宁夏彭阳县草庙地区地质特征及控煤作用研究

褚小东　周洪瑞　张鹏川,3　曾建平(.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京市海淀区,00083; .宁夏有色金属地质勘查院,宁夏回族自治区银川市,75000; 3.宁夏地质矿产勘查开发局,宁夏回族自治区银川市,7500)



宁夏彭阳县草庙地区地质特征及控煤作用研究

褚小东1,2周洪瑞1张鹏川1,3曾建平2
(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京市海淀区,100083; 2.宁夏有色金属地质勘查院,宁夏回族自治区银川市,750200; 3.宁夏地质矿产勘查开发局,宁夏回族自治区银川市,750021)

摘 要通过对草庙地区沉积地层和构造的分析,认为研究区煤系地层为辫状河和曲流河的泛滥盆地沉积,煤层的分布受古地形和古河道影响。成煤期研究区处于伸展拗陷环境,构造变形较弱,但构造活动使得煤层呈南北向条带状分布,并控制煤层沉积的厚度变化;后期构造活动先以挤压为主,形成复式向斜的主体构造;后以逆冲推覆为主,造成主断裂上盘煤层被剥蚀。推断杨咀子湾向斜东翼煤系地层褶皱隆起,具有一定找煤前景。

关键词地质特征 沉积环境 构造演化 控煤作用 草庙地区

草庙地区位于宁夏彭阳县北部,为典型黄土地貌,基岩出露少。自20世纪70年代以来,在研究区西部王洼一带开展过一系列煤炭勘查工作,查明含煤地层为侏罗系延安组,编号煤层12层,主要可采煤层6层,查明资源量38.35亿t,已建有银洞沟煤矿、王洼一矿和王洼二矿。2006年以来,先后完成了草庙地区的煤炭预查和普查工作,认为草庙地区南部煤系地层被冲刷剥蚀,草庙地区煤系地层为一东倾的单斜构造,埋藏深度大于1200m。但随着近年来草庙地区外围煤炭勘查工作的开展,对草庙地区的构造形态应该重新认识。本文利用近年来的勘查资料,采用大地构造与沉积环境相结合的方法,探讨草庙地区的沉积背景和构造演化过程。

1　地质特征

草庙北部地区位于鄂尔多斯盆地西缘陶乐—彭阳褶冲带,主冲断层走向近南北向,断面向西陡倾,造成冲断块向东掩冲。印支期—燕山期运动方向以自西向东推覆为主,少量有自东向西反冲,但断裂规模不大,应属西倾东冲主断裂系统发育过程中产生的背冲断层。喜马拉雅期除继承性的逆冲外,多兼有右行走滑特征。根据钻孔揭露,区内地层由老至新依次有奥陶系、三叠系、侏罗系、白垩系、新近系及第四系,侏罗系延安组为区内含煤地层,属潮湿平原型含煤建造,煤层形成于广阔的湖滨凹地沼泽。

1.1地层特征

根据已有勘查成果,延安组平均厚度320m,自下而上划分为4个岩段,见图1,第一、第二岩段为含煤段,第三、第四岩段基本不含煤。含编号煤层11层,煤层总平均厚度15.19m,含煤系数为7.71%。可采煤层6层(四、五上、五、五下、七、八),厚度为1.80～6.44 m,平均厚度为2.98m,可采总厚度17.88 m,可采煤层系数5.59%。

1.1.1延安组第一岩段

该段厚3.77～28.16m,平均厚度14.85m,仅在研究区北部小范围分布。下部为灰色块状含砾粗砂岩、中厚层状中细粒砂岩、粉砂岩,向上变为灰色、深灰色具波状及水平层理的中薄层细粒砂岩、粉砂岩,含九煤层。本段处于凹凸不平的古地形夷平阶段,沉积层连通性不好,厚度变化大,仅在低洼部位沉积了九煤层,煤层连续性差,具有下粗上细的旋回,属不稳定煤层。

