长期地质历史演化的结果。早在3.5亿年前的石炭纪，河南发生的不均衡地壳运动，重新出现了隆起区和沉降区，开始了早古生代以来的又一次大规模海侵。海水由北向南侵进，郑州及其周围地区皆被陆表海覆盖。在整个地壳频繁的升降过程中，海陆变迁较快，形成了中晚石炭系，直至二叠纪早期海陆交替的沉积环境。当时地势相对平缓，水体浅，透明度高，氧气充足，气候湿热，不仅水生动植物丰富，陆生高等植物也遍地而生，动物和植物的发育和分布均达到史无前例的昌盛时期。在此环境下，来自周边的陆源物质和当地生物体的碳元素富集，形成了含煤砂页岩—灰岩—含煤碎屑岩建造，总厚度约150m，局部可达200m。进入二叠纪中期，随三门峡—确山—固始以南地区的隆起，海水逐渐退出，郑州附近地区成为陆地，主要沉积河流—湖泊相含煤砂层，黏土等物质，嵩山以北广大地区基本无原煤产出。到了二叠纪晚期，河南南部进一步抬升，气候转为炎热干旱，植物减少，陆相碎屑沉积厚度达140～670m。直至三叠纪，炎热干旱为主，偶转温湿的气候条件和陆相沉积环境在通许隆起的分隔下，形成了嵩山以北的洛阳—郑州盆地和嵩山以南的洛阳—周口盆地，其中洛阳—郑州盆地的沉积厚度达400余米。为一套河流—滨湖相砂页岩建造。随着地壳上升，到侏罗纪郑州周边地区包括巩义仍为以剥蚀作用为主的高地。一直到新生代的中新世晚期，位于嵩箕台隆交界的巩义地区仍为剥蚀区。进入第四纪，气候变得寒冷干燥，郑州以西包括巩义在原先剥蚀区之上和黄河两岸形成厚度较大的风积—洪积黄土，总厚度约为40～160m。至此，长达3.54亿年的地质演化过程告一段落，大峪沟地区已形成现在的地质地貌格局———基底为嵩山背斜北翼的单斜地块，浅表为第四系黄土覆盖的低山丘陵区，如图2.3所示(河南省地质矿产局，1989)。

图2.3 区域地质图

(2)地质体结构特征

A.地层

经历了上述地质演化过程后，研究区形成了一套由海相碳酸盐—海陆交互相煤系地层—陆相碎屑岩的完整沉积建造。由老至新的地层为:中奥陶统马家沟组(O₂m)、中石炭统本溪组(C₂b)、上石炭统太原组(C₃t)、下二叠统山西组(P₁s)、下二叠统石盒子组(P₁x)、中二叠统石盒子组(P₂s)、中二叠统石千峰组(P₂sh)、下三叠统刘家沟组(T₁l)和第四系(Q)。

奥陶系(O)奥陶系出露于研究区之外的南部地区(白庄、薛庄、宋沟、南沟、竹林沟、丁烟及刘家门一带)，向北倾斜进入研究区，是煤系地层下伏的重要岩溶含水层。由于本溪组在本区厚度较薄，开采一₁煤时(－200m)奥陶系岩溶水强大水头压力(288m)可突破底板进入矿坑。其中威胁最大，且水量最丰富的是位于奥陶系顶部的马家沟组碳酸盐岩。它也是岩溶水进入矿坑，而后抽排的矿坑水的主要水源之一。该组的上部为浅灰色、灰黄色薄层钙质白云岩与深灰色厚层泥晶灰岩互层;中部为深灰色厚层花斑状泥晶灰岩、含白云质灰岩;下部为灰黄色薄层粉晶白云岩，中层为白云质灰岩。

石炭系(C)石炭系广布于研究区，与奥陶系平行不整合接触，总厚度20～92m。位于石炭系底部的本溪组(C₂b)由灰—深灰色具鲕状、豆状结构的铝质岩、铝质泥岩组成，夹一层不稳定的灰岩。该组富含Fe和S，以黄铁矿散晶和结核形态赋存。该组总厚度为3.57～33.69m。石炭系上部为太原组(C₃t)，主要由灰岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、砂岩和煤层组成。可采煤层一₁煤位于该组底部，平均厚约0.95m，以块煤为主，硬度较大，密度1.92t/m³，硫含量较高，平均为4.58%，以无机硫-硫铁形式存在，属高硫煤层，此外还含氢2.27%、氮0.61%及微量的磷(0.003%)。一₁煤上部有八层灰岩，其中L₁灰岩为一₁煤的直接顶板，平均厚度为11.23m，富水性优于上部的其他灰岩层。

