張海濤, 高 珊

(宿州學(xué)院 a. 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心; b. 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院, 安徽 宿州 234000)

構(gòu)造是成礦的重要地質(zhì)環(huán)境,也是成礦物質(zhì)沉淀和堆積的場所,更是礦物存儲和運(yùn)移的主要通道[1],構(gòu)造活動還為成礦作用提供能量并且控制了礦化分帶[2-3],因此對區(qū)域構(gòu)造的研究分析對找礦、開礦工作的順利進(jìn)行意義重大.對陽泉礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜性進(jìn)行評價(jià)分析,不僅對陽泉礦區(qū)的褶皺、斷層、陷落柱等構(gòu)造以及地下水分布狀況等有了更深的研究與了解,也能為陽泉礦區(qū)下一步的開采活動提供有力的數(shù)據(jù)支持,從而使開采區(qū)和巷道等設(shè)施分布的設(shè)計(jì)更加合理,同時(shí)還能夠有效規(guī)避構(gòu)造復(fù)雜程度較高和含水量較高的危險(xiǎn)區(qū)域,降低施工危險(xiǎn)系數(shù),也為今后查閱地方資料提供便利.

1 陽泉礦區(qū)的地質(zhì)概況

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水盆地的東北部[4],區(qū)域整體在地圖上呈現(xiàn)出傾斜長條狀,東西方向?qū)挾却蠹s 22 km,南北方向?qū)挾?33 km左右(圖1),交通位置處于陽泉市的西部郊區(qū),向西可通往壽陽,向北可以到達(dá)盂縣[5].區(qū)域內(nèi)的地形較為復(fù)雜,西部的壽陽區(qū)與南部的和順區(qū)主要地貌是被剝蝕的低山丘陵[6],總體走向趨勢為西面高東面低、南面高北面低,且地勢高與地勢低處高差近千米.礦區(qū)內(nèi)褶皺形態(tài)總體為單斜構(gòu)造,其中又發(fā)育有小型的復(fù)背斜和復(fù)向斜,而斷層發(fā)育較少[7],且主要集中在土塔的東北方向(圖2),從圖2看,在仙人、包口、陽泉3個(gè)點(diǎn)組成的三角區(qū)域內(nèi),構(gòu)造發(fā)育較為成熟、集中.

圖1 陽泉礦區(qū)交通位置圖

圖2陽泉礦區(qū)構(gòu)造綱要圖
Fig.2 Sketch map of the Yangquan mining area

2 基于分形理論對研究區(qū)的構(gòu)造復(fù)雜程度分析

2.1 分維測量與統(tǒng)計(jì)

首先將陽泉礦區(qū)的構(gòu)造綱要圖按照經(jīng)緯坐標(biāo)分成了64份,每1份都是1個(gè)小正方形,并給予每1個(gè)正方形1個(gè)編號來代表其所在的區(qū)域,記錄其所對應(yīng)的經(jīng)緯坐標(biāo)值(圖3),再使用網(wǎng)格覆蓋法,對每1個(gè)做過標(biāo)記的小正方形進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目的要使這若干個(gè)正方形全部覆蓋劃分后的每1塊構(gòu)造區(qū)域[8].

圖3區(qū)域構(gòu)造網(wǎng)格分析
Fig.3 Analysis of regional tectonic grid

定義正方形邊長為r,記錄下每個(gè)正方形當(dāng)中包含的構(gòu)造跡線的條數(shù)N(r),再不斷地縮小正方形的邊長,使之對應(yīng)的邊長分別為r1、r2、r3(其中r1=r/2,r2=r/4,r3=r/8),這樣就把原來的每個(gè)正方形又依次劃分成4、16、64個(gè)小的正方形,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)級別的小正方形對應(yīng)的N(r)值[9],即N(r1)、N(r2)、N(r3).將上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)投影到按經(jīng)緯網(wǎng)劃分后的構(gòu)造綱要圖中,并輸入計(jì)算機(jī),再利用一些軟件及方法計(jì)算出各正方形,即各區(qū)域?qū)?yīng)的分維值.

