豫東地區上古生界含煤巖系構造-巖漿控煤作用樣式

李文前，郭新體，王 昆，黃 婷，許亞坤，趙明珍

(河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，河南 商丘 476000)

構造-巖漿活動對煤系地層的形成和形變過程具有重要控制作用，是煤系形成、形變和賦存的首要控制因素[1-4]。構造-巖漿控煤作用研究強調構造形態對煤系的聚集、賦存、聚煤和變質作用之間關系的研究，以及區域構造變形和大地構造演化對含煤巖系的影響和綜合作用[5,6-9]。控煤構造樣式作為構造控煤作用研究的核心內容，用以描述同一構造變形(應力作用)下所產生的煤系變形特征，一般是指對煤系地層的形成、形變和賦存具有控制作用的構造樣式的總和。控煤構造樣式的研究對于認識聚煤盆地地質構造發育規律和建立模型進行構造-巖漿控煤預測具有重要理論和勘探意義[5,10-12]。

1 區域地質背景

豫東地區位于華北地臺華北坳陷通許隆起至永成-夏邑一線。次級構造單元分布從北向南依次為開封凹陷、通許凸起、永城陷褶段束和周口凹陷，基本呈“兩凹夾一隆”的格局[7]。南北坳陷保存了較為完整的石炭系和二疊系含煤巖系，中部隆起由于后期隆升剝蝕，部分含煤巖系缺失，加之后期北西向和北東向斷層的切割和差異升降，使煤系地層的賦存格局發生變化，呈現東西成帶、南北成塊的格局(圖1)。

圖1 豫東地區構造單元分布

據地震和鉆探資料揭示，豫東地區大部分褶皺為低幅度、延伸不遠的背、向斜或鼻狀構造。區內較大的褶皺構造有永城背斜及杜集背斜。研究區斷裂構造發育，多為正斷層，以斷距較大、延伸較遠為特點，另有少量NW走向的左行走滑斷裂。主要可見NNE-NE向、NW向及近EW向三組斷裂。大致沿鄭州-尉氏-太康-禪城一線發育NW向構造，并以此為界，西南部主要發育近EW-NNW向構造，形成近EW-NWW向條帶狀凹、凸相間的構造格局，東北部則主要發育NNE-NE向構造，并以NNE-NE向展布的塊狀構造單元為特點。其規模較大、延伸較長的Ⅰ級和Ⅱ級斷層控制了該區構造格局和沉積凹陷的發育。據斷層活動性分析，斷層的主要活動發生在山西組和下石盒子組，同一斷層不同部位的活動性不一致，總體具有西弱東強，北弱南強的特點。東部地區的斷層活動明顯要強于西部地區。

2 褶皺和斷裂構造對煤層的控制

豫東地區的煤系地層總體呈現低角度單斜形態，變形弱，以單斜和寬緩背斜為主，區內小型褶皺(包括背斜和向斜)和斷裂十分發育(圖2)。以褶皺和后期斷裂活動為主，斷層大部切割煤系地層，局部同沉積斷裂對上盤煤層具有增厚作用。以杜集背斜為界，西部柘城地區的構造總體較為簡單，煤層厚度穩定，煤層向北部寧陵-商丘隆起上傾尖滅，向南部柘城向斜和東部杜集向斜傾伏，東部向杜集背斜上傾尖滅。東部夏邑-永城地區褶皺和斷裂構造較為發育，煤層總體向永城背斜抬升上傾，在韓口和順和西地區存在局部隆起。褶皺軸向以近南北和北北東向為主，少量近東西向，與斷裂走向近于平行。受通許隆起和杜集-永城大型沉積背斜的控制，煤層主要賦存在西部通許隆起南部坳陷和東部夏邑-永城坳陷，煤層向隆起區或背斜上傾尖滅，背斜帶遭受后期抬升剝蝕(圖3)。

