永陇矿区东部边缘煤层底板高差缘由探究

李 浩

(1.陕西省煤田地质集团有限公司 国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710054；2.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

永陇矿区属陇东黄土高原南缘梁塬、沟壑区，总体地势西北高、东南低。区内主要含煤地层为侏罗系延安组，其赋煤区受构造演化影响较大。在煤田地质资料的基础上，应用构造地质学、沉积学理论，从构造演化、构造形变及构造控煤作用等角度，分析总结永陇矿区东部构造演化过程，以期明确构造演化对矿区东部边缘赋煤区煤层底板高差的影响。

1 区域地质特征

1.1 构造

永陇矿区位于鄂尔多斯盆地南部渭北挠折带北缘。鄂尔多斯盆地在晚三叠世从华北地台分离出来，形成一个独立的构造单元。渭北挠褶带属盆地Ⅰ级构造单元，以蒿店—御驾宫大断裂为界，以南称铜川凸起，以北称庙彬凹陷，属盆地Ⅱ级构造单元(图1)。庙彬凹陷又以构造特征及煤层发育程度的差别，进一步分为彬长坳陷与麟游折带，属盆地Ⅲ级构造单元，其界线东以太峪背斜为界，向西至阁头寺、两亭背斜一线。

图1 永陇矿区构造位置简图

1.2 地层

永陇矿区地层区划属华北地层区鄂尔多斯盆地分区，依据地质填图、钻孔揭露并参考以往资料，矿区地层由老至新有：三叠系中统铜川组(T2t)、三叠系上统延长组(T3y)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、环河组(K1h)、罗汉洞组(K1lh)，新近系(N)及第四系(Q)。侏罗系中统延安组(J2y)为含煤地层，矿区自下而上发育三段，即延安组第一段、第二段和第三段。延安组第一段和第二段为其主要含煤地层，延安组第三段受到后期的冲刷剥蚀作用，残留地层已无可采煤层存留，自下而上依次为3#煤～1#煤。

2 主要构造形迹

永陇矿区东部主要的断裂和褶皱形成于印支—燕山期的构造运动，受力方向以南北向为主，形成一系列的褶皱、断裂构造形态，主要呈北东向或近东西向展布。永陇矿区东部发育的断裂主要是丈八—元朝断裂，对区内影响较大的断裂主要有草碧—圣人桥断裂、彬县—宫庄断裂。研究区内褶曲较为发育，中部由南至北主要有：阁头寺背斜、两亭背斜、太贤—丈八沟向斜、左家沟—桑坪背斜、天堂—石家庄向斜、阳坡—春台塬背斜；东部由南至北有：瑶远背斜、太裕背斜、邵寨背斜等，如图2所示。

2.1 断裂构造

草碧—圣人桥断裂：该断裂为逆冲推覆构造[1]，主要分布于千阳县草碧镇—麟游县两亭—淳化县圣人桥一线。该断裂涉及加里东构造层和燕山层，是划分渭北西部和北部鄂尔多斯地块的边界断裂[2]，是华北地块南缘燕山期构造活动带与稳定地块的分界线[3]，断裂以南的华北板块南缘卷入秦岭燕山期陆内造山过程，断裂以北活动相对较弱，主要表现为北东向冲断和褶皱系统。

彬县—宫庄断裂：该断裂为逆冲推覆构造，燕山期来自古太平洋动力系统的北西—南东向应力的作用[4]，造成了该断裂的形成。

图2 研究区及周边构造纲要图

丈八—元朝断裂：根据丈八井田勘探报告，该断层倾向北北东，正断层，倾角50°，落差100～200 m[5]。

据韩家井田元朝村附近的钻孔KT5314揭露情况：①岩层、煤层的破碎(图3)；②地层有重复迹象(图4)，推测该断层应该延伸至韩家井田元朝村附近。

图3 韩家井田煤层、岩层的破碎

图4 韩家井田延安组三段地层的重复出现

2.2 褶曲

阁头寺背斜：位于郭家河煤矿南部，为阁头寺—砚汪台北斜西段。轴部出露中侏罗统安定组，白垩统宜君组平行不整合于其上，向西倾伏。轴向呈北东东—近东西向延伸至矿区以外，北翼倾角变化大，东部3°～4°，中部10°；南翼倾角5°～16°。

两亭背斜：位于研究区南缘，为一宽缓箱状背斜。地表见于西川沟、折灵沟，向西延伸至两亭，为大湾岭—两亭北斜向东延伸部分，轴向北东。轴部出露下白垩统宜君组(西川沟)及洛河组(南庄)，向西倾伏，北翼倾向330°～350°，倾角10°～15°，最大可达25°；南翼倾向150°～170°，倾角5°～8°，呈两翼不对称的较宽缓背斜，其南翼宽缓而北翼较陡。

