大同煤田塔山矿构造发育特征及形成机制研究

段宏跃， 孟 艳， 温建亮

(1.山西煤炭地质物探测绘研究院， 山西 晋中 030600； 2.中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116)

我国煤炭资源丰富，仍是能源支柱产业，其中又以大同煤田为佼佼者。大同煤田是石炭—二叠纪和侏罗纪双纪煤田，含煤岩系包括本溪组、太原组、山西组和大同组等。厘清煤田的构造特征是煤田开发的前期必要基础工作，是煤矿开采工作面布置的参照，是煤层气资源评价与选区的基础。王钟堂[1]、李明等[2]分别以黔西煤田和黔西-滇东为例，分析了其构造特征及演化规律，认为构造运动控制了煤层展布特征和煤储层物性的非均质性。李磊等[3]以阳泉新景煤矿为例，研究其构造特征，认为厘清构造发育及其演化规律是煤层气勘探开发和煤矿安全开采的基础。杜丕[4]、袁远等[5]、郭万忠等[6]简要分析了大同煤田的构造特征，得出大同煤田主要受大同向斜控制，控制了含煤岩系的分布特征，进而控制了井田边界和采区边界，为煤矿的安全开采提供了地质保障。前人对构造特征和构造演化规律方面的研究已经形成了一套非常成熟的研究方法，且对我国华北地区及大同盆地进行了一系列基础研究，得到了许多重要的研究成果[7-9]。但针对于塔山矿构造特征的精细研究十分罕见，仍需大量的研究工作。

基于此，本次研究以大同煤田塔山矿为研究对象，以前期的构造详查报告和野外实地调查数据为依据，以各构造的不同延伸方向为体系划分依据，结合华北地区不同期次构造运动及构造应力场特征，划分各体系的形成时间和形成机理。研究结果对于塔山矿煤炭资源的安全开采具有理论和实践双重意义。

1 研究区地质背景

大同含煤盆地构造位置隶属于华北克拉通，天山—阴山纬向构造带南侧，是一个对应于大同新生代断陷盆地的新华夏系台隆，二者以口泉断裂为界，是新华夏系的第三隆起带[10-11]。大同煤田西邻西石山脉，东与大同盆地接壤，南部以洪涛山为界相邻宁武煤田。

大同煤田是一个开阔的、轴迹北东向的近“S”型向斜构造，向北东向倾伏。南东翼倾角介于20°～60°之间，局部直立或倒转。大同煤田主干构造线，即山阴—怀仁—大同断裂呈北东向延伸。大同及东部邻区的断裂形迹包括燕山期大同-阳高弧形构造、燕山期末大同西弧形断裂、喜马拉雅期NNE向“多”字型构造和棋盘格式构造等四个体系。煤田内部断裂发育情况不同，以中-南部大型断裂最为发育，大多呈近E-W向展布，少量NW-SE向延伸，盆地北部构造简单，仅间十里河断裂一个大型构造。塔山矿位于大同煤田中部偏东区域，北邻马脊梁井田和同忻矿井田；南邻马道头井田；西邻潘家窑井田和东周窑井田；东邻大同—山阴山前断裂带(如图1)。

图1 大同煤田构造纲要图

2 构造发育特征

2.1 断裂发育特征

本次研究基于塔山矿详查报告及野外地质调查补充，经统计本井田共发育大小断层300余条，其中落差≥3 m的有99条；落差≥20 m的断层18条；落差≥10 m小于20 m的断层22条，落差≥3 m小于10 m的断层59条。而其中尤以正断层为主导(94条)，仅发现5条逆断层。

基于断裂的延伸方向，本次研究中将塔山矿断裂构造划分为三个体系，即①北东-南西和北北东方向展布的断裂(NE-SW和NNE)、②北西-南东方向展布的断裂(NW-SD)、③北东东向和近东西向展布的断裂(NEE和E-W)(图2)。

图2 塔山矿构造纲要图

①NE-SW和NNE：该体系断裂是研究区主体断裂之一，全区皆有发育，包括研究区北部的白F4、白F8，中部的F42、F43和F33以及南部的F1666等。②NW-SD：该体系断裂同样在研究区内十分发育，包括研究区北部的中小型断裂，研究区中-南部的大-中型断裂(中部的F31、F44、F1390、F1394、F1541和F32等，南部的F1669、F1686和F27等)。③NEE和E-W：该体系断裂研究区内发育较少，主要为矿区北部边界的F21、F21-22-41和F35等大型纬向断裂，以及矿区内零星分布的F1和F30等小型断裂。