二叠系(P)二叠系分为下统和中统。下统由山西组(P₁s)和下石盒子组(P₁x)组成;中统由上石盒子组(P₂s)和石千峰组(P₂sh)组成。全系总厚度达920m。二叠系下统至中统的上石盒子组为本研究区的又一煤系地层。该煤系地层共有八个煤段，其中六个煤段位于下统，二个煤段位于上石盒子组。目前开采的主煤层是二₁煤，煤层厚度平均为4.62m，最厚达21.52m，煤层强度低，以粉粒状煤为主，密度1.79t/m³，呈现经过层间挤压、错动的构造煤特征，有机组分略高于一₁煤，达97%，无机组分以黏土类矿物为主，其次为硫化物和碳酸盐类，氧化物及其他矿物含量少。二₁煤全硫含量平均为0.98%，有机硫占绝大部分，属低硫煤。二₁煤段下部为灰黑色砂质页岩，炭质泥岩，上部以砂岩黏土岩为主。位于二₁煤顶板的深灰色中细粒石英杂砂岩至下石盒子组的顶部夹三层薄煤，其间有香炭砂岩、小紫斑泥岩、砂锅窑砂岩和老君庙砂岩等标志层。上石盒子组始于灰黄色巨厚层中粗粒长石英砂岩止于平顶山砂岩，为一套色调较浅，是灰黄色、灰绿色砂岩，黏土岩夹二层薄煤的沉积建造，总厚度约250m，分布于研究区的荆枝沟、岳寨、将军岭南岭、庄子沟、口头园南的矿区中深部一带，是矿区采空的主要区域。

三叠系(T)三叠系下统分布于矿区北部的青石山、伏山一线，厚约100m，为紫红色中细粒厚层长石石英砂岩，质地坚硬富含铁质，与二叠系整合接触。因远离大峪沟矿区，本次研究不再赘述。

古近系(E)仅在白河、马蹄沟北有零星出露，主要为灰黄色砾岩。砾石成分复杂，砾径2～20m，一般为10cm，磨圆度较好，分选较差，多为钙质胶结，总厚度不详。

第四系(Q)研究区的第四系主要为中更新统(Qp²)的离石黄土。厚度0～180m，平均30m，广布于黄土塬和丘陵地带，为一套由棕黄色—棕红色的黏土、亚黏土、亚砂土组成的沉积物。其成因以风积为主，洪积为次，属风积-洪积相。从区域上看，离石黄土平行不整合于下更新统午城黄土或不整合于前第四系地层之上。

B.地质构造

矿区位于秦岭纬向构造带的北亚带，嵩山大背斜的北翼。总的构造形态为一倾向北北东，倾角平缓的单斜构造。构造形迹以断裂为主，由近东西向、北东向和北西向三组断裂组成。近东西向断裂是与区域纬向构造体系平行的一组主干断裂，以正断层为主，局部伴生有小型的逆向断裂，多呈阶梯式或地堑式相间排列。北东和北西向断裂多发育于矿区东西两端，以压扭性正断层为主(图2.4)。

图2.4 矿区构造图

C.水文地质条件

1)主要含水层特征。区内地下水类型有碳酸盐岩类裂隙溶洞水、碎屑岩类裂隙孔隙水、松散岩类孔隙水。各含水层分布、类型、岩性、富水性、导水性等特征如下。

奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层:由灰岩、泥灰岩和白云灰质岩组成，厚度为141.86m。含裂隙岩溶承压水，局部含水丰富。据2610孔抽水结果，单位涌水量0.0183L/s·m，渗透系数0.219m/d，水位标高288.45m。

太原群下段灰岩岩溶裂隙含水层:太原群下段由四层灰岩组成，灰岩厚度3.92～16.42m，一般在8～13m间。该层裂隙岩溶发育不均匀。单位涌水量0.0198L/s·m，渗透系数0.0379m/d，水位标高340.96m。

太原群上段灰岩岩溶裂隙含水层:太原群上段由四层灰岩组成，各层灰岩之间被泥岩所分割，相互之间水力联系较差。灰岩厚度0～37.60m，一般在5～15m间。据相邻谷山矿区8803孔资料，单位涌水量0.00043L/s·m，渗透系数0.012m/d，水位标高200.21m。

二₁煤顶板砂岩孔隙裂隙含水层:主要由中、粗粒砂岩组成，砂岩一般为3～4层;厚度0～32.49m，一般10～20m。单位涌水量0.0000532～0.00797L/s·m，渗透系数0.000530～0.0352m/d，水位标高287.57～212.65m。

