The monitoring of ground surface subsidence related to coal seams mining in Yangchangwan coal mine by means of unmanned aerial vehicle with quad-rotors
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摘要:
小型无人机遥感技术具有成本低、操作灵活便利等优点，在地质调查中的作用愈来愈重要。采煤地表沉陷量变形监测是掌控采煤地表岩移变形规律和治理塌陷的关键性工作。重点探索四旋翼无人机遥感技术监测在羊场湾煤矿Y120212工作面采煤沉陷量的监测研究，通过野外踏勘与控制点布设、无人机航线规划与执行、4D产品制作的工作程序和监测方法，探索无人机遥感技术监测在矿山地质塌陷监测的应用。研究结果表明，通过对无人机遥感技术生成的DSM处理，经过多期地面高程的对比，得到Y120212工作面最大沉陷量达6.5m。结合分析、对比，无人机遥感技术可以实现采煤塌陷区地表沉陷变形监测，进而形成和发展了煤矿地面塌陷新的监测技术。
Abstract:The small UAV is an important tool in geological survey with the advantages of low cost and flexible operation. The monitoring of surface subsidence and deformation is a key to controlling the surface movement and deformation related to coal seams mining and subsidence. This paper focuses on the investigation of coal mining subsidence monitoring in the Y120212 working face in Yangchangwan coal mine, by the process of field reconnaissance and controlling point layout, UAV route planning and execution, 4D product production process and monitoring methods, so as to apply unmanned aerial vehicle remote sensing technology to monitoring the mine geological collapse. The research shows that the maximum subsidence value of the Y120212 working surface reaches 6.5m by comparison of the DSM processing of unmanned aerial vehicle (UAV) remote sensing technology and multi period ground elevation. A comparative study of the unmanned aerial vehicle remote sensing technology shows that it can monitor the surface subsidence deformation related to coal mining subsidence area. The technology is also a new means for monitoring the ground subsidence of the coal mine.
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内蒙古巴林右旗地区位于西拉木伦河北30 km处，该处为西伯利亚克拉通与华北克拉通的构造拼贴带结合部位，为中亚造山带东南缘的组成部分。该拼贴带近年受到广大学者的关注，关于西伯利亚克拉通与华北克拉通之间的缝合位置和拼合时限，不同时代、不同学者有不同的认识。现主要存在2种观点：少数学者[1-4]认为2个克拉通块拼合带位于贺根山-嫩江-黑河断裂，拼合时间为晚石炭世—早二叠世；多数学者认为2个克拉通拼合带位于索伦—西拉木伦—长春—延吉一线。20世纪80年代，黄汲清等[5]根据西拉木伦断裂两侧晚古生代地层的明显差异和区域地层的发育特征，把西拉木伦河断裂视作西伯利亚克拉通与华北克拉通间碰撞的缝合线。近年有不少学者[6-14]根据古生物化石、蛇绿岩带、地层、沉积岩相古地理、岩石地球化学、古地磁、地球物理等的综合研究，明确了该缝合带的东西向线性展布，即为索伦—西拉木伦—长春—延吉。但对于该缝合带的最终拼贴时间存在着差异，一些学者认为其最终拼贴时间为晚二叠世[15-16]，而另外有学者认为最终拼合的时间为早—中三叠世[10, 13, 17-19]。西拉木伦河南北两侧晚古生代地层存在明显差异[20-21]。西拉木伦深断裂南侧地层主要有铁营子组(P2t)、于家北沟组(P1y)、额里图组(P1e)、三面井组(P1sm)、石咀子组(C1s)、白家店组(C1bj)、朝吐沟组(C1c)，断裂北侧地层层序为林西组(P3l)、哲斯组(P2z)、大石寨组(P2d)、寿山沟组(P1ss)。这些沉积地层中蕴含着中亚造山带演化过程和两大克拉通拼合的关键信息[22-27]。笔者在1:5万古力古台幅区域地质调查过程中，于西拉木伦河以北的巴林右旗地区发现了一套砂板岩组合沉积地层，前人将其划为哲斯组，但没有发现可靠的生物化石资料，也未采集到同位素年龄样品。笔者对出露于巴林右旗北东5 km处原划归哲斯组的一套砂板岩中的粉砂岩进行锆石LA-ICP-MS U-Pb测年，为地层时代研究提供了重要的依据，确定地层归属。依据获取的同位素年龄信息，结合区域地质背景资料，对其物源进行分析，为探讨华北克拉通和西伯利亚克拉通的最终拼合时间提供新的证据。
1. 地质概况
根据内蒙古东南部区域构造方案[28]，研究区位于西伯利亚克拉通与华北克拉通的构造拼贴带结合部位，即中亚造山带东端，温都尔庙俯冲-增生杂岩带内(图 1-a)，其演化历史长，构造岩浆活动复杂，在晚古生代，先后经历了俯冲-消减-碰撞演化过程，在此过程中研究区沉积了一套砂板岩组合为主的岩石。该套岩石以黑、灰黑、灰绿色板岩-泥岩-粉砂岩为主，发育少量砂岩，以单斜地层出露为主，倾向介于120°~160°之间，倾角较陡，介于50°~70°之间。该套岩石被上侏罗统玛尼吐组中性火山岩不整合覆盖，受后期早白垩世二长花岗岩、正长花岗岩及第四纪新构造运动抬升影响，该套岩石零星出露在早白垩世岩体周围(图 1-b)。该套岩石受构造运动改造强烈，林西组岩石(图版Ⅰ-a、b)完整出露的较少，大部分受构造影响产生了破碎，局部发育小型褶曲(图版Ⅰ-c、d)。本次的样品采自内蒙古自治区巴林右旗巴彦查干山地区。