2.2 褶皱发育特征

研究区内褶皱不甚发育，经井田详查、勘探及补勘等工作共发现了5条褶皱，分别编号S1-S5，发育于研究区的中-南部。

S1向斜：轴向约N65°E-N45°E，长约6 200 m，钻孔控制，向南西倾伏，两翼倾角约4°左右。

S2向斜：轴向“S”型，轴长约6 300 m，轴向SN-N46°W-N53°E，钻孔控制，西翼陡，东翼宽缓。

S3背斜：轴向N42°E，短轴型，钻孔控制，两翼倾角约3°。

S4背斜：轴向N48°W，短轴型，两翼倾角2°左右，钻孔控制。

S5向斜：轴向N43°E，短轴型，两翼倾角2°左右，钻孔控制。

基于各褶皱延伸方向，将S1、S2、S3和S5划分为和①NE-SW和NNE属于同一构造体系；将S4划分为和③NEE和E-W属于同一构造体系。

3 构造形成机制

前文中，笔者将研究区构造划分为3个体系，这表明研究区自盆地形成以来至少经历了明显的3期构造改造。前人研究成果表明自石炭-二叠纪煤层形成以来，研究区经历了海西—印支期、燕山早—中期、燕山晚期—喜马拉雅早期和喜马拉雅晚期—现今4期构造运动，形成了复杂的褶皱和断裂等地质构造格局[12-13]。

3.1 海西—印支期

晚古生代后期，华北板块向北漂移，与西伯利亚板块在二叠纪末对接碰撞。同时或略晚，华南与华北两板块同样发生碰撞，整合为统一的中国板块，华北板块南、北两条缝合线呈近东西向展布。构造应力场特征呈“最大主应力为近南北向挤压应力，最小主应力为近东西向拉张应力”。

受华北板块的控制，大同煤田也受到近南北向挤压的构造应力场，该期地质构造主要发育在研究区以北的燕山和阴山山脉为主，以褶皱带形式出现，而大同煤田内该期超大型构造发育微弱，塔山矿内部大、中型构造有所发育(图3)。塔山矿发育近东西向展布的大型构造包括北部的F21-22-41正断层、F23正断层和F35等大型正断层，即③NEE和E-W体系构造。

图3 华北板块海西-印支期构造应力场(据区域地质志及文献[14])

3.2 燕山早-中期

早中侏罗世-晚白垩世，燕山构造期，库拉—太平洋板块向北西方向挤压，华北地块承受高强度的北西—南东向挤压应力场(图4)。该期是燕山造山带形成阶段，构造变形强烈，大同煤田受该期构造运动影响形成了一系列北东—北北东向的超大型断裂和褶皱，包括凉城复背斜、左云复向斜、五台复背斜、五寨复向斜、芦芽山复背斜、宁武复向斜、系舟山复向斜、阜平复向斜和口泉断裂等北东—北北东向构造[15-16]。塔山矿内部同样发育了众多大、中型构造。塔山矿发育北东—南西向、北北东向展布的大型构造包括东北部的白F4、白F8等一些列中、小型正断层；东部发育F1385大型正断层；中部F42、F43正断层、S1背斜、S2向斜、S3背斜和S5向斜；南部的F1666正断层和F1549逆断层等大、中型构造。即①NE-SW和NNE体系构造。

图4 华北板块燕山早-中期构造应力场(据区域地质志及文献[14])

3.3 燕山晚期-喜马拉雅早期

该阶段华北地区构造应力场呈“主大主应力为NE-SW向挤压应力，最小主应力为NW-SE向拉张应力”特征(图5)。大同煤田受该期构造运动影响形成了一系列北西—南动向展布的大、中型构造。塔山矿发育西部F27、F29、F30、F31、F32、F34等大、中型正断层，S2大型向斜、S4中型背斜；南部发育F1669、F3166、F1686等大、中型正断层；南部发育F1382、F1392、F1394等大型正断层。即，②NW-SD体系构造。

