大同C-P煤盆地构造形式及成因分析

2022-08-29李亚奎陈继福安律宁董广铭

山西大同大学学报(自然科学版) 2022年4期

李亚奎，陈继福*，赵亮，安律宁，董广铭

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）

大同煤田位于山西省最北部、大同市的西南部，其总体形态为轴向呈北东—南西向的椭圆形，东北部以青磁窑断层为界，东南部以口泉大断裂为界，西南部以洪涛山为界，西部以自然边界为界，煤田总体构造为一个不对称复式向斜盆地[1]。盆地内发育的地质构造是严重危害煤矿正常生产的地质因素，也会造成煤炭资源的浪费。地质构造的空间分布、规模级别、力学性质等数据是制定生产计划的重要依据。地质构造对矿井开拓布署与煤炭生产有直接的影响，查清其分布与性质是地质勘探的重要任务之一。现代化煤矿生产要求对矿井构造进行预测，以保证采掘生产的正常进行。

1 大同石炭-二叠纪煤盆地构造轮廓

按不同区域出现的特征，大同C-P 煤盆地有3 种构造[2]。

1.1 东南边缘构造带

大同煤田东南边缘，在七峰山、雷公山一带，发育有一系列的逆断层，从南到北有鹅毛口断层、白洞断层、口泉断层、煤峪口断层、拖皮沟断层、王家园断层、青磁窑断层等断层，其走向大多呈NE或NNE向。北部断层倾角较陡，如青磁窑断层，倾角最大接近80°；南部断层倾角变小，如鹅毛口逆掩断层，倾角变为40°。所有断层落差较大，最大近500～600 m。

1.2 内部盆地构造

从云岗—兴旺庄—南信庄—常流水—怀仁县的楼子沟一线，呈现的是一个轴向反S 形的盆地构造，也就是所谓的大同向斜盆地。盆地内的地层产状平缓，沿走向变化比较大，倾角一般在4°～8°左右，最大可达10°。

煤田内部盆地发育的断层大多为正断层。北部的口泉一带比较少，中部的常流水—鹅毛口沟一带较为发育。主要断层组呈梯式构造和地堑的组合形式。从东到西发育的断层主要有窑子头、王卞庄、东山头、庙儿沟和冯家窑断层，相继往西南侧下陷。上述断层落差在40～150 m 左右，沿走向延伸程度在3 000～5 000 m 左右。各断层经常出现有高大的悬崖，明显地现露出80°～75°的断层倾角。煤田内部盆地占煤田的大部分，其主要特征是以开阔的褶皱为主。

至于南部煤田的构造，与煤田北部情况大致相近，但因黄土覆盖较多，且未进行详细地质测量，详细情况还有待今后补充。

1.3 西北边缘构造预测

大同煤田的西北边缘尚未确定，主要由于高山镇、左云以北全为黄土覆盖。推测为一个巨大断裂带，即滴水岩断裂，此断裂带的走向大致与牛心山山脉平行。秦墨堂（1983）、王钟堂（1957）均认为滴水岩断裂一带是煤田的西北部边界。

2 大同C-P煤田构造特征

大同C-P 煤田断裂构造包括节理和断层。本区主要节理有六组：NE 向、NNE 向、NW 向、NNW 向、EW 向和SN 向。主要断层包括煤田东缘的逆断层及煤田内部的断层。

2.1 煤田东南边缘的山前断裂

从北到南，煤田东南边缘有4个山前断裂。

2.1.1 青磁窑断层

该断层沿煤田北东边缘展布，分布于夏庄—竹林寺—青磁窑一线，地表延伸达15 km 以上，断层北端被平整的上白垩统助马堡组所覆盖(如图1)，南端为第四系所覆盖。断层走向345°～330°，倾角为60°～80°，断层面E 倾，上盘主要为集宁群变质岩，仅在煤田北缘的夏庄一带残留有较大厚度的中寒武统毛庄组和徐庄组，其产状为260°∠70°～80°，在断层附近地层直立。

图1 青磁窑村南青磁窑断层剖面示意图

下盘地层从南至北依次为毛庄组、徐庄组、本溪组、太原组、大同组和云岗组。其走向与断层走向大体一致，由远离断层至断层面附近，倾角由缓变陡、直立，甚至倒转。在断层带中普遍见到透镜状断层角砾岩、碎裂岩等。

此外，还发育一些几乎垂直主断层走向的小型次级张性断层。主断层两侧的水平牵引，NNE 向的小型反冲断层、层间小柔皱等现象，反映了该逆冲断层同时具有左旋平移特征。青磁窑村以南，主断层内发育有1 个长9 000 m、宽350 m 的断夹块，其内由产状陡倾的中上寒武统石灰岩组成。断夹块东侧断层面较陡，产状67°∠73°；西侧断层面较缓，产状75°∠50°。以此推算，该断夹块可能延深为450 m。

2.1.2 王家园—狼儿沟逆冲断层

发育于王家园—狼儿沟一带，在地表延伸长度达6 000 m。断层走向SN-NE，倾向E，倾角约80°（如图2）。

图2 狼儿沟南王家园—狼儿狗断层剖面示意图

2.1.3 白洞逆冲断层(F5)

