依兰第三煤矿构造特征分析

2022-04-26谢玉祥高晓岩张宗宝刘宝东

中国煤炭地质 2022年3期

杜蓉，方石*，谢玉祥，高晓岩，张宗宝，刘宝东

(1.吉林大学地球科学学院，长春 130061； 2.吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室，长春 130061；3.东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，长春 130061；4.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 130061； 5.中煤能源黑龙江煤化工有限公司，哈尔滨 154054)

0 引言

依兰第三煤矿位于郯庐断裂带北延依兰-伊通断裂带之上，断裂带内沉积了巨厚的新生代地层，记录了东北地区古近系以来的地质信息，蕴藏着丰富的煤炭、石油、天然气等资源[1]。新生代以来依兰-伊通断裂带活动复杂，详细分析依兰地区断裂的构造特征不仅有利于理解依兰-伊通断裂带演化的动力学机制，同时也对依兰地区煤矿的勘探开发具有指导意义。

前人对依兰地区的断裂特征和构造演化进行了大量研究[2-6]。基于2005年黑龙江省煤田地质物测队的《黑龙江省依兰矿区及外围地震勘探》的三维地震数据，主要针对中煤层开展构造特征分析，舒正文[3]认为依兰矿区断裂均为张性正断层，区内构造较简单，整体地层南倾；邸春生[6]认为本区以张性或张扭性正断层为主，在新生代主要经历四个构造演化阶段；王毅等[5]认为始新世—渐新世依兰矿区在佳依地堑边缘断裂右旋张扭作用下形成一系列同沉积断裂；孙煜[7]认为研究区大部分断裂为张性正断层，但断层对煤层厚度影响较小。

综合前人基于煤层顶界构造特征的研究：①依兰地区主要发育正断裂[2-3,6-7]；②切割煤层的断裂是否是煤层的同生断裂存在分歧；③依兰地区整体上是伸展地堑的一部分[8-9]；④在新生代主要经历四个构造演化阶段。本文针对这四个方面的认识均进行了一定程度的调整或修正。在钻井与三维地震资料综合分析的基础上，结合蚂蚁追踪等断裂识别技术，系统地分析了依兰矿区煤层及其基底的构造样式，建立研究区的构造格架，结合郯庐断裂整体演化的宏观认识，讨论了研究区的演化过程，为其煤炭的勘探开发和依兰-伊通断裂带的演化分析提供了新的依据。

1 区域概况

依兰地区位于黑龙江省依兰县达连河镇，处于郯庐断裂带北延的依兰-伊通断裂带的依兰断隆和方正断陷的交接部位[1,11](图1)，受依兰-伊通地堑及多期走滑转换的控制。前人认为依兰地区是中央隆起两侧凹陷的两凹一隆式的构造格局，即北部低凹区、中央隆起区和南部低凹区，整体上北高南低，由北向南掀斜[2-3]。依兰第三煤矿位于南部低凹区内，整体被三维地震勘探区覆盖。地震测网密度为5m×5m。基准面海拔95m，替换速度2 300m/s。三维地震数据在目的层段附近信噪比较高，资料品质较好。

图1 研究区构造位置图(据参考文献[10])Figure 1 Study area tectonic position (after reference [10])

依兰地区基底主要为古元古代变质花岗岩，沉积盖层由中新生界组成，新生界是主体沉积[12]。其中依兰第三煤矿矿区钻遇的地层为古近系始新统达连河组，该组自下而上分为下部含煤段、中部油页岩段和上部砂页岩段[1](图2左)。其中自底部向上10～30m位置存在三个煤层，下煤层、中煤层和上煤层(图2右)。下煤层范围小、不稳定、煤质较好；中煤层厚度大、范围广、结构简单、煤质好；上煤层分布范围减小、结构复杂、分层多、灰分高。中煤层是研究区的主力煤层，矿区以中煤层为主要开采目标。达连河组之下的基底为花岗岩。

