巨野煤田重力场与构造特征

许 文 强

（西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065）

巨野煤田重力场与构造特征

许 文 强

（西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065）

以巨野煤田重力资料为主，结合钻井、地质、地震测量和前人研究成果，对研究区的重力场进行了研究，推断了研究区的断裂构造，拟合求解了以石炭-二叠系为沉积中心，奥陶系为基底、石炭-二叠系为中间层、中-新生界为盖层等3个密度层。研究区的主要断裂方向为近SN向断裂，它们为区域性大断裂，不仅控制了研究区煤层的分布特征，也控制了岩浆带的展布。研究区发育有巨野和汶上-宁阳两个潜凹，属于中生代断陷沉积盆地。潜凹内从东往西，沉降幅度逐渐增大，沉积物厚度由薄变厚。并形成了以奥陶系马家沟组为基底，以石炭-二叠系太原组和山西组为主要含煤系岩层，以中-新生界为盖层的沉积构造特征。

巨野煤田；重力场；构造特征

为了研究巨野煤田的地质构造特征，包括潜凹形态、潜凹内主要沉积地层的分布、构造格架及基底起伏，预测勘探煤田靶区等。利用获取的重力资料以及前人的研究成果，以重力资料为主对研究区的重力场特征进行了综合研究，确定了研究区的断裂构造体系。根据物性结果及区域地质背景，选择多条剖面拟合求出了以石炭-二叠系为沉积中心；奥陶系为底层、石炭-二叠系为中间层、中-新生界为盖层等3个密度层。重力场解释研究成果，对研究潜凹的生成与发展、构造特征、沉积盖层的分布规律以及煤田勘探前景等奠定了基础，对其他地区盆地内沉积矿产找矿具有重要借鉴意义。

1　地质和地球物理背景

1.1地质背景

巨野煤田位于山东省西南部，属菏泽地区管辖，煤田主要分布在巨野和郓城两县境内。大地构造位置属于华北地台鲁西南潜隆起区的巨野-拳铺盆地[1]。

研究区为全隐蔽的华北型石炭-二叠系煤田，基底为新太古代泰山群；含煤岩系地层的基地为古生界奥陶系马家沟组，上覆盖层为中-新生界（见图1）。基底的主要岩性为厚层石灰岩，其次为白云岩、白云质灰岩；研究区主要成煤时期为晚石炭世-早二叠世，自下而上有划分为本溪组、太原组和山西组。石炭系本溪组、太原组为海陆交替相沉积，主要以深灰、灰黑色粉砂岩、泥岩与石灰岩煤层的互层为特点，夹灰色砂岩；山西组为过渡相沉积（三角洲沉积），沉积物主要为浅灰、灰白色中、细砂岩以及深灰色粉砂岩、泥岩夹煤层，为主要的含煤地层；太原组、山西组赋存数层较厚的煤层。区内中生代、新生代沉积广泛发育在断陷盆地的平原区，为一陆相碎屑沉积和强烈的陆相火山喷发及残坡积、冲击产物[1,2]。

1.2构造变化

研究区煤田地层总体走向近SN向，略呈西高东低，构成东倾的单斜构造。受区域构造活动的影响，煤田内部发育了一系列次一级断裂构造，构造复杂程度中等。研究区内发育的较大断裂构造有近SN向的毕垓断裂、巨野断裂和田桥断裂，巨野断裂、毕垓断裂，为区内巨野盆地的边缘断裂，田桥断裂为盆地内部较大断裂；有近EW向的汶泗断裂、郓城断裂，为区内拳铺盆地的边缘断裂。区内次级断裂主要以近SN向为主，为区内次级凹陷和凸起的边缘断裂，分别构成了煤田不同区位的边界，并且控制煤层的形成和分布特征。区域构造有以继承性和差异性的缓慢沉降形式继续运动，沉降幅度受断块本身运动强度的制约，从东往西，沉降幅度逐渐增大，沉积物厚度由薄变厚[3]。