太贤—丈八沟向斜：位于郭家河煤矿中部，南翼地层的倾角为4°～10°，北翼地层倾角为3°～5°，两翼呈不对称，较为宽缓。轴向近东西，轴部较为平缓，在太贤以西地区，轴部收缩并呈北东向，在太贤以东地区，轴向转为东西向，最终向东部古河道尖灭。

左家沟—桑坪背斜：位于郭家河煤矿北部，据钻孔揭露情况来看，西部中侏罗统直罗组超覆在三叠系之上，东部中侏罗统安定组超覆于三叠系之上。北翼倾角4°～5°，南翼倾角3°～5°轴部起伏，呈短轴背斜。

太裕背斜：东起彬县太裕镇，轴部为三叠系，为一宽缓箱状背斜，轴向北东东，经底店、太阳寺区至大湾倾没，进而向西延伸可与阳坡—春台塬背斜相接，研究区内轴长约13 km。地表出露于太峪与拜家河之间，出露地层为下白垩统洛河组、侏罗系中统安定组及三叠系铜川组，向西倾伏。北翼倾向330°～350°，倾角8°～12°；南翼倾向60°～80°，倾角5°～8°。呈两翼不对称的较宽缓背斜，其北翼较陡而南翼宽缓。

邵寨背斜：位于研究区北部外围，为隐伏构造，近北东走向，两翼倾角小，仅4°～10°，属成煤后期构造。轴部走向在西南的甘肃邵寨存在起伏抬高，至东北部大佛寺一带轴部倾伏。

遥远背斜：区域内遥远背斜，东起永寿县底角沟、平遥煤矿北。轴部为三叠系，向西延伸与阁头寺背斜相接，轴部为延安组。研究区内为其北翼，最大倾角10°。

3 构造演化特征

3.1 印支期

华北地台印支期地应力场的主应力方向为近似南北走向，磁北方向较东偏30°左右，据此恢复当时的主应力方向较东偏30°左右。受这一应力作用的影响，晚三叠世末印支构造运动晚期鄂尔多斯西缘发生弱褶皱，断裂作用并不明显[6]。弱褶皱作用使得永陇矿区西部上三叠统与上覆侏罗系之间形成微角度不整合接触关系，造成了区内前侏罗系坳隆不平的古地貌特征。受近似南北应力方向的作用，研究区内此时形成的小褶皱大多近似东西走向。

3.2 燕山期

燕山期，受太平洋板块向亚洲大陆俯冲的影响，伸展—挤压作用交替演化[7]。早侏罗世至中侏罗世早期(燕山第一亚构造层，表1)研究区处于弱引张应力环境[8]，以伸展坳陷作用为主，区内地层整体发生沉降，形成了聚煤的坳陷地貌，促进了富县组及延安组的沉积。至中侏罗世延安组末期，来自华南板块与华北板块中间的秦岭造山带的挤压作用造成了鄂尔多斯盆地南北区域不均衡的抬升运动，中部及北部所受影响极小，盆地南部地壳抬升幅度和影响范围较大，这一点研究区内直罗组与延安组的不整合接触关系及局部延安组三段顶部残存的紫红色泥岩可以给予证明。挤压作用致使研究区内的褶皱生成，后期伴有逆冲断裂作用[9]，应力方向为近南北走向，受该应力方向的影响，研究区内的褶皱、断裂大多为近似东西走向，区内的褶皱也大多在这一时期初具规模，丈八—元朝断裂此时为逆断层。挤压抬升作用及后期直罗组底部的冲刷作用致使研究区内不但延安组四段、五段的沉积缺失，而且三段也在较大范围内保存不全，更有很多区域无二段、一段或富县组沉积，直罗组直接与延安组一段、富县组或铜川组接触，形成了直罗组与延安组、富县组或铜川组明显的不整合接触关系。挤压抬升、冲刷剥蚀的作用，最终使得研究区内的煤层沉积区域几何形态初步形成。

中侏罗世—早白垩世燕山期，鄂尔多斯盆地全面进入强烈的挤压成盆环境，地壳上部受到南北向挤压应力作用，以褶皱和脆性断裂释放南北向的挤压应力。由于在圣人桥断裂带的遮挡作用下，向北的应力没有越过圣人桥断裂[10]，故此这一应力作用对研究区内影响有限。另外，在二叠纪到侏罗纪时期，在西太平洋古陆与古亚洲大陆之间存在一个古洋盆，该古洋盆与特提斯相通，到三叠纪中晚期，由于印支运动的作用，使得古洋盆开始消减，到晚侏罗世—早白垩世时期(燕山第三亚构造层，表1)，古亚洲大陆与西太平洋古陆间接触封闭并强烈碰撞[11]，应力方向为北西—南东向，受此应力的远程效应影响，研究区内地壳再次抬升(研究区内沉积的安定组深紫色泥岩及洛河组的棕红色砂岩可以较好的证明此时构造事件的强烈(图5))，地层遭受风化剥蚀，区内褶曲、断裂不同程度向北东方向扭转，走向基本定形。

