王 昆 許亞坤 方憶剛

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南省商丘市,476000)

永夏煤田斷塊運動與構(gòu)造特征的形成?

王 昆 許亞坤 方憶剛

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南省商丘市,476000)

從聚煤期構(gòu)造的活動特點出發(fā),結(jié)合河南省東部永夏煤田的主要構(gòu)造特征,初步探討了區(qū)內(nèi)的斷塊運動,指出研究區(qū)是基底斷塊控制蓋層構(gòu)造形態(tài)的典型例子,區(qū)內(nèi)普遍存在“反相”褶皺是由于地史時期永夏煤田各斷塊的相對升降運動在發(fā)生著反復(fù)變化。由于基底斷裂及石炭二疊紀沉積期同沉積斷裂的存在,再加上燕山運動及其以后的構(gòu)造應(yīng)力場,共同導(dǎo)致了永夏煤田現(xiàn)今構(gòu)造形跡的形成。

永夏煤田 斷塊運動 “反相”褶皺 構(gòu)造特征

永夏煤田位于河南省夏邑縣和永城市境內(nèi),西界到濟陽斷層,北、東、南界均至豫魯、豫皖省界,區(qū)內(nèi)除永城芒山一帶出露有少量基巖外,其余全被新生界地層覆蓋。主要含煤地層為石炭系和二疊系,含煤總面積約1300 km2。利用研究區(qū)近年來最新的物探、鉆探等勘查成果,運用板塊構(gòu)造學(xué)和沉積學(xué)觀點,對研究區(qū)斷塊運動、構(gòu)造特征進行了探討,并預(yù)測了找煤有利地帶,為老礦區(qū)外圍、平原新生界覆蓋區(qū)及深部煤炭資源預(yù)測提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

永夏煤田大地構(gòu)造位置處于華北板塊嵩箕構(gòu)造區(qū)內(nèi)的永城斷隆,以八里莊斷層(焦作—商丘大斷裂的東延部分)為界劃分為兩個構(gòu)造單元,八里莊斷層以南以永城隱伏背斜為主體,控制了區(qū)內(nèi)煤層的賦存及展布情況,八里莊斷層以北以近EW向的邙山背斜為主體,南翼被八里莊斷層所切割,背斜軸NNE向延伸,向東延入安徽省境內(nèi),向西傾伏于濟陽斷層,并保留了埋藏較深的煤系地層。

2 研究區(qū)構(gòu)造特征

從目前揭露的構(gòu)造來看,永夏煤田斷裂比較發(fā)育,褶皺變動次之,大多為兩翼平緩開闊的短軸褶曲,背斜、向斜相間出現(xiàn),斷裂構(gòu)造具有階梯狀或地壘、地塹狀組合的特點,如圖1所示。

圖1 永夏煤田構(gòu)造地質(zhì)簡圖

區(qū)內(nèi)斷裂以NNE向和NE向最發(fā)育,近EW向和NW向次之,為一系列近平行的高角度正斷層。據(jù)以往地質(zhì)資料,永夏煤田切割奧陶系基地的斷層數(shù)量較多,表現(xiàn)為EW向及SN向的基底斷裂,較大的基底斷裂如DF7、F20、F2、F1、 DF15、DF19、DF20、DF21、濟陽斷層等。這些斷裂相互交切,將永夏煤田基底切割成4個較大的基底斷塊和若干次級斷塊,斷塊活動對于沉積期構(gòu)造及后期改造起著控制作用。

永城隱伏背斜為永夏煤礦區(qū)域的主體褶皺構(gòu)造,背斜核部位于黃口—永城市區(qū)—薛湖鎮(zhèn)侯樓一帶,軸向NNE10°～15°,延伸長達60 km,寬約40 km,至八里莊斷層傾伏,褶皺軸面總體西傾,傾角約80°左右。東西兩翼及北轉(zhuǎn)折端由石炭系和二疊系含煤碎屑巖組成。東翼地層傾角較陡,產(chǎn)狀105∠30左右,西翼傾角較緩,總體產(chǎn)狀285∠15左右。

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造石炭二疊紀期間的活動特點,可以劃分為兩種基本類型:

