鲁西南地区构造演化与煤变质规律

雷小乔， 周日平

(1.中国煤炭地质总局，北京 100038； 2.中煤地北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100049)

鲁西南地区位于华北地台鲁西古隆起西南角，区域构造属华北板块鲁西台背斜西南部。鲁西南含煤区东、南、西、北分别由驿山断裂、南华北北部断裂东端—丰沛断裂、聊-兰断裂和汶泗断裂所围限，东北部为隆起区，西部和南部为止于边界断裂的环隆起分布的隆凹相间块段形成的坳陷区。煤变质规律呈现靠近隆起区的鲁西南东北部以中低变质程度的气煤为主，西部和南部则表现为由隆起到坳陷到边界断裂，煤变质程度逐步提高，以气肥煤、肥煤、焦煤为主。东北部隆起区中低煤阶煤的变质是深成变质为主，西部和南部高煤阶煤的变质是深成变质叠加岩浆热接触变质和动力变质等其他多期次、多热源的变质。中生代及新生代发生的华南板块、太平洋板块与华北板块构造应力作用导致的环鲁西古隆起断裂的复活以及断裂间块体的隆起与坳陷则是煤变质发生的根本，因为断裂发生处岩浆的喷发、华北东部克拉通破坏引起的块体沉陷导致的地热流的升高等，都是煤进一步变质的直接诱因。本文以基底构造为出发点，结合区域构造演化，分析了基底构造对鲁西南地区煤变质格局的控制作用。

1 鲁西南煤类分布与煤变质规律

鲁西南地区煤形成于石炭-二叠纪、侏罗纪、新生代三个时期，其中以石炭-二叠纪太原组、山西组煤为主要，分布最广并最具开采价值。区域内煤田主要有巨野煤田、济宁煤田、兖州煤田、滕县煤田、韩台煤田、临沂煤田等(图1)。

1.1 鲁西南煤类分布

鲁西南地区中低变质以及中高变质煤层都有分布，主要为气煤、气肥煤、肥煤，其次为无烟煤和天然焦[1]，兖州煤田最低，藤县煤田次之，巨野煤田最高，即围绕东北部隆起向西、向南，煤变质逐渐增高，靠近断裂处变质程度最高，不同变质程度煤区域内分布规律明显。

图1 鲁西南煤田、煤类分布图Figure 1 Southwestern Shandong coalfield, coal rank distribution

1.2 鲁西南地区煤变质序次与变质规律

图1所示是研究区现煤变质程度分布，煤变质程度是用镜质组油浸反射率(Ro)作为变质指标测定的，某一时刻煤变质程度应是其以前所经历各时期热变质效应的积累，是地质历史纵向演变过程在此静态时间点的反映，而非动态的变化过程。石油地质界用于含油气盆地地热史研究分析的TTI法可以实现这一动态变化过程的恢复，其计算的时间温度指数TTI值能够反映变质过程中的指数变化。此方法如用于煤变质的测定，通过把TTI值转换为Ro值就可以实现。这样通过测定TTI值转化而来的指示各地质时期煤变质程度的Ro值[2]，将煤的变质演化赋予随时间变化的动态属性，更好的探寻煤与构造期、与古地理相互作用与影响。

表1是姚多喜将鲁西南地区TTI值换算为Ro值的山西组3号煤热演化历程表。由表中可以看出，现今的研究区山西组3号煤变质从兖州—滕北—滕南—济宁唐口—济宁许厂—巨野逐步递增。三叠纪末期，各煤田Ro值处于0.527%～0.55%区间，煤变质程度基本接近，为长焰煤阶段，说明此时的变质发生在板块碰撞及其引起的板内变形以前的稳定期。差异化主要集中于三叠纪末期以后，即三叠纪末期到侏罗纪末期、侏罗纪末到古新世末、古新世末至现代三个阶段，由表中可见，三叠纪末至侏罗纪末巨野煤田煤变质程度最高，说明挤压断裂作用引起的构造岩浆作用在巨野煤田最先发生；侏罗纪末到古新世末，滕南、济宁变质最大，巨野次之，滕北、兖州变质最低，说明此时的拉伸作用引起的断裂岩浆作用主要集中于研究区南部；古新世末至现代为研究区全面沉陷期，巨野煤田离转化成的拉伸断裂最近，受华北东部克拉通破坏及下地壳拆沉影响，地幔岩浆上涌，华北东部并研究区大幅度沉陷，煤变质增加值明显，这是华北东部克拉通破坏引起的研究区热流值增加所致，是地热作用的结果。