2 三维地震资料构造解释

2.1 中煤层的标定

地震反射波地质属性的确定是地质构造解释的基础[13]，利用区内钻孔的测井资料制作地震合成记录，共对25口有声波测井进行了合成地震记录的标定，通过与过井时间剖面对比确定反射波的地质层位，二者相互吻合较好，故可以认定地质层位标定结果是正确可靠的。

根据钻孔取心以及测井资料对比，研究区有三个煤层群，可分为上1、上1-2、上2、中、下五个可采煤层[6,14]。单井煤层剖面显示(图2右)：上煤层为反旋回-正旋回-反旋回-正旋回的地层组合特征(图2右)，中间有多套夹层；中煤层低GR、高电阻、高声波时差，主要为反旋回地层组合，在全区稳定分布，局部地区在中煤层顶部有薄夹层，在东部地区中煤层中部发育厚夹层；下煤层主要为反旋回地层组合，煤层中发育多套夹层。其中中煤层发育最好，平均厚度可达7.14m，全区可以稳定对比，是本文开展研究的目标层。

图2 依兰矿区地层柱状图及单井煤层特征Figure 2 Stratigraphic column and single well coal seam features

中煤层是全区发育最好的煤层，厚度较大且结构简单，全区连续分布，在时间剖面上反射特征明显，是全区可连续对比的唯一一组反射波组。黑龙江省煤田地质物测队用换层法将中号煤层用围岩替代后，T中反射波消失，说明T中反射波即为中号煤层的反射。沿用前人的成果认识，将目的层中煤层的反射波仍然命名为T中波。T中反射波在全区都表现为强振幅、高连续反射的特征，全区可连续追踪(图3)。

通过合成记录标定，确定研究区煤层为三个强反射同相轴组成的反射波组，其中第二个强反射为中煤层，该套煤层在全区稳定分布。T中反射波零相位为该套煤层顶界，其底界面在波峰向波谷转换的拐点。对T中反射波中煤层的顶底界面进行追踪解释，层位追踪的解释密度为8m×8m，局部4m×4m。研究区目的层段煤层在时间域内表现出北高南低，两侧凹陷中间隆起的趋势(图4)。

2.2 层位解释及断裂解释

本区三维地震资料解释使用SMT以及Paradigm全三维解释系统对中煤层进行构造解释。构造解释包括断裂解释及同相轴追踪—层位解释。采用Paradigm全三维导向滤波技术，对原始地震数据进行滤波处理后剖面上断点更为明显，增强断点在剖面上的可识别性，使断裂的剖面解释更加清晰。采用目前应用最为广泛的断层自动识别技术—蚂蚁追踪技术。地震数据体若满足预设断裂条件则“蚂蚁”在该断裂处聚集，直到完成对断层的识别与追踪，建立蚂蚁体[15]。蚂蚁体沿层属性可显示断裂痕迹。通过蚂蚁追踪技术识别的断层与剖面断点有很好的相关性，提高了断裂解释的精度，并且使断裂在平面上的组合关系更为合理。

图3 07-39、07-42地震合成记录Figure 3 Synthetic seismogram of 07-39 and 07-42

图4 近东西向联井合成记录T中反射波中煤层顶界面标定剖面Figure 4 T中reflection wave coal seam top interface in near EW cross well synthetic seismogram calibrated section

3 研究区构造特征分析

3.1 构造样式

断裂的形态、平面展布和空间排列之间有着密切的联系，三者的特定组合，即是构造样式，它既是构造几何学分析的基础，也是构造几何学分析的结果。根据依兰矿区的构造变形特征，该区构造样式类型多且变形强烈，主要为挤压构造和走滑构造，以及走滑派生的伸展构造(图5至图10)。