(1)繼承性的同沉積構(gòu)造,包括繼承性同沉積斷層、同沉積背斜、同沉積向斜。繼承性同沉積斷層即斷層兩盤的相對升降運動方向在石炭二疊期不發(fā)生變化,一直繼承性地發(fā)展,斷層性質(zhì)不發(fā)生改變的斷層;同沉積向斜是在石炭—二疊紀沉積期坳陷的基礎(chǔ)上發(fā)育起來的,大多表現(xiàn)為地塹,是兩側(cè)正斷層造成斷塊下降,形成沉積期坳陷,在后期構(gòu)造運動中得到加強形成了向斜褶皺構(gòu)造。典型代表為張莊向斜、葛雙新向斜、蔣閣向斜,如圖2(a)所示;同沉積背斜在研究區(qū)僅見于城郊礦區(qū),以徐棗園—程樓背斜為代表,發(fā)育在兩個正斷層構(gòu)成的地壘構(gòu)造上,如圖2(b)所示。

圖2 繼承性同沉積褶皺示意圖

(2)由于斷層兩盤斷塊相對運動方向發(fā)生改變的同沉積構(gòu)造,包括非繼承性同沉積斷層和“反相”褶皺。非繼承性同沉積斷層指受地史時期不同構(gòu)造應(yīng)力的作用,斷層兩側(cè)斷塊相對升降的方向發(fā)生改變,斷層同一側(cè)的斷塊產(chǎn)生先升后降或先降后升的構(gòu)造反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這類斷裂發(fā)育較廣泛,控制著本區(qū)普遍存在的“反相”褶皺的形成,造成煤系地層埋深的變化,如圖3(a)所示。結(jié)合永夏煤田實際情況,“反相”褶皺指沉積期的負向構(gòu)造(坳陷)被后期構(gòu)造運動改造成為正向構(gòu)造(背斜)、沉積期的正向構(gòu)造(隆起)被后期構(gòu)造運動改造成為負向構(gòu)造(向斜)。根據(jù)褶皺和斷裂之間的組合關(guān)系,可分為兩種基本類型,一種是兩條斷裂所挾持的斷塊中發(fā)育起來的“反相”構(gòu)造,另一種是位于一條斷裂旁側(cè)的“反相”褶皺。前者一般為地壘斷塊形成“反相”背斜,如圖3(b)所示,地塹斷塊發(fā)育“反相”向斜,如圖3(c)所示,背斜軸部煤系地層大多受到強烈剝蝕,甚至主采煤層二2煤也被剝蝕掉,向斜核部煤層地層大多得以保存;后者是由于斷裂活動時旁側(cè)斷塊發(fā)生了拖曳牽引而形成的,稱之為拖曳型“反相”褶皺。

3 斷塊運動與構(gòu)造特征的形成

永夏煤田二疊紀以來繼承性發(fā)展起來的同沉積構(gòu)造幾乎全都是近SN向的,部分為北偏西方向,而EW向的構(gòu)造幾乎全部表現(xiàn)出“反相”構(gòu)造的特征,這是永夏煤田構(gòu)造發(fā)育過程中突出的特點。這一特征決定了永夏煤田SN向的斷裂構(gòu)造基本上都是繼承性發(fā)展起來的張性正斷層,它們組成一系列的地塹、地壘構(gòu)造,其中發(fā)育著繼承性的同沉積褶皺。EW向斷裂則不同,這些斷裂大部分都是從晚二疊世才開始發(fā)育起來的,而且早期均表現(xiàn)為壓性逆斷層的性質(zhì),后期則兩盤相對運動方向發(fā)生改變,斷裂的性質(zhì)由壓性變?yōu)閺埿?其同所夾斷塊上的蓋層構(gòu)造性質(zhì)相應(yīng)地也發(fā)生了改變,形成“反相”褶皺。