因此，从三叠纪末到现代，从兖州-滕北-滕南-济宁-巨野煤田煤变质呈现逐步增加的规律性变化，即环绕兖州的西、南方向，研究区煤变质在逐渐升高，在聊兰断裂带附近达到最高。

2 鲁西南地区基底构造、板内变形与煤变质

鲁西南在石炭-二叠纪煤系形成后，共经历了三个构造发展阶段，即石炭-二叠纪成煤后至三叠纪末期的稳定期、三叠纪末期至侏罗纪末期挤压隆起期、侏罗纪末期开始直至现在的伸展构造期。侏罗纪末期开始的伸展断裂期包括侏罗纪末期到古新世末的伸展断裂期和古新世末至现代全面沉陷时期。期间经历了挤压到伸展的构造转化，即晚侏罗世末到早白垩世，随着西太平洋被动大陆边缘转化为活动大陆边缘，原有挤压断裂转化为拉伸断裂，从此区域内以拉伸断裂及其岩浆喷发为主。三个阶段分别对应不同的古构造和古地理环境，与华北煤变质阶段相对应，即稳定期的深成变质、断裂发生期的区域岩浆热变质和全面沉陷期热流值增加导致的热变质，这三阶段对煤变质的影响在表1的山西组3号煤热演化历程表中都有所反映。

表1 鲁西南地区山西组3号煤热演化历程表

上述成煤后构造演化的阶段性对煤变质的影响解决的是煤在时间维度的变化，而区域内煤变质的横向分布差异及规律则是成煤前基底构造的再活动来控制，因为煤层作为盖层的一部份是依托基底而存在，基底的坚硬软弱、高低起伏以及旧有断裂对后期的成煤古地理以及构造演变过程中的断裂构造的发展都具有直接的控制性影响。因此，基底构造对赋煤构造格局及煤变质分布规律具有控制性作用。煤的变质是在基底构造控制下经受不同构造阶段应力作用而成。

2.1 鲁西南地区基底构造

2.1.1 鲁西南地区古陆核组成及特征

研究区东、西边界分别被郯庐断裂带与聊兰断裂带所围限，这两条断裂带属华北次一级磁异常分区——济宁古陆核区域的边界断裂，是华北地台古中元古代断裂，属结晶基底断裂，是地台内部薄弱地带遇应力作用的结果，古陆核垂向生长的特性形成了其固有的稳定性。图2为白瑾等在华北磁性界面等深图划分出的济宁古陆核深层磁性界面等深线图[3]，不同形态等深线分别代表不同的地形与地形走向，图中可见，济宁古陆核成穹窿状分布，中心圈闭线代表的穹窿最高处是从济宁西南部一直延伸到济南南部，且方向有分散状，表示古陆核在晚太古代拼接时的复杂性，古陆核碰撞时的旋转以及旋转产生的韧性剪切带围绕古陆核呈弧形分布，碰撞、剪切的结果形成边缘走向的不同，东部、西部边缘走向为北东向，北部、南部边缘走向为北西向或近东西向。

图2 鲁西磁性界面等深度图和济宁古陆核分布图Figure 2 Western Shandong magnetic interface isobath and Jining paleo-continental nuclear distribution

2.1.2 鲁西南地区古中元古代的破裂与煤变质格局

古元古代引张应力作用下的拉伸破裂是华北区新太古代晚期第一次克拉通化之后的韧性破裂，此破裂为多处且不连续的发生，中元古代的破裂是克拉通固结之后的破裂，为线性断裂，线性断裂的发生形成区域内块断分割的构造格局。