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图 1 内蒙古东南部区域构造简图[28](a)和巴林右旗地区地质简图(b)①—二连浩特-贺根山断裂带；②—林西断裂带；③—西拉木伦河缝合带; ④—赤峰-白云鄂博断裂带; 1—第四系；2—玛尼吐组；3—新民组；4—林西组；5—大石寨组；6—哲斯组；7—早白垩世正长花岗岩；8—早白垩世二长花岗岩；9—产状；10—样品位置；11—断裂；12—不整合界线；13—城镇Figure 1. Regional tectonic map of southeastern Inner Mongolia(a) and geological map of Balinyouqi area (b)![]()
图版Ⅰa.黑色泥岩; b.交错层理; c.小型褶皱; d小型褶皱; e.显微照片(单偏光); f.显微照片(正交偏光)。Pl—斜长石; Q—石英; Kfs—钾长石图版Ⅰ.2. 样品采集和实验方法
样品Pm021U-Pb4采自西拉木伦河以北巴林右旗北东约5 km处(图 1)。采样点地理坐标为北纬43°18′46″、东经117°34′50″。岩性为粉砂岩(图版Ⅰ-e、f)，粉砂状结构。碎屑物约占75%，填隙物占25%。碎屑物主要由长英质矿物和岩屑组成，棱角状—次棱角状，大小在0.05~0.1 mm之间，杂乱分布。填隙物主要为泥质。碎屑锆石采自剖面第6层粉砂岩中(图 2)，该套地层主要为一套砂板岩组合，可见早白垩世岩体侵入到该组地层中。上部被晚侏罗世火山岩喷发不整合覆盖。
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图 2 巴彦查干山北上二叠统林西组实测剖面图(Pm021)1—黄色粘土层；2—黑色泥岩；3—粉砂岩；4—细粒岩屑长石砂岩；5—中粒岩屑长石砂岩；6—中粒含砾岩屑长石砂岩；7—粗粒岩屑长石砂岩；8—粗粒含砾岩屑长石砂岩；9—地质界线；10—侵入界线Figure 2. Measured section(Pm021) of Upper Permian Linxi Formation in the north of Bayanchaganshan hill本次样品(粉砂岩)锆石分选及制靶在廊坊市(宇能)宇恒矿岩技术服务有限公司进行。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试在南京聚谱检测科技有限公司完成。首先清除岩石表面污物，将岩石样品粉碎至40~100目。然后通过淘洗将样品分为轻、重两部分。对重的部分进行强磁选，去除具有强磁性的部分，保留非强磁部分。对非强磁部分进行电磁选，去除具有电磁性的矿物，保留无磁性的矿物。然后对无磁性矿物进行重液分选，保留重矿物部分。对重矿物部分进行高频介电分离，去除金属硫化物，得到以锆石为主的样品。最后在双目镜下剔除杂质，获得纯净的锆石样品进行制靶，在双目镜下用镊子镊取锆石，固定在双面胶上，选取合适模具注入配比好的树脂，抽取真空加入靶号，放入烘箱凝固后取出靶，用砂纸打磨靶正反面，让底部平整，正面锆石表面裸露出来，再用金刚石悬浮液进行抛光处理，超声波清洗靶子。所用的定年仪器为193nm ArF准分子激光剥蚀系统，由Teledyne Cetac Technologies制造，型号为Analyte Excite。四极杆型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)由安捷伦科技(Agilent Technologies)制造，型号为Agilent 7700x。实验用束斑直径为35 μm，频率为8 Hz，激光取样过程采用5 s的预剥蚀时间，20 s的冲洗样品池时间，以及40 s的剥蚀取样时间，剥蚀气溶胶由氦气送入ICP-MS完成测试。测试过程中以标准锆石91500为外标，校正仪器质量歧视与元素分馏；以标准锆石GJ-1为盲样，检验U-Pb定年数据质量；以NIST SRM 610为外标，以Si为内标标定锆石中的Pb元素含量，以Zr为内标，标定锆石中其余微量元素含量。原始测试数据经过ICPMS DataCal软件离线处理完成。
3. 测试结果
本次对巴林右旗样品Pm021U-Pb4的98颗锆石进行了LA-ICP-MS及U-Th-Pb同位素分析，分析数据见表 1。粉砂岩样品Pm021U-Pb4的锆石阴极发光(CL)图像显示，锆石粒径大小多为50~100 μm，内部结构复杂，为自形—半自形或浑圆状，部分锆石保留了岩浆结晶锆石原来的晶体形态，呈长柱状和短柱状，多数锆石具有清晰的岩浆振荡环带，个别具有扇形分带结构、斑杂状分带结构，显示岩浆锆石特征，少数锆石无岩浆振荡环带，具有弱分带结构和无分带结构，如白色熔蚀边、云雾状分带或变质增生边，这些锆石有不同程度的溶蚀、破碎、磨圆现象，个别锆石中含有继承锆石的残留核(如点39)，显示变质锆石特征。通过锆石的形态特征可以看出，锆石在沉积之前经历了构造、变质事件等，具有沉积再旋回锆石的特征，反映出碎屑沉积物距离物源近、快速沉积的特点(图 3)。本次分析的98颗锆石的Th/U值介于0.15~1.68之间(39点除外)，其中75颗锆石的Th/U＞0.4，多数集中在0.4~1之间，平均值为0.68，剩余22颗锆石有1颗的Th/U值介于0.15~0.39之间，1颗为0.014，表明锆石绝大多数为岩浆成因锆石[29]，与CL图像显示结果一致。
