范玉海

(1.中煤航測遙感局煤航地質(zhì)勘查院，陜西 西安 710054；2.榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

鄂爾多斯盆地是發(fā)育于華北克拉通穩(wěn)定基礎(chǔ)上的一個多旋回復(fù)合型盆地，構(gòu)造上處于中國沉積盆地分布的中帶，是我國煤炭、石油和天然氣勘探的重點和最具勘探潛力的盆地之一，內(nèi)部構(gòu)造活動比較微弱[1-8]。韓城礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地南緣渭北斷隆銅川-韓城斷褶帶東部邊緣，可采煤層資源豐度為800～900萬 t/km2，煤炭資源儲量較大，且中、深部區(qū)煤層氣資源前景可觀[9-14]。

長期以來，眾多地質(zhì)學(xué)者對渭北煤田構(gòu)造變形特征及其動力學(xué)機制進行了研究[15-19]，認為三疊紀-侏羅紀時期華南、華北板塊碰撞后，研究區(qū)進入陸內(nèi)造山變形體制[20-24]，由南向北推擠作用形成了近東西向展布的前展式逆沖擠壓構(gòu)造系(圖1)。對于盆地東緣NNE向～近SN向構(gòu)造帶，研究認為其造成含煤巖系普遍向西緩傾，并在單斜面上發(fā)育同向展布的舒緩波狀起伏，由東向西，構(gòu)造應(yīng)力迅速衰減，構(gòu)造變形強度逐漸變小，地層漸趨水平，僅發(fā)育規(guī)模較小的NEE向展布的小規(guī)模張性斷層，在中深部賦煤區(qū)未見近南北向擠壓構(gòu)造的報道[25-30]。

作者通過詳細地表觀測，在韓城礦區(qū)南部地表處發(fā)現(xiàn)一條軸向近南北向的背斜構(gòu)造。利用二維地震勘探發(fā)現(xiàn)凡穿越地表背斜所在位置的地震測線，經(jīng)鉆孔精確標定的時間剖面上煤層反射波均被明顯錯斷，斷點編聯(lián)結(jié)果為一呈近南北向展布控制延伸長度約10 km的逆沖斷層(圖1中的F2)，并在該斷層旁側(cè)伴生數(shù)條性質(zhì)相同但規(guī)模較小的次級斷層。地表觀測所獲的淺表層構(gòu)造與二維地震工作揭露的深層構(gòu)造形態(tài)剖面上不一致。該構(gòu)造變形特征如何？對煤層現(xiàn)今空間賦存狀況影響程度如何？如何指導(dǎo)下一步煤地質(zhì)勘查工作？對地表精細觀測的基礎(chǔ)上，利用二維地震勘探技術(shù)，輔以鉆探工程驗證，對F2隱伏斷層構(gòu)造特征進行討論，對上述問題的解決具有重大意義。

圖1 研究區(qū)斷裂系統(tǒng)分布示意圖

1 F2隱伏斷層構(gòu)造特征

1.1 淺表層構(gòu)造變形特征

研究區(qū)位于渭北臺塬與陜北黃土高原銜接部位，地表以分布三疊系下、中統(tǒng)為特征，中部、南部基巖多沿溝出露，露頭條件一般；北部山區(qū)，基巖大面積出露，露頭條件好。

通過地表多條路線詳細構(gòu)造觀測與斷點編聯(lián)，填繪出一條軸向近南北向，軸跡略向東突出的背斜構(gòu)造。背斜軸區(qū)內(nèi)延伸長度13.5 km，背斜核部及兩翼由三疊系中、下統(tǒng)組成。東翼巖層產(chǎn)狀64°～109°∠15°～35°，西翼巖層產(chǎn)狀243°～306°∠6°～14°，轉(zhuǎn)折端呈圓弧狀，兩翼明顯不對稱，東翼陡，西翼緩。利用野外大量產(chǎn)狀觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用赤平投影技術(shù)對該背斜構(gòu)造進行了褶皺要素解析，解析結(jié)果為翼間角為139°～159°，屬平緩褶皺；樞紐總體向南緩傾伏(局部北傾)，傾伏角0°～8°，歸屬水平褶皺；軸面略向西傾斜(262°～283°)，軸面傾角為68°～84°，屬歪斜褶皺(表1)。

