永夏煤田斷塊運動與構造特征的形成?

王 昆 許亞坤 方憶剛

(河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院,河南省商丘市,476000)

永夏煤田斷塊運動與構造特征的形成?

王 昆 許亞坤 方憶剛

(河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院,河南省商丘市,476000)

從聚煤期構造的活動特點出發,結合河南省東部永夏煤田的主要構造特征,初步探討了區內的斷塊運動,指出研究區是基底斷塊控制蓋層構造形態的典型例子,區內普遍存在“反相”褶皺是由于地史時期永夏煤田各斷塊的相對升降運動在發生著反復變化。由于基底斷裂及石炭二疊紀沉積期同沉積斷裂的存在,再加上燕山運動及其以后的構造應力場,共同導致了永夏煤田現今構造形跡的形成。

永夏煤田 斷塊運動 “反相”褶皺 構造特征

永夏煤田位于河南省夏邑縣和永城市境內,西界到濟陽斷層,北、東、南界均至豫魯、豫皖省界,區內除永城芒山一帶出露有少量基巖外,其余全被新生界地層覆蓋。主要含煤地層為石炭系和二疊系,含煤總面積約1300 km2。利用研究區近年來最新的物探、鉆探等勘查成果,運用板塊構造學和沉積學觀點,對研究區斷塊運動、構造特征進行了探討,并預測了找煤有利地帶,為老礦區外圍、平原新生界覆蓋區及深部煤炭資源預測提供了地質依據。

1 區域構造背景

永夏煤田大地構造位置處于華北板塊嵩箕構造區內的永城斷隆,以八里莊斷層(焦作—商丘大斷裂的東延部分)為界劃分為兩個構造單元,八里莊斷層以南以永城隱伏背斜為主體,控制了區內煤層的賦存及展布情況,八里莊斷層以北以近EW向的邙山背斜為主體,南翼被八里莊斷層所切割,背斜軸NNE向延伸,向東延入安徽省境內,向西傾伏于濟陽斷層,并保留了埋藏較深的煤系地層。

2 研究區構造特征

從目前揭露的構造來看,永夏煤田斷裂比較發育,褶皺變動次之,大多為兩翼平緩開闊的短軸褶曲,背斜、向斜相間出現,斷裂構造具有階梯狀或地壘、地塹狀組合的特點,如圖1所示。

圖1 永夏煤田構造地質簡圖

區內斷裂以NNE向和NE向最發育,近EW向和NW向次之,為一系列近平行的高角度正斷層。據以往地質資料,永夏煤田切割奧陶系基地的斷層數量較多,表現為EW向及SN向的基底斷裂,較大的基底斷裂如DF7、F20、F2、F1、 DF15、DF19、DF20、DF21、濟陽斷層等。這些斷裂相互交切,將永夏煤田基底切割成4個較大的基底斷塊和若干次級斷塊,斷塊活動對于沉積期構造及后期改造起著控制作用。

永城隱伏背斜為永夏煤礦區域的主體褶皺構造,背斜核部位于黃口—永城市區—薛湖鎮侯樓一帶,軸向NNE10°～15°,延伸長達60 km,寬約40 km,至八里莊斷層傾伏,褶皺軸面總體西傾,傾角約80°左右。東西兩翼及北轉折端由石炭系和二疊系含煤碎屑巖組成。東翼地層傾角較陡,產狀105∠30左右,西翼傾角較緩,總體產狀285∠15左右。

根據研究區構造石炭二疊紀期間的活動特點,可以劃分為兩種基本類型:

(1)繼承性的同沉積構造,包括繼承性同沉積斷層、同沉積背斜、同沉積向斜。繼承性同沉積斷層即斷層兩盤的相對升降運動方向在石炭二疊期不發生變化,一直繼承性地發展,斷層性質不發生改變的斷層;同沉積向斜是在石炭—二疊紀沉積期坳陷的基礎上發育起來的,大多表現為地塹,是兩側正斷層造成斷塊下降,形成沉積期坳陷,在后期構造運動中得到加強形成了向斜褶皺構造。典型代表為張莊向斜、葛雙新向斜、蔣閣向斜,如圖2(a)所示;同沉積背斜在研究區僅見于城郊礦區,以徐棗園—程樓背斜為代表,發育在兩個正斷層構成的地壘構造上,如圖2(b)所示。