表 1 林西组粉砂岩(Pm021U-Pb4)碎屑锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb分析结果Table 1. LA-ICP-MS U-Th-Pb analysis of detrital zircon (Pm021U-Pb4) in siltstone of Linxi Formation测点编号 Th/10-6 U/10-6 Pb/10-6 Th/U 比值 年龄/Ma 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/235U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 1 91 38 258 0.15 0.1130 0.0015 5.5229 0.0900 0.3543 0.0048 1849 24 1904 31 1955 26 2 50 52 145 0.35 0.1414 0.0020 6.1522 0.1226 0.3155 0.0047 2245 24 1998 40 1768 26 3 188 164 346 0.47 0.1616 0.0021 10.7022 0.1701 0.4802 0.0062 2473 22 2498 40 2528 33 4 17 132 224 0.59 0.0592 0.0010 0.5657 0.0113 0.0694 0.0009 573 38 455 9 432 5 5 94 51 268 0.19 0.1179 0.0016 5.6072 0.0863 0.3450 0.0044 1924 24 1917 30 1911 25 6 195 150 559 0.27 0.1705 0.0022 7.7199 0.1255 0.3284 0.0043 2562 22 2199 36 1831 24 7 28 74 120 0.61 0.0937 0.0013 2.7439 0.0456 0.2124 0.0030 1502 27 1340 22 1241 18 8 49 130 174 0.75 0.0951 0.0013 3.2607 0.0521 0.2487 0.0032 1529 25 1472 24 1432 18 9 6 88 130 0.68 0.0550 0.0021 0.3296 0.0132 0.0435 0.0005 411 87 289 12 274 3 10 115 149 205 0.73 0.1679 0.0022 10.8900 0.1690 0.4704 0.0059 2537 22 2514 39 2485 31 11 8 54 118 0.46 0.0692 0.0017 0.6058 0.0158 0.0635 0.0008 903 50 481 13 397 5 12 37 63 69 0.91 0.1544 0.0023 9.2070 0.1745 0.4325 0.0064 2395 25 2359 45 2317 34 13 71 36 138 0.26 0.1635 0.0022 10.9284 0.1797 0.4846 0.0070 2493 22 2517 41 2547 37 14 23 51 149 0.34 0.0709 0.0010 1.4832 0.0245 0.1517 0.0019 955 29 924 15 910 11 15 17 93 222 0.42 0.0589 0.0010 0.6181 0.0118 0.0761 0.0009 563 37 489 9 473 6 16 84 79 183 0.43 0.1427 0.0019 8.4298 0.1453 0.4284 0.0058 2260 23 2278 39 2299 31 17 20 210 263 0.80 0.0620 0.0010 0.5945 0.0109 0.0695 0.0009 674 33 474 9 433 6 18 60 122 156 0.78 0.1216 0.0018 5.5466 0.1060 0.3309 0.0043 1979 26 1908 36 1843 24 19 17 147 205 0.71 0.0608 0.0010 0.6559 0.0121 0.0783 0.0010 632 35 512 9 486 6 20 36 109 180 0.60 0.0753 0.0010 1.9260 0.0306 0.1855 0.0023 1077 27 1090 17 1097 14 21 3 27 49 0.55 0.0569 0.0039 0.3907 0.0265 0.0498 0.0006 488 150 335 23 313 4 22 137 167 249 0.67 0.1669 0.0022 10.9335 0.1702 0.4751 0.0060 2527 22 2517 39 2506 32 23 12 71 144 0.49 0.0664 0.0014 0.7365 0.0165 0.0804 0.0010 820 43 560 13 499 6 24 5 72 106 0.68 0.0606 0.0022 0.3802 0.0146 0.0455 0.0006 626 79 327 13 287 4 25 172 91 346 0.26 0.1686 0.0022 10.8141 0.1684 0.4652 0.0058 2544 22 2507 39 2462 31 26 22 90 83 1.09 0.0919 0.0015 2.7369 0.0488 0.2160 0.0026 1465 31 1339 24 1261 15 27 11 73 148 0.50 0.0651 0.0013 0.6286 0.0142 0.0700 0.0009 778 43 495 11 436 5 28 43 280 611 0.46 0.0570 0.0008 0.5308 0.0083 0.0675 0.0008 492 30 432 7 421 5 29 17 131 263 0.50 0.0547 0.0012 0.4530 0.0111 0.0601 0.0008 400 48 379 9 376 5 30 25 74 315 0.24 0.0581 0.0008 0.6388 0.0106 0.0797 0.0010 535 32 502 8 494 6 31 12 89 143 0.63 0.0573 0.0011 0.5993 0.0131 0.0759 0.0010 503 44 477 10 471 6 32 16 190 301 0.63 0.0535 0.0010 0.3556 0.0077 0.0482 0.0006 351 43 309 7 303 4 33 27 42 48 0.87 0.1706 0.0023 10.9303 0.1778 0.4648 0.0060 2563 22 2517 41 2461 32 34 32 225 445 0.50 0.0568 0.0008 0.5308 0.0087 0.0677 0.0008 485 32 432 7 423 5 35 6 95 131 0.73 0.0659 0.0020 0.3778 0.0116 0.0416 0.0005 802 62 