表1 淺表層背斜構(gòu)造變形特征統(tǒng)計表

背斜地表出露情況分南、中、北段闡述如下：

南段在愛帖村北溝和紅花溝出露條件較好。愛帖村北溝出露段背斜核部及兩翼由三疊系下統(tǒng)和尚溝組下部棕紅色薄～中層狀砂質(zhì)泥巖夾紫紅色中厚層狀鈣質(zhì)粉-細砂巖、泥灰?guī)r組成(圖2a)。東翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀109°∠15°，西翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀269°∠6°，翼間角159°，樞紐向南緩傾伏，產(chǎn)狀193°∠2°，軸面向西陡傾，產(chǎn)狀283°∠82°；紅花溝出露段背斜核部及兩翼由三疊系下統(tǒng)和尚溝組下部鮮棕紅色薄～中層狀砂質(zhì)泥巖組成(圖2b)，東翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀64°∠19°，西翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀306°∠14°，翼間角152°，樞紐向北緩傾伏，產(chǎn)狀0°∠8°，軸面向西陡傾，產(chǎn)狀270°∠84°。

(a.愛帖村北溝和尚溝組下部砂質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)粉-細砂；b.紅花溝和尚溝組下部砂質(zhì)泥巖；c.劉家莊南溝尚溝組中部灰質(zhì)砂質(zhì)泥巖；d.刺溝和尚溝組上部灰質(zhì)砂質(zhì)泥巖及二馬營組下部中細粒砂巖；e.刺溝和尚溝組上部灰質(zhì)砂質(zhì)泥巖及二馬營組下部中細粒砂巖；f.北溝二馬營組下部中細粒砂巖)圖2 背斜地表出露段巖性特征

中段在劉家莊南溝、刺溝等溝谷出露。劉家莊南溝出露段背斜核部及兩翼由三疊系下統(tǒng)和尚溝組中部鮮棕紅色(含灰綠色還原斑)薄～中層狀灰質(zhì)砂質(zhì)泥巖夾灰白色泥質(zhì)粉砂質(zhì)灰?guī)r組成(圖2c)。東翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀101°∠25°，西翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀286°∠7°，翼間角148°，樞紐近水平，傾伏向12°，傾伏角小于1°，軸面向西陡傾，產(chǎn)狀282°∠76°。刺溝出露段背斜核部及兩翼由三疊系下統(tǒng)和尚溝組上部鮮棕紅色薄～中層狀灰質(zhì)砂質(zhì)泥巖夾灰綠色中層狀細砂巖和三疊系中統(tǒng)二馬營組底部灰綠色厚層-塊狀中細粒砂巖組成(圖2d，e)。東翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀85°∠20°，西翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀255°∠7°，翼間角153°，樞紐向南緩傾伏，產(chǎn)狀172°∠1°，軸面向西陡傾，產(chǎn)狀262°∠78°。

北段北溝背斜核部及兩翼由三疊系中統(tǒng)二馬營組下部灰綠色厚層-塊狀中細粒砂巖及灰紫色中層狀砂質(zhì)泥巖組成(圖2f)。東翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀88°∠35°，西翼巖層優(yōu)選產(chǎn)狀243°∠6°，翼間角139°，樞紐略向南傾，產(chǎn)狀175°∠2°，軸面向西陡傾，產(chǎn)狀264°∠68°。

可以看出，該背斜形態(tài)沿褶軸方向具明顯的規(guī)律性變化。由南向北東翼產(chǎn)狀逐漸增大，翼間角逐漸減小，背斜彎曲程度逐漸增大，軸面向西傾斜程度和背斜歪斜程度逐漸增大，背斜規(guī)模也不斷增強和擴展。

1.2 深層構(gòu)造變形特征

1.2.1 二維地震工作野外施工方法及可靠性評價

深層構(gòu)造由二維地震工作揭露。本區(qū)淺、表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，但深層地震地質(zhì)條件好，如采用適當(dāng)?shù)氖┕?shù)，就可獲取良好的地震資料。通過充分的野外試驗工作，野外施工具體采用如下參數(shù)。

采用Aries高分辨率數(shù)字地震儀，采樣間隔1 ms，記錄長度2 s，全頻段接收，前放增益為24 dB，記錄格式為sgy。接收因素為5個60 Hz檢波器串聯(lián)，點式組合，施工過程要求檢波器插直、插實。在不同地震條件景觀區(qū)采用了不同的激發(fā)因素：(1)黃土梁及半坡等黃土覆蓋厚或較厚地段采用3井線性組合，較濕紅土中激發(fā)(井深約3～12 m)，藥量采用1 kg/井，炮井組合距5 m；(2)半坡及溝谷等黃土覆蓋較薄或基巖出露地段采用3井線性組合，基巖面激發(fā)(井深約0.8～3 m)，藥量采用1 kg/井，炮井組合距3～5 m。觀測系統(tǒng)采用中點放炮，160道或144道接收，10 m道距，20 m炮點距，40次或36次疊加。