图5 华北板块燕山晚期-喜马拉雅早期构造应力场(据区域地质志及文献[14])

3.4 喜马拉雅晚期-现代

进入新近纪，库拉-太平洋洋脊消亡，太平洋板块运动方向由NNW向转为NWW向，而印度板块于中新世与欧亚板块碰撞并继续向北推挤，以滑移线场形式作用于中国大陆，并造成中国大陆东部向洋蠕散，使日本海、东海、南海等边缘海盆相继打开，东亚大陆东侧转化为沟-弧-盆体系的西太平洋性大陆边缘，弧后扩张中心东移[14]。新近纪中国大陆东部岩石圈地幔活动减弱、热异常衰减，逐渐由拉张作用转变为挤压体制，方向为NEE或近EW向(图6)。华北地块以伴随周缘山区隆升的区域性沉积为标志的沉陷作用为主，该期构造作用主要是基于海西—印支期、燕山期形成的构造基本形态，进行加强和改造，形成了现今的构造形态。

图6 华北地区近代构造应力场(据区域地质志及文献[14])

4 构造-沉积响应特征

大同盆地基底集宁群片麻岩盆地形成后经历了祁县运动、加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅期运动等多期改造，使得盆地呈现现今的沉积-构造特征。

寒武纪-奥陶纪期间，受祁县运动影响，盆地基底开始下沉，北部沉降幅度较缓慢，致使广泛海水由南而北侵入，沉积了以一套海相碳酸盐岩类为主的地层。

中奥陶世后，受加里东运动影响，整个华北克拉通发生大面积隆起，研究区也发生了整体抬升，经受长期的风化剥蚀，造成盆地内部上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统的沉积缺失。

至中石炭世，地壳再次缓慢下降，十里河以南地层沉降幅度较快，形成北东向聚煤拗陷，煤系本溪组、太原组和山西组相应沉积。太原组为主要含煤地层，其次为山西组，本溪组地层中仅可见几层不稳定煤线。

研究区在晚二叠世初期沉积范围就开始缩小，直至二叠世末的石千峰组含煤盆地最终封闭。盆地内部三叠系沉积缺失，受印支运动影响，盆地整体抬升，并发生了一次较大规模的构热事件，岩浆侵入破坏了煤层、影响了煤质，同时也给煤炭开采带来了较大困难。

侏罗纪燕山运动奠定了盆地现今构造格局初期，其致使全球构造动力学机制发生了重大变化，由先期南北向挤压转变为太平洋板块向欧亚板块俯冲为主的动力学机制。在盆地的中部形成轴向为北东向的宽缓褶皱，并产生了一系列北西方向的正断层，逆冲推覆作用还在大同侏罗纪盆地北部产生了陆内拗陷，形成了侏罗世陆内河湖相含煤沉积建造，角度不整合于大同晚古生代含煤岩系之上。

随着燕山运动的持续，侏罗纪含煤建造沉积仍残留有大小不同的小型拗陷，在左云一带形成了以砾石为主的白垩纪地层沉积。燕山晚期构造运动及喜山运动影响使得大同一带再次抬升，遭受风化剥蚀至今。

5 结论

1)根据研究区各构造的延伸方向，将各断裂和褶皱划分为①NE-SW和NNE向、②NW-SD向和③NEE和E-W向3个构造体系。其中研究区主要受①NE-SW和NNE向和②NW-SD体系构造控制，研究区内广泛发育；③NEE和E-W向仅在研究区北部边界较为发育。

2)大同盆地自石炭-二叠系煤层形成以来共经历了海西期、印之期、燕山期和喜马拉雅期4期构造运动，其中③NEE和E-W体系形成于海西—印之期；①NE-SW和NNE体系形成于燕山早—中期；②NW-SD体系形成于燕山晚期—喜马拉雅早期；喜马拉雅晚期-现代构造运动加强和改造了之前的构造。

3)大同盆地形成后，寒武系、奥陶系沉积了一套巨厚的海相碳酸盐岩，之后经历了影响最大的加里东运动，使得华北地区确实泥盆系和上石炭统地层，之后重新地壳下降，依次沉积了本溪组、太原组、山西组和大同组等多套含煤岩系。