周曉剛 朱炎銘 姚能旺 胡璐宇

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

逆沖推覆構(gòu)造是一種傾角平緩、規(guī)模較大并作長(zhǎng)距離推移的復(fù)雜逆掩斷層，主要包括外來(lái)系統(tǒng)、斷層面和原地系統(tǒng)三方面。斷層面 （滑動(dòng)面）主要位于地層中不同層次的物性界面或軟弱層位。到目前對(duì)逆沖推覆構(gòu)造的探索研究已走過約170年。隨著平衡剖面計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)推覆構(gòu)造的形成機(jī)制與演化有了更加深入的認(rèn)識(shí)。這樣就為正確認(rèn)識(shí)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地殼結(jié)構(gòu)和煤田構(gòu)造成因機(jī)制及控煤作用等奠定了基礎(chǔ)，并指導(dǎo)隱伏煤田等礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)，為社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

河南義馬煤田主要位于義馬向斜的軸部及北翼。近EW 向展布的F16逆沖推覆構(gòu)造位于煤田的南部邊界區(qū)域，該構(gòu)造控制著煤田南部區(qū)域構(gòu)造格局，煤田內(nèi)5個(gè)主要礦井均受到該構(gòu)造的影響，并在實(shí)際生產(chǎn)過程中十余次揭露該構(gòu)造，嚴(yán)重影響了礦井開采規(guī)劃，帶來(lái)較嚴(yán)重的安全問題。前人曾對(duì)該區(qū)域的逆沖推覆構(gòu)造有過研究，然而，對(duì)于以F16逆沖斷層為主的逆沖推覆構(gòu)造特征及控煤作用研究尚未做深入探討。因此，本文擬對(duì)義馬煤田南部F16逆沖推覆構(gòu)造特征及其控煤作用進(jìn)行研究，希望有助于煤礦的安全生產(chǎn)。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

義馬煤田位于板內(nèi)構(gòu)造域（華北板塊南部）的二級(jí)構(gòu)造單元崤熊構(gòu)造區(qū)西北端，總體構(gòu)造為不對(duì)稱向斜——義馬向斜。研究區(qū)域地質(zhì)剖面圖見圖1，該向斜北翼地層較緩，南翼地層較陡，甚至直立，在平面上，水平延伸長(zhǎng)度達(dá)20km，向斜軸走向?yàn)榻麰W 向，向斜軸向東傾伏；兩翼地層系由中、上元古界及寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系組成，核部為三疊系、侏羅系和白堊系地層，大部分被第四系地層覆蓋。義馬煤田主體位于義馬向斜的北翼，呈現(xiàn)出單斜構(gòu)造特征，次一級(jí)的褶皺發(fā)育較少，構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單；煤田南部邊界直立或者倒轉(zhuǎn)的老地層受到南部邊界逆沖斷裂構(gòu)造的影響，多掩覆于新地層之上，次一級(jí)的斷裂比較發(fā)育，構(gòu)造相對(duì)比較復(fù)雜。在義馬煤田內(nèi)部未見巖漿巖的發(fā)育分布。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)剖面圖

2 義馬煤田構(gòu)造規(guī)律分析

位于逆沖斷層下盤的義馬煤田構(gòu)造整體相對(duì)較簡(jiǎn)單。義馬煤田構(gòu)造綱要圖如圖2所示，南部發(fā)育F16逆沖斷裂及伴生斷層；北部總體呈單斜構(gòu)造特征，但發(fā)育數(shù)條近SN 向、NNE-NEE 向具有走滑性質(zhì)的斷裂構(gòu)造，斷裂構(gòu)造主要特征見表1，這些斷裂控制著煤田的基本構(gòu)造格局。F16逆沖斷層走向?yàn)榻麰W，傾向?yàn)榻黃，由南向北逆沖的斷層，傾角表現(xiàn)出深部小，淺部大的特點(diǎn)，貫穿于整個(gè)義馬煤田，在煤田東南部發(fā)育有平行展布伴生逆斷層。