图1　巨野煤田地质略图Fig.1 Geological sketch of Juye coal field

1.3地球物理背景

为了准确获取的岩石物性（密度）资料，提高重力资料处理解释的精度及可靠性，搜集并统计了前人对研究区出露的地层密度测定的结果[1]。

表1　巨野煤田岩石密度统计Table 1 Density statistics of Juye coal field rock

由统计结果（见表 1）可知，研究区岩石密度特征：新太古代泰山岩群密度最高，密度约为2.77 g/cm³，古生代寒武-奥陶纪地层密度次之，密度约2.705 g/cm³，石炭-二叠纪地层密度约2.615 g/cm³，新生代第四系密度最低，密度约为1.69 g/cm³。古生代地层密度约为 2.68 g/cm³，中生代地层密度约2.54 g/cm³，新生代地层密度约2.14 g/cm³，中-新生代地层密度为 2.34 g/cm³。中-新生代地层与石炭-二叠纪地层、寒武-奥陶纪地层、新太古代泰山岩群分别为0.275, 0.365, 0.43 g/cm³。因此有如下两个特征：①研究区各时代的变质岩和沉积岩，其密度是底层由新到老，密度值由小变大；②在该区有几个密度差比较大的分界面：中-新生界、石炭-二叠系、寒武-奥陶系和新太古代泰山岩群。

2　重力场特征

图2　巨野煤田区重力异常图Fig.2 Gravity anomaly map of Juye coal field

研究区区域内地层地质构造复杂，区域东部形成由南向北的嘉祥潜凸—汶上-宁阳潜凹—东平凸起的分布特征；区域内形成由东向西的嘉祥潜凸—巨野潜凹—菏泽潜凸的分布特征。重力场总体变化特征（见图 2）为：西侧和东侧为重力高值区，研究区重力场在东西向上重力高峰值分别为-10×10-5m/s²、0×10-5m/s²，变化范围分别为（-10～-20×10-5m/s²）、（0～-16×10-5m/s²），分别反映了菏泽潜凸和嘉祥潜凸；中间位为南北向重力低值区，重力低峰值-26×10-5m/s²，反映了巨野潜凹（巨野盆地）。研究区南北两侧为重力低值区，研究区重力场在南北向上重力低峰值分别为-36×10-5m/s²、40×10-5m/s²。区域东侧重力场在南北向上，南侧和北侧为重力高值区，重力高峰值分别为0×10-5m/s²，-16×10-5m/s²，分别反映了嘉祥潜凸、东平凸起；中间位于东西向重力低值带，重力低峰值-36×10-5m/s²，反映了汶上—宁阳潜凹（拳铺盆地）[1]。

一般而言，布格重力异常场值的大小反映了基底的起伏特征，重力场值大，反映高密度的基底埋深相对较浅；重力场值小，反映基底埋深相对较深，上覆盖层较厚。布格重力异常等值线圈闭的重力高、重力低反映局部潜凸与潜凹构造，布格重力异常等值线密集的重力梯级带反映断裂构造[4]。由重力场值东侧和西侧高、南北向低值的特征分析研究区基地为东侧和西侧浅，南北向深；由布格重力异常等值线圈闭的重力高、重力低推测研究区基底起伏较大，潜凸与潜凹发育；由密集布格重力异常等值线反映的重力梯级带判断研究区构造复杂，断裂发育。

3　断裂特征

断裂构造的发生使得断裂两侧空间位置发生变化或出现破碎带而使地层密度等物性在空间上的分布产生不均匀性，这种地层物性在空间上分布的不均匀性使重力异常值产生明显变化，应用重力异常基本图件（布格重力异常）及其转换参数（水平总梯度模、水平一阶导数和垂向二阶导数等）图件所反映的各种明显变换特征，综合分析地质背景以及结合在研究区前人完成的部分地震探测成果，根据断裂构造的识别标志（断裂构造的识别标志主要有：a、线性重力高与重力低之间的过渡带；b、异常轴明显错动的部位；c、串珠状异常的两侧或轴部所在位置；d、两侧异常特征明显不同的分界线；e、封闭异常等值线突然变窄、变宽的部位；f、等值线同行扭曲部位[5]），推断出了研究区的断裂构造。