圖2 繼承性同沉積褶皺示意圖

(2)由于斷層兩盤斷塊相對運動方向發生改變的同沉積構造,包括非繼承性同沉積斷層和“反相”褶皺。非繼承性同沉積斷層指受地史時期不同構造應力的作用,斷層兩側斷塊相對升降的方向發生改變,斷層同一側的斷塊產生先升后降或先降后升的構造反轉現象。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,如圖3(a)所示。結合永夏煤田實際情況,“反相”褶皺指沉積期的負向構造(坳陷)被后期構造運動改造成為正向構造(背斜)、沉積期的正向構造(隆起)被后期構造運動改造成為負向構造(向斜)。根據褶皺和斷裂之間的組合關系,可分為兩種基本類型,一種是兩條斷裂所挾持的斷塊中發育起來的“反相”構造,另一種是位于一條斷裂旁側的“反相”褶皺。前者一般為地壘斷塊形成“反相”背斜,如圖3(b)所示,地塹斷塊發育“反相”向斜,如圖3(c)所示,背斜軸部煤系地層大多受到強烈剝蝕,甚至主采煤層二2煤也被剝蝕掉,向斜核部煤層地層大多得以保存;后者是由于斷裂活動時旁側斷塊發生了拖曳牽引而形成的,稱之為拖曳型“反相”褶皺。

3 斷塊運動與構造特征的形成

永夏煤田二疊紀以來繼承性發展起來的同沉積構造幾乎全都是近SN向的,部分為北偏西方向,而EW向的構造幾乎全部表現出“反相”構造的特征,這是永夏煤田構造發育過程中突出的特點。這一特征決定了永夏煤田SN向的斷裂構造基本上都是繼承性發展起來的張性正斷層,它們組成一系列的地塹、地壘構造,其中發育著繼承性的同沉積褶皺。EW向斷裂則不同,這些斷裂大部分都是從晚二疊世才開始發育起來的,而且早期均表現為壓性逆斷層的性質,后期則兩盤相對運動方向發生改變,斷裂的性質由壓性變為張性,其同所夾斷塊上的蓋層構造性質相應地也發生了改變,形成“反相”褶皺。

從上述構造特征可以看出,永夏煤田從二疊紀沉積期開始到燕山運動發生,主要是東西向的引張應力場在起作用,見圖4(a);而南北向的擠壓應力場僅在晚二疊世四煤組沉積期以后才有明顯作用,引起一系列EW向斷裂發生逆沖運動,但可能持續不久就和緩下來,見圖4(b)。在燕山運動期間,基底斷裂及沉積期新生的斷裂不斷活動,所切割成的各級斷塊發生差異升降,決定了永夏煤田構造形態的形成。

斷塊構造學說的理論認為基底構造對蓋層構造的形態起著控制作用,其控制方式包括斷裂控制和斷塊控制兩種。縱觀永夏煤田構造形態的特征和發育歷史可以看出,永夏煤田的構造特征屬于基底斷塊控制蓋層構造形態的典型實例。永夏煤田的構造發育歷史劃分成兩個階段:一是石炭二疊紀蓋層沉積階段,二是燕山運動期間蓋層構造定型的階段。早期階段在華北板塊與東北板塊對接拼合的構造背景下,由區域性的南北向擠壓引起本區派生的東西向引張,沉積基底不斷沉降。東西向的引張應力造成本區SN向斷裂以正斷層的形式普遍活動。由于斷裂塊體的沉降速度各不相同,即斷塊差異升降運動的存在,造成沉積期同沉積構造的不斷發育,同沉積構造的形態則完全受斷塊構造學說的基本原理所支配,即相對沉降的斷塊控制蓋層中向斜構造的形成,相對上升的斷塊控制蓋層中背斜構造的形成。燕山運動期間本區受到西伯利亞板塊和太平洋板塊逆時針扭動應力場派生的東西向擠壓應力的影響而發生隆起,是本區褶皺構造的生成和同沉積構造的強化、定型階段。

圖3 非繼承性同沉積構造示意圖

由斷裂構造控制的“反相”褶皺構造實際上也是受斷塊的相對升降運動所控制的。在沉積期作相對上升運動的斷塊控制著沉積期隆起的形成,當這一隆起斷塊后期轉而下降時,隆起期的沉積物連同后期沉積物一起轉入同沉積向斜的發育過程。由于后期構造運動發生時這一斷塊繼續沉降,其上就發育成為向斜形態,相對于早期(即相對隆起區)的構造形態,形成“反相”向斜構造。同樣,沉積期做相對沉降運動的斷塊控制著沉積期坳陷的形成,當這一斷塊后期轉變為上升隆起時,原來坳陷期的沉積物連同后期沉積物一起轉入同沉積背斜的發育過程,由于后期構造運動發生時這一斷塊繼續相對上隆,其上的同沉積背斜得以繼續發育,形成背斜構造。相對于沉積期的坳陷而言,就是典型的“反相”背斜構造。拖曳型“反相”褶皺構造的成因大體與之相似。