1.1.2延安组第二岩段

该段厚12.84～213.14m,平均厚134.88m,研究区内连续分布,由南向北逐渐变厚。该段沉积粒度细、颜色深、含煤层多,炭屑、煤屑及黄铁矿含量多,下部以灰－灰黑色泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主;上部以灰－灰黑色粉砂岩、中细粒砂岩夹煤层为主。砂岩多具块状层理或向上变细的粒序层理,与下伏岩层(粉砂岩或泥岩)呈冲刷接触;泥岩、粉砂岩具波状层理、水平层理,含黄铁矿结核、植物碎屑化石和煤屑及楔状沥青。含八、八下1、八下2、七、六、五下、五、五上和四等煤层。其中五、八煤层为巨厚－厚煤层,全区大部可采;四煤层局部可采;六、七煤层局部分布,多不可采。含锥叶蕨、新芦木、银杏、苏铁格拉分羊齿、荷叶蕨、叶肢介等化石。该段为研究区的主要含煤岩段。

1.1.3延安组第三岩段

该段厚30.15～153.21m,平均厚97.55m,研究区内连续分布,由南向北逐渐变厚。底部为浅灰色中粗粒砂岩,向上为灰色粉砂岩、泥岩与中粗粒砂岩互层,粗细碎屑沉积层频繁交替是本岩段主要特点,与第二岩段相比,该段岩石碎屑粒度明显变粗,颜色变浅,有机质含量和炭屑含量也相对减少。总体为一向上变粗的进积序列。

1.1.4延安组第四岩段

该段厚33.39～137.85m,平均厚72.77m,研究区内连续分布,由南向北逐渐变厚。以灰－灰白色中－粗粒砂岩为主,夹薄层粉砂岩和细砂岩。以小型交错层理、沙纹层理、水平层理最为发育。含植物化石碎片、黄铁矿和少量的炭屑,该段的特点是粗粒砂岩厚度大,颜色变浅。下部为含砾粗砂岩,为K2辅助标志层。总体仍为一向上变粗的进积序列。

1.2 构造特征

研究区在中生代表现为拗陷盆地,新生代以来表现为自西向东的逆冲,形成现在的鄂尔多斯地块西缘南段逆冲构造带(青龙山—云雾山逆冲带)。其东侧以车道深断裂为界与鄂尔多斯盆地腹地(洼陷区)相邻;其西以固原大断裂为界与北祁连走廊褶皱构造带相接。研究区即位于青龙山—彭阳大断裂与车道—阿色浪大断裂之间,属逆冲构造带东缘部分。

研究区主构造线近南北向,主构造自西向东有青龙山—彭阳大断裂、惠安堡—沙井子断裂、银洞沟向斜、庞家梁银洞沟背斜、杨咀子湾向斜、刘园子西侧背斜和车道—阿色浪大断裂,见图2。

图2　草庙地区地质简图

1.2.1褶皱

(1)银洞沟向斜和庞家梁银洞沟背斜。研究区内以往勘查工作已查明,其分布于研究区西侧,延伸约20km,银洞沟向斜两翼倾角约15°～60°,庞家梁银洞沟背斜两翼倾角约10°～75°;中部被北东向惠安堡—沙井子逆断层所切割,断层以南轴向近南北至北北东向,南端翘起为侏罗系中统煤系地层;断层以北轴向由北北东向渐变为北东向,银洞沟向斜向北逐渐尖灭,庞家梁银洞沟背斜向北延伸至甘肃境内,向南受断层影响,向南西略呈弧形而翘起,为三叠系中下统非含煤地层。

(2)杨咀子湾向斜。甘肃境内以往勘查工作已查明,研究区内资料较少,推断该褶皱向南延伸至研究区内,褶皱轴呈S型,褶皱枢纽向中间倾伏,南北两端翘起;两翼不对称,西翼倾角6°～10°,东翼倾角16°～45°,控制研究区煤系地层分布的主体形态。

(3)刘园子西侧背斜。甘肃境内以往勘查工作已查明,研究区内资料较少,推断该褶皱向南延伸至研究区内,甘肃境内地表出露,背斜枢纽向北倾伏两翼不对称,东翼倾角15°～25°,西翼倾角12°～18°,核部由三叠系地层组成,两翼为三叠系和中侏罗统地层。

1.2.2断裂

(1)青龙山—彭阳大断裂。为区域大断裂,全长超过300km。断面西倾,倾角60°～70°向东逆冲,断裂带宽10～200 m,最大断距约3000 m。控制研究区内煤系地层的西边界。

(2)惠安堡—沙井子断裂。研究区内延展长度约12.7km,走向为NNE向,断面倾向为NWW 向,倾角约70°,区内落差180～1000m,破坏了研究区西部煤系地层的连续性。

