毛易礦區(qū)及其外圍控煤構(gòu)造成因與演化

曹代勇 王林杰 易海霞 劉 登 陳健明 蔣艾林 周榮洲 李煥同

(1.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.湖南煤田地質(zhì)局第二勘探隊，湖南省株洲市，412000；3.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南省湘潭市，411100)

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

毛易礦區(qū)及其外圍 (以下稱為 “研究區(qū)”)位于長邵斷坳北段漣源坳陷中部隔擋式褶皺帶，北至晏家鋪向斜南段外延，南至毛易礦區(qū)，東接橋頭河向斜金竹山礦區(qū)，西臨冷水江向斜，面積約60km2。

研究區(qū)內(nèi)出露的地層由新至老依次為第四系(Q)、中上石炭統(tǒng)壺天群 (C2＋3)、下石炭統(tǒng)梓門橋組 (C1z)、測水組 (C1c)及石磴子組 (C1s)。主要含煤地層為測水組，以潟湖海灣相碎屑沉積為主，上部有少量碳酸鹽沉積，總厚100～170m。根據(jù)巖性及含煤性劃分為上、下兩段，上段厚60～88m，顏色一般較淺，不含可采煤層；下段顏色較深，含1～7層煤，厚40～82m，其中3＃和5＃煤層為主要可采煤層。

研究區(qū)主要的控煤構(gòu)造樣式為隔檔式褶皺和層間滑動斷層。隔檔式褶皺表現(xiàn)為寬緩的晏家鋪向斜、毛易向斜與緊閉背斜相間排列。本區(qū)的一條主要斷裂F1由3＃、5＃煤層 (組)及其破碎頂?shù)装褰M成了其層間破碎帶。由于測水組軟硬巖層相間，層理較為發(fā)育，下段3＃、5＃煤層及其泥質(zhì)巖為很好的潤滑層，在外力的作用下軟弱巖層極易成為順層斷層的滑脫面。

2 分段分帶特征

構(gòu)造幾何學(xué)分析是地質(zhì)構(gòu)造研究的基本工作，其目的是查清地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)特征、構(gòu)造要素的空間組合關(guān)系和展布規(guī)律，為進(jìn)一步的研究提供基礎(chǔ)。研究區(qū)的構(gòu)造以毛易-晏家鋪向斜為主體，逆沖推覆構(gòu)造為基本構(gòu)造格架，煤田構(gòu)造在不同區(qū)段表現(xiàn)出明顯差異。因此，本文將研究區(qū)劃分為北、中、南三段，各段分為東、中、西帶，見圖1。

圖1 毛易礦區(qū)及其外圍地質(zhì)簡圖

北段為晏家鋪向斜的揚(yáng)起端，向斜樞紐向北東傾伏。北段東帶主要斷裂為金盤侖斷層，金盤侖斷層在渣渡礦區(qū)南段表現(xiàn)為地層重復(fù)，在該斷層之上重復(fù)了下石炭統(tǒng)測水組及石磴子組，且渣渡礦區(qū)南段出露的測水組為金盤侖斷層上盤，為不均衡逆沖斷層導(dǎo)致的地層重復(fù)。

中段為晏家鋪向斜和毛易向斜的過渡帶。構(gòu)造東西分帶性在此段表現(xiàn)較為明顯，受后期構(gòu)造作用的影響，中段抬升遭受剝蝕，寬度變窄。所以中段中帶僅出露石磴子組灰?guī)r，中段東、西兩帶測水組剝蝕嚴(yán)重，煤系僅在斷裂帶以透鏡狀零星出露。實(shí)地觀測表明，西帶巖層傾角為30°～80°，東帶巖層傾角主要在30°～50°，西帶地層傾角大于東帶。

南段為一完整的短軸向斜—毛易向斜，其長軸與短軸比為3∶1。毛易向斜北起黃泥崗，南至花樹沖，南北長約6.9km，東西寬1.6km，軸向北北東，西帶地層傾角較陡，為20°～50°，東帶地層傾角較緩，一般15°～30°。本段西帶構(gòu)造較為復(fù)雜，煤系受斷層切割，出露不連續(xù)；中帶構(gòu)造簡單，出露煤系為推覆構(gòu)造上盤地層，寬度較為穩(wěn)定；東帶斷層的展布形態(tài)基本與煤系地層一致，推測往深部逆沖推覆斷層為順層發(fā)育，煤系為逆沖推覆斷層下盤地層，出露寬度穩(wěn)定。