2.2 數(shù)據(jù)處理及成圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的原理,將所有記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel當(dāng)中,再使用Excel生成散點(diǎn)圖的功能,建立以x,y為坐標(biāo)系的散點(diǎn)圖,其中,x=lg(1/r),y=lgN(r),顯示其回歸方程,y=kx+b,方程中的k值即直線的斜率,就是我們所求的分維值Ds,R2則為方程的相關(guān)指數(shù).把圖中構(gòu)造跡線最多的區(qū)域作為代表選取出來,再將這些區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果展示如圖4～圖7所示,并將這些構(gòu)造區(qū)域?qū)?yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)制作成表(表1),使數(shù)據(jù)處理結(jié)果更加清晰、直觀.

圖4 E2區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Fig.4 Data statistical scatter plot on the E2 region

圖5 E8區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Fig.5 Data statistical scatter plot on the E8 region

圖6 F11區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖Fig.6 Data statistical scatter plot on the F11 region

圖7 G12區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖
Fig.7 Data statistical scatter plot on the G12 region

在完成研究區(qū)各區(qū)域的Ds值計(jì)算工作之后,運(yùn)用Surfer軟件導(dǎo)入這些數(shù)據(jù)及對應(yīng)的經(jīng)緯坐標(biāo)繪制出等值線圖.等值線圖也稱為等量線圖,就是將相同值的點(diǎn)連接成線,用來表征連續(xù)的分布,并且逐漸發(fā)生數(shù)量變化的特征圖形[10], 在等值線圖上可以直觀地看到所研究的因素在研究區(qū)域內(nèi)的分布狀況. 根據(jù)等值線圖能夠?qū)Φ匦?、地貌進(jìn)行判斷, 也可以判斷河流中水流的方向, 比如水流的方向總是和等值線彎曲的方向相反. 在繪制等值線圖的過程中,先將每個(gè)區(qū)域的編號利用Surfer中張貼圖功能投影到構(gòu)造區(qū)域中,目的是使每個(gè)區(qū)域都被量化處理,然后將每塊區(qū)域統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù),包括經(jīng)緯坐標(biāo)值以及分維值Ds,錄入到TXT文檔中(該軟件在讀取數(shù)據(jù)時(shí)只識別TXT格式的文檔),打開軟件頂部選項(xiàng)卡,選擇網(wǎng)格-數(shù)據(jù),讀取前一步驟中建立的TXT文檔,確認(rèn)后形成后綴名為.grd格式的數(shù)據(jù),最后點(diǎn)擊地圖-等值線圖,讀取剛才生成的網(wǎng)格化數(shù)據(jù),確認(rèn)后成圖(圖8),最后導(dǎo)入CorelDRAW軟件中進(jìn)行修改,尤其是顏色填充環(huán)節(jié)更能將區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜程度直觀地展現(xiàn)出來.

表1 部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Partial data statistics table

圖8 陽泉礦區(qū)分維值等值線圖

2.3 構(gòu)造復(fù)雜程度分析

將圖8與研究區(qū)域的構(gòu)造綱要圖進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)圖8所顯示研究區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造復(fù)雜程度與構(gòu)造綱要圖當(dāng)中的各個(gè)部分的構(gòu)造分布基本一致,可以作為成果圖進(jìn)行分析.分別對每個(gè)正方形中的斷層分維值、褶皺復(fù)雜性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,依據(jù)模糊聚類分析方法提出的理念以及礦井地質(zhì)規(guī)程中對構(gòu)造復(fù)雜程度的劃分方法[11],對上述2種不同的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,歸一化公式為[12]

2種數(shù)據(jù)經(jīng)處理后被歸到統(tǒng)一的區(qū)間中,斷層的分維值在進(jìn)行歸一化處理以后會得到1個(gè)新的值A(chǔ),再計(jì)算出斷層在所有構(gòu)造中的權(quán)重B,兩者相乘即AB.同理,將褶皺復(fù)雜性指數(shù)也進(jìn)行歸一化處理,得到1個(gè)新的值C,計(jì)算出褶皺在所有構(gòu)造中的權(quán)重D,兩者相乘后的結(jié)果即CD,與AB相加就是考慮斷層和褶皺2種構(gòu)造后的構(gòu)造復(fù)雜程度綜合指數(shù)X,該值大小可以反映研究區(qū)域構(gòu)造的復(fù)雜程度.X值越大,相對應(yīng)的區(qū)域構(gòu)造發(fā)育就越復(fù)雜;反之,該部分的構(gòu)造發(fā)育情況就越簡單.

