韓城礦區晚石炭世以來的升降運動及其控煤效應

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2017.05

12文章編號： 1672-9315（2017）05-0674-06

摘要：升降運動是控制煤層聚積與賦存的首要地質因素，是構造控煤研究的重要內容之一。在韓城礦區4大井田各選取一個具有代表性的鉆孔，應用沉降史分析理論和方法，研究該礦區自晚石炭世以來的升降運動特征及其對聚煤作用和煤層賦存狀態的控制效應。研究表明，自晚石炭世以來，研究區先后經歷了區域性沉降、不均勻抬升和局部沉降，分別發生在晚石炭世～中三疊世、晚三疊世～中新世、上新世～第四紀。升降運動對聚煤作用過程及煤層賦存狀態有重要的控制作用。聚煤作用因沉降速率加快而停止，1 000 m的總沉降量促進了煤化作用的進行和煤層氣資源的形成，后期抬升使部分煤層遭到剝蝕，同時也使部分煤層埋深變淺，便于開采利用。關鍵詞：沉降史；上升量；沉降量；控煤效應；韓城礦區中圖分類號：P 618.11文獻標志碼： A

Upliftsubsidence movement and its control effect on coal

in Hancheng Mining area since Late Carboniferous

SUN Tingchen1，XIA Yucheng1，WEI Zhaoxiang2，GUO Chen1，

WANG Sherong2，LIANG Qianwen1，QI Yunwang2

（1.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Shaanxi Hancheng Coal Mining Co.，Ltd.，Hancheng 715400，China）Abstract：Upliftsubsidence movement is the primary geological factor to control the accumulation and occurrence of coal seams；it is also one of the important research contents on structural control of coal.According to the stratum information from four representative drillings in Hancheng mining area，the characteristics of upliftsubsidence movement since Late Carboniferous Epoch and its control effect on coalaccumulation and the occurrence state of coal seams are researched using subsidence history analysis theory and method.The research results show that the area experienced successively regional subsidence from Late Carboniferous to Middle Triassic，uneven uplift from Late Triassic to Miocene，and local subsidence from Pliocene to Quaternary since Late Carboniferous Epoch.The upliftsubsidence movement played an important control role in the accumulation and occurrence of coal seams.The coal accumulation came to a stop due to the subsidence accelerated；the coalification was promoted and coalbed methane resources was formed since the total settlement of more than one thousand meters；the parts of the coal seams wear eroded，and the other part of the coal seams shallowed for easy to miming during later tectonic uplift movement.Key words：subsidence history；uplift range；subsidence range；control effect on coal；Hancheng Mining area

0引言構造解析是分析和解釋地質體內部結構、構造規律性及其演化的方法，包括幾何學、運動學和動力學分析3部分[1]。升降運動是聚煤盆地的運動形式之一，研究升降運動及其控煤效應是煤田地質構造解析必不可少的重要環節。將油氣地質中廣泛應用的沉降史模擬技術引用到煤田地質研究中，根據沉降曲線劃分出升降運動的階段，分析含煤盆地升降運動規律[2-3]，有助于更深入地揭示煤田地質構造發育規律及其形成演化機理。韓城礦區位于陜西渭北石炭-二疊紀煤田東部，雖有不少關于礦區構造展布規律的分析，但對礦區構造運動學特征的研究還停留在定性推測階段。文中采用沉降史反演回剝法[4-5]，追溯韓城礦區自晚石炭世以來的構造沉降史，計算礦區煤系基底在不同時期的構造沉降量和抬升量，劃分升降階段，并分析其升降運動特征及其對聚煤作用和煤層賦存狀態的控制效應，為韓城礦區構造控煤研究提供量化依據，同時加深對其聚煤作用、煤變質作用、煤層氣賦存規律的認識與理解。

1礦區地質概況韓城礦區位于鄂爾多斯盆地東南緣，渭北隆起帶東段，南隔渭河地塹系與秦嶺褶皺帶相鄰，東接汾河地塹[6]。礦區主要發育石炭-二疊紀含煤巖系，煤系基底為奧陶系石灰巖。礦區總體構造格局是倒轉背斜的殘留翼，表現為一走向NE，傾向NW，被次級褶皺與斷裂構造復雜化的單斜構造（圖1）。斷裂構造與褶皺構造均較發育，但在空間上差異明顯，總體具有“東西分帶，南北分塊；淺部復雜，深部簡單”的規律和“東強西弱、南強北弱”的特點。從斷裂構造的發育形式看，南區以切層斷層為主，北區以層滑構造為主，呈“南斷北滑”的特點，東緣發育逆沖推覆構造[7]。晚古生代以來，礦區依次形成上石炭統-下二疊統太原組，下中二疊統山西組，中二疊統下石盒子組，中上二疊統上石盒子組，上二疊統孫家溝組，下三疊統劉家溝組、和尚溝組，中三疊統二馬營組等地層，局部上覆新近系上新統和第四系地層，缺失中生界上三疊統、侏羅系和白堊系以及古近系地層。