該構(gòu)造由南向北依次由DL23、D12及D4三條地震直測線控制。通過靜校正、壓制折射多次波與規(guī)則線性干擾、振幅處理、反褶積、速度分析、剩余靜校正、去噪及偏移等關(guān)鍵處理技術(shù)，獲得3條Ⅰ類時間剖面。各條時間剖面均在地表背斜出露地段發(fā)現(xiàn)斷點，5號煤層反射波(T5)同相軸被明顯錯斷，均為A級(可靠級)。各斷點形態(tài)特征相似，性質(zhì)相同，相鄰斷點落差接近或有規(guī)律變化，故將三個斷點組合成一個斷層，斷層控制程度為A級(可靠級)。

1.2.2 深層構(gòu)造變形特征

斷點組合結(jié)果表明，研究區(qū)西部沿背斜出露地段，在深層表現(xiàn)為一走向近一致的逆沖斷層(帶)。斷層走向為NNW，控制的延展長度約10.20 km。斷面傾向西，傾角29°～37°，地震測線控制的鉛直地層斷距190～260 m，水平位移量212～425 m，具明顯的逆沖特征。

DL23號地震測線時間剖面反映，斷面視傾角23°，5號煤層反射波垂向落差190 m，重復(fù)帶寬度511 m(圖3)，測線與斷層走向夾角為34°，換算后的斷面傾角37°，鉛直地層斷距190 m，水平位移量285 m；D12號地震測線時間剖面反映，斷面視傾角27°，5號煤層反射波垂向落差220 m，重復(fù)帶寬度389 m(圖4)，測線與斷層走向夾角為53°，換算后的斷面傾角32°，鉛直地層斷距220 m，水平位移量311 m；D4號地震測線時間剖面反映，斷面視傾角22°，5號煤層反射波垂向落差260 m，重復(fù)帶寬度572 m(圖5)，測線與斷層走向夾角為48°，換算后的斷面傾角29°，鉛直地層斷距260 m，水平位移量425 m。可以看出，由南向北斷層傾角逐漸變小，垂直斷距和水平斷距逐漸增大。根據(jù)斷層沿走向發(fā)育趨勢，向北應(yīng)繼續(xù)延伸，進入北鄰的象山煤礦中深部資源續(xù)接區(qū)，向南斷層變形強度逐漸減小，斷層走向逐漸向西偏轉(zhuǎn)，與合陽北中深部阿池背斜相接，繼而被阿池背斜構(gòu)造所替代。

圖3 F2隱伏逆沖斷層(南段)在DL23號地震測線時間剖面上的反映

圖4 F2隱伏逆沖斷層(南段)在D12號地震測線時間剖面上的反映

圖5 F2隱伏逆沖斷層(北段)在D4號地震測線時間剖面上的反映

1.2.3 鉆探工程驗證

二維地震時間剖面構(gòu)造解釋得到部分鉆探工程(LT4-31、LT12-23)驗證(圖4、圖5)。LT4-31孔位于隱伏逆沖斷層(F2)北段D4號地震測線上，鉆孔穿越煤層重復(fù)帶，揭露2套含煤巖系。斷層破碎帶鉛直厚度約為35 m，由上盤馬家溝組灰?guī)r及下盤下石盒子組泥巖共同組成(圖6a，b)。LT12-23孔在含煤巖系上覆的孫家溝組二段鉆遇該斷層，造成組內(nèi)部分砂、泥巖段重復(fù)。揭露厚度(199.58 m)比鄰近鉆孔揭露的正常厚度(160 m)增加約40 m。斷層破碎帶鉛直厚度約5 m，斷于該段泥巖中，表現(xiàn)為明顯的擠壓揉皺變形特征(圖6c，d)。LT4-31揭露隱伏逆沖斷層深于LT12-23孔，前者鉛直地層厚度(35 m)明顯大于后者(5 m)，表明該逆沖斷層沿斷坡的位移由下而上逐漸減小，而上覆地層被迫產(chǎn)生褶皺作用以適應(yīng)下伏逆沖斷層造成地層水平方向的縮短，并與下伏逆沖作用(近)同步協(xié)調(diào)發(fā)展。