325 10 263 3 36 13 116 165 0.70 0.0592 0.0011 0.5673 0.0116 0.0695 0.0008 573 41 456 9 433 5 37 12 98 163 0.60 0.0588 0.0011 0.5759 0.0121 0.0710 0.0009 560 42 462 10 442 5 38 42 390 496 0.79 0.0657 0.0014 0.6905 0.0225 0.0763 0.0012 796 44 533 17 474 8 39 103 4 315 0.01 0.1154 0.0015 5.3504 0.0821 0.3362 0.0041 1886 24 1877 29 1869 23 40 30 348 679 0.51 0.0521 0.0008 0.3024 0.0052 0.0421 0.0005 288 34 268 5 266 3 41 29 209 398 0.52 0.0566 0.0008 0.5423 0.0089 0.0695 0.0008 476 32 440 7 433 5 42 50 140 360 0.39 0.0674 0.0009 1.2553 0.0199 0.1352 0.0017 849 28 826 13 817 10 43 5 74 96 0.77 0.0569 0.0022 0.3723 0.0149 0.0475 0.0006 487 86 321 13 299 4 44 55 132 164 0.81 0.1039 0.0014 4.1758 0.0667 0.2916 0.0038 1694 24 1669 27 1650 21 45 48 35 128 0.28 0.1174 0.0015 5.8362 0.0966 0.3606 0.0049 1917 24 1952 32 1985 27 46 12 213 257 0.83 0.0526 0.0012 0.2867 0.0067 0.0395 0.0005 313 50 256 6 254 3 47 68 122 116 1.06 0.1646 0.0021 10.6023 0.1619 0.4671 0.0057 2504 22 2489 38 2471 30 48 10 109 126 0.87 0.0572 0.0015 0.5059 0.0137 0.0642 0.0008 498 56 416 11 401 5 49 4 53 87 0.62 0.0629 0.0028 0.3873 0.0174 0.0446 0.0006 705 94 332 15 282 4 50 11 106 254 0.42 0.0586 0.0014 0.3238 0.0079 0.0401 0.0005 554 50 285 7 253 3 51 19 149 246 0.61 0.0628 0.0010 0.5944 0.0104 0.0687 0.0008 700 34 474 8 428 5 52 19 187 400 0.47 0.0514 0.0008 0.3363 0.0062 0.0475 0.0006 259 38 294 5 299 4 53 15 91 216 0.42 0.0576 0.0010 0.5317 0.0100 0.0670 0.0008 513 36 433 8 418 5 54 43 191 529 0.36 0.0566 0.0008 0.6221 0.0100 0.0798 0.0010 474 30 491 8 495 6 55 20 268 395 0.68 0.0575 0.0010 0.3610 0.0069 0.0455 0.0006 511 37 313 6 287 4 56 55 94 416 0.23 0.0698 0.0009 1.3020 0.0235 0.1353 0.0021 923 28 847 15 818 13 57 73 67 216 0.31 0.1187 0.0016 5.3889 0.0871 0.3294 0.0043 1936 23 1883 30 1835 24 58 16 139 214 0.65 0.0591 0.0013 0.5788 0.0244 0.0711 0.0011 570 49 464 20 442 7 59 4 38 73 0.52 0.0777 0.0046 0.5444 0.0939 0.0508 0.0039 1140 118 441 76 319 25 60 12 79 186 0.43 0.0584 0.0012 0.5424 0.0135 0.0673 0.0010 547 46 440 11 420 6 61 20 154 259 0.59 0.0553 0.0009 0.5899 0.0112 0.0774 0.0010 424 37 471 9 480 6 62 16 189 322 0.59 0.0528 0.0009 0.3558 0.0069 0.0489 0.0006 319 40 309 6 308 4 63 6 89 143 0.62 0.0484 0.0017 0.2896 0.0106 0.0434 0.0005 121 82 258 9 274 3 64 20 306 397 0.77 0.0537 0.0009 0.3706 0.0075 0.0501 0.0006 357 39 320 6 315 4 65 7 157 158 0.99 0.0514 0.0015 0.3095 0.0094 0.0437 0.0005 258 67 274 8 276 3 66 169 323 320 1.01 0.1598 0.0021 10.0389 0.1616 0.4555 0.0057 2454 23 2438 39 2420 30 67 77 57 268 0.21 0.1120 0.0015 4.4686 0.0826 0.2892 0.0045 1833 24 1725 32 1638 26 68 83 331 648 0.51 0.0706 0.0009 1.2052 0.0210 0.1238 0.0017 946 27 803 14 752 10 69 32 28 68 0.41 0.1618 0.0022 9.4930 0.1584 0.4256 0.0056 2474 23 2387 40 2286 30 70 4 49 70 0.69 0.0662 0.0038 0.4293 0.0250 0.0470 0.0006 813 121 363 21 296 