圖1韓城礦區構造綱要及鉆孔位置示意圖

Fig.1Structure outline map with drill

location of Hancheng mining area

2沉降史分析原理及其參數的選取現代構造理論認為，盆地基底的沉降（總沉降量）包括構造作用引起的構造沉降和沉積負荷產生的負荷沉降2部分。總沉降量反映了地層沉積后盆地下沉的幅度以及該地層的埋藏歷史。從總沉降量中除去沉積負荷所造成的沉降量就得到構造沉降量[8]。沉降史反演分析常用回剝法進行。回剝法就是利用巖石骨架厚度不變模型，按照從新到老的順序逐層去掉各個時期上覆地層，通過壓實校正等校正方法獲得各年代地層的原始沉積狀況及盆地可能的原始形狀[9]。

2.1去壓實校正原理對現今沉積地層厚度進行壓實校正，將其恢復到地質歷史時期沉積時或埋藏過程的原始厚度。在正常壓實情況下，一般假設沉積物孔隙度隨深度增加滿足以下指數關系[5，8]

z=0×e-cz

.（1）

式中（z）為埋藏深度z處的地層巖石孔隙，%；0為地表（z=0）時沉積物原始孔隙度，%；c為地層壓實系數（m-1），隨巖性不同其取值不同。假定壓實前后巖層的骨架厚度始終不變，沉積巖層的骨架厚度（hs）是沉積巖層的厚度減去單位面積的孔隙體積，總是小于實際巖層厚度，巖層的骨架厚度計算公式[8，10]如下

hs=∫Z 2Z1

[1-（z）]dz，

（2）

式中hs為巖層骨架厚度，m；z1和z2分別為巖層頂底界的埋藏深度，m；z為巖層的孔隙度-深度曲線函數。根據本研究區地層巖性特征，將其線性公式[7]確定如下

（z）=pss（z）+pmm（z）+pcc（z）.（3）

式中ps為地層砂巖含量，%；pm為地層泥巖含量，%；pc為地層煤巖含量，%，三者之和等于1；與巖性對應的s（z），

m（z）和

c（z）由式（1）確定。將（3）式代入（2）式積分得到

hs=z2-z1+ps0se-csz2-e-csz1

cs

+

pm0me-cmz2-e-cmz1

cm

+

pc0ce-ccz2-e-ccz1

cs

，

（4）

式（4）是對應式（3）考慮3種巖性的骨架厚度。由式（4）變換得到

z2=hs+z1-

ps0se-csz2-e-csz1

cs

-

pm0me-cmz2-e-cmz1

cm

-

pc0ce-ccz2-e-ccz1

cs

.

（5）

式（5）是考慮3種巖性的地層底界公式，z2初值可取為該地層的頂界加上其骨架厚度，代入（5）式，逐次迭代，直到一定誤差范圍，最終迭代結果即為所求的古地層底界。

2.2沉降史模擬參數的獲取韓城礦區生產礦井主要分布在南區的象山井田、北區的桑樹坪井田和下峪口井田，南區的薛峰井田和北區的王峰井田已經完成勘探，正在進行礦井建設。文中采用回剝分析法進行沉降史模擬研究，依據的鉆孔資料分別選自象山井田（X20）、薛峰井田（XF21-9）、桑樹坪井田（B7-2）和王峰井田（ZK補5）（圖1），這些鉆孔所揭露的地層在其所在井田具有代表性。沉降史模擬所需的地層分層數據、各層段孔隙度數據和巖性描述等基礎資料，以單井柱狀圖及勘查區地質總結報告為主，一般從鉆孔柱狀圖中提取統計。地層年齡值依據全國地層委員會2012年9月發布的最新國際地層表。韓城礦區自晚古生代以來，沉積地層以陸相為主體，古水深變化較小[11-12]，在恢復地層原始厚度過程中可忽略不計。對中生代以來地層剝蝕量的估算采用地層厚度對比法，結合渭北隆起中西部鄰區地層厚度進行分析[13-15]。

3井田沉降曲線對比通過對4個鉆孔資料進行沉降史反演分析，得到其沉降史曲線如圖2所示。從該圖可見，自晚石炭世到中三疊世，沉降曲線均下降，代表多次幅度不等的沉降；中三疊世晚期至新近紀中新世末期沉降曲線上升，代表地殼較長時期的抬升，造成侏羅系、白堊系、古近系等地層缺失；上新世以來，沉降曲線轉向下降，代表該時期又一次發生小規模的沉降，局部地區接受了上新統和第四系沉積。

沉降曲線的斜率變化，反映出在不同地質歷史時期沉降速率的變化規律。在石炭-二疊紀，礦區沉降速率自東向西、自北向南減小；在早中三疊世，礦區沉降速率自東向西、自北向南增大；晚三疊世開始的抬升運動自東向西、自北向南擴展（表1）。