3 運(yùn)動學(xué)特征

研究區(qū)經(jīng)歷了印支期以來多期次的構(gòu)造運(yùn)動，印支期SE-NW側(cè)向擠壓產(chǎn)生的層間滑動斷層，整體向北西逆沖推覆，形成于隔檔式褶皺定型之前，并且導(dǎo)致隔檔式褶皺 (即晏家鋪向斜和毛易向斜)的產(chǎn)生和最終定型。在之后的燕山、喜山運(yùn)動中推覆構(gòu)造進(jìn)一步被改造和加強(qiáng)，使之復(fù)雜化。研究區(qū)指向小構(gòu)造與巖組圖見圖2。F1逆沖斷層的兩側(cè)及斷夾塊中，斜歪、倒轉(zhuǎn)褶皺屢見不鮮。其軸面傾向和斷層面基本相同，指示斷層上盤逆沖的運(yùn)動學(xué)特征。

F1段層在全區(qū)的斷距一般都不大，斷裂帶寬度數(shù)米至幾十米。如中段東帶D07觀測點(diǎn)可見一條破碎帶，寬約20m，含石灰?guī)r透鏡體，片理發(fā)育，局部含炭質(zhì)可污手，破碎帶內(nèi)砂巖較脆，并伴有層滑現(xiàn)象。其中的兩組劈理產(chǎn)狀分別為199°∠55°和148°∠82°，顯示出兩期應(yīng)力的疊加。

中段西帶D51觀測點(diǎn)可見一壓性斷裂帶，寬約40m，帶內(nèi)構(gòu)造角礫巖呈透鏡狀、鳥眼狀、魚肚狀，軟弱帶主要發(fā)育豎立狀破劈理。斷裂面上發(fā)育階步和擦痕，由此判斷為西盤向東盤逆沖推覆。研究區(qū)擦痕運(yùn)動方向統(tǒng)計結(jié)果反映出斷層的運(yùn)動方向以北西向、南東向?yàn)橹鳌?/p>

圖2 研究區(qū)指向小構(gòu)造與巖組圖

4 動力學(xué)特征

根據(jù)共軛剪節(jié)理的分期配套結(jié)果，研究區(qū)自晚古生代以來先后主要經(jīng)歷了三期構(gòu)造應(yīng)力場。第一期構(gòu)造變形以南東-北西向的擠壓變形為主，本區(qū)的構(gòu)造格局基本形成；第二期構(gòu)造應(yīng)力場最大主壓應(yīng)力軸為北東-南西向，最大拉張應(yīng)力方向?yàn)楸蔽?南東向，這個時期研究區(qū)中段由于擠壓而抬升受到剝蝕，同時一些局部重力滑動構(gòu)造開始形成；第三期構(gòu)造應(yīng)力場最大主壓應(yīng)力軸為北西西-南東東。

研究區(qū)定向樣品的鏡下觀察很少見到石英顆粒的動態(tài)重結(jié)晶現(xiàn)象，而石英顆粒的波狀消光、變形紋、節(jié)理以及方解石顆粒的機(jī)械雙晶等都反映了研究區(qū)處于淺層低溫變形環(huán)境。

研究區(qū)內(nèi)巖石組構(gòu)分析表明，巖組圖對稱型式主要為似斜方對稱和三斜對稱，構(gòu)造巖類型為S構(gòu)造巖和B＋S構(gòu)造巖，滑移系以石英的底面滑移為主，為一種壓扭性的變形作用方式，反映了多期變形疊加的特征。

石英光軸的優(yōu)選方位型式主要以點(diǎn)極密部型和交叉圓環(huán)型為主，伴隨著應(yīng)變的增強(qiáng)，點(diǎn)極密部開始集中，形成小圓環(huán)帶，但其開角一般較小，反映出最大主應(yīng)力σ1的方位，即南東-北西向擠壓、北東-南西向擠壓、北西西-南東東向擠壓，這與構(gòu)造應(yīng)力場分析結(jié)果基本一致。