表1 煤田內(nèi)主要斷裂構(gòu)造特征

義馬煤田內(nèi)F16斷層控制著煤層發(fā)育的南部邊界，而一系列大致平行、呈NNE 走向的正斷層則控制了煤田煤層的賦存狀態(tài)。斷層間伴生組合關(guān)系比較明顯，主要表現(xiàn)為大規(guī)模斷層周圍發(fā)育次一級(jí)斷層，大多數(shù)伴生斷層平行于主斷層，極少數(shù)與主斷層斜交，斷層之間主要以地塹、地壘組合形式出現(xiàn)。義馬煤田內(nèi)井下小斷層極為發(fā)育，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)具有明顯規(guī)律性。小斷層具有明顯的方向性，走向以NE向、NNE向?yàn)橹?；傾向以NW 向、NWW 向?yàn)橹?；落差主要小?m；傾角較大，多以高角度正斷層出現(xiàn)。義馬煤田南部發(fā)育一條近EW 向斜構(gòu)造，次一級(jí)的褶曲基本上不發(fā)育，僅在局部發(fā)育規(guī)模很小的寬緩褶皺，對(duì)煤層賦存狀態(tài)的影響不大。

圖2 義馬煤田構(gòu)造綱要圖

3 逆沖推覆構(gòu)造特征

3.1 幾何學(xué)特征

逆沖推覆構(gòu)造的幾何特征分析是構(gòu)造及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究的基礎(chǔ)，對(duì)探討其控煤作用有重要意義。義馬煤田逆沖推覆構(gòu)造主要發(fā)育于煤田的南部區(qū)域，大部分被第四系覆蓋。煤田南部的F16逆沖斷層是義馬煤田逆沖推覆構(gòu)造的主體，大概位置為南起硤石-南平泉斷裂，北至煤田北部煤層露頭處，甚至更遠(yuǎn)，在義馬煤田內(nèi)東西延長(zhǎng)達(dá)20km，斷層面總體走向?yàn)榻麰W，傾向?yàn)榻黃SE，傾角變化較大，在15°～70°之間，淺部最大可達(dá)70°，深部約為15°～35°，埋深越大，傾角越緩，直至近水平狀；斷層面呈臺(tái)階狀展布，存在斷坪和斷坡，斷坪位于南部，埋深較大，傾角較小，斷坡位于北部，埋深較小，傾角較大；該斷層垂直斷距變化較大，一般為50～450m；此斷層由北向南依次切割白堊系、上侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)和三疊系。

義馬煤田內(nèi)共有44個(gè)鉆孔揭露了地層重復(fù)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為三疊系疊置于侏羅系之上，個(gè)別鉆孔出現(xiàn)中侏羅統(tǒng)義馬組疊置于馬凹組之上。這一現(xiàn)象指示了F16逆沖推覆構(gòu)造的外來(lái)巖系主要由來(lái)自斷裂南部的三疊系構(gòu)成，東部局部地區(qū)亦有侏羅系地層一起卷入形成外來(lái)推覆體，中部局部地區(qū)有白堊系地層被卷入成為外來(lái)系統(tǒng)的組成部分；原地系統(tǒng)則為煤田內(nèi)廣泛發(fā)育的侏羅系地層。外來(lái)系統(tǒng)受推覆構(gòu)造影響較大，在斷裂面附近地層強(qiáng)烈褶皺乃至倒轉(zhuǎn)，對(duì)煤系地層的破壞較大；原地系統(tǒng)在臨近斷層面位置受到明顯的拖曳作用，斷層下盤及以北的巖體受到不均勻的地應(yīng)力作用，發(fā)育次一級(jí)斷層。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

義馬煤田逆沖推覆構(gòu)造呈向NNE-近N 方向突出的弧形，根據(jù)Elliott的弓箭法則判定，該逆沖推覆構(gòu)造總體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽阅舷虮边\(yùn)動(dòng)。在剖面上，斷層面向S或SSE 傾斜，上盤向北逆沖，并且煤田內(nèi)礦井在開采過程中揭露F16逆沖斷層的外來(lái)系統(tǒng)擠壓作用強(qiáng)烈，煤層產(chǎn)狀變化較大，原地系統(tǒng)變形較小，表明F16逆沖斷層的下盤為被動(dòng)盤，上盤為主動(dòng)盤，也就是說斷層是在自南向北逆沖擠壓運(yùn)動(dòng)中形成的。