图5 回缩突破型断展褶皱Figure 5 Retraction breakthrough type fault propagation fold

1)回缩突破型断展褶皱。根据依兰地区三维地震资料地震剖面的解释，结合断展褶皱的概念[16]，在研究区中部呈北西-南东向展布的断鼻构造实际为F002断裂多期活动形成的回缩突破型断展构造(图5)。根据沿构造倾向地震剖面的构造形态分析，F002断层由后断坪和下盘断坡组成，断展褶皱下盘断坡上的位移量沿着断层逐渐减小，在断层端点位移量为零，所有位移均被褶皱变形吸收[17]，之后断展褶皱前翼突破沿着F002断裂前移，在前移基础上向后回缩形成拖尾现象。整体上经历了向东北方向挤压之后向西南方向伸展回缩反转的过程。在分析中抽取三条垂直于中部隆起的地震剖面进行解释(图6至图8)，并对其构造样式及变化关系进行对比分析。从解释剖面中可以看出，构造的东南部断展构造的断层位移量较大，背斜构造幅度较大，而在构造的西北部，断展构造的断层位移量减小，背斜构造的幅度减小。

2)高角度逆冲构造。研究区F080断裂是典型的高角度逆冲断裂(图6)，断层角度自深而浅逐渐变陡，为铲式逆冲断层，断层位移造成的垂直位移分量相对较大。

3)叠瓦状逆冲构造与双重构造。研究区的西北部和中部均发育有多套基底卷入式的逆冲推覆，倾向北西西或南西(图7、图9)。基底卷入式的逆冲

图6 高角度逆冲构造和冲起挤出构造Figure 6 High-angle thrust and rammed extrusion structure

图7 双重构造与构造楔Figure 7 Duplex structure and structural wedge

图8 构造楔及类薄皮走滑构造Figure 8 Structural wedge and analogously thin-skinned strike-slip structure

图9 叠瓦状逆推构造及滑脱构造Figure 9 Imbricate thrust structure and decollement structure

推覆构造常发育在盆地内挤压应力最集中释放的区域或盆地的边部。主控断裂常具有上陡下缓的犁式特征，断裂断穿断入基底，在断裂面两侧可以见到地层的褶皱现象。由于挤压的缘故，会造成地层的挤出和逃逸。

4)冲起挤出构造。F080—F060之间的块体均为冲起挤出，在盖层中发生的逆冲过程，会造成逆冲上部的地层发生向上的位移(图6)[18]。挤出构造发生在逆冲断层逆冲过程中，由于逆冲使物质变形距离缩短地层向上运动，需要顶部地层通过位移消耗断裂位移缩短的空间。

5)构造楔。研究区的构造楔主要发育在F082断层之下，顺F082断层由北东向西南方向挤入(图7、图8)。

6)滑脱构造。研究区发育的滑脱面主要为F081断层和F082断层(图6至图9)[19]。

7)类薄皮走滑构造。在研究区大量发育和薄皮走滑构造类似的走滑构造样式，这类走滑构造常与滑脱断层或者某段倾角较小的断面有关。这类走滑构造立切在滑脱面上或者立切在倾角较小的断面上，其走向与主位移运动方向一致，或者与主位移方向锐角斜交。研究区F021、F024和F076形成的花状构造立切在F002断裂较宽缓的断坪部位(图5)；研究区F064、F092和F001形成的花状构造立切在F080断裂较宽缓的断坪部位；研究区F034和F035立切在F081滑脱断层上(图8)。

8)派生伸展构造。研究区没有真正意义上的伸展构造，所有具有正断层特征的断层，均为走滑背景下派生的断裂，在张扭→压扭、或者压扭→张扭演化过程中其构造残余表现为正断层。

3.2 构造格架

本区逆冲和走滑构造非常发育(图5至图9)，整体以压扭的力学性质为主，根据构造样式，研究区的构造格架可以分为上、中、下三层(图6至图8、图10)。上层以F081滑脱面为分界，其上为回缩突破型断展褶皱、高角度逆冲断裂、构造楔和走滑断层组成的北东向和北西向两组挤压方向的挤压结构。构造格架的中层结构以F081滑脱面为顶界，底界为F082滑脱面，两套滑脱面之间发育大量的叠瓦状逆冲推覆双重构造，逆冲断层均为犁式断裂，推断收敛到F082滑脱面，其整体倾向均为北东向。构造格架的下层结构以F082滑脱面为顶界，滑脱面之下发育大量由构造楔组成的多重构造，F082为后冲断层，F090、F091和F092为前冲断层，前冲断层的倾向为北东向。