2.1 褶皺對煤層的控制

褶皺對煤層的影響主要表現為煤層的減薄、增厚和剝蝕。豫東地區發育同沉積背斜、同沉積向斜、拖曳褶皺和拖曳反相褶皺等類型，不同褶皺構造類型對煤層的影響程度不同。

1) 同沉積背斜：僅見于城郊礦區，以徐棗園-程樓背斜為代表。雙側被斷裂圍限，構成“斷背構造樣式”，造成背斜軸部煤系地層抬升變淺(圖4(b))。

2) 同沉積向斜：如永城煤田的張莊向斜、葛雙新向斜和將閣向斜等。雙側均為正斷層控制，形成“斷向構造樣式”，造成向斜軸部煤系地層的埋深增加(圖4(a),圖4(c),圖4(e))。

圖2 豫東東部永城煤田構造地質簡圖

圖3 豫東東部永城煤田SEE向構造-地層剖面(剖面位置見圖2)

圖4 豫東地區褶皺構造對煤層的控制(剖面位置見圖2)

3) 拖曳褶皺和拖曳反相褶皺： 拖曳褶皺以四里禪堂向斜為代表(圖4(c))。單側發育斷層，受基底沉降影響，下降盤一側快速沉降形成向斜，屬于“半斷向斜構造樣式”，導致下降盤一側煤層埋深加大。拖曳反相褶皺以永城煤田薛湖礦區西南部的聶奶廟褶皺(圖4(d))、城郊礦區南段的小莫莊向斜為代表。早期為兩側斷裂控制的向斜構造，后期受到區域擠壓應力作用，使早期的向斜隆起形成背斜構造，造成構造形態的反轉，隆起區往往會遭受剝蝕，導致煤層變薄或缺失。此外，城郊礦區還存在許多與斷裂無關的反相褶皺構造，早期的隆起區受后期區域擠壓應力作用變成向斜構造，對煤系地層的主要影響在于煤層埋深的增加或減小，如高六灣向斜、小趙營背斜、李固同背斜、周莊向斜、陳四樓向斜等，這些褶皺構造發育于早二疊世的隆凹期，晚二疊世四煤組沉積期仍在活動(圖4(b)、圖4(e)圖4(f))。

2.2 斷裂對煤層的控制

豫東地區次級斷層較為發育，主要是高角度的正斷層，許多斷層主要造成對煤系地層的分割和切塊形成斷塊構造，對煤層的厚度、連續性和埋深造成影響。部分斷層具有同沉積性質。

1) 繼承性同沉積斷裂，以城郊礦區F17斷裂為例。該斷裂是東側相對上升，西側相對下降的南北向正斷層。在晚二疊世早期四煤組(K5-K6)沉積期，繼承了早二疊世的沉積特征，西側上盤持續沉降，推測四煤組沉積后的各段沉積均呈現出相似的差異性，直到燕山期構造運動強化，在其西側下降盤形成明顯的向斜形態(圖5(a))。此外，與F17斷裂共同控制蔣閣向斜形成的F5斷裂，控制張莊向斜的F2’和F12斷裂，永城背斜東翼葛雙新向斜兩側的王莊斷層和雙廟斷層，具有與F17類似的構造-沉積演化過程。

2) 后期改造反轉斷裂，受地史時期不同構造應力的作用，斷層性質發生變化，即斷層產生“正反轉”或“負反轉”現象。這類斷裂發育較廣泛，控制著本區普遍存在的“反相褶皺”的形成，造成煤系地層埋深的變化。

以城郊控制小莫莊向斜形成的F20斷層為例，表現為北盤相對下降的正斷層。斷層北盤由于受斷塊相對沉降的拖曳牽引作用影響，形成了一個與斷裂延伸方向基本平行的小莫莊向斜構造，從二疊紀各組段的沉積厚度及巖性分析，這一斷裂兩盤的運動方向在不同階段發生了改變。早二疊世沉積期，曾發生過相對差異升降運動，斷裂北部斷塊相對下降。晚二疊世早期四煤組沉積期，斷層發生擠壓“正反轉”，形成了一個大體與斷裂延伸方向一致的隆起帶(圖5(b))。城郊區東北部的漢陳向斜，兩側由F18和F13斷層所控制。兩條斷層在二疊紀各組段的沉積厚度及巖性特征均表現出與F20斷層一樣的特征，具有相同的發育演化歷程。