從上述構(gòu)造特征可以看出,永夏煤田從二疊紀沉積期開始到燕山運動發(fā)生,主要是東西向的引張應(yīng)力場在起作用,見圖4(a);而南北向的擠壓應(yīng)力場僅在晚二疊世四煤組沉積期以后才有明顯作用,引起一系列EW向斷裂發(fā)生逆沖運動,但可能持續(xù)不久就和緩下來,見圖4(b)。在燕山運動期間,基底斷裂及沉積期新生的斷裂不斷活動,所切割成的各級斷塊發(fā)生差異升降,決定了永夏煤田構(gòu)造形態(tài)的形成。

斷塊構(gòu)造學(xué)說的理論認為基底構(gòu)造對蓋層構(gòu)造的形態(tài)起著控制作用,其控制方式包括斷裂控制和斷塊控制兩種。縱觀永夏煤田構(gòu)造形態(tài)的特征和發(fā)育歷史可以看出,永夏煤田的構(gòu)造特征屬于基底斷塊控制蓋層構(gòu)造形態(tài)的典型實例。永夏煤田的構(gòu)造發(fā)育歷史劃分成兩個階段:一是石炭二疊紀蓋層沉積階段,二是燕山運動期間蓋層構(gòu)造定型的階段。早期階段在華北板塊與東北板塊對接拼合的構(gòu)造背景下,由區(qū)域性的南北向擠壓引起本區(qū)派生的東西向引張,沉積基底不斷沉降。東西向的引張應(yīng)力造成本區(qū)SN向斷裂以正斷層的形式普遍活動。由于斷裂塊體的沉降速度各不相同,即斷塊差異升降運動的存在,造成沉積期同沉積構(gòu)造的不斷發(fā)育,同沉積構(gòu)造的形態(tài)則完全受斷塊構(gòu)造學(xué)說的基本原理所支配,即相對沉降的斷塊控制蓋層中向斜構(gòu)造的形成,相對上升的斷塊控制蓋層中背斜構(gòu)造的形成。燕山運動期間本區(qū)受到西伯利亞板塊和太平洋板塊逆時針扭動應(yīng)力場派生的東西向擠壓應(yīng)力的影響而發(fā)生隆起,是本區(qū)褶皺構(gòu)造的生成和同沉積構(gòu)造的強化、定型階段。

圖3 非繼承性同沉積構(gòu)造示意圖

由斷裂構(gòu)造控制的“反相”褶皺構(gòu)造實際上也是受斷塊的相對升降運動所控制的。在沉積期作相對上升運動的斷塊控制著沉積期隆起的形成,當(dāng)這一隆起斷塊后期轉(zhuǎn)而下降時,隆起期的沉積物連同后期沉積物一起轉(zhuǎn)入同沉積向斜的發(fā)育過程。由于后期構(gòu)造運動發(fā)生時這一斷塊繼續(xù)沉降,其上就發(fā)育成為向斜形態(tài),相對于早期(即相對隆起區(qū))的構(gòu)造形態(tài),形成“反相”向斜構(gòu)造。同樣,沉積期做相對沉降運動的斷塊控制著沉積期坳陷的形成,當(dāng)這一斷塊后期轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙∑饡r,原來坳陷期的沉積物連同后期沉積物一起轉(zhuǎn)入同沉積背斜的發(fā)育過程,由于后期構(gòu)造運動發(fā)生時這一斷塊繼續(xù)相對上隆,其上的同沉積背斜得以繼續(xù)發(fā)育,形成背斜構(gòu)造。相對于沉積期的坳陷而言,就是典型的“反相”背斜構(gòu)造。拖曳型“反相”褶皺構(gòu)造的成因大體與之相似。

綜上,永夏煤田現(xiàn)存表現(xiàn)的各種構(gòu)造形跡,很可能是燕山運動期間同一構(gòu)造應(yīng)力場的產(chǎn)物。燕山運動的應(yīng)力場是由于太平洋板塊相對向北西而西伯利亞板塊相對向南的逆時針扭動產(chǎn)生的,這種扭動應(yīng)力場在我國東部形成了著名的北北東向的新華夏構(gòu)造體系,同一方式的應(yīng)力場在永夏煤田之所以能夠形成近SN向和近EW向的兩組褶皺構(gòu)造形跡,是由斷塊的邊界條件決定的。由于邊界斷裂改變了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力的方向,在斷塊內(nèi)部形成了與區(qū)域主應(yīng)力場主應(yīng)力的方向頗具差別的局部構(gòu)造應(yīng)力場,使各個斷塊內(nèi)形成了獨特的構(gòu)造形跡。近EW向基底斷裂發(fā)育的斷塊,可以形成以EW向構(gòu)造為主的構(gòu)造形跡;而在近SN向斷裂發(fā)育的斷塊里,既形成有EW向褶皺和斷裂,又形成有SN向褶皺和斷裂,兩組構(gòu)造線相互交叉、互相切割的構(gòu)造面貌。

