毛易矿区及其外围控煤构造成因与演化

2014-11-26曹代勇王林杰易海霞陈健明蒋艾林周荣洲李焕同

中国煤炭 2014年6期

曹代勇王林杰易海霞刘登陈健明蒋艾林周荣洲李焕同

(1.中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083；2.湖南煤田地质局第二勘探队，湖南省株洲市，412000；3.湖南科技大学土木工程学院，湖南省湘潭市，411100)

1 研究区地质概况

毛易矿区及其外围 (以下称为 “研究区”)位于长邵断坳北段涟源坳陷中部隔挡式褶皱带，北至晏家铺向斜南段外延，南至毛易矿区，东接桥头河向斜金竹山矿区，西临冷水江向斜，面积约60km2。

研究区内出露的地层由新至老依次为第四系(Q)、中上石炭统壶天群 (C2＋3)、下石炭统梓门桥组 (C1z)、测水组 (C1c)及石磴子组 (C1s)。主要含煤地层为测水组，以潟湖海湾相碎屑沉积为主，上部有少量碳酸盐沉积，总厚100～170m。根据岩性及含煤性划分为上、下两段，上段厚60～88m，颜色一般较浅，不含可采煤层；下段颜色较深，含1～7层煤，厚40～82m，其中3＃和5＃煤层为主要可采煤层。

研究区主要的控煤构造样式为隔档式褶皱和层间滑动断层。隔档式褶皱表现为宽缓的晏家铺向斜、毛易向斜与紧闭背斜相间排列。本区的一条主要断裂F1由3＃、5＃煤层 (组)及其破碎顶底板组成了其层间破碎带。由于测水组软硬岩层相间，层理较为发育，下段3＃、5＃煤层及其泥质岩为很好的润滑层，在外力的作用下软弱岩层极易成为顺层断层的滑脱面。

2 分段分带特征

构造几何学分析是地质构造研究的基本工作，其目的是查清地质构造的形态特征、构造要素的空间组合关系和展布规律，为进一步的研究提供基础。研究区的构造以毛易-晏家铺向斜为主体，逆冲推覆构造为基本构造格架，煤田构造在不同区段表现出明显差异。因此，本文将研究区划分为北、中、南三段，各段分为东、中、西带，见图1。

图1 毛易矿区及其外围地质简图

北段为晏家铺向斜的扬起端，向斜枢纽向北东倾伏。北段东带主要断裂为金盘仑断层，金盘仑断层在渣渡矿区南段表现为地层重复，在该断层之上重复了下石炭统测水组及石磴子组，且渣渡矿区南段出露的测水组为金盘仑断层上盘，为不均衡逆冲断层导致的地层重复。

中段为晏家铺向斜和毛易向斜的过渡带。构造东西分带性在此段表现较为明显，受后期构造作用的影响，中段抬升遭受剥蚀，宽度变窄。所以中段中带仅出露石磴子组灰岩，中段东、西两带测水组剥蚀严重，煤系仅在断裂带以透镜状零星出露。实地观测表明，西带岩层倾角为30°～80°，东带岩层倾角主要在30°～50°，西带地层倾角大于东带。

南段为一完整的短轴向斜—毛易向斜，其长轴与短轴比为3∶1。毛易向斜北起黄泥岗，南至花树冲，南北长约6.9km，东西宽1.6km，轴向北北东，西带地层倾角较陡，为20°～50°，东带地层倾角较缓，一般15°～30°。本段西带构造较为复杂，煤系受断层切割，出露不连续；中带构造简单，出露煤系为推覆构造上盘地层，宽度较为稳定；东带断层的展布形态基本与煤系地层一致，推测往深部逆冲推覆断层为顺层发育，煤系为逆冲推覆断层下盘地层，出露宽度稳定。

3 运动学特征

研究区经历了印支期以来多期次的构造运动，印支期SE-NW侧向挤压产生的层间滑动断层，整体向北西逆冲推覆，形成于隔档式褶皱定型之前，并且导致隔档式褶皱 (即晏家铺向斜和毛易向斜)的产生和最终定型。在之后的燕山、喜山运动中推覆构造进一步被改造和加强，使之复杂化。研究区指向小构造与岩组图见图2。F1逆冲断层的两侧及断夹块中，斜歪、倒转褶皱屡见不鲜。其轴面倾向和断层面基本相同，指示断层上盘逆冲的运动学特征。