結(jié)合陽泉礦區(qū)實(shí)際的構(gòu)造情況,將分維統(tǒng)計(jì)與歸一化后得出構(gòu)造復(fù)雜程度綜合指數(shù)X的具體值劃分范圍,使其與構(gòu)造復(fù)雜程度一一對應(yīng),具體如表2所示.

表2 研究區(qū)復(fù)雜程度劃分表

依據(jù)圖8中分維值的分布以及歸一化處理后得出的構(gòu)造復(fù)雜程度綜合指數(shù)X,對研究區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜性進(jìn)行分析如下.

(1) 西北區(qū)域X的值主要分布在0.1～1.2之間.在上社和下社有背斜存在,此處X的值在0.8～1.3之間,因此該處復(fù)雜程度應(yīng)定為復(fù)雜;下王村和馬河之間存在斷層、背斜、向斜,此處X值在0.3～0.8之間,屬于復(fù)雜程度一般.

(2) 在東北區(qū)域X值整體在0.1～1.4之間,跨度較大.在土塔上方處存在斷層,左側(cè)存在背斜和向斜,X值在0.6～1.2之間,且該值以土塔為中心向四周減小,此處復(fù)雜程度一般;仙人附近存在背斜和向斜,X值在1.4附近,此處構(gòu)造較為復(fù)雜.

(3) 西南區(qū)域只有在石門水庫的左側(cè)和右上方存在X值的分布,其范圍在0.1～0.8之間,定為簡單構(gòu)造.

(4) 在東南區(qū)域X值的分布在0.1～1.6之間.陽泉、包口和娘子關(guān)圍成的區(qū)域內(nèi),X的值平均接近1.6,此處構(gòu)造分布較為復(fù)雜.

綜上所述,再結(jié)合礦區(qū)構(gòu)造綱要圖分析,沁水盆地總體是一個(gè)大型的復(fù)向斜,研究區(qū)位于其東北部,礦區(qū)處于北部的太行山隆起和北部的東西走向構(gòu)造帶之間.通過分析區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力場可知,東西向構(gòu)造帶形成于石炭紀(jì)-二疊紀(jì)成煤時(shí)期,這種構(gòu)造的外力作用方式為南北方向擠壓,從二疊紀(jì)成煤后研究區(qū)主要受燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動的影響,外力作用的方式仍為南北方向擠壓,伴隨左行扭動,構(gòu)造應(yīng)力整體由北東向南西方向減弱.將上述區(qū)域構(gòu)造演化狀況與分維值等值線圖得出的結(jié)果綜合起來發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)整體分維值沿北東方向大于南西方向,而構(gòu)造復(fù)雜程度也與之對應(yīng),與區(qū)域構(gòu)造演化史也相吻合,進(jìn)一步印證了基于分形理論的構(gòu)造復(fù)雜程度定量評價(jià)研究的準(zhǔn)確性,為構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的礦井開采工作提供了很好的理論基礎(chǔ),具有實(shí)際意義.

3 結(jié) 論

由數(shù)據(jù)整理得到的陽泉礦區(qū)相似維等值線,結(jié)合構(gòu)造綱要圖和復(fù)雜程度劃分表,經(jīng)過分析之后,得出以下結(jié)論.

(1) 研究區(qū)內(nèi)整體構(gòu)造受外力,即南北方向的擠壓為主;分析區(qū)域構(gòu)造演化史可知,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力由北東向南西方向減弱.

(2) 研究區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造復(fù)雜程度綜合指數(shù)X值在0.5～1.2之間,所以整體是屬于構(gòu)造復(fù)雜程度一般的礦區(qū);X值大于1.5的區(qū)域主要分布在陽泉、娘子關(guān)和包口組成的三角區(qū)域內(nèi),以及土塔和上社的東側(cè),所以這2個(gè)部分是屬于構(gòu)造復(fù)雜程度為復(fù)雜的區(qū)域;在下王村附近X值普遍較低,即下王村附近是屬于構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單的區(qū)域.

(3) 結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化與分維值等值線圖發(fā)現(xiàn),構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域與分維值較大的區(qū)域基本吻合,使用分形理論對區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造復(fù)雜程度的定量評價(jià)具有實(shí)際意義.

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