鲁西南含煤区地处济宁古陆核西南部，西部、南部边界的聊-兰断裂、丰沛断裂为古断裂，北部、东部的驿山断裂、汶泗断裂应是构造运动过程中起调节作用的转换断裂，但其整体格局仍受古陆核控制，研究区“棋盘”状复式堑垒构造受这些断裂所围限。区域内自北而南的东西向的汶泗、郓城、凫山及韩台断层, 自西而东聊城、田桥、巨野、嘉祥、孙氏店、济宁、峄山等断层也应具有与边界断裂同样的成生性，均为次一级古断裂或软弱破裂带的复活，断块间地堑与地垒是挤压或拉伸应力作用时起伏调整的结果，由此形成了鲁西南部、北部“两堑一垒”的地堑和“三垒两堑”的中间及两边为地垒、间夹地堑的构造(图3)。位于南、北两侧的EW向地堑含煤建造保存较好,如汶上-宁阳、滕县、鱼台等煤田，位于中部的地垒含煤建造保存不完整,只是在与SN向地堑叠加地段如济宁凹陷、巨野凹陷保存较好,形成济宁、巨野煤田;在与SN向地垒叠加地带如菏泽隆起、兖州凸起含煤建造大部分遭剥蚀,仅在背斜翼部、向斜轴部有保存,如位于兖州凸起的兖州煤田。

图3 鲁西南堑垒控煤构造示意图Figure 3 A schematic diagram of graben-horst coal control structures in southwestern Shandong

2.2 鲁西南显生宙构造演变与煤变质

2.2.1 晚古生代成煤与晚三叠世前的深成变质

早古生代的寒武纪及早、中奥陶世，鲁西南地区随华北板块同步缓慢沉降并接受以滨浅海相碳酸盐岩为主的沉积，晚奥陶世泥盆纪到中石炭世抬升，中石炭世开始受古亚洲板块与华北板块的碰撞影响，华北板块北部隆升，华北板块从北到南翘翘板式不断推进，华北区大面积海陆交互相煤系形成，但基底的隆起与坳陷处仍在影响着煤层的均匀沉积，隆起区没有煤层沉积，坳陷区则因水深过度而煤层难以形成，由此形成了研究区成煤古地理的差异和厚度不同的鲁西南煤系地层的沉积。煤系形成后，印支运动发生前，研究区沉积持续，煤的深成变质占据主导地位。

2.2.2 中新生代挤压、拉伸应力的转化与煤的热变质

晚三叠世末期，随着扬子板块向北俯冲-碰撞以及西太平洋板块被动边缘的持续推进，华北大面积隆起，挤压推覆构造此起彼伏，原有基底断裂复活，华北板块出现东高西低的东西分异格局，环古陆核鲁西弧形构造系统发育[5]，鲁西南区为南部EW向、西部NE向推覆构造及NE向和WN向走滑调整断裂发育，晚侏罗世-早白垩世达到隆起顶峰。随着西太平洋板块板缘构造由被动转化为活动，并且向华北板块俯冲，原有挤压断裂转换为伸展断裂，岩浆喷发，煤系岩浆热接触变质占主导。随着俯冲作用的持续以及印度板块在南部的推挤，华北东部地幔隆升，岩石圈减薄，下地壳拆沉，华北东部克拉通发生破坏，研究区古陆核西部区域地壳全面沉陷，地热梯度升高，西部、南部区域沿边界断裂拉伸下陷，受岩石圈减薄及地热值升高的影响，边界断裂处煤变质进一步提高。

3 鲁西南地区构造演化与煤变质规律

华北板块在经历了石炭-二叠纪煤系沉积、晚三叠世末期以及早中侏罗世挤压隆升后，晚侏罗世-早白垩世在西太平洋板块活化俯冲后，华北东部区域即开始了拉伸断裂、全面沉陷、地壳减薄、岩浆喷发以及地热梯度显著增强的地质历史时期，岩浆的喷发以及地热梯度的增强使得煤变质进一步加深，而组成原地台基底的古陆核和原始断裂，在经受挤压和拉伸应力作用时继承性活动，对研究区煤变质构造格局具有控制意义。鲁西南石炭-二叠纪煤由东北部到南部、到西部逐渐增大的变质即是沿古陆核中心到边部到深大断裂带处的由浅到深的变质，由稳定陆核到构造活动带的变质。因为活动带作为原地台的构造薄弱带，具有更强的活动性，是岩浆多发带，而且在遇拉伸应力作用时沉陷更深，是煤变质的岩浆接触变质、动力变质、深成变质以及地热升高影响的变质的集中地带，因此，基底构造和成煤后构造演化构成了鲁西南煤变质的两个方面，但基底构造更具有控制意义。