圖4 二疊世沉積期應(yīng)力作用示意圖

4 找煤預(yù)測

根據(jù)對本區(qū)構(gòu)造形跡及斷塊運動的認識,本區(qū)SN向褶皺構(gòu)造基本上都是在石炭二疊紀沉積期構(gòu)造基礎(chǔ)上發(fā)育起來的繼承性構(gòu)造,地壘構(gòu)造之上形成背斜褶皺,煤系埋藏較深;地塹構(gòu)造上形成向斜褶皺,煤系埋藏較深。由于埋藏較深不易開發(fā),背斜之上煤系又大都受到剝蝕,因此要尋找有利于開發(fā)的煤系地層埋藏區(qū),比較有利的構(gòu)造部位是復(fù)式背斜褶皺中的次級向斜地帶以及復(fù)式向斜褶皺中的次級背斜地帶。這些次級背斜和向斜往往受同沉積的次級斷裂控制,如能根據(jù)物探資料查明這些次級斷裂的存在,根據(jù)斷裂的組合方式可判斷出復(fù)式褶皺中次級地塹、地壘構(gòu)造的存在,作為預(yù)測找煤的有利地帶。

5 結(jié)論

(1)永夏煤田二疊紀以來繼承性同沉積構(gòu)造幾乎全是近SN向的,部分為北偏西方向,而絕大多數(shù)EW向構(gòu)造表現(xiàn)出“反相”褶皺的發(fā)育歷史,原因在于地史時期永夏煤田各斷塊的相對升降運動在發(fā)生著反復(fù)變化。

(2)永夏煤田早二疊世時,SN向的基底斷裂活動比較明顯,到晚二疊世時,EW向基底斷裂活動才顯著增強。石炭紀、二疊紀、三疊紀的地層屬區(qū)域性的連續(xù)沉積,直到侏羅紀燕山運動開始,才發(fā)生強烈的斷裂變動和褶皺變形。但在我國東部燕山運動及其以后的構(gòu)造應(yīng)力場主要是造成北北東向的新華夏系構(gòu)造發(fā)展成熟的直線扭動應(yīng)力場,即東部向北、西部相對向南的逆時針扭動應(yīng)力場。在這種應(yīng)力場的作用下,由于基底斷裂以及石炭二疊紀沉積期同沉積斷裂的存在,作為邊界條件可以產(chǎn)生不同方向的局部應(yīng)力場,從而形成不同方向的褶皺構(gòu)造。

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The fault block movements and the formation of the structural features in Yongxia coalfield

Wang Kun,Xu Yakun,Fang Yigang
(No.4 Institute of Geological&Mineral Resources Survey of Henan,Shangqiu,Henan 476000,China)

Through the analysis of the activity characteristics of structures in coal forming period,combined the main tectonic characteristics of Yongxia coalfield in east Henan,the author discussed preliminarily the fault block movements in the region,and pointed out the research area was a typical example that basement fault block controlled the structural configuration of sedimentary cover.The reverse folds exited universally was caused by the repeating changes of relative heaving motion of fault block in Yongxia coalfield in geological time.The basement rift, syndepositional fault in the depositional stage of the Permo-carboniferous,Yanshan movement and tectonic stress field later leaded jointly to the formation of current structural features in Yongxia coalfield.

Yongxia coalfield,fault block movement,inverse folds,structural feature

P618.117

A

王昆(1985－),女,河北定州人,工程師,碩士,主要從事煤田地質(zhì)勘查及科研工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

河南省國土資源廳2011年度“兩權(quán)價款”地質(zhì)科研科技攻關(guān)項目(2011－622－10)