根據(jù)秦嶺造山帶北緣逆沖推覆構(gòu)造帶總體變形特征以及F16逆沖斷層及其周圍伴生斷層的空間組合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)F16及伴生F16-1逆沖斷層形成于南部硤石-南平泉逆沖斷層之后，硤石-南平泉逆沖斷層在平面上位于F16逆沖斷層的南部，空間上平行展布于F16逆沖斷層的上盤巖體中，由此可以推斷，整個(gè)逆沖推覆構(gòu)造是由南向北呈前展式擴(kuò)展。

義馬煤田自南向北運(yùn)動(dòng)形成的逆沖推覆構(gòu)造是侏羅系煤系地層自形成開始經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加之后的結(jié)果。燕山運(yùn)動(dòng)Ⅰ-Ⅲ幕擠壓應(yīng)力作用對(duì)義馬地區(qū)影響較小，義馬地區(qū)表現(xiàn)出整體沉降，在沉降過程中該地區(qū)接受了煤系地層的沉積；燕山運(yùn)動(dòng)Ⅳ-Ⅴ幕近SN-NNE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)，在義馬地區(qū)影響較大，義馬煤田南部主體構(gòu)造格架就是在此期運(yùn)動(dòng)中形成的。

在F16逆沖斷層以下發(fā)育有三疊系、侏羅系和白堊系，F(xiàn)16逆沖斷層切割白堊系及之前的地層。結(jié)合義馬煤田經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和F16逆沖斷層所切割的地層可以看出，從燕山運(yùn)動(dòng)開始，特別是白堊紀(jì)的燕山運(yùn)動(dòng)Ⅳ-Ⅴ幕，因受到近SN-NNE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)的作用，義馬向斜在此期間形成，之后在褶皺的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步發(fā)生彎曲或倒轉(zhuǎn)，并在倒轉(zhuǎn)翼發(fā)育F16逆沖推覆構(gòu)造，而在主斷層南部發(fā)育了一系列次級(jí)逆斷層。通過以上構(gòu)造演化背景的分析，可以估算出F16逆沖斷層形成于燕山運(yùn)動(dòng)Ⅳ-Ⅴ幕 （白堊紀(jì)末期）。

3.3 動(dòng)力學(xué)分析

結(jié)合區(qū)域大地構(gòu)造演化背景可知，燕山運(yùn)動(dòng)Ⅳ-Ⅴ幕隨著華北板塊與揚(yáng)子古板塊進(jìn)一步碰撞擠壓，揚(yáng)子古板塊全面而強(qiáng)烈地向華北板塊俯沖，同時(shí)由于板塊碰撞帶內(nèi)近EW 向秦嶺造山帶的影響，秦嶺造山帶前緣 （華北板塊南緣）義馬煤田地區(qū)受到強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用。擠壓應(yīng)力方向?yàn)榻黃N-NNE 向，強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力作用造成該地區(qū)近EW 向的褶皺擠壓作用進(jìn)一步增強(qiáng)，使得義馬向斜南翼地層直立甚至倒轉(zhuǎn)，同時(shí)造成義馬向斜的南翼地層發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造。

對(duì)野外實(shí)測(cè)的共軛剪節(jié)理產(chǎn)狀進(jìn)行恢復(fù)，得到其原始產(chǎn)狀，作共軛X 節(jié)理的赤平投影圖，見圖3，可以看出主應(yīng)力軸的方位，NNE向?yàn)樵搮^(qū)域構(gòu)造最大主應(yīng)力方向，并且主要為擠壓應(yīng)力性質(zhì)。以F16逆沖斷層為主滑面的逆沖推覆構(gòu)造是在近SNNNE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的，總體來(lái)說義馬煤田逆沖推覆構(gòu)造的動(dòng)力來(lái)源是揚(yáng)子古板塊與華北板塊的碰撞相互擠壓作用。