方解石動力雙晶是淺層次變形灰?guī)r中常見的顯微構(gòu)造現(xiàn)象，具有起始溫度低 (20℃)、臨界剪應(yīng)力值小 (約為10MPa)的特點(diǎn)。根據(jù)方解石動力雙晶化顆粒百分?jǐn)?shù)估算古應(yīng)力值大小，是脆性構(gòu)造域中動力學(xué)分析的常用方法。選定研究區(qū)5個灰?guī)r樣品，在顯微鏡下統(tǒng)計雙晶化顆粒百分?jǐn)?shù)，并利用分解應(yīng)力系數(shù)S1與雙晶化顆粒百分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線(據(jù)Jamison，1976)查出S1值，帶入式 (1)計算得出差應(yīng)力Δσ值，見表1。

式中:Δσ——差應(yīng)力，MPa；

T——臨界剪應(yīng)力，方解石為10MPa；

S1——分解應(yīng)力系數(shù)，與雙晶化顆粒百分?jǐn)?shù)存在對應(yīng)關(guān)系。

表1 研究區(qū)差應(yīng)力值計算結(jié)果

從表1可以看出，差應(yīng)力值主要集中在30～80MPa，平均值約為50MPa，屬于中等偏低強(qiáng)度的構(gòu)造應(yīng)力作用，且其差應(yīng)力平均值西帶＞東帶＞中帶，這與宏觀變形現(xiàn)象一致。

5 構(gòu)造演化

巖層巖性及巖層組合的顯著差異是滑脫構(gòu)造得以形成的必要條件?；摌?gòu)造系統(tǒng)得以滑移的介質(zhì)應(yīng)為軟弱層或者非能干巖層。測水組發(fā)育有煤層及泥頁巖，是本區(qū)重要的軟弱層，即為滑脫構(gòu)造的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)自晚古生代以來，經(jīng)歷了至少三期構(gòu)造運(yùn)動，現(xiàn)今的構(gòu)造面貌是多期構(gòu)造疊加的結(jié)果。

5.1 印支期南東-北西向擠壓奠定蓋層構(gòu)造的基本構(gòu)造格架

印支早期，印支陸塊與華南陸塊發(fā)生碰撞，華南南部古特提斯洋閉合。研究區(qū)在南東-北西向構(gòu)造應(yīng)力場作用下，沿軟弱層發(fā)生滑脫拆離，在泥盆系-中三疊統(tǒng)構(gòu)造層形成順層發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造，同時形成隔檔式褶皺的雛形，從而奠定了蓋層構(gòu)造的基本構(gòu)造格架。此時期，晏家鋪向斜作為整體存在于研究區(qū)內(nèi)。

5.2 燕山早中期北西-南東方向伸展作用進(jìn)一步改造構(gòu)造面貌

燕山期早中期應(yīng)力場最大拉張應(yīng)力方向?yàn)楸蔽?南東向，最大主壓應(yīng)力軸為北東-南西向。該伸展作用導(dǎo)致沉積蓋層沿加里東構(gòu)造層頂部滑體層向南東方向發(fā)生大規(guī)模重力滑動，形成區(qū)域性蓋層重力滑動構(gòu)造，并且改造了印支期的部分構(gòu)造面貌。同時，一些向斜的兩翼亦發(fā)生滑向向斜核部的重力滑動，一些局部重力滑動構(gòu)造開始形成。在北東-南西向的側(cè)向擠壓作用下，向斜中部隆起遭受剝蝕，導(dǎo)致晏家-毛易向斜的中部石磴子組直接出露地表。與此同時，晏家鋪向斜南段揚(yáng)起，向北東傾伏。

5.3 燕山晚期北西西-南東東向擠壓基本形成現(xiàn)今構(gòu)造格局

燕山晚期應(yīng)力場表現(xiàn)為北西西-南東東向擠壓，致使沉積蓋層發(fā)生褶皺-逆沖推覆變形，形成一系列較緊閉的線狀褶皺和逆沖斷層。并且先期形成的褶皺和斷層再次發(fā)生活動，構(gòu)造面貌更加復(fù)雜化。至此，研究區(qū)南北分段、東西分帶的構(gòu)造格局基本形成。

6 結(jié)語

研究區(qū)中段由于抬升，煤系大多被剝蝕，沿東西斷裂帶出露透鏡狀煤系，平面上極不穩(wěn)定，因此該段找煤希望較?。荒隙蚊紫蛐睘榛摂鄬由媳P煤系，已由大建煤礦等生產(chǎn)礦井開發(fā)，找煤方向應(yīng)關(guān)注兩翼滑脫 (逆沖推覆)構(gòu)造下伏煤層。

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