(3)车道—阿色浪大断裂为区域大断裂,总长约500km,为向东仰冲的逆断层,倾角一般为40°～50°,部分地段达75°,断距为200～3000m,自北向南断距渐减直至消失。该断裂控制了宁夏东部中—新元古代、寒武纪、早—中奥陶世地层的沉积与分布,除在加里东期—印支期有过较强活动外,它也明显地控制了中、新生界的分布与发育。

2　控煤作用分析

2.1成煤环境及演化

鄂尔多斯盆地延安期沉积环境总体为一巨型内陆湖盆,主要以河流、三角洲、湖泊沉积为主,岩石类型表现为砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层,而砾岩较少。研究区位于鄂尔多斯盆地西缘,在三叠纪填平补齐的基础上发育一套河湖相含煤地层。研究区南部为三叠系上统崆峒山组(Tk),如图3所示,以浅灰绿色、褐红色为主的杂色砾岩为主,呈块状、巨厚层状,砾石为石英岩、硅质岩和变质砂岩,多呈椭圆状—次圆状,分选性差,孔隙式胶结,颗粒支撑结构。北部为三叠系上统延长组(Ty),如图4所示,岩性以紫红色夹浅灰绿色砂质泥岩或粉砂岩,向下过渡为灰绿色泥岩、砂岩。具有较为典型的冲积扇特征,结合已有研究认为在鄂尔多斯盆地南部侏罗纪延安期存在自环县、西峰方向的两条庆西古河道,推断在三叠纪末期的填平补齐阶段,研究区以北东流向的冲积扇相为主,扇根位于研究区的南西部。

图3　三、四岩段沉积环境分析图(以2K7－1孔为例)

早侏罗世,研究区经历了短期的风化剥蚀,原始地貌被进一步剥蚀夷平并变得起伏不大。进入中侏罗世第1亚期(第一段),在继承晚三叠世冲积扇沉积及后期改造的基础上,发育辫状河沉积。在研究区南部没有沉积(或保存)该段地层,在研究区中部、北部见有该段地层,为一个正旋回沉积,底部发育具有河床滞留沉积的含砾粗砂岩,与下伏晚三叠世地层呈侵蚀冲刷接触;底部砂体自然电位曲线为负值,呈典型的“钟型”特征,与顶界面(呈“上凸”形态)为加速渐变式接触,与底界面呈突变接触,反映水流能量向上减弱,河道侧向迁移或逐渐废弃。推断由于河床坡降大,河床宽而浅,河道侧向迁移迅速,形成的砂体连通性不好,厚度变化较大;泛滥平原沉积不发育,剖面上仅在正旋回顶部见有煤线或薄煤层,推测为在洪水期,河水从河道溢出,流向周围的河泛平原,故在局部地区(ZK35－1孔周边)形成煤线或薄煤层(即九煤),同时由于河道迁移迅速,煤层也存在冲刷现象。

图4　一、二岩段沉积环境分析图(以ZK23－3孔为例)

第2亚期(第二段)研究区发育明显的3个“泥包砂”的正旋回沉积。第一个旋回为第二岩段底部到五煤层下部砂岩:砂体底部为块状粗砂岩,磨圆度差,含煤屑和楔状沥青,与下伏地层为冲刷侵蚀接触,为河床底部滞留沉积;向上逐渐变细为具有波纹层理和水平层理的粉砂岩(粉砂质泥岩)－泥岩(夹煤层),富含黄铁矿结核、植物化石,为泛滥盆地沉积。第二个旋回为五煤层下部砂岩到四煤层下部厚层砂岩的底部:底部砂体以块状粗砂岩为主,多含黄铁矿结核、植物化石,自然电位曲线呈负值的“箱型”,曲线上下值基本一致,表明水动力能量强,沉积物分布均匀,物源供给充足,沉积速率快,具有典型河道砂坝曲线特征;向上变细为具有波纹层理的粉砂岩(粉砂质泥岩)－泥岩(夹煤层),显示第二旋回并未发生明显的河道变化(仅在局部冲刷掉了六煤层),在第一旋回形成的泛滥盆地的基础上发育边滩(点砂坝)沉积,巨厚砂体的沉积使盆地古地形进一步夷平,并随着水面的上升,形成了更大的泛滥盆地,沉积了大面积可采的巨厚煤层——五煤层(组)。第三个旋回为五上煤层顶部砂岩到四煤层。与第二旋回相似,但由于泛滥盆地持续的时间比较短,形成的四煤层厚度比较薄,结构简单。据此判断第2亚期总体为曲流河沉积。