圖3 共軛X 節(jié)理赤平投影圖

采用平衡剖面方法進(jìn)行了逆沖推覆構(gòu)造應(yīng)變分析。選取了義馬煤田東部近SN 向切穿于整個(gè)煤田的剖面作為平衡剖面，以三疊系與侏羅系分界層作為標(biāo)志層，采用線長(zhǎng)守恒原則對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)。恢復(fù)后標(biāo)志地層長(zhǎng)度L0為3.824km，恢復(fù)前標(biāo)志地層長(zhǎng)度L1為2.944km，縮短率e為23%，如圖4所示。

4 構(gòu)造控煤作用

逆沖推覆構(gòu)造嚴(yán)重影響著煤層的埋深、厚度及其空間賦存狀態(tài)。義馬煤田侏羅紀(jì)含煤地層形成之后經(jīng)歷了燕山晚期和喜馬拉雅期等多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造和影響，直接控制著義馬煤田煤層的空間賦存狀態(tài)。F16逆沖推覆構(gòu)造對(duì)義馬煤田2＃-3＃煤層賦存狀態(tài)的控制主要表現(xiàn)在煤層產(chǎn)狀與煤厚變化。

圖4 義馬煤田平衡地質(zhì)剖面

（1）F16逆沖斷層斷坪與斷坡轉(zhuǎn)換區(qū)域，煤系地層受到強(qiáng)烈的拖曳作用而發(fā)生產(chǎn)狀變化，局部出現(xiàn)巨厚煤層。

（2）北部原地系統(tǒng)煤層產(chǎn)狀較為簡(jiǎn)單，整體以向南傾斜的單斜狀為主，異地系統(tǒng)煤層由于長(zhǎng)距離的推覆抬升，大部分已遭受剝蝕。如圖5（a）所示，南部原地系統(tǒng)由于滑動(dòng)面的切削出現(xiàn)厚度急劇減小，異地系統(tǒng)主要是較深的第三系地層，沒有煤層發(fā)育；如圖5 （b）所示，原地系統(tǒng)地層產(chǎn)狀由于滑動(dòng)面的拖曳作用發(fā)生較大變化。

圖5 義馬煤田F16逆沖斷層局部剖面

（3）斷坡位置由于高角度滑動(dòng)面長(zhǎng)期活動(dòng)影響，煤層產(chǎn)狀變化嚴(yán)重，常出現(xiàn)煤層破碎嚴(yán)重或者流變現(xiàn)象。逆沖推覆構(gòu)造中強(qiáng)烈的擠壓作用使得較軟弱的煤層變形破壞較為嚴(yán)重，且煤層中次一級(jí)構(gòu)造較為發(fā)育，增加了煤層的開采難度。

5 結(jié)論

（1）義馬煤田總體為一軸向近EW 的向斜構(gòu)造，次一級(jí)的褶曲發(fā)育較少；煤田主要發(fā)育具有近乎平行組合關(guān)系的斷裂構(gòu)造，主斷裂之間伴生有大量的NE 向、NNE 向小斷層。這些斷裂和向斜構(gòu)造共同控制著煤田內(nèi)構(gòu)造格局。

（2）以F16逆斷層為主體的近EW 向逆沖推覆構(gòu)造，自南向北以前展式逆沖運(yùn)動(dòng)是侏羅紀(jì)煤系地層自形成開始經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加之后的結(jié)果。燕山運(yùn)動(dòng)Ⅳ-Ⅴ幕，揚(yáng)子古板塊與華北板塊碰撞相互擠壓所產(chǎn)生的NNE-NE 向擠壓應(yīng)力是發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造的主要驅(qū)動(dòng)力。

（3）由于受褶皺和斷裂等構(gòu)造變動(dòng)的影響，特別是逆沖推覆構(gòu)造，煤層的埋深及產(chǎn)狀變化比較顯著。次級(jí)構(gòu)造的發(fā)育、煤層形態(tài)的復(fù)雜化等均在一定程度上增加了煤層的開采難度。

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