断层沿白洞—塔山一线分布，北起白洞，经绵羊沟，南抵杨家窑，全长7 km 左右。断层走向SN，倾向E，倾角40°～70°（如图3）。

图3 绵羊沟北侧白洞断层剖面示意图

2.1.4 鹅毛口辗掩断层

该断层北起陈家峪，南至石井北，出露长度300 m左右，呈NE向。

断层面在东部下盘的集宁群和奥陶系及本溪组部位倾向E，断层面的西部，则向W倾。因此，在剖面上呈现出断层面先切割层面，后顺层滑动的断坡、断坪的阶梯状形态(如图4)。

图4 鹅毛口沟北岸逆冲推覆构造剖面图

一般倾角平缓，为6°～12°，断层的南北两端倾角变大，可达40°，断距为350～400 m。如在小磨沟北，断层产状为310°∠40°(如图5)。

图5 小磨村沟北鹅毛口断层剖面图

断层破碎带宽度为10～100 cm。破碎带由一系列的断层岩所组成，特点是在断层带两侧的灰、灰黑色的砂岩、泥岩经构造作用后形成了透镜状、鳞片状的灰色和褐色的砂质、泥质及钙质断层泥，厚3～10 cm，其排列方向与断层面大体平行。断层带内片理发育，片理方向亦与断层面平行。在断层面上盘，有两个支断层，均为逆冲断层，倾向东，落差约110 m。上盘地层局部还有倒转的背、向斜。这是由于在主断层的侵位过程中，岩席体的岩层发生层间滑动和强烈弯曲，背斜的西翼被后期的另一组逆冲断层切割，缺失了中、上寒武统，致使核部的片麻岩与奥陶系灰岩呈断层接触。南北两端的岩席体，即石井、小磨沟等处，除局部倒转外，大部分呈直立状态。

主断层的下盘地层，构造形变弱，除局部发育有一组晚期逆冲断层外，大部分岩层产状近于水平或者是与区域正常产状相吻合。晚期的逆冲断层，切割和破坏了主断层的连续性和完整性，并把主断层的东部抬高了数十米，造成主断层的倾向发生局部改变。

2.2 煤田内部的断层

煤田内部己发现的断层，大多数为高角度的正断层，走向为NE-NNE 向、NW 向和EW-NWW 向，大部分落差小于25 m，最大80 m，见表1～表3。断层发育特征如图6。

表1 大同煤田塔山井田断层统计

表2 王坪井田断层统计

表3 小峪－王坪－楼子沟勘探区断层统计

图6 煤田内部断层特征曲线

3 大同C-P煤盆地构造形式及形成原因

中生代末期，发生了为期很长的燕山运动，大同石炭-二叠纪煤盆地现今的主要构造形迹大都形成于这一地质时期[3]。

侏罗纪与白垩纪之间为燕山运动的主要序幕，这一幕是影响山西境内最广泛、最强烈的一次构造运动。在晋西北地区的恒（山）五（台）一带（包括大同平原），受太平洋板块向西挤压，大同煤盆地遭受很大的东侧压力。研究表明，燕山早中期有两次不同方向的挤压应力，其构造特征是：先期的NW-SE向挤压，在煤田东部形成NE向的压性构造。在煤田西北边缘形成滴水岩大断裂。盆地内部产生了一些规模大小不等的断层。后期的NEE-SWW 向挤压，形成了NNW 向的青磁窑逆冲断裂，并伴随有同一时期的岩浆侵入与喷发。由节理统计的赤平投影极密点，恢复两期构造应力场的主压应力优选方位为130°和87°。这与断裂带构造岩的显微构造、岩组分析及磁性组分析所恢复的两期构造应力场主压应力方向是一致的。两期构造应力场应力分析如图7、图8。

图7 大同煤田燕山早期构造应力分析图

图8 大同煤田燕山中期构造应力分析图

喜马拉雅期，由于华北地区构造应力场的北东向压扭性断裂发生力学性质的变化，其构造形迹的NE 向张性构造，包括NE 向张性断裂和NE 向断陷盆地。并且断陷盆地的边界断裂继承了中生代断裂，但显示了反向发展的特点，即由燕山期的压性变为喜马拉雅期的拉伸。例如：大同煤田的东缘断裂，在燕山期为口泉逆冲、逆掩断裂；喜马拉雅期则改造为张性口泉深大断裂。煤田内部断裂也有压性、张性的转换。目前，煤田内的断层绝大多数为正断层，究其原因主要是挤压后的拉伸所导。喜马拉雅期应力分析如图9。

图9 大同喜马拉雅期构造应力分析

综观本区整个地质历史时期的构造发展、演化，是建造与改造，形成与形变，由量变积累到质变飞跃的多次交替变化。从以上构造应力分析可知，煤田的构造形迹主要形成于燕山期和喜马拉雅期。

4 后期构造对大同石炭-二叠纪煤层的改造和破坏

后期构造变动对大同石炭-二叠纪煤盆地的破坏作用造成了重要影响，沿着口泉山脉的东部边缘出现了一些陡峻的断层[4]，对整个煤矿开采带来一定的困难，盆地内部存在一些大小不等的断层，给采煤工作带来一定的危害性。

4.1 断层对煤层的影响

大同石炭-二叠纪煤盆地内断层对煤层的破坏作用明显，有些地段断层密集，形成断层带，对煤层厚度、顶底板岩层完整性有很重要的影响。如塔山井田内的F1394 断层在1106 孔内3-5 煤层中，煤层厚度由正常情况下15～20 m，断裂面变薄为7.69 m。F1388 断层在1004 孔内3～5 号煤层中，残留仅5.72 m，且顶、底板岩石破碎，1005 号孔内，由于受F1392断层的破坏，使得孔内2 号煤层缺失，1308 号钻孔3～5号煤层断裂重复。