研究区共推断出22条断裂（见图3），这些断裂按走向可分为近南北（包括南北、北北东、北北西）向，东西（包括东西和北东）向2组[1,3]，其中发育的大断裂主要有近 SN向的田桥断裂、毕垓断裂、巨野断裂和近EW向的汶泗断裂、郓城断裂。研究区内断裂纵横交错形成了以近南北向为主干，东西、北东向斜交分布的构造体系。断裂构造的复杂性，显示了研究区经历了多期构造活动的特点。

F1毕垓断层：位于巨野煤田中间、巨野盆地西缘，重力布格异常带变化不明显，布格异常值约为-18—-22 mGal，但异常轴线有明显错动部位，并且有等值线同行扭曲部位，在垂向二阶导数图上有明显的串珠状左侧异常。在水平总梯度模图上有清晰的延伸方向，连续性较好；从延伸结构来看，断裂带的切割深度不相同，毕垓断层为近SN向逆断层，中间有被EW向断裂切断，有错动部位，控制了煤田的煤层EW向分布特征和煤层的构造变化。

图3　巨野垂向二阶导数与断裂叠加图Fig.3 The superposition map of Juye vertical second derivative and fault

F2田桥断裂：位于巨野煤田中间、巨野盆地中间，两侧有异常特征明显不同的分界线，是明显的异常带，在水平方向导数结果图上有十分清晰的线性异常。在垂向二阶导数图上有明显的串珠状右侧异常，断裂深度较大，结合向上延拓剩余等值线图，断裂十分明显，容易区分出来。该断裂的发育控制了煤田的构造特征和煤层的EW分布特征，同时也控制了巨野盆地的构造特征和沉积特征。

F3巨野断裂：位于巨野煤田中间、巨野盆地东缘，是重力异常明显的重力梯级带变化带，等值线变化密集、定向分布。断裂深度较大，结合向上延拓剩余等值线图，断裂十分明显，容易区分。该断裂的发育控制了煤田煤层在东西向上的分布特征和构造特征，同时也控制了巨野盆地的分布特征和沉积特征。

F4郓城断层：位于巨野煤田中间、拳铺盆地南缘，有明显的等值线同行扭曲部位，并有封闭异常等值线突然变宽、变窄的部位，局部地段异常相东西两侧延伸。在密集带边缘，等值线定向分布，表现为错断的异常圈闭。在水平总梯度模结果图上为较密集的异常带，该断裂宽度较小，在垂向二阶导数图上有明显反映，断裂表现为走滑错动断层的特点。有利于控制煤层在SN向上的分布特征和煤田的构造特征，同时也控制了拳铺盆地的分布情况和分布特征。

F5汶泗断裂：位于煤田北部边界，有十分明显的重力布格异常带，异常值变化-32—-18 mGal，且重力梯度异常明显表现为密集带，在垂向二阶导数、水平总梯度模和向上延拓剩余异常图上，有十分明显的梯级带变化，延伸方向清晰，连续性好。有利于控制煤田北部的分布情况和分布特征。同时也控制了拳铺盆地。

4　剖面分析

鉴于研究区断裂发育，构造复杂，地层分布横向不均匀性强，故求解密度层应使用剖面拟合方法。在研究区一共选取8条剖面（见图2），剖面分布原则：均匀分布，垂直研究区构造走向和重力异常（主要是重力高、重力低中心，梯级带）；在重力场陡变处适当增加剖面；及所选取的剖面基本能控制研究区的主要构造特征。利用2.5D剖面重力拟合求解了以石炭-二叠系为沉积中心，奥陶系为底层、石炭-二叠系为中间层、中-新生界为盖层等3个密度层。因而，研究区石炭-二叠系沉积煤层覆盖于奥陶系马家沟组基底之上。

图4　剖面AA´和BB´Fig.4 Section AA´ and BB´

笔者选取两条剖面进行拟合，分别为剖面AA´和剖面BB´（见图4）。从剖面图上可以看出，研究区地层厚度变化不一，第四系厚度西厚东薄，第三系厚度西薄东厚，中间层石炭-二叠系厚度中间薄两侧厚，剖面两侧奥陶系厚度较均一。从垂直潜凹长轴的剖面BB´看潜凹呈地堑式，可见基底因次级断裂差异活动，交替呈地垒、地堑，基调图不平，形成了“盆岭”构造，基底抬拱和凸起，引起盖层弯曲形成有利于煤层储存的构造。