晚古生代，礦區內構造沉降量比較均勻，總沉降量在1 300 m以上，僅薛峰井田的沉降量相對較小。進入三疊紀以后，薛峰井田的沉降速率突然加快，從而導致該區累計沉降量超過

2 000 m，成為全區之最（表2）。

4升降階段劃分韓城礦區自晚古生代以來的沉降史大致可分為區域性沉降、不均勻抬升和局部沉降等3個階段。

第一階段為晚石炭世至中三疊世的區域性沉降階段。可將該時期進一步劃分為如下3個時段。Ⅰ段為晚石炭世至中二疊世，沉降曲線下降，斜率逐漸變大，反映沉降速率由小變大，沉降量不斷增加，發育太原組和山西組含煤地層。Ⅱ段為中二疊世至早三疊世早期劉家溝組沉積期，沉降曲線斜率急劇變大，沉降速率突然加快，整個礦區依次沉積了下石盒子組、上石盒子組、孫家溝組和劉家溝組地層，使得含煤地層埋藏深度不斷增加，至少達到1 300 m以上。Ⅲ段為早三疊世晚期至中三疊世，沉降曲線斜率減小，速率驟降。除薛峰井田保留有早三疊世晚期的和尚溝組和中三疊世的二馬營組地層外，礦區大部分井田缺失這一時段的地層。第二階段為晚三疊世至中新世的不均勻抬升階段。由于受古太平洋板塊向北西俯沖的影響，強烈的擠壓應力導致中國東部形成背斜型隆起，在西部形成向斜型坳陷。研究區位于鄂爾多斯坳陷的東部邊緣，構造抬升作用自東向西、自北向南依次發生，且抬升幅度自西向東快速增大，東部區域中上三疊統遭到剝蝕，侏羅紀、白堊紀、古近紀地層普遍缺失。這一階段的構造抬升作用一直延續到了新近紀中新世。第三階段為上新世至第四紀。經歷長期的抬升剝蝕后，研究區局部地帶于新近紀上新世和第四紀下降，沉降量較小。這一階段的沉降對煤系煤層的賦存狀況影響不大。

5構造升降運動對煤及煤層氣資源的控制韓城礦區煤系煤層的時空分布特點表明，構造升降運動對聚煤作用、煤化作用、煤層賦存狀態、煤層氣（瓦斯）的形成與分布均具有重要的控制作用。在其它條件具備的前提下，聚煤作用的發生與終止以及聚煤強度的變化，主要取決于聚煤盆地沉降速率與造煤物質堆積速率之間的關系。韓城礦區的太原組主要為泛濫平原-瀉湖海灣相沉積，山西組主要為三角洲前緣相沉積。因而，地層的沉積速率可以反映聚煤盆地的沉降速率。從表1可見，在太原組和山西組沉積時，地殼沉降速率逐漸增加，其與造煤物質堆積速率之間多次出現均衡補償關系，并能維持較長時期，所以，形成多個厚煤層，且煤層厚度與含煤巖系厚度表現為正相關關系（圖3）。

山西組沉積之后，由于地殼沉降速率先急劇減小，后又急劇加快，與造煤物質堆積速率之間先后形成過補償和欠補償關系，因而導致聚煤作用終止。

聚煤作用之后發生的構造運動引起煤系煤層的變位、變形、變質，從而控制煤層的賦存狀態。韓城礦區石炭-二疊紀含煤巖系沉積之后，首先經歷了大幅度的沉降，在地下深處較高溫度與壓力的作用下發生煤化作用，使煤級普遍升至瘦煤，同時生成大量煤層氣。中生代中晚期以北西向擠壓為特征的燕山運動使本區形成向北西西向傾斜的單斜構造，東南部的含煤巖系強烈抬升遭受剝蝕和變形，向北西方向埋深加大。所以，煤級在區域上呈帶狀分布，由東向西，由淺至深煤級由瘦煤逐漸增高至貧煤甚至無煙煤（圖4）。在礦區東南邊淺部，由于煤層露頭附近地表水滲入，攜帶細菌進入煤層，有利于次生生物氣形成[16]，出現淺部煤層氣含量高于深部的反常現象。

6結論

1）自晚石炭世以來，韓城礦區先后經歷了晚石炭世～中三疊世的區域性沉降、晚三疊世～中新世的不均勻抬升和上新世～第四紀的局部沉降。晚古生代以來，韓城礦區總沉降量在1 300 m以上，總抬升量在600 m以上；

2）在石炭-二疊紀，韓城礦區地殼沉降速率東部大西部小、北部大南部小；在早中三疊世，沉降速率向西向南增大；晚三疊世開始的抬升運動東強西弱、北早南晚；

3）只有當地殼沉降速率與造煤物質堆積速率之間總體達到了均衡補償關系時才有聚煤作用發生，而且均衡補償關系維持時間愈長聚煤強度愈大；聚煤后發生的大幅度沉降促進了煤化作用的進行和煤層氣資源的形成；后期抬升在剝蝕破壞部分煤系煤層的同時，也使部分煤層埋深變淺，便于開采利用。參考文獻References

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