綜上,永夏煤田現存表現的各種構造形跡,很可能是燕山運動期間同一構造應力場的產物。燕山運動的應力場是由于太平洋板塊相對向北西而西伯利亞板塊相對向南的逆時針扭動產生的,這種扭動應力場在我國東部形成了著名的北北東向的新華夏構造體系,同一方式的應力場在永夏煤田之所以能夠形成近SN向和近EW向的兩組褶皺構造形跡,是由斷塊的邊界條件決定的。由于邊界斷裂改變了區域構造應力場主應力的方向,在斷塊內部形成了與區域主應力場主應力的方向頗具差別的局部構造應力場,使各個斷塊內形成了獨特的構造形跡。近EW向基底斷裂發育的斷塊,可以形成以EW向構造為主的構造形跡;而在近SN向斷裂發育的斷塊里,既形成有EW向褶皺和斷裂,又形成有SN向褶皺和斷裂,兩組構造線相互交叉、互相切割的構造面貌。

圖4 二疊世沉積期應力作用示意圖

4 找煤預測

根據對本區構造形跡及斷塊運動的認識,本區SN向褶皺構造基本上都是在石炭二疊紀沉積期構造基礎上發育起來的繼承性構造,地壘構造之上形成背斜褶皺,煤系埋藏較深;地塹構造上形成向斜褶皺,煤系埋藏較深。由于埋藏較深不易開發,背斜之上煤系又大都受到剝蝕,因此要尋找有利于開發的煤系地層埋藏區,比較有利的構造部位是復式背斜褶皺中的次級向斜地帶以及復式向斜褶皺中的次級背斜地帶。這些次級背斜和向斜往往受同沉積的次級斷裂控制,如能根據物探資料查明這些次級斷裂的存在,根據斷裂的組合方式可判斷出復式褶皺中次級地塹、地壘構造的存在,作為預測找煤的有利地帶。

5 結論

(1)永夏煤田二疊紀以來繼承性同沉積構造幾乎全是近SN向的,部分為北偏西方向,而絕大多數EW向構造表現出“反相”褶皺的發育歷史,原因在于地史時期永夏煤田各斷塊的相對升降運動在發生著反復變化。

(2)永夏煤田早二疊世時,SN向的基底斷裂活動比較明顯,到晚二疊世時,EW向基底斷裂活動才顯著增強。石炭紀、二疊紀、三疊紀的地層屬區域性的連續沉積,直到侏羅紀燕山運動開始,才發生強烈的斷裂變動和褶皺變形。但在我國東部燕山運動及其以后的構造應力場主要是造成北北東向的新華夏系構造發展成熟的直線扭動應力場,即東部向北、西部相對向南的逆時針扭動應力場。在這種應力場的作用下,由于基底斷裂以及石炭二疊紀沉積期同沉積斷裂的存在,作為邊界條件可以產生不同方向的局部應力場,從而形成不同方向的褶皺構造。

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The fault block movements and the formation of the structural features in Yongxia coalfield

Wang Kun,Xu Yakun,Fang Yigang
(No.4 Institute of Geological&Mineral Resources Survey of Henan,Shangqiu,Henan 476000,China)

Through the analysis of the activity characteristics of structures in coal forming period,combined the main tectonic characteristics of Yongxia coalfield in east Henan,the author discussed preliminarily the fault block movements in the region,and pointed out the research area was a typical example that basement fault block controlled the structural configuration of sedimentary cover.The reverse folds exited universally was caused by the repeating changes of relative heaving motion of fault block in Yongxia coalfield in geological time.The basement rift, syndepositional fault in the depositional stage of the Permo-carboniferous,Yanshan movement and tectonic stress field later leaded jointly to the formation of current structural features in Yongxia coalfield.

Yongxia coalfield,fault block movement,inverse folds,structural feature

P618.117

A

王昆(1985－),女,河北定州人,工程師,碩士,主要從事煤田地質勘查及科研工作。

(責任編輯 郭東芝)

河南省國土資源廳2011年度“兩權價款”地質科研科技攻關項目(2011－622－10)