4 71 4 33 52 0.64 0.0633 0.0026 0.6162 0.0267 0.0706 0.0009 720 88 487 21 439 6 72 5 44 106 0.41 0.0676 0.0023 0.4177 0.0151 0.0448 0.0006 856 71 354 13 283 4 73 16 130 223 0.58 0.0575 0.0012 0.5377 0.0116 0.0678 0.0008 511 44 437 9 423 5 74 7 134 137 0.98 0.0543 0.0018 0.3364 0.0117 0.0449 0.0006 385 74 294 10 283 4 75 56 348 797 0.44 0.0558 0.0007 0.5289 0.0083 0.0687 0.0008 446 30 431 7 428 5 76 10 23 52 0.44 0.0890 0.0016 2.2735 0.0506 0.1853 0.0032 1403 34 1204 27 1096 19 77 20 160 507 0.32 0.0513 0.0008 0.2791 0.0052 0.0394 0.0005 255 38 254 5 252 3 78 6 73 97 0.75 0.0676 0.0023 0.5524 0.0194 0.0593 0.0007 856 70 447 16 371 5 79 4 83 77 1.07 0.0658 0.0044 0.4027 0.0293 0.0444 0.0006 800 139 344 25 280 4 80 10 54 157 0.35 0.0587 0.0018 0.5050 0.0164 0.0624 0.0008 556 66 415 13 390 5 81 22 338 488 0.69 0.0534 0.0008 0.3059 0.0054 0.0416 0.0005 344 35 271 5 263 3 82 6 77 129 0.60 0.0572 0.0022 0.3257 0.0132 0.0413 0.0005 497 86 286 12 261 3 83 7 44 157 0.28 0.0553 0.0015 0.3461 0.0103 0.0454 0.0006 423 62 302 9 286 4 84 20 277 451 0.61 0.0587 0.0010 0.3389 0.0066 0.0419 0.0005 557 38 296 6 264 3 85 7 60 101 0.59 0.0543 0.0017 0.5176 0.0171 0.0691 0.0009 385 70 424 14 431 5 86 9 268 164 1.64 0.0552 0.0017 0.3246 0.0105 0.0427 0.0005 420 68 285 9 269 3 87 33 208 371 0.56 0.0589 0.0008 0.6869 0.0116 0.0845 0.0011 564 31 531 9 523 7 88 11 210 201 1.04 0.0504 0.0012 0.3244 0.0082 0.0467 0.0006 215 55 285 7 294 4 89 11 108 182 0.60 0.0557 0.0012 0.4638 0.0106 0.0604 0.0007 440 47 387 9 378 5 90 37 209 552 0.38 0.0563 0.0008 0.5200 0.0083 0.0670 0.0008 465 31 425 7 418 5 91 104 149 304 0.49 0.1266 0.0017 5.6135 0.0873 0.3215 0.0039 2052 23 1918 30 1797 22 92 37 117 548 0.21 0.0572 0.0008 0.5575 0.0089 0.0707 0.0009 498 30 450 7 440 5 93 45 173 680 0.25 0.0547 0.0008 0.5184 0.0088 0.0688 0.0009 399 33 424 7 429 5 94 21 165 312 0.53 0.0571 0.0011 0.5105 0.0109 0.0648 0.0009 497 43 419 9 405 5 95 4 58 85 0.69 0.0784 0.0034 0.4941 0.0235 0.0457 0.0006 1158 86 408 19 288 4 96 18 80 398 0.20 0.0528 0.0009 0.3310 0.0067 0.0455 0.0006 319 39 290 6 287 4 97 26 120 343 0.35 0.0563 0.0008 0.5860 0.0097 0.0755 0.0009 463 32 468 8 469 6 98 91 38 258 0.15 0.1130 0.0015 5.5229 0.0900 0.3543 0.0048 1849 24 1904 31 1955 26 ![]()
图 3 内蒙古巴林右旗林西组粉砂岩碎屑锆石阴极发光图像和206Pb/238U年龄Figure 3. Zircon cathodoluminescence images and 206Pb / 238U age of Linxi Formation siltstone in Balinyouqi area, Inner Mongolia对该样品98粒锆石进行测试，剔除不和谐数据15个，剩余83个测点的测年结果显示，巴林右旗地区林西组碎屑锆石年龄分布在252~2563 Ma之间，年龄跨度较大，反映林西组的沉积物源区具有复杂性。根据碎屑锆石的206Pb/238U(小于1000 Ma)和207 Pb/206Pb(大于1000 Ma)年龄频率分布特征(表 1；图 4)，可将年龄结果大致分为5组。第一组年龄集中在252~315 Ma之间，最年轻峰期年龄为263 Ma，次峰期年龄为285 Ma，其中最年轻的年龄为252 Ma(图 3中的77点，锆石保留了岩浆结晶锆石原来的晶体形态，呈长柱状，具有清晰的岩浆振荡环带，锆石晶形较完整，显示锆石磨圆度低，搬运距离不远，基本未遭受或遭受了极弱的外动力地质作用的改造)，该组年龄限定了沉积下限的年龄，占有效点数的24%(n=20)；第二组年龄集中在376~523 Ma之间，峰期年龄为431 Ma，占有效点数的39%(n=32)；第三组年龄集中在752~1097 Ma之间，共有6个点，占有效点数的7%，年龄值分别为752 Ma、817 Ma、818 Ma、910 Ma、1096 Ma、1097 Ma；第四组年龄集中在1465~1694 Ma之间，共有4个点，占有效点数的5%，年龄值分别为1465 Ma、1502 Ma、1529 Ma、1694 Ma；第五组年龄主要为1833~2563 Ma，占有效点数的25%(n=21)，具有2个峰值，分别为1903 Ma和2502 Ma。
