巨野煤田重力場與構(gòu)造特征

許 文 強(qiáng)

（西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

巨野煤田重力場與構(gòu)造特征

許 文 強(qiáng)

（西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

以巨野煤田重力資料為主，結(jié)合鉆井、地質(zhì)、地震測量和前人研究成果，對研究區(qū)的重力場進(jìn)行了研究，推斷了研究區(qū)的斷裂構(gòu)造，擬合求解了以石炭-二疊系為沉積中心，奧陶系為基底、石炭-二疊系為中間層、中-新生界為蓋層等3個密度層。研究區(qū)的主要斷裂方向?yàn)榻黃N向斷裂，它們?yōu)閰^(qū)域性大斷裂，不僅控制了研究區(qū)煤層的分布特征，也控制了巖漿帶的展布。研究區(qū)發(fā)育有巨野和汶上-寧陽兩個潛凹，屬于中生代斷陷沉積盆地。潛凹內(nèi)從東往西，沉降幅度逐漸增大，沉積物厚度由薄變厚。并形成了以奧陶系馬家溝組為基底，以石炭-二疊系太原組和山西組為主要含煤系巖層，以中-新生界為蓋層的沉積構(gòu)造特征。

巨野煤田；重力場；構(gòu)造特征

為了研究巨野煤田的地質(zhì)構(gòu)造特征，包括潛凹形態(tài)、潛凹內(nèi)主要沉積地層的分布、構(gòu)造格架及基底起伏，預(yù)測勘探煤田靶區(qū)等。利用獲取的重力資料以及前人的研究成果，以重力資料為主對研究區(qū)的重力場特征進(jìn)行了綜合研究，確定了研究區(qū)的斷裂構(gòu)造體系。根據(jù)物性結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)背景，選擇多條剖面擬合求出了以石炭-二疊系為沉積中心；奧陶系為底層、石炭-二疊系為中間層、中-新生界為蓋層等3個密度層。重力場解釋研究成果，對研究潛凹的生成與發(fā)展、構(gòu)造特征、沉積蓋層的分布規(guī)律以及煤田勘探前景等奠定了基礎(chǔ)，對其他地區(qū)盆地內(nèi)沉積礦產(chǎn)找礦具有重要借鑒意義。

1　地質(zhì)和地球物理背景

1.1地質(zhì)背景

巨野煤田位于山東省西南部，屬菏澤地區(qū)管轄，煤田主要分布在巨野和鄆城兩縣境內(nèi)。大地構(gòu)造位置屬于華北地臺魯西南潛隆起區(qū)的巨野-拳鋪盆地[1]。

研究區(qū)為全隱蔽的華北型石炭-二疊系煤田，基底為新太古代泰山群；含煤巖系地層的基地為古生界奧陶系馬家溝組，上覆蓋層為中-新生界（見圖1）?；椎闹饕獛r性為厚層石灰?guī)r，其次為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r；研究區(qū)主要成煤時期為晚石炭世-早二疊世，自下而上有劃分為本溪組、太原組和山西組。石炭系本溪組、太原組為海陸交替相沉積，主要以深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖與石灰?guī)r煤層的互層為特點(diǎn)，夾灰色砂巖；山西組為過渡相沉積（三角洲沉積），沉積物主要為淺灰、灰白色中、細(xì)砂巖以及深灰色粉砂巖、泥巖夾煤層，為主要的含煤地層；太原組、山西組賦存數(shù)層較厚的煤層。區(qū)內(nèi)中生代、新生代沉積廣泛發(fā)育在斷陷盆地的平原區(qū)，為一陸相碎屑沉積和強(qiáng)烈的陸相火山噴發(fā)及殘坡積、沖擊產(chǎn)物[1,2]。