(a. LT4-31石盒子組泥巖(1 076～1 094 m)；b. LT4-31馬家溝組灰?guī)r(1 226～1 232 m)；c.LT12-23孫家溝組泥巖(1 126.43～1 129.80 m)；d.LT12-23孫家溝組泥巖(1 129.8～1 131 m))圖6 鉆孔揭露F2斷層通過處巖心照片

2 表層背斜與深層斷裂耦合關(guān)系

2.1 空間組合關(guān)系

地表出露的背斜構(gòu)造與隱伏逆沖斷層空間上密切相關(guān)，共同組成下斷上褶、下沖上彎的構(gòu)造組合型式，并得到鉆探工程的驗證(圖4)。垂向上，淺表層的無根背斜構(gòu)造位于逆沖斷層的上方，背斜構(gòu)造卷入的地層為石盒子組上部及其以上地層，逆沖斷層發(fā)育于石盒子組和含煤巖系及其基底，沿斷坡的位移逐漸減小，以至停止于石盒子組內(nèi)。平面上，二者分布關(guān)系密切，背斜軸位于上、下盤煤層重復(fù)帶內(nèi)或其以西，且由南向北，隨著表層背斜構(gòu)造和隱伏逆沖斷層變形強度的同步增強，背斜軸由西向東不斷偏移，逐步向斷層終端靠攏。

2.2 耦合關(guān)系分析

二者變形特征、運動方向及各自變形強度同步變化，指示了其具統(tǒng)一的應(yīng)力場環(huán)境和內(nèi)在成生聯(lián)系，為二者耦合關(guān)系提供了佐證。淺部無根背斜兩翼產(chǎn)狀東陡西緩，指示地層受由西向東的推壓作用；沿褶皺軸部由南向北背斜彎曲程度、歪斜程度及背斜規(guī)模明顯增大，反映構(gòu)造主壓應(yīng)力由南向北逐漸增強。深部斷層斷面西傾東沖，同樣指示由西向東的逆沖擠壓運動學(xué)特征；水平位移量由南向北逐漸增大，也同樣反映了構(gòu)造主壓應(yīng)力由南向北逐漸增強。褶皺倒向與逆沖方向的一致性，以及變形強度的共同衰減或增強，證明了二者是不同空間層次的地層體在統(tǒng)一的擠壓應(yīng)力場環(huán)境下同期或近同期發(fā)生的構(gòu)造響應(yīng)。淺表層無根褶皺實際上是因下伏地層水平位移垂向疊置，而產(chǎn)生塑性收縮的地質(zhì)表現(xiàn)。

區(qū)內(nèi)地層以砂、泥巖互層為主，成層性好，旋回頻繁，層間包含眾多構(gòu)造軟弱面，這就為隱伏逆沖構(gòu)造控制下的表層無根褶皺發(fā)育提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。斷層上盤由西向東沿斷坡爬升，并沿著斷坡的位移逐漸消失，致使上覆層段以背斜構(gòu)造樣式進行調(diào)整，以適應(yīng)下伏地層水平方向上的收縮和垂向的差異升降?？梢钥闯錾喜勘承睒?gòu)造的形成和發(fā)展，受控于下伏的逆沖推覆構(gòu)造作用。關(guān)于逆沖推覆構(gòu)造作用控制下的褶皺發(fā)育，早在上世紀八十年代W.R.Jamison，根據(jù)斷層與褶皺的空間組合關(guān)系，提出斷彎褶皺作用、斷展褶皺作用及斷滑褶皺作用三種模式。研究區(qū)表層褶皺作用與斷坡關(guān)系密切，褶皺形成于斷層終端，而且是斷坡形成的同時或近于同時發(fā)生的，屬斷展褶皺作用(圖7)。

圖7 隱伏反沖構(gòu)造及其控制的上覆背斜構(gòu)造在橫剖面上的組合示意圖

3 構(gòu)造成因與構(gòu)造預(yù)測

研究區(qū)含煤巖系與上覆地層整合接觸，隱伏逆沖斷層及其上覆背斜構(gòu)造卷入的最新地層為三疊系，表明該構(gòu)造形成于三疊紀后。以往研究成果表明，自三疊紀后，研究區(qū)經(jīng)歷了印支、燕山及喜山三期構(gòu)造運動，主壓應(yīng)力方向分別為NS、NWW及NE兼右旋剪切，并分別產(chǎn)生近EW逆沖擠壓構(gòu)造系、NNE～NS褶皺-推覆擠壓構(gòu)造系、NEE伸展斷陷構(gòu)造系32-41?？梢姴煌诖螛?gòu)造作用在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生不同方向、不同性質(zhì)的構(gòu)造組合形跡和構(gòu)造樣式(圖1)，隱伏逆沖斷層(F2)為燕山期北西西向擠壓應(yīng)力條件下的產(chǎn)物。