图5 侏罗系安定组深紫色泥岩和白垩系洛河组棕红色中粒砂岩

早白垩世末至晚白垩世(燕山第四亚构造层，表1)，属鄂尔多斯盆地消亡并进入后期改造时期，盆地整体抬升[12]，渭北隆起开始发育，研究区全面隆升，不但晚白垩统地层沉积缺失，而且下白垩统地层也不同程度遭受到风化剥蚀。

3.3 喜山期

始新世开始，主要受印度次大陆向欧亚板块下俯冲作用，青藏高原地块向北东推挤，应力作用于鄂尔多斯地块时，由西而东发展，由于受到来自东部地块的对抗，致使渭河盆地裂陷，应力分解向南、向北作用。向北作用致使渭北隆起并向北西方向旋转走滑，受此影响，黄陇侏罗纪煤田北部几个矿区褶皱和断裂由近东西向转变为北北东、北东向，永陇矿区东部接近渭北隆起边缘，也不同程度受到影响，丈八—元朝断裂最终转变为北北东向，矿区边缘的太峪背斜走向也最终转变为北东东向。向南作用致使秦岭抬升并向南东方向旋转走滑(从宝鸡到蓝田的秦岭山脉南东走向最为明显)。于此同时的伸展、断陷作用导致了渭北隆起边部出现断块翘倾的特征[12]。受其影响，丈八—元朝断裂由逆断层变为正断层;矿区东南部边缘出现翘倾，接受后期强烈风化剥蚀。据研究区东南部地层出露图(图6)来看，矿区东部由北西向东南出露地层依次变深，最深处可见奥陶纪地层，这说明了矿区东南部曾经遭受了强烈的冲刷剥蚀，从而印证了矿区东南部喜山期翘倾的特征。

4 构造演化对东部煤层底板高差影响

据煤田地质资料显示，永陇矿区东部边缘存在煤层底板高差大的情况，尤其是韩家井田(图7)，钻孔揭露数据显示：韩家井田西部的ZK6116号钻孔3煤底板高程为287.87 m，而东部的ZK0908钻孔3煤底板高程为1 064.38 m(图8)，两者之间相差了776.51 m。现依据构造演化及井田东部赋煤特征，对这一现象分析如下。

表1 鄂尔多斯盆地及其周缘构造演化及构造层序表

图6 研究区东南部地层出露图

图7 永陇矿区煤炭资源勘查程度分布图

图8 韩家井田东西部3煤赋煤情况示意图

晚三叠世末，弱褶皱作用造成了区内坳隆不平的基底，该基底控制了富县组和延安组的沉积，通常隆起部位沉积薄或缺失，坳陷部位沉积厚。早侏罗世至中侏罗世早期，以伸展凹陷作用为主，这为井田内延安组的沉积创造了条件，井田的东部与西部沉积了厚度相当的煤层，据钻探揭露东西部均有厚煤层沉积。至中侏罗世延安组末期，由于挤压隆升作用，导致了井田内太裕背斜的隆升，井田东部由于地处太裕背斜附近，隆升幅度较大，直接造成了井田内东西部地形高差变大。东部地层的隆升纵向上导致了韩家井田东部与西部煤层底板形成较大的高差，同时也致使上部地层易遭受冲刷剥蚀而不断变薄(韩家井田东部的钻孔ZK0910洛河组直接覆于三叠系之上)；在横向上则导致了隆起区域的抬升边缘由于边界的剥蚀而不断后退。至晚白垩世，由于韩家井田东部地处黄陇侏罗纪煤田的东南部边缘，且距离渭北隆起东南部边缘较近，受这一时期的渭北隆起边部抬升早、中部抬升晚特点的影响，遭受冲刷剥蚀的时间较长，地层变薄或缺失可能性变大(韩家井田东部的钻孔ZK0910环河组缺失)。至喜山期，由于伸展、断陷的作用致使矿区东南部边缘出现翘倾，受其影响韩家井田东部与西部底板高差再次加大，东部赋煤区再次遭受强烈冲刷、剥蚀，最终导致了现今东西部赋煤区底板高差的结果及东部目前独立的两块赋煤区。

矿区东部边缘的崔木煤矿及碾子沟煤矿整合区煤层底板高差大的原因和韩家井田东西部赋煤区煤层底板高差大的原因基本一致。

5 结论

(1)印支晚期的弱褶皱作用，应力方向近似南北，造成了区内近似东西的小褶皱形成；燕山期伸展—挤压作用交替进行，伸展作用促进地层的沉降，挤压作用造成地层隆升、褶曲及断裂形成，受近南北走向挤压应力的作用，区内褶皱大多近东西走向，断裂多为逆断层；喜山期的伸展、断陷作用，促使研究区内的构造形态最终成形，东南部地层在前期抬升的基础上发生翘倾。

(2)燕山期的挤压抬升作用叠加喜山期的断陷翘倾作用，最终导致了矿区东部边缘赋煤区煤层底板高差大的结果。