F1段层在全区的断距一般都不大，断裂带宽度数米至几十米。如中段东带D07观测点可见一条破碎带，宽约20m，含石灰岩透镜体，片理发育，局部含炭质可污手，破碎带内砂岩较脆，并伴有层滑现象。其中的两组劈理产状分别为199°∠55°和148°∠82°，显示出两期应力的叠加。

中段西带D51观测点可见一压性断裂带，宽约40m，带内构造角砾岩呈透镜状、鸟眼状、鱼肚状，软弱带主要发育竖立状破劈理。断裂面上发育阶步和擦痕，由此判断为西盘向东盘逆冲推覆。研究区擦痕运动方向统计结果反映出断层的运动方向以北西向、南东向为主。

图2 研究区指向小构造与岩组图

4 动力学特征

根据共轭剪节理的分期配套结果，研究区自晚古生代以来先后主要经历了三期构造应力场。第一期构造变形以南东-北西向的挤压变形为主，本区的构造格局基本形成；第二期构造应力场最大主压应力轴为北东-南西向，最大拉张应力方向为北西-南东向，这个时期研究区中段由于挤压而抬升受到剥蚀，同时一些局部重力滑动构造开始形成；第三期构造应力场最大主压应力轴为北西西-南东东。

研究区定向样品的镜下观察很少见到石英颗粒的动态重结晶现象，而石英颗粒的波状消光、变形纹、节理以及方解石颗粒的机械双晶等都反映了研究区处于浅层低温变形环境。

研究区内岩石组构分析表明，岩组图对称型式主要为似斜方对称和三斜对称，构造岩类型为S构造岩和B＋S构造岩，滑移系以石英的底面滑移为主，为一种压扭性的变形作用方式，反映了多期变形叠加的特征。

石英光轴的优选方位型式主要以点极密部型和交叉圆环型为主，伴随着应变的增强，点极密部开始集中，形成小圆环带，但其开角一般较小，反映出最大主应力σ1的方位，即南东-北西向挤压、北东-南西向挤压、北西西-南东东向挤压，这与构造应力场分析结果基本一致。

方解石动力双晶是浅层次变形灰岩中常见的显微构造现象，具有起始温度低 (20℃)、临界剪应力值小 (约为10MPa)的特点。根据方解石动力双晶化颗粒百分数估算古应力值大小，是脆性构造域中动力学分析的常用方法。选定研究区5个灰岩样品，在显微镜下统计双晶化颗粒百分数，并利用分解应力系数S1与双晶化颗粒百分数的关系曲线(据Jamison，1976)查出S1值，带入式 (1)计算得出差应力Δσ值，见表1。

式中:Δσ——差应力，MPa；

T——临界剪应力，方解石为10MPa；

S1——分解应力系数，与双晶化颗粒百分数存在对应关系。

表1 研究区差应力值计算结果

从表1可以看出，差应力值主要集中在30～80MPa，平均值约为50MPa，属于中等偏低强度的构造应力作用，且其差应力平均值西带＞东带＞中带，这与宏观变形现象一致。

5 构造演化

岩层岩性及岩层组合的显著差异是滑脱构造得以形成的必要条件。滑脱构造系统得以滑移的介质应为软弱层或者非能干岩层。测水组发育有煤层及泥页岩，是本区重要的软弱层，即为滑脱构造的形成提供了物质基础。研究区自晚古生代以来，经历了至少三期构造运动，现今的构造面貌是多期构造叠加的结果。

5.1 印支期南东-北西向挤压奠定盖层构造的基本构造格架

印支早期，印支陆块与华南陆块发生碰撞，华南南部古特提斯洋闭合。研究区在南东-北西向构造应力场作用下，沿软弱层发生滑脱拆离，在泥盆系-中三叠统构造层形成顺层发育的逆冲推覆构造，同时形成隔档式褶皱的雏形，从而奠定了盖层构造的基本构造格架。此时期，晏家铺向斜作为整体存在于研究区内。

5.2 燕山早中期北西-南东方向伸展作用进一步改造构造面貌

燕山期早中期应力场最大拉张应力方向为北西-南东向，最大主压应力轴为北东-南西向。该伸展作用导致沉积盖层沿加里东构造层顶部滑体层向南东方向发生大规模重力滑动，形成区域性盖层重力滑动构造，并且改造了印支期的部分构造面貌。同时，一些向斜的两翼亦发生滑向向斜核部的重力滑动，一些局部重力滑动构造开始形成。在北东-南西向的侧向挤压作用下，向斜中部隆起遭受剥蚀，导致晏家-毛易向斜的中部石磴子组直接出露地表。与此同时，晏家铺向斜南段扬起，向北东倾伏。