圖5 豫東地區斷裂構造對煤層的控制(剖面位置見圖2)

3 控煤構造樣式

構造樣式是指一群構造或某種構造形態特征的總和，或一組相關構造的總體特征。控煤構造樣式用以描述對煤系和煤層的形成、演化和賦存具有控制作用的構造樣式，它們是區域構造樣式的重要組成部分，是成煤后多次構造變形疊加綜合作用的結果，對揭示煤田構造發育規律，建立控煤地質構造模型，煤炭資源預測具有重要意義。

從煤層底板等值線圖、煤層厚度圖和剖面圖分析，豫東地區發育伸展斷裂組合構造樣式、同沉積構造樣式、反轉構造樣式和巖漿構造樣式四類控煤構造樣式，但總體以伸展斷裂組合構造樣式為主(圖6)。

圖6 豫東地區構造-巖漿控煤樣式

3.1 構造-巖漿控煤作用的基本特點

從豫東地區煤層賦存規律，褶皺、斷裂和巖漿活動特點分析，豫東地區煤層主要形成于上古生界的石炭紀和二疊紀，屬于華北克拉通陸表海濱岸沼澤聚煤環境，早期基底隆凹格局控制了煤系地層的形態、厚度和分布位置。而大部分褶皺、斷裂構造在燕山期形成和活動，巖漿作用也主要發生燕山期。因此，構造-巖漿作用影響主要表現在對煤層的后期改造方面。杜集和永城大型背斜形成較早，控制了研究區主要煤層和富煤帶的總體分布格局。斷裂作用是研究區煤層賦存的主要控制因素且影響廣泛，對煤層的埋深和形態有重要影響，對煤層的厚度影響有限。巖漿作用對局部地區煤層產生重要影響，表現為吞噬煤層和煤層的變質程度加大。褶皺作用影響相對較弱，只在局部地區存在同沉積褶皺，造成煤層的局部增厚。

與安徽和豫西等鄰近地區相比，豫東地區的構造-巖漿控煤作用具有以下特點。

1) 豫西煤田滑覆構造發育，煤田蓋層構造分區性明顯，以掀斜斷塊為主的伸展構造和沿蓋層中軟弱層位發育的重力滑動構造為特色，造成煤層局部加厚、翹傾和缺失。煤層厚度異常帶展布與斷塊走向平行，煤變質程度和變形強度與層間滑動強度正相關[13]。而豫東以寬緩褶皺和后期斷裂活動為主，主要造成煤層埋深的變化。

2) 豫西地區斷層活動燕山期為褶皺和沖斷作用，喜山期發生伸展作用，造成半地塹型聚煤盆地。豫東地區褶皺總體表現平緩，大型褶皺控制著富煤帶的展布，后期伸展斷裂對煤系地層的分割和切塊形成斷塊構造，對煤層的厚度、連續性和埋深造成影響。

3) 豫西地區煤田巖漿活動規模小，對煤層的影響范圍有限，在平頂山、寶豐及西部陜縣一帶有小規模酸性和中酸性巖漿侵入。而豫東地區巖漿活動較為廣泛，對煤層造成吞噬、減薄和煤變質程度的顯著提高。