由于潜凹的生成受控于区域性断裂，煤层的分布因断裂性质、方向不同而有所差异。从剖面AA´和BB´(见图4)分析得：近南北向主干断裂受东西向断裂应力的影响，部分主干断裂切割错位，致使边界扭曲，潜凹和潜凸宽窄不一。其控制潜凹断裂以外，还见有石炭-二叠系分布，奥陶系见于基底和断裂边缘。该研究区潜凹主要受近SN向大断裂控制，沿断裂断块陷落，沿断裂一次较陡，另一侧基底缓坡翘起。地层沉积盖层由西向东逐渐变薄，形成了以中间石炭-二叠系为沉积中心、上覆中-新生代盖层、基底为奥陶系的有利煤层地质构造。根据地层和煤系地层的分布特征，可以为钻井提供有利信息，沉积中心东侧盖层薄，容易钻到目的层，相反，西侧盖层厚，不适合于钻井。

5　结 论

（1）研究区重力场值东、西高，南北向低值的特征分析研究区基地为东、西浅，南北向深；由布格重力异常等值线圈闭的重力高、重力低推测研究区基地起伏较大，潜凸与潜凹发育；由密集布格重力异常等值线反映的重力梯级带判断研究区构造复杂，断裂发育。

（2）研究区重力场形态特征复杂，反映出研究区复杂的构造演化特征和构造特征。研究区共推断出 22条断裂，发育的断裂构造主要分为两组：近SN向和近EW向。近SN向断裂属主要断裂，它们多为区域性大断裂，生成于中生界，历经多次复杂构造运动，不仅是研究区煤田边界和煤层的主要控制构造单元，也控制了岩浆岩带的空间展布；近EW向断裂属小断裂，其发育晚于近南北向断裂，它们切断了主断裂是主断裂部分发生移位，并形成了研究区盆地的部分边界，控制煤层的分布。

（3）研究区地层中，石炭-二叠系为沉积中心，奥陶系为底层、石炭-二叠系为中间层、中-新生界为盖层等3个密度层。石炭-二叠系厚度分布不均，沉积中心上覆盖层西厚东薄，沉积中心向东迁移，则在沉积中心东侧利于钻井，西侧不利于钻井。

［1］李土雄，刘磊，禚传源,等..利用重力方法圈定巨野煤田成矿远景区[J].山东国土资源,2012，28（7）：28-31.

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Gravity Field and Tectonic Characteristics of Juye Coalfield

XV Wen-qiang
(School of Earth Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China)

Based on gravity data of Juye coal field, combined with drilling, geology, seismic surveying and predecessors' studying results, the gravity field of the research region was studied; the fracture structure of the research area was concluded. Three density layers were fitted to solve by using Permian-Carboniferous as sedimentary center, Ordovician as basement, Permian-Carboniferous as interlayer, Mesozoic-Cenozoic as cap rock. The results show that the main fracture direction in the study area is nearly NS-trending fault; they are the regional great faults, which not only control the distribution characteristics of the coal seams in the study area, but also control the distribution of magmatic belt. Development in the study area has Juye and Wenshang- Ningyang two latent concaves, belonging to Mesozoic fault depression basin. Sedimention range gradually increases from east to west in hidden inside concave, sediment thickness is from thin to thick.And sedimentary structure characteristics with Majiagou group of Ordovician as the basement, Taiyuan and Shanxi group of Permian-Carboniferous as the main containing coal measures strata, Mesozoic-Cenozoic as the cover have been formed.

Juye coalfield; Gravity field; Tectonic characteristics

TE 122

A

1671-0460（2014）12-2706-04

2014-05-28

许文强（1990-），男，陕西渭南人，在读硕士研究生，研究方向：综合地球物理评价。E-mail：414001696@qq.com。