燕山期構(gòu)造應(yīng)力來自盆地周緣，指向盆地內(nèi)部的區(qū)域性擠壓隆升構(gòu)造系(疊瓦式逆沖推覆構(gòu)造和倒轉(zhuǎn)-平臥復(fù)雜褶皺)在盆地邊部形成(多被后期汾渭地塹系所破壞，僅在地塹邊部部分殘留)。隱伏逆沖斷層(F2)斷面西傾，指示由西向東擠壓和運動指向，與盆地邊部逆沖斷層由東向西的主運動方向相反，且規(guī)模級次小于邊部逆沖斷層。其形成機制應(yīng)是燕山期盆地內(nèi)部因阻抗來自東側(cè)的擠壓應(yīng)力，而產(chǎn)生的反向逆沖作用和構(gòu)造變形響應(yīng)，具明顯的反沖斷層性質(zhì)(圖7)。

逆沖斷層(F2)水平位移量沿走向由南向北逐漸增加，推測該隱伏逆沖斷層向北應(yīng)延伸至象山煤礦中深部。根據(jù)斷層發(fā)育的一般規(guī)律，隨著構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用，一方面該斷裂本身不斷發(fā)展，另一方面在該斷層旁側(cè)，尤其是前展方向(西側(cè))可能產(chǎn)生近同期、低序次、小規(guī)模同向、同性質(zhì)斷層，這一點也被鉆探工程所揭露。隱伏逆沖斷層及其表層無根背斜北強南弱的構(gòu)造變形特征，與盆地邊部同期褶皺-推覆擠壓隆升幅度和北強南弱的地層變形強度的特征一致，共同反映了燕山期構(gòu)造應(yīng)力北強南弱的特征。由此推測，北側(cè)的韓城礦區(qū)內(nèi)，同期、同向、同性質(zhì)更大規(guī)模和更高級次逆沖構(gòu)造是可能存在的。

4 控煤意義

南北向隱伏逆沖斷層(F2)對煤層空間賦存具控制作用：

(1)斷層錯斷煤層，并造成煤層重復(fù)與煤層厚度局部增厚。上、下盤煤層落差在190～260 m之間，煤層重復(fù)帶寬度260～470 m，煤炭資源增儲約3 000萬 t；

(2)斷層西盤煤層抬升，煤層埋藏深度相對變淺，為今后在中深部區(qū)尋找埋深適中的有利資源區(qū)塊提供了可能；

(3)該斷層是韓城礦區(qū)南中深部區(qū)最主要的控煤構(gòu)造，也構(gòu)成了該區(qū)中深部重要的構(gòu)造邊界，可為礦區(qū)遠景規(guī)劃、井田劃分及礦業(yè)權(quán)設(shè)置提供構(gòu)造依據(jù)。

5 結(jié)語

(1)南北向隱伏逆沖斷層(F2)西傾東沖，斷面傾角為20°～35°，斷于石盒子組內(nèi)和下伏含煤巖系及其基底內(nèi)，地層垂直斷距為190～260 m，水平斷距260～470 m。

(2)淺部地層表現(xiàn)為同向展布的不對稱背斜構(gòu)造，與深部隱伏逆沖斷層(F2)在空間上密切共生，幾何學(xué)和運動學(xué)具相關(guān)性，成因上具統(tǒng)一性，淺層背斜構(gòu)造是深層逆沖作用控制下斷展褶皺作用的結(jié)果。

(3)隱伏逆沖構(gòu)造(F2)的形成機制是燕山運動期盆地內(nèi)部因阻抗來自東側(cè)構(gòu)造擠壓應(yīng)力，而產(chǎn)生的反向逆沖構(gòu)造作用響應(yīng)，具有反斷層性質(zhì)。該逆沖構(gòu)造錯斷煤層，造成煤層重復(fù)，控制了煤層的空間分布，構(gòu)成為韓城礦區(qū)南中深部重要的構(gòu)造邊界。