永夏煤田断块运动与构造特征的形成∗

王 昆 许亚坤 方忆刚

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院,河南省商丘市,476000)

永夏煤田断块运动与构造特征的形成∗

王 昆 许亚坤 方忆刚

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院,河南省商丘市,476000)

从聚煤期构造的活动特点出发,结合河南省东部永夏煤田的主要构造特征,初步探讨了区内的断块运动,指出研究区是基底断块控制盖层构造形态的典型例子,区内普遍存在“反相”褶皱是由于地史时期永夏煤田各断块的相对升降运动在发生着反复变化。由于基底断裂及石炭二叠纪沉积期同沉积断裂的存在,再加上燕山运动及其以后的构造应力场,共同导致了永夏煤田现今构造形迹的形成。

永夏煤田 断块运动 “反相”褶皱 构造特征

永夏煤田位于河南省夏邑县和永城市境内,西界到济阳断层,北、东、南界均至豫鲁、豫皖省界,区内除永城芒山一带出露有少量基岩外,其余全被新生界地层覆盖。主要含煤地层为石炭系和二叠系,含煤总面积约1300 km2。利用研究区近年来最新的物探、钻探等勘查成果,运用板块构造学和沉积学观点,对研究区断块运动、构造特征进行了探讨,并预测了找煤有利地带,为老矿区外围、平原新生界覆盖区及深部煤炭资源预测提供了地质依据。

1 区域构造背景

永夏煤田大地构造位置处于华北板块嵩箕构造区内的永城断隆,以八里庄断层(焦作—商丘大断裂的东延部分)为界划分为两个构造单元,八里庄断层以南以永城隐伏背斜为主体,控制了区内煤层的赋存及展布情况,八里庄断层以北以近EW向的邙山背斜为主体,南翼被八里庄断层所切割,背斜轴NNE向延伸,向东延入安徽省境内,向西倾伏于济阳断层,并保留了埋藏较深的煤系地层。

2 研究区构造特征

从目前揭露的构造来看,永夏煤田断裂比较发育,褶皱变动次之,大多为两翼平缓开阔的短轴褶曲,背斜、向斜相间出现,断裂构造具有阶梯状或地垒、地堑状组合的特点,如图1所示。

图1 永夏煤田构造地质简图

区内断裂以NNE向和NE向最发育,近EW向和NW向次之,为一系列近平行的高角度正断层。据以往地质资料,永夏煤田切割奥陶系基地的断层数量较多,表现为EW向及SN向的基底断裂,较大的基底断裂如DF7、F20、F2、F1、 DF15、DF19、DF20、DF21、济阳断层等。这些断裂相互交切,将永夏煤田基底切割成4个较大的基底断块和若干次级断块,断块活动对于沉积期构造及后期改造起着控制作用。

永城隐伏背斜为永夏煤矿区域的主体褶皱构造,背斜核部位于黄口—永城市区—薛湖镇侯楼一带,轴向NNE10°～15°,延伸长达60 km,宽约40 km,至八里庄断层倾伏,褶皱轴面总体西倾,倾角约80°左右。东西两翼及北转折端由石炭系和二叠系含煤碎屑岩组成。东翼地层倾角较陡,产状105∠30左右,西翼倾角较缓,总体产状285∠15左右。

根据研究区构造石炭二叠纪期间的活动特点,可以划分为两种基本类型:

(1)继承性的同沉积构造,包括继承性同沉积断层、同沉积背斜、同沉积向斜。继承性同沉积断层即断层两盘的相对升降运动方向在石炭二叠期不发生变化,一直继承性地发展,断层性质不发生改变的断层;同沉积向斜是在石炭—二叠纪沉积期坳陷的基础上发育起来的,大多表现为地堑,是两侧正断层造成断块下降,形成沉积期坳陷,在后期构造运动中得到加强形成了向斜褶皱构造。典型代表为张庄向斜、葛双新向斜、蒋阁向斜,如图2(a)所示;同沉积背斜在研究区仅见于城郊矿区,以徐枣园—程楼背斜为代表,发育在两个正断层构成的地垒构造上,如图2(b)所示。