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图 4 内蒙古巴林右旗林西组粉砂岩锆石U-Pb谐和年龄及频率曲线图Figure 4. Zircon U-Pb concordance age and frequency curve of siltstone of Linxi Formation, Balinyouqi area, Inner Mongolia4. 林西组碎屑锆石U-Pb年龄特征及物源启示
4.1 地层形成时代及归属
内蒙古巴林右旗乌兰哈达山地区出露一套以砂板岩为主的晚古生代地层，前人并未获得该地区发育的砂板岩的年代学数据及可靠的古生物年代等资料，对该套地层的研究仅停留在简单的岩相学描述和地层对比方面，其时代的确定大多是依据岩石组合特征和区域岩石地层对比，这套砂板岩曾被划归于家北沟组或哲斯组。根据这套地层的出露位置及区域对比，《内蒙古自治区岩石地层》[30]将这套地层划为哲斯组。随着科学技术水平及测年方法的提高，更多的学者对锆石U-Pb(LA-ICP-MS)年龄有了更深入的认识，沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱具有丰富的年代学信息，能够更好地分析沉积岩的沉积时代及物源。经过对沉积岩系中碎屑锆石(LA-ICP-MS)的年代学研究，发现沉积地层的沉积时代比该地层中的碎屑锆石形成时代晚。因此，碎屑锆石的年龄(LA-ICP-MS)常被用来约束地层的沉积时代，能够限定沉积岩形成的时代下限[31-32]。对于缺少古生物年代学资料的地层，碎屑锆石测年(LA-ICP-MS)已成为确定地层形成时代的一个重要手段。
哲斯组锆石测年(LA-ICP-MS)结果精确地将哲斯组的形成时代约束到了中二叠世[33-34]。前人并未在哲斯组碎屑锆石中获取能够代表华北克拉通北缘基底(18 Ga、24 Ga)的典型锆石年龄信息。刘建峰等[35]在双井子地区的辉长岩中获得锆石年龄为274.7 Ma，属于早二叠世晚期；结合区域地层、古生物等资料，该地区在早二叠世晚期可能存在大洋盆地，说明在中二叠世中亚造山带与华北克拉通并未拼贴到一起，古亚洲洋未消失。本次取得的粉砂岩中最年轻的一组锆石年龄为252~315 Ma，峰期年龄为285 Ma，最年轻的峰值年龄为263 Ma，其中最年轻的年龄为252 Ma，属于晚二叠世。李红英等[36]对克什克腾旗地区林西组一套粉砂岩，韩国卿等[17]对克什克腾旗地区林西组的一套砂岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，获得最年轻的锆石年龄为258 Ma及249 Ma。李晓海等[37]对扎鲁特旗地区林西组的一套砂岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb分析，获得最年轻的锆石年龄为252 Ma。张海华等[38]对巴林左旗碧流台地区林西组的2套砂板岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得最年轻的锆石峰值年龄均为253 Ma。上述研究分别对克什克腾旗、巴林左旗、扎鲁特旗地区林西组进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，结果显示林西组属于晚二叠世。结合岩石组合特征、区域对比与岩相古地理特征及取得的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果(本次获取的碎屑锆石年龄值区间分布情况与前人在林西组中获取的碎屑锆石年龄区间值分布情况基本相同，具有相同的物源)，推断巴林右旗乌兰哈达山地区原划分的哲斯组应为上二叠统林西组，本文所研究的粉砂岩应属于林西组。
4.2 林西组粉砂岩碎屑锆石U-Pb年龄及物源的启示
本次取得的碎屑锆石年龄分布在252~2563 Ma之间。可将年龄结果大致分为5组：分别为252~315 Ma、376~523 Ma、752~1097 Ma、1465~1694 Ma、1833~2563 Ma。
(1) 252~315 Ma：为该样品所有测年数据中最为年轻的一组，峰期年龄为285 Ma，次峰值年龄为263 Ma，其中最年轻的年龄为252 Ma，限定了其沉积下限年龄，该组数据占有效点数的24%，从该组年龄的锆石形态(图 3)分析，总体表现为晶形完整，呈棱柱状、柱状，少数为粒状，磨圆不好，说明这组锆石未经过长距离的搬运。从图 4-c、d可以看出，该区间的锆石年龄主要分布于260~290 Ma之间，且具有285 Ma的峰值年龄和263 Ma的次峰值年龄，其中285 Ma的峰值年龄与大兴安岭南段广泛发育的大石寨组火山岩的年龄一致[39]，雷豪等[40]在林西地区花岗岩中测得的锆石年龄值也为285 Ma。关于263 Ma的次峰值年龄，杨文鹏等[41]在巴林右旗测得的埃达克岩锆石U-Pb年龄为264 Ma，李益龙等[42]在林西县双井子镇发育的花岗质片麻岩中测得锆石U-Pb年龄为265 Ma、272 Ma，杜继宇等[14]在研究区南部半拉山地区双井片岩中解体出来的乌兰哈达火山岩的年龄为305.6 Ma和316.2 Ma，章永梅等[43]、范宏瑞等[44]、鲁颖准等[45]、王芳等[46]在西拉木伦河缝合带南部的华北克拉通北缘也取得了这一时期的岩体年龄。说明林西组沉积物源主要来自早—中二叠世火成岩。上述资料表明，该组年龄(252~315 Ma)岩体物源可能来自于西伯利亚克拉通南缘的中亚造山带，位于西拉木伦河缝合带南部的华北克拉通北缘也广泛分布有这个时期的岩体。年龄谱特征显示，252~315 Ma阶段的锆石与板块俯冲、碰撞相关的火山、岩浆事件吻合，该时期的岩石为林西组提供了大量物源。从本次收集的古生物资料看，在林西组的生物化石中发现位于西拉木伦河以南的华夏植物群入侵到林西地区及北部的黑龙江哈尔滨南部地区，张永生等[47]在林西官地地区发现的叶肢介化石具有安加拉型植物群和华夏植物群的特点，其中的圆通古斯卡叶肢介和圆图饰叶肢介是西伯利克拉通的典型物种，黄河叶肢介是华北克拉通晚二叠世的特有类型。邓胜徽等[48]在黑龙江哈尔滨南部地区上二叠统红山组中发现主体为安加拉型植物群的化石中有少量的华夏植物群物种，说明在晚二叠世晚期安加拉型植物群与华夏型植物群发生了混生现象。最新的古地磁资料显示，华北克拉通与西伯利亚克拉通于晚二叠世已经发生碰撞，并拼合为一体[49-50]，上述资料和本次取得的锆石测年结果表明，在大兴安岭南部巴林右旗地区，晚二叠世晚期华北克拉通和西伯利亚克拉通沿西拉木伦河缝合带拼合，古亚洲洋消失。