图10 研究区构造格架(走向近北东)Figure 10 Study area structural framework (strike near NE)

T中反射波波中为中煤层，其下同相轴为下煤层，下煤层之下均为基底。构造格架上层为基底卷入式构造，中层和下层为基底构造，由于三维地震勘探区缺乏钻井数据，根据周边岩性推断基底之下主要为花岗岩。

通过具体剖面的解剖，整体上研究区的构造格架分为上、中、下三层，整体呈现北东向缩短趋势。构造格架的上层结构中，在研究区中部偏西南的位置发育两条逆冲断裂F002和F080，其中F002是突破型断展褶皱的控制断裂。F002的倾向南西，F080倾向北东，在研究区的西部F080覆盖在F002之上(图12)，整体上为左旋对冲的结构。

4 断裂展布及成因分析

研究区与中煤层交汇断裂共85条，其中具有正断裂特征69条，逆断裂特征的16条。断裂走向以北西和北东向为主(图11、图12)，断距主要集中在10m左右，最大断距约125m，平均断距约13.52m。其中F002、F080、F001、F056和F058断层是研究区重要的控制断层。

F002断层位于研究区中部偏西南，是西南倾向的回缩突破型断展褶皱的突破断层，三维区内走向延伸可达1 424m；F080断层位于研究区中部偏西北，是东北倾向的逆冲推覆断层，三维区内走向延伸可达841m。F002断层和F080断层地震反射剖面都表现为逆冲断层，断距大，断面整体上陡下缓，对研究区逆断层和走滑断裂有控制作用。F001断层位于研究区中部偏东北，是突破型断展褶皱派生的北西倾向走滑断层，后期发展成正断层，对研究区走滑断裂有控制作用，三维区内走向延伸可达2 841m，西南方向与F002断裂相接。F056断层位于研究区中部偏西北，是逆冲断裂F080断裂派生的西北倾向的走滑断层，断距较大，断面整体陡峭，对研究区走滑断裂有控制作用，三维区内走向延伸可达1 210m，西南方向与F080断裂相接，北东方向可与F073断裂、F058断裂和F059断裂相接。

根据构造样式的几何特征，将研究区目的层分成4个最主要的构造样式组合。F002、F076、F027、F024、F021、F019断裂整体上为一套突破型断展褶皱基础上的挤出构造，且F076、F024、F021还表现出明显的走滑特征，平面图上F002西南侧明显平行于断裂的背斜也表现出断展褶皱的特点(图7、图8)。

图11 依兰第三煤矿中煤层顶面构造图Figure 11 Middle coal seam top structure in Yilan coalmine No.3

图12 依兰第三煤矿中煤层厚度展布图Figure 12 Middle coal seam thickness extending in Yilan coalmine No.3

F080、F026、F025、F028、F074、F071断裂整体上为一套逆冲断层基础上的挤出构造，并且F076、F024、F021还表现出明显的薄皮走滑特征(图6至图8)。F001、F032、F053、F033、F052、F051、F034、F050、F049、F047、F048断裂整体上为一套多期压扭和张扭转换的花状构造，在平面图上，以F001为中心走滑断裂的雁行式排列的花状构造典型结构，整体的走向为北北东(图5)。F056、F073、F058、F059断裂整体上为一套多期压扭的花状构造，以F056为中心走滑断裂的帚状排列的花状构造典型结构，整体走向为北北东方向(图6至图8)。