图2 继承性同沉积褶皱示意图

(2)由于断层两盘断块相对运动方向发生改变的同沉积构造,包括非继承性同沉积断层和“反相”褶皱。非继承性同沉积断层指受地史时期不同构造应力的作用,断层两侧断块相对升降的方向发生改变,断层同一侧的断块产生先升后降或先降后升的构造反转现象。这类断裂发育较广泛,控制着本区普遍存在的“反相”褶皱的形成,造成煤系地层埋深的变化,如图3(a)所示。结合永夏煤田实际情况,“反相”褶皱指沉积期的负向构造(坳陷)被后期构造运动改造成为正向构造(背斜)、沉积期的正向构造(隆起)被后期构造运动改造成为负向构造(向斜)。根据褶皱和断裂之间的组合关系,可分为两种基本类型,一种是两条断裂所挟持的断块中发育起来的“反相”构造,另一种是位于一条断裂旁侧的“反相”褶皱。前者一般为地垒断块形成“反相”背斜,如图3(b)所示,地堑断块发育“反相”向斜,如图3(c)所示,背斜轴部煤系地层大多受到强烈剥蚀,甚至主采煤层二2煤也被剥蚀掉,向斜核部煤层地层大多得以保存;后者是由于断裂活动时旁侧断块发生了拖曳牵引而形成的,称之为拖曳型“反相”褶皱。

3 断块运动与构造特征的形成

永夏煤田二叠纪以来继承性发展起来的同沉积构造几乎全都是近SN向的,部分为北偏西方向,而EW向的构造几乎全部表现出“反相”构造的特征,这是永夏煤田构造发育过程中突出的特点。这一特征决定了永夏煤田SN向的断裂构造基本上都是继承性发展起来的张性正断层,它们组成一系列的地堑、地垒构造,其中发育着继承性的同沉积褶皱。EW向断裂则不同,这些断裂大部分都是从晚二叠世才开始发育起来的,而且早期均表现为压性逆断层的性质,后期则两盘相对运动方向发生改变,断裂的性质由压性变为张性,其同所夹断块上的盖层构造性质相应地也发生了改变,形成“反相”褶皱。

从上述构造特征可以看出,永夏煤田从二叠纪沉积期开始到燕山运动发生,主要是东西向的引张应力场在起作用,见图4(a);而南北向的挤压应力场仅在晚二叠世四煤组沉积期以后才有明显作用,引起一系列EW向断裂发生逆冲运动,但可能持续不久就和缓下来,见图4(b)。在燕山运动期间,基底断裂及沉积期新生的断裂不断活动,所切割成的各级断块发生差异升降,决定了永夏煤田构造形态的形成。

断块构造学说的理论认为基底构造对盖层构造的形态起着控制作用,其控制方式包括断裂控制和断块控制两种。纵观永夏煤田构造形态的特征和发育历史可以看出,永夏煤田的构造特征属于基底断块控制盖层构造形态的典型实例。永夏煤田的构造发育历史划分成两个阶段:一是石炭二叠纪盖层沉积阶段,二是燕山运动期间盖层构造定型的阶段。早期阶段在华北板块与东北板块对接拼合的构造背景下,由区域性的南北向挤压引起本区派生的东西向引张,沉积基底不断沉降。东西向的引张应力造成本区SN向断裂以正断层的形式普遍活动。由于断裂块体的沉降速度各不相同,即断块差异升降运动的存在,造成沉积期同沉积构造的不断发育,同沉积构造的形态则完全受断块构造学说的基本原理所支配,即相对沉降的断块控制盖层中向斜构造的形成,相对上升的断块控制盖层中背斜构造的形成。燕山运动期间本区受到西伯利亚板块和太平洋板块逆时针扭动应力场派生的东西向挤压应力的影响而发生隆起,是本区褶皱构造的生成和同沉积构造的强化、定型阶段。

图3 非继承性同沉积构造示意图

由断裂构造控制的“反相”褶皱构造实际上也是受断块的相对升降运动所控制的。在沉积期作相对上升运动的断块控制着沉积期隆起的形成,当这一隆起断块后期转而下降时,隆起期的沉积物连同后期沉积物一起转入同沉积向斜的发育过程。由于后期构造运动发生时这一断块继续沉降,其上就发育成为向斜形态,相对于早期(即相对隆起区)的构造形态,形成“反相”向斜构造。同样,沉积期做相对沉降运动的断块控制着沉积期坳陷的形成,当这一断块后期转变为上升隆起时,原来坳陷期的沉积物连同后期沉积物一起转入同沉积背斜的发育过程,由于后期构造运动发生时这一断块继续相对上隆,其上的同沉积背斜得以继续发育,形成背斜构造。相对于沉积期的坳陷而言,就是典型的“反相”背斜构造。拖曳型“反相”褶皱构造的成因大体与之相似。