(2) 376~523 Ma，占有效点数的39%。为该样品锆石测年最集中的时段，其中主峰期年龄为431 Ma，存在381 Ma和483 Ma两个次峰期年龄(图 4-c、d)。该组年龄包含了研究区西北部苏尼特左旗—温都尔庙一带的岩浆活动和锡林浩特增生杂岩的年龄信息。近年来有学者[51-57]发现，在西拉木伦河断裂南部的温都尔庙俯冲-增生杂岩带和白乃庙岛弧及西拉木伦河断裂北部的索尼特左旗、锡林浩特、扎兰屯、多宝山甚至大兴安岭东北部地区都有志留纪—奥陶纪岩浆活动，刘敦一等[51]对内蒙古图林凯蛇绿岩带进行SHRIMP测年，取得的年龄结果为：英云闪长岩、奥长花岗岩、石英闪长岩、英安岩、斜长岩和变辉长岩年龄值分别为497±7 Ma、472±2 Ma、454±3 Ma、458±3 Ma、425±2 Ma、480±2 Ma；Jian等[52]在巴特敖包地区获得的石英闪长岩英和英云闪长岩的测年结果为446~440 Ma和417 Ma；Miao等[53]在内蒙古索伦山地区获得闪长岩的侵位年龄438±4 Ma；Jian等[52]、石玉若等[54]在苏尼特左旗地区发育的石英闪长岩、英云闪长岩及辉长岩中获得的年龄分别为480 Ma、471 Ma和483M；杜继宇等[14]在研究区南部半拉山地区测得斜长角闪岩的年龄为416.3 Ma；近年有较多的学者[55-57]分别在锡林郭勒杂岩及宝音图群中获得400~450 Ma的变质锆石年龄。另外，据裴福萍[58]报道，在松辽盆地基底获得变质岩的年龄值为427 Ma和455 Ma；在佳木斯地区出露的麻山群杂岩体也存在该期的年龄值[59-60]。故本次获得的376~523 Ma锆石的物源主要来自于苏尼特左旗—温都尔庙一带的岩浆岩。这与古亚洲洋的裂解、扩展、消亡存在着密切的关系。
(3) 752~1097 Ma，共有6个点，年龄值分别为752 Ma、817 Ma、818 Ma、910 Ma、1096 Ma、1097 Ma(图 4-e)。这些年龄值在东北地区报道得较多，赵院冬等[61]在黑河北部石灰窑—明智山地区兴华渡口岩群中获得捕获锆石年龄为756~818 Ma；施光海等[62]在锡林郭勒杂岩中获得885 Ma、933 Ma和940 Ma的锆石年龄；郭晓丹等[63]、宋卫卫等[64]在西乌旗地区上石炭统本巴图组和中二叠统哲斯组沉积岩中分别发现该组年龄的碎屑锆石。根据当前的研究结果，尚未有人报道过在华北克拉通发现新元古代(800~1000 Ma)的岩浆热事件。因此，本组年龄的锆石应来自东北地区古陆块。
(4) 1465~1694 Ma，共有4个点，分别为1465 Ma、1502 Ma、1529 Ma、1694 Ma(图 4-f)。孙立新等[56-57]在北部二连浩特-贺根山蛇绿岩带和南部交其尔-红格尔马场蛇绿岩带中部苏左旗一带，发现了约1400 Ma的中元古代花岗岩。章凤奇等[65]在松辽盆地北部营城子组火山岩中捕获到1600 Ma的年龄值，葛文春等[66]在大兴安岭东北部花岗岩中测得1.5 Ga的Hf和Nd模式年龄。1465~1694 Ma区间的锆石在研究区西北林西地区出露的林西组，以及西乌旗地区出露的本巴图组和哲斯组中均有发现，而在华北克拉通北缘很少有关于该区间年龄(石炭纪—三叠纪的碎屑锆石)的报道，因此，1465~1694 Ma锆石可能来自于西拉木伦河-长春-延吉缝合带北部的东北地区。
(5) 1833~2563 Ma，该组锆石年龄可以分为1903 Ma和2502 Ma两个峰值(图 4-g、h)。锆石CL图像及Th/U值显示，这些锆石大部分显示岩浆成因的特点，39号点CL图像和Th/U值为0.01，显示为变质锆石特征，这组年龄值特别是1.8 Ga和2.5 Ga在华北克拉通北缘地区有大量报道[67-68]，认为是华北北缘克拉通基底的典型年龄信息。2502 Ma峰值年龄具有和华北克拉通广泛出露的TTG片麻岩一致的时代[69]，而1903 Ma的峰值年龄与华北克拉通在新元古代—中元古代发生伸展-裂解事件的时间基本一致[70-71]。最近在大兴安岭东北部地区也报道了大量前寒武纪锆石年龄[72-73]，程召勋等[74]在科尔沁右旗地区发现1.8 Ga的年龄值，张超等[75]在齐齐哈尔市龙江县二长花岗岩中获得1808 Ma的锆石年龄，表明那里存在古元古代末期形成的地质体。由此引发了部分学者对大兴安岭地区乃至整个东北地区是否存在古老结晶基底的争论，对于上述年龄，多数学者更倾向于认为其来自华北克拉通，但也不排除少量来自中亚造山带古老陆块的残留体。
5. 林西组粉砂岩碎屑锆石的大地构造意义
西拉木伦河-长春-延吉断裂带一直是学者们关注的地区，近年来基本一致认为该断裂带为华北克拉通与西伯利亚克拉通的最后缝合位置，但在最终闭合时间上仍存在较大的分歧，一部分学者认为其最终拼贴时间为晚二叠世[15]，而另外一部分学者认为最终拼合的时间为早—中三叠世[10, 16-19]。
研究区林西组碎屑锆石U-Pb年龄(特别是最小的锆石年龄为252 Ma)及物源特征所反映的构造环境和构造演化表明，古亚洲洋可能在晚二叠世最终闭合。近年来中亚造山带东段区域地层和岩浆岩的年代学研究也佐证了古亚洲洋在晚二叠世(早—中三叠世)最终闭合，并在三叠纪—早白垩世进入后造山伸展阶段。例如，韩杰等[19]对林西官地林西组的建组剖面的砂岩进行了碎屑锆石年代学研究，获得最年轻的年龄为256 Ma，在该样品中未采取到典型的华北克拉通(18 Ga、24 Ga)的锆石年龄信息，认为林西组没有来自华北克拉通的物源，因此得出二叠纪末期古亚洲洋并没有闭合。近年来韩国卿等[17]、郑月娟等[15, 22]分别对林西—陶海营子一带林西组的砂岩进行了碎屑锆石年代学研究，获得的最年轻锆石分别为278 Ma、253 Ma。获得的锆石年龄都明显具有来自于华北克拉通北缘的1800 Ma、2500 Ma左右的峰期年龄，也都获得了280~400 Ma之间代表苏尼特左旗—温都尔庙一带的岩浆活动和锡林浩特增生杂岩的碎屑锆石年龄，认为在林西组中明显具有来自华北克拉通北缘的物源和北侧苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗南岩浆弧的混合物源特征。250 Ma左右的华北克拉通北缘与西拉木伦河缝合线北侧岩浆弧完成最终碰撞拼贴。