三煤组、四煤组砂岩孔隙裂隙含水层:主要由中粗粒砂岩组成。三煤组、四煤组砂岩厚度分别为8～15m、8.7～21.7m。因距二₁煤层位较远，对二₁煤开采影响不大。

第四系砂、砾石孔隙含水层:该层分布于河谷地段，主要为冲积、洪积而成的砂卵石层。单位涌水量0.83～10.54L/s·m，渗透系数21.88～88.95m/d，水位埋深6.73～11.75m。

2)主要隔水层特征。本溪组铝土质泥岩隔水层:主要由泥岩、铝土质泥岩、铝土矿等组成。厚度3.5～233.69m，一般6～14m。该层层位稳定，厚度变化规律不明显，该层充填了溶隙溶洞，降低了不整合面的富水性，增加了隔水强度，为主要隔水层。

太原群中段砂、泥岩隔水层:主要由中细粒砂岩、泥岩及砂质泥岩组成。厚度22.52～57.81m，一般30～45m。层位稳定，是太原群上、下段灰岩含水层之间的良好隔水层。

二₁煤底板隔水层:指二₁煤底板至太原群灰岩含水层间的岩层。主要由泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩等组成。厚度0.40～37.82m，厚度变化大，稳定性差。为阻隔太原群上段灰岩进入二₁煤的隔水层。

七煤组—平顶山砂岩底隔水层:由一套砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩组成。该层厚度大，层位稳定，岩性均一，是良好的隔水层。

平顶山—金斗山砂岩底隔水层:主要由砂质泥岩、泥岩、细砂岩组成。岩性均一，层位稳定，隔水性好。

3)地下水的补、径、排条件。地下水的主要补给来源为大气降水入渗和河流侧渗。主要排泄途径为矿坑排水、径流排泄;地下水径流方向与区内自然地势基本一致。

4)矿井充水因素。大气降水:由于降水多集中于6～9月份，不但时间集中，且降水量大。因风化裂隙发育，降水可直接下渗进入矿井，在浅部尤为明显;虽然持续时间不长，但危害很大。补给区多集中在沿冲沟、河谷地段，当洪水与充水含水层持续接触时，便会造成危害。

地表水:区内无常年性的河流，但冲沟发育，当冒落裂隙与风化、构造裂隙沟通时，使地表水进入坑道。凉水泉水库有构造从其下部通过，有将地表水导入井下的可能。

D.土壤与植物

1)土壤:土壤位于地表浅部的离石黄土是矿区现代土壤的成壤基质，也是植物生长、繁衍、构建当地生态系统的物质基础。它是在几十万年的沉积中形成的。根据野外的观察(图2.5)，其沉积过程曾经历了多个相对稳定的成壤期和后续的掩埋期，保留了多层古土壤。这些古土壤为棕红色的黏土质、亚黏土质的堆积物。一般每层古土壤下分布厚约0.3～0.6m不等的钙质结核层，系每层古土壤的淀积层，其成分以钙质为主，而古土壤层则是当时腐殖层、淋滤层所在的部位。由于离石黄土为风积或洪积、坡积成因，加之气候干旱，表层的现代土壤均为黄绵土和黑垆土，且不具备残积土典型完整分层特点，一般情况下腐殖层和淋滤层分界不清晰，呈过渡状，受地层水分汇集、下渗条件的制约，不同地形部位淀积层的深度、厚度不等。在水热、植被条件较佳的地段，土壤熟化深度在60～100cm。在地形稍陡或基岩浅埋的地段，熟化土壤一般在30cm左右。

图2.5 土壤剖面照片

2)植物:根据野外路线调查不完整资料，当地的野生和人工种植的植物约为40个科，近200个种。常见的有杨柳科、榆科、蔷薇科、桑科、壳斗科、玄参科、豆科、菊科、禾本科等25科。常见的乔木有杨、柳、榆、桑、槐、泡桐、构树、柿、椿、核桃、梨、枣、合欢、栾树、皂荚等;小乔木和灌木主要有花椒、酸枣、山皂荚、黄檀、黄荆、黄栌、悬勾子、胡枝子及人工引种的女贞、海桐、冬青、紫薇、月季等;草本植物常见的种有葎草、A蓄、酸模、藜、地肤、猪毛菜、蒺藜、铁苋菜、地锦、紫花地丁、苦苦菜、蒲公英、野胡萝卜、田旋花、蓟、飞蓬、一年蓬、荩草、鸭跖草、茜草等，它们大部分生长在田间地头荒地或庭院中。广大的坡地和梯田则种植小麦、玉米、棉花、番薯、豆类等农作物。在大峪沟下游即凉水泉水库一带的河道漫滩，生长着茂密的湿生和水生植物，主要种为芦苇、香蒲、慈姑、藨草等。上述植物对当地水土条件有很强的适应性，且发育良好，可视为植被建设的本土种。研究区常见植物见书后图版。