综上,永夏煤田现存表现的各种构造形迹,很可能是燕山运动期间同一构造应力场的产物。燕山运动的应力场是由于太平洋板块相对向北西而西伯利亚板块相对向南的逆时针扭动产生的,这种扭动应力场在我国东部形成了著名的北北东向的新华夏构造体系,同一方式的应力场在永夏煤田之所以能够形成近SN向和近EW向的两组褶皱构造形迹,是由断块的边界条件决定的。由于边界断裂改变了区域构造应力场主应力的方向,在断块内部形成了与区域主应力场主应力的方向颇具差别的局部构造应力场,使各个断块内形成了独特的构造形迹。近EW向基底断裂发育的断块,可以形成以EW向构造为主的构造形迹;而在近SN向断裂发育的断块里,既形成有EW向褶皱和断裂,又形成有SN向褶皱和断裂,两组构造线相互交叉、互相切割的构造面貌。

图4 二叠世沉积期应力作用示意图

4 找煤预测

根据对本区构造形迹及断块运动的认识,本区SN向褶皱构造基本上都是在石炭二叠纪沉积期构造基础上发育起来的继承性构造,地垒构造之上形成背斜褶皱,煤系埋藏较深;地堑构造上形成向斜褶皱,煤系埋藏较深。由于埋藏较深不易开发,背斜之上煤系又大都受到剥蚀,因此要寻找有利于开发的煤系地层埋藏区,比较有利的构造部位是复式背斜褶皱中的次级向斜地带以及复式向斜褶皱中的次级背斜地带。这些次级背斜和向斜往往受同沉积的次级断裂控制,如能根据物探资料查明这些次级断裂的存在,根据断裂的组合方式可判断出复式褶皱中次级地堑、地垒构造的存在,作为预测找煤的有利地带。

5 结论

(1)永夏煤田二叠纪以来继承性同沉积构造几乎全是近SN向的,部分为北偏西方向,而绝大多数EW向构造表现出“反相”褶皱的发育历史,原因在于地史时期永夏煤田各断块的相对升降运动在发生着反复变化。

(2)永夏煤田早二叠世时,SN向的基底断裂活动比较明显,到晚二叠世时,EW向基底断裂活动才显著增强。石炭纪、二叠纪、三叠纪的地层属区域性的连续沉积,直到侏罗纪燕山运动开始,才发生强烈的断裂变动和褶皱变形。但在我国东部燕山运动及其以后的构造应力场主要是造成北北东向的新华夏系构造发展成熟的直线扭动应力场,即东部向北、西部相对向南的逆时针扭动应力场。在这种应力场的作用下,由于基底断裂以及石炭二叠纪沉积期同沉积断裂的存在,作为边界条件可以产生不同方向的局部应力场,从而形成不同方向的褶皱构造。

[1] 牛然,王海泉,许军.河南省赋煤单元划分及控煤构造模式分析[J].中国煤炭地质,2012(10)

[2] 付宗昌.豫东地区棋盘格式构造及其控煤作用[J].河南地质,1988(3)

[3] 李文前,冯斌,王昆等.豫东地区控煤构造及岩浆对煤层影响研究[R].2013

[4] 李文前,郭新体,王昆等.豫东地区上古生界含煤岩系构造－岩浆控煤作用样式[J].中国矿业, 2014(6)

[5] 李文勇,夏斌,路文芬.论同沉积、继承性控煤构造[J].沉积学报,2004(1)

[6] 张光华,黄鹤筠,李文前.河南省永城煤田城郊矿区详查地质报告[R].1983

[7] 褚庆忠,王长江.略论反转构造的识别及研究方法[J].新疆石油学院学报,2003(2)

[8] 李江虑,耿剑统.永夏矿区开采深陷规律研究[J].中国煤炭,2004(12)

[9] 宁树正.中国赋煤构造单元与控煤特征[D].中国矿业大学(北京),2012

[10] 胡耀明.新华夏系复合或联合构造发展特征[J].湖北地质,1989(2)

[11] 周晓刚,朱炎铭,姚能旺等.河南义马煤田逆冲推覆构造特征及其控煤作用[J].中国煤炭,2014(12)

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,工程师,硕士,主要从事煤田地质勘查及科研工作。

(责任编辑 郭东芝)

河南省国土资源厅2011年度“两权价款”地质科研科技攻关项目(2011－622－10)