第3亚期(第三段)以块状(含砾)粗粒砂岩与粉砂岩、泥岩频繁互层为特征,砂体自然电位曲线具有“箱型－钟型”的特征,反映水动力条件由强到中等,物源丰富,后期由于河道变化而能量减弱。可划分5个小旋回。每个旋回底部粗砂岩中往往夹有薄层(10cm左右)具有水平层理的粉砂岩,向上变为具波状层理和水平层理的细砂岩、粉砂岩,为典型曲流河边滩沉积;顶部则为具水平层理的粉砂质泥岩、泥岩,属于曲流河天然堤沉积。但砂体厚度较小,说明当时水动力条件变化频繁或河床迁移频繁,没有形成煤层的环境或煤层形成后被剥蚀(砂岩中见煤屑)。

第4亚期(第四段)与第3亚期岩性特征相似,砂体自然电位曲线具有“箱型－指型”的特征,反映水动力条件整体较强,但物源供给由丰富到不足。具有曲流河沉积的典型特征,同样没有形成并保存有煤层。

2.2构造演化及控煤作用

研究区位于鄂尔多斯盆地西缘南段,该段前人已做过大量研究工作,但盆地西缘的东部均以惠安堡－沙井子断裂为界,而研究区主体位于惠安堡－沙井子断裂的东部,则研究工作较少,包括研究区东部边界车道－阿色浪断裂亦很少有人研究。但根据物探重力、电法、地震探测,以及近年来煤炭、石油地质勘查工作,均证实车道－阿色浪断裂的存在,其北起内蒙古桌子山东麓阿色浪北,向南经宁夏马家滩东、萌城进入甘肃省南秋子东车道坡、冯庄直抵平凉市以东,是陶乐—彭阳褶冲带东部边界,断裂多被新生界覆盖。

研究区逆冲推覆体系的断裂为西倾东冲,由西向东分不同断块呈台阶式上升,中新生代的地层构造变形强烈,断裂和褶皱发育。断层延伸长度大,断层产状具有上陡下缓的特征,在断距变化上表现为同一断层向深部层位垂直断距减小,浅部断距可达上千米,而深部仅有几百米。推断研究区应有反向调节的反冲断层和对冲断层,与主逆冲断层形成双重构造。褶皱整体呈现东窄西宽、东陡西缓的不对称状,轴部靠近主逆冲断层,受青龙山－平凉断裂活动的影响,向斜西翼发生次级褶皱,并且银铜沟向斜西翼发生倒转。

研究表明晚三叠世古特提斯洋闭合,华北地块与华南地块对接挤压,受控于其西南部印支期秦祁造山作用的影响和控制,鄂尔多斯盆地西南缘晚三叠世没有发生大规模的造山,总体属陆相残延克拉通内叠合盆地,主体处于陆内挤压拗陷环境。研究区以冲积扇沉积为主,对古地貌填平补齐,同时受印支运动的影响,青龙山－彭阳大断裂和车道－阿色浪断裂持续活动形成同沉积构造,晚三叠世岩性和沉积厚度变化大。

晚三叠世印支运动对鄂尔多斯盆地西南缘的影响一方面表现为上三叠统与侏罗系之间的不整合;另一方面表现为受逆冲断层控制而发育继承性的类前渊,使得鄂尔多斯盆地西南缘早中侏罗世主体处于伸展拗陷环境,沉积相对稳定,形成了早中侏罗世含煤碎屑岩沉积。聚煤期主压应力由聚煤期前的NE向转向近EW向,在近EW向挤压环境下,煤系的聚集主要受近SN向的褶皱和逆冲断裂持续活动影响,致使煤系、煤层均呈现出SN向或NNE向条带展布,但其厚度在纵向上并不稳定,在构造盆地处最厚,在构造小盆地边缘及鞍状构造翼部煤层逐渐变薄直至尖灭,如草庙南部地区。此时构造变形较弱。中侏罗世早期(延安组沉积之后)受到燕山运动Ⅰ幕的影响,延安组大规模抬升,遭受强烈剥烛,在此基础上沉积了直罗组和安定组。