结合研究区背景，研究区的断裂大部分都是走滑派生的断层，中煤层平面上构造样式的组合也说明了这一点，包括F002和F080两条逆断层与其相关派生断裂组合具有明显的走滑特征。以断裂F002—F080作为分界，将研究区分成东北和西南两部分(图11)。西南部(区块I)的构造变形相对简单，以向北东向运动的突破型断展褶皱和走滑断裂组合为主，从断层倾向、性质和褶皱的产状，确定其明显经历了先左旋走滑，后右旋走滑的挤压分量改造。东北部以F056-F058断裂、F001断裂为界分为3部分(图11)，在整体左旋残余的背景下，F080-F056-F058断裂包围的区块(区块II)以高角度逆冲断裂与走滑断裂的组合为主，相对向西南逆冲；F058-F056-F002-F001断裂包围的区块(区块III)以走滑断裂组合为主，向北北东方向相对运动；F001断裂以东的区块(区块IV)相对向西南运动。

原生煤层在沉积时期高程相差不大，而目前依兰第三煤矿中煤层北东部高程比西南部高约576m(图11)，这种北高南低的掀斜结构与地震剖面及构造解释相一致，是由于F081断层之下的多重构造和F082断层之下的构造楔由北东向西南挤入，导致北东部高程升高。

断穿中煤层的断层两盘煤层厚度和断裂的相关性非常弱，煤层厚度与断层活动无明显相关性，基本确定断穿中煤层的断裂与聚煤作用无明显关系，即研究区断裂是达连河组沉积之后形成的断裂，非同沉积断裂，不控制煤层的厚度(图12)。特别是F002断裂回缩突破型断展褶皱的特点，认为达连河组煤层沉积之后，先后遭受了左旋走滑和右旋走滑的改造。

5 依兰地区断裂演化

研究区位于依兰隆起，依兰隆起位于依兰-伊通地堑中方正断陷的北部。依兰-伊通地堑存在两条控盆走滑断裂(图13)，西缘F1和东缘F2。F2在方正断陷和依兰断隆之间断开，且走向向东微偏转，研究区处于F2断裂分段衔接F2-1和F2-2，且走向微调的位置，断裂F2-1的左旋位移要传递到断裂F2-2上让断裂F2-2也产生左旋滑移，就必然在F2断裂分段衔接部位产生强烈挤压，这造成研究区在左旋期间为强挤压环境。

图13 郯庐断裂北段依兰段断裂走向调整图Figure 13 Tancheng-Lujiang discordogenic fault northsector Yilan segment strike adjustment

根据F002断裂回缩突破型断展褶皱的特点以及研究区整体断裂展布，研究区总体构造残余量可推断是由左旋构造挤压分量导致。根据高角度逆冲断裂(F080)和突破型断展褶皱(F002)的倾向，研究区左行走滑的挤压分量为北北东方向，在简单走滑背景下压性断裂走向方向应具有伸展特征，但是研究区不仅北西西倾向的断裂多具有逆断层特征，例如F035、F053、F057等断层，北北东方向也有具有正断层特征的断裂。因此推测北北东走向的断裂经过了挤压改造，即：在左旋走滑之后，右旋走滑的挤压分量改造了原先伸展分量作用下的伸展断裂，反转成具有逆断层特征的断裂；原先左旋挤压分量形成的逆断裂被右旋走滑的伸展分量松弛反转，但部分断裂松弛反转的量小于逆冲的量，整体上的构造残余量表现为左旋逆冲的挤压作用。

受太平洋板块俯冲影响，新生代郯庐断裂至少经历了右行-左行-右行三次翻转，古近纪期间依兰-伊通断裂表现为右行走滑的逆断层，新近系呈现为左行走滑的正断层，第四纪再次呈现为右行走滑的逆断层[20-22]。新近纪和第四纪的这两次走滑转换控制依兰-伊通地堑的发育，沿依兰-伊通断裂出现了幔源玄武岩喷发，主要分布在伊通、舒兰、佳木斯等地。因此依兰-伊通断裂新近纪左旋走滑、第四纪右旋走滑。

根据构造特征分析，依兰矿区达连河组煤层明显经历了左旋和右旋两期走滑改造，左旋改造之后发生右旋改造，整体上与新近纪左旋和第四纪右旋吻合。因此判断研究区现今的突破型断展褶皱和高角度逆冲构造形态是在新近纪区域左旋时期形成的，而北西倾的逆断层是第四纪右旋时期改造的。