4) 安徽省以擠壓控煤構造樣式為主，發育在煤田邊界地區，煤田內部構造相對簡單，煤系變質程度較低。豫東地區整體以伸展構造背景控煤作用為主。

3.2 構造-巖漿控煤樣式

3.2.1 伸展斷裂組合構造樣式

以發育伸展背景條件下的正斷層和寬緩背斜組合為特征，組成單斜構造、壘塹構造、斷背構造和斷向構造四種類型。煤系被斷層切割，在斷層之間形成背斜和向斜構造，同時也造成煤層的埋藏深度的變化。煤系賦存穩定，保存較好，埋深中等-較淺。單斜斷塊的構造變形較弱，一般呈大型緩傾至中等角度產出，且多被斷層切割，斷層不具主導控制作用，可形成厚煤層。單斜斷塊型控煤構造樣式在豫東地區煤田中非常常見，既見于大型褶皺的翼部及斷裂帶附近，也見于盆地的邊緣及隆起的周邊地區。塹壘構造中上升盤因抬升而煤系埋深變淺且構造簡單有利于勘探開發，兩側正斷層多構成井田的自然邊界。地塹內部煤系地層呈背斜或向斜構成斷背斜或斷向斜構造樣式。褶皺斷裂(褶斷)型構造樣式(包括斷背型和斷向型)以向斜、背斜、復向斜、復背斜的形態產出。隨著應力變化形成逆斷層，先前形成的褶皺被不同程度的切割、破壞，形成褶-斷組合形態。

3.2.2 同沉積構造樣式

受同沉積斷裂和褶皺的控制，斷層上盤煤層加厚，向斜核部煤層較厚、埋藏較深，向背斜超覆上傾，煤層埋藏較淺。豫東地區發育兩個大型沉積背斜構造：杜集背斜和永城背斜。這兩個背斜控制了豫東地區煤層的空間分布，煤層圍繞背斜周圍分布，向背斜上傾尖滅。

3.2.3 反轉構造樣式

由于構造應力場發生變化，導致構造性質發生根本轉變。沉積期的負向構造改造成正向構造，煤系的完整性保存較好，前期的上盤隆起區變成了后期埋藏較深的向斜坳陷。正向構造改造成負向構造，前期煤系埋藏較深的上盤向斜坳陷區后期被改造成了埋深較淺的背斜隆起區。正反轉和負反轉構造常常由于斷層兩盤相對運動時互相牽引，形成拖拽褶皺(背向斜)。

3.2.4 巖漿構造樣式

豫東地區巖漿活動頻繁，導致煤層變形或變質。巖體有順層侵入、單側侵入和中央侵入三種侵入樣式。順層侵入巖體往往使煤層減薄，或變質成為天然焦，但煤層總體形態沒有發生大的改變；單側侵入指巖漿從煤層的單側方向侵入，侵入方式主要有順層侵入，底部侵入或煤層中間侵入，對煤層形態、厚度和煤質特征造成較大影響。

在綜合分析和典型解剖豫東地區構造-巖漿控煤作用基礎上，總結了豫東地區構造-巖漿控煤作用模式(圖7)。

圖7 豫東地區構造-巖漿控煤作用模式

4 結論

1) 豫東地區發育上古生界煤系地層，通許隆起和杜集-永城大型沉積背斜控制了含煤巖系的賦存狀態。煤層向隆起區或背斜上傾尖滅，背斜帶煤系地層遭受后期抬升剝蝕。

2) 豫東地區發育4大類和13亞類構造-巖漿控煤樣式。總體以伸展斷裂組合構造樣式為主，局部存在擠壓反轉構造、同沉積構造和巖漿侵入構造樣式組合。

3) 豫東地區構造-巖漿作用對煤層的影響程度表現不一，大型褶皺隆起和坳陷邊界斷裂控制了富煤帶的發育，坳陷內部褶皺和斷裂控制了煤層的賦存狀態，富煤中心主要分布在隆起區周緣。褶皺構造主要對煤層造成變形和厚度變化，斷裂活動主要出現在聚煤后期，造成煤層的抬升剝蝕或埋深增大，對煤層厚度影響不大，燕山期巖漿活動主要分布在豫東東部地區，侵入方式多樣，造成煤層吞噬和煤變質程度的顯著提高。

4) 與豫西和安徽相鄰地區控煤構造類比，以擠壓構造背景為主，煤層形態復雜，厚度變化大，但巖漿活動影響較小。豫東地區整體以伸展背景為主，褶皺和斷裂對煤層埋深影響較大，巖漿活動相對頻繁，對煤層厚度、分布和變質程度有重要影響。

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