2.5.2.2 人工子系统

数千年来，黄河文明的延续使巩义地区一直保持着农耕文化的社会形态。农业的发展促进了土地的开发利用，沟谷、丘陵、黄土台塬区均辟为农田，鳞次栉比的梯田种植着小麦、玉米、红薯、棉花、豆类、芝麻等农作物，田边地头人工散栽着核桃、柿、枣、泡桐、槐等乔木。“日出而作，日落而息”的生活方式和自然恬静的乡村景观，体现出长期以来人-地和谐相处的关系。

20世纪50年代起，当地开始了分散的民间煤业生产。最初主要在现矿区南部石炭系出露区，采挖埋藏较浅的一₁煤。随着生产规模的扩大，到1975年已渐成企业，如今一₁煤开采已达－175m水平，最大采深超过500m。回采范围东自小关镇西，北至将军岭村北—王河村一线，西达王寨—铁匠炉，南抵桥沟、黑龙潭、钟岭、大峪沟镇、孙寨一带，总面积约30km²。1983年开始，山西组二₁煤层的开采，至今开采水平已达100m，最大采深为250m。其中红旗矿三号井的回采面积约3km²，年生产能力45×10⁴t，累计动用储量1069×10⁴t。

煤矿山的规模化生产取得了巨大的经济效益，并带动了其他相关产业的蓬勃发展，为巩义市跨入全国百强县做出了贡献。然而，煤矿生产的规模不断扩大，也给矿区和周边地区的自然和人居环境造成了严重的负面影响。坑道掘进、采煤形成的副产品———煤矸石年产量已接近50×10⁴t，接近原煤产量的1/3。煤矸石含碳、硫、铁等成分高于一般岩石，长期露天堆放既易发生自燃污染空气，又会在大气降水的淋溶下不断释放有害物质，污染下游地下水和地表水体。从煤矸石堆放地的工业广场到王河的玉皇庙，煤矸石淋滤液、生活污水和三号井排出的酸性矿坑水，进入大峪沟的可溶盐含量约5159t/a，致使凉水泉水库水质的矿化度接近1.2g/L，除一些耐盐的野生植物外，水库中难见鱼、虾、蛙类等水生和两栖动物。除此之外，红旗矿二号、三号井田因回采面积年年扩大，地表沉降、塌陷日趋严重，个别地点累计沉陷量超过8.0m，沉降台阶最大达5.0m，地裂缝、下沉槽地十分普遍，致使农田、民居、道路、输电线路不断毁损，并诱发局部的崩塌、滑坡等灾害。

面对水土污染、地面塌陷环境问题，当地民众反应十分强烈。对此，2006年4月21日“西部时报”网专门进行了报道，文中指出:“近几年，当地百姓赖以生存的土地和住宅区出现了严重的塌陷现象，土地无法耕种，房屋摇摇欲坠，水井相继干涸，人们的生产和居住环境遭到了严重破坏。”

上述的背景条件可以看出:在古—今的物质循环中，现今的煤矿山地区曾扮演不同的角色。

1)大峪沟煤矿山是3.54亿年间自然环境变迁的结果，它曾作为物质的汇集区(汇区)，积累埋藏了大量的碳、铁、硫元素。在还原作用主导的条件下，铁及一些重金属形成硫化物，迁移性能大大减弱，而被固定封存。经过日积月累，形成的地质体则成为这些元素的储存库。

2)一旦矿山开采，这些元素会随煤矸石和矿坑排水被携带到地表，在氧化环境下，铁、硫及某些重金属元素活性增强，迁移能力明显提高，由于数量巨大，难以凭借自然净化作用使之再次固定埋藏，从而开采中的煤矿山在现代生态地质环境中已成为古物质释放的源区。

3)矿山开采活动对生态地质环境的改造十分明显，采空区范围的不断扩大导致上覆地层的快速下移和地表形态的改观。

研究区内煤场及煤矸石堆放情况如图2.6所示。环境地质情况如图2.7所示。

图2.6 煤场及煤矸石堆放