中侏罗世晚期(安定组沉积后)受燕山运动Ⅱ幕的强烈影响,西缘构造带以强烈的挤压冲断作用和抬升剥蚀为突出特点,形成了杨咀子湾向斜以及两侧的次级褶皱雏形,枢纽在走向上呈波状起伏,在靠近大断裂附近,轴向多有弯曲。随着研究区3条主要断裂的持续活动,由于它们均向东仰冲,导致前白垩系地层不同程度隆升剥蚀,造成靠近大断裂附近地层老,远离大断裂的地层则相对较新,在横剖面上呈叠瓦状断块构造。

燕山Ⅲ幕构造运动主压应力场仍以东西方向为主,主断裂构造上盘上升强烈,含煤地层遭受剥蚀,白垩系直接超覆在三叠系和奥陶系之上。早白垩世仅发生轻微的褶皱和断裂,为削高补低演化阶段,接受白垩系下统志丹群的沉积,与下伏侏罗系呈高角度不整合,晚白垩纪区内基本构造格架形成。新生代为强烈挤压阶段,局部地区处于伸展环境,发生断陷,沉积了古近系和第四系,但由于强烈挤压推覆和剥蚀,使得草庙地区北部车道－阿色浪断裂的上盘奥陶系出露地表,青龙山－彭阳断裂上盘第四系直接覆盖在奥陶系之上。正是由于多期次构造活动的复合叠加形成了研究区复杂的构造系统,如图5所示。

图5　草庙地区构造演化示意图

3　结论

(1)草庙地区煤系地层(第一、二段)具有明显下粗上细的粗砂岩(砾岩)－中、细砂岩－粉砂岩、泥岩(煤层)的正旋回沉积,为典型的辫状河和曲流河沉积,因此煤层的分布受古地形和古河道影响。

(2)聚煤期构造活动影响了煤层的展布方向和厚薄分布。

(3)后期构造活动先以挤压为主,形成复式向斜的主体构造;后以逆冲推覆为主,造成主断裂上盘煤层多被剥蚀。

(4)杨咀子湾向斜东翼煤系地层褶皱隆起,具有一定找煤前景。

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(责任编辑郭东芝)

ResearchongeologicalcharacteristicsandcoalcontrolpatterninCaomiaoareainNingxia

ChuXiaodong1,2,ZhouHongrui1,ZhangPengchuan1,3,ZengJianping2
(1.SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing,Haidian,Beijing100083,China; 2.NingxiaNon-ferrousMetalExplorationInstitute,Yinchuan,Ningxia750200,China; 3.NingxiaGeologicalMineralExplorationandExploitationBureau,Yinchuan,Ningxia750021,China)

AbstractByanalyzingthesedimentarystrataandstructureofCaomiaoarea,theauthors foundthatthecoalmeasurestrataintheareawasfloodbasinsedimentwithbraidedriverandmeanderingriver,andthecoalseamdistributionwasinfluencedbypaleotopographyandpalaeochannels.Incoal-formingstage,theresearchareawasinextensionalanddepressingcondition,and tectonicdeformation wasweak.Butthetectonicaction madethecoalseam beanorth-south strippeddistribution,andcontrolledthethicknesschangeofcoalseamsediment.Inlaterstage, thetectonicdeformationwasdominatedbyextrudingactions,whichcausedthemultiplesynclinal structure;thenthetectonicdeformationwasmainlydominatedbythrustnappe,whichcausedthe coalseamdenudation.Atlast,theauthorsinferredthatthecoalmeasuresstratawasfoldedinthe eastwingofYangzuiziwansyncline,sotheremightbeagoodprospectforfindingcoalresources.

Keywordsgeologicalcharacteristic,sedimentaryenvironment,tectonicevolution,coalcontrolpattern,Caomiaoarea

中图分类号P618.11

文献标识码A

作者简介:褚小东(1983－),男,宁夏回族自治区固原市人,2004年毕业于兰州大学资源环境学院地质学专业,2013年中国地质大学(北京)沉积地质与沉积矿产专业工程硕士研究生,现为中国地质大学(北京)在读博士,工程师,主要从事煤炭及其他固体矿产的勘查工作。