刘建峰等[35]对西拉木伦河北部蛇绿岩带九井子地区出露的辉长岩脉及蛇绿岩围岩进行了锆石测年，得到辉长岩的形成时代为274.7 Ma，属于早二叠世晚期；结合区域地层、古生物、岩浆岩等方面的资料，认为该区域早二叠世晚期可能还存在大洋盆地。对与九井子蛇绿岩呈断层接触的粉砂岩碎屑锆石年龄测年，得到最年轻的一组年龄值为250~290 Ma，粉砂岩中最小的锆石年龄为晚二叠世末—早三叠世初(249 Ma)，表明该年龄与内蒙古东南部海相地层消失的时代、安加拉植物群和华夏植物群出现混生的时代、西伯利亚克拉通和中朝古板块古纬度曲线收敛的时代，以及区域上与碰撞相关的岩浆岩形成时代大致相同，认为九井子蛇绿岩的构造侵位时代应为晚二叠世末—早三叠世初，同时也代表古亚洲洋的最终闭合时代。吴迪迪等[76]通过对位于中亚造山带东南缘的二叠纪—三叠纪花岗岩锆石U-Pb年龄(266~235 Ma)、地球化学和同位素数据资料分析，认为早二叠世(约285 Ma之前)为古亚洲洋最后双向俯冲阶段，中二叠世—中三叠世(285~235 Ma)为从俯冲增生到(软)碰撞构造的转变阶段，晚三叠世约(230 Ma)之后为造山后伸展垮塌作用阶段。
本区在巴林右旗附近采取的粉砂岩最年轻的锆石年龄结果(252~315 Ma、376~523 Ma、752~1097 Ma、1465~1694 Ma、1833~2563 Ma)为252 Ma，结合上述前人碎屑锆石测年等资料，本次研究的粉砂岩具有多物源供给的特点，与区域上林西地区及陶海营子地区的林西组碎屑锆石具有相似的年龄谱特征，主体应来自中亚造山带，还有少量的物源来自于华北克拉通北缘。综合前人对生物地层学与古地磁的研究成果，结合区域地层对比和中亚造山带东段构造演化，推测在晚二叠世华北克拉通与西伯利亚克拉通已经完全拼合，古亚洲洋可能在晚二叠世最终闭合。
6. 结论
(1) 通过对巴林右旗北东约5 km处出露的粉砂岩进行碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年，获得一组252~315 Ma的年龄值，最小的锆石年龄为252 Ma，结合地层组合特征、区域对比及岩相古地理特征等，将这套砂板岩组合的地层厘定为林西组，认为林西组的沉积下限时代主要为中二叠世末，林西组的沉积时代主体应为晚二叠世，并可延至早三叠世初。
(2) 巴林右旗林西组粉砂岩锆石年龄可以划分为5个年龄区间：252~315 Ma、376~523 Ma、752~1097 Ma、1465~1694 Ma、1833~2563 Ma。表明本区林西组具有多时代物源混合的特征，既能反映出中亚造山带的年龄信息，又具有华北克拉通老基底的年龄信息，表明本地区的林西组沉积物源主要来自中亚造山带，也有少部分物源来自华北克拉通。结合区域地层对比和中亚造山带东段构造演化，古亚洲洋可能在晚二叠世最终闭合。
致谢: 地表裂缝的野外调查工作由羊场湾煤矿地测科张仲杰等工作人员协助完成, 在此表示衷心的感谢。 -
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图 6 Y120212工作面裂缝分布
a—2016年8月地裂缝分布；b—2017年3月地裂缝分布；c—2017年8月地裂缝分布
Figure 6. The schematic diagram of crack distribution of Y120212 working face
表 1 无人机与相机参数
Table 1 Main performance indexes of UAV and camera
无人机 相机(SONY A7R) 飞行时间 ＜50min/电池 有效像素 3640万 飞行时间 ＜50min/电池 有效像素 3640万 飞行高度 1000m 最大像素 3700万 飞行半径 5000m 传感器 全画幅〔35.9*24mm) 遥控距离 5000m 最高分辨率 7360*4912 机身自重 2650g 续航能力 340张 任务载荷 2000g(最大） 焦距 35mm 抗风能力 ＜12m/s 像元大小 4.88um 
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表 2 DSM（XYZ格式）成果
Table 2 DSM (XYZ format) results
点 北X/m 东Y/m 大地高Hd/m D1 4204574.1 36379920.514 1404 D2 4204574.1 36379930.514 1404 D3 4204574.1 36379941.514 1405 · · · · · · · · D5232 4203694.1 36379761.514 1423
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表 3 公共点高程异常值
Table 3 Elevation anomaly of common points
点 北X/m 东Y/m 大地高Hd/m 正常高H正/m 高程异常值ζi/m 位置 G1 36379930.51 4204454.1 1412.484 1409.15 3.334 工作面四周 G2 36380090.51 4204061.1 1435.898 1432.517 3.381 工作面四周 G3 36379930.51 4204234.1 1413.055 1408.886 4.169 工作面中心 G4 36379780.51 4204394.1 1407.01 1402.866 4.144 工作面四周 G5 36379930.51 4203994.1 1422.497 1418.447 4.05 工作面四周
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表 4 GPS高程拟合校正结果
Table 4 Results of GPS elevation after fitting and correcting
点 北X/m 东Y/m 大地高Hd/m 拟合后结果好H校/m G1 36379930.51 4204454.1 1412.484 1409.007 G2 36380090.51 4204061.4 1435.898 1432.477 G3 36379930.51 4204234.1 1413.055 1409.242 G4 36379780.51 4204394.1 1407.01 1402.823 G5 36379930.51 4203994.1 1422.497 1418.317
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