1.2構(gòu)造變化

研究區(qū)煤田地層總體走向近SN向，略呈西高東低，構(gòu)成東傾的單斜構(gòu)造。受區(qū)域構(gòu)造活動的影響，煤田內(nèi)部發(fā)育了一系列次一級斷裂構(gòu)造，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的較大斷裂構(gòu)造有近SN向的畢垓斷裂、巨野斷裂和田橋斷裂，巨野斷裂、畢垓斷裂，為區(qū)內(nèi)巨野盆地的邊緣斷裂，田橋斷裂為盆地內(nèi)部較大斷裂；有近EW向的汶泗斷裂、鄆城斷裂，為區(qū)內(nèi)拳鋪盆地的邊緣斷裂。區(qū)內(nèi)次級斷裂主要以近SN向?yàn)橹?，為區(qū)內(nèi)次級凹陷和凸起的邊緣斷裂，分別構(gòu)成了煤田不同區(qū)位的邊界，并且控制煤層的形成和分布特征。區(qū)域構(gòu)造有以繼承性和差異性的緩慢沉降形式繼續(xù)運(yùn)動，沉降幅度受斷塊本身運(yùn)動強(qiáng)度的制約，從東往西，沉降幅度逐漸增大，沉積物厚度由薄變厚[3]。

圖1　巨野煤田地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch of Juye coal field

1.3地球物理背景

為了準(zhǔn)確獲取的巖石物性（密度）資料，提高重力資料處理解釋的精度及可靠性，搜集并統(tǒng)計(jì)了前人對研究區(qū)出露的地層密度測定的結(jié)果[1]。

表1　巨野煤田巖石密度統(tǒng)計(jì)Table 1 Density statistics of Juye coal field rock

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表 1）可知，研究區(qū)巖石密度特征：新太古代泰山巖群密度最高，密度約為2.77 g/cm3，古生代寒武-奧陶紀(jì)地層密度次之，密度約2.705 g/cm3，石炭-二疊紀(jì)地層密度約2.615 g/cm3，新生代第四系密度最低，密度約為1.69 g/cm3。古生代地層密度約為 2.68 g/cm3，中生代地層密度約2.54 g/cm3，新生代地層密度約2.14 g/cm3，中-新生代地層密度為 2.34 g/cm3。中-新生代地層與石炭-二疊紀(jì)地層、寒武-奧陶紀(jì)地層、新太古代泰山巖群分別為0.275, 0.365, 0.43 g/cm3。因此有如下兩個特征：①研究區(qū)各時代的變質(zhì)巖和沉積巖，其密度是底層由新到老，密度值由小變大；②在該區(qū)有幾個密度差比較大的分界面：中-新生界、石炭-二疊系、寒武-奧陶系和新太古代泰山巖群。

2　重力場特征

圖2　巨野煤田區(qū)重力異常圖Fig.2 Gravity anomaly map of Juye coal field

研究區(qū)區(qū)域內(nèi)地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域東部形成由南向北的嘉祥潛凸—汶上-寧陽潛凹—東平凸起的分布特征；區(qū)域內(nèi)形成由東向西的嘉祥潛凸—巨野潛凹—菏澤潛凸的分布特征。重力場總體變化特征（見圖 2）為：西側(cè)和東側(cè)為重力高值區(qū)，研究區(qū)重力場在東西向上重力高峰值分別為-10×10-5m/s2、0×10-5m/s2，變化范圍分別為（-10～-20×10-5m/s2）、（0～-16×10-5m/s2），分別反映了菏澤潛凸和嘉祥潛凸；中間位為南北向重力低值區(qū)，重力低峰值-26×10-5m/s2，反映了巨野潛凹（巨野盆地）。研究區(qū)南北兩側(cè)為重力低值區(qū)，研究區(qū)重力場在南北向上重力低峰值分別為-36×10-5m/s2、40×10-5m/s2。區(qū)域東側(cè)重力場在南北向上，南側(cè)和北側(cè)為重力高值區(qū)，重力高峰值分別為0×10-5m/s2，-16×10-5m/s2，分別反映了嘉祥潛凸、東平凸起；中間位于東西向重力低值帶，重力低峰值-36×10-5m/s2，反映了汶上—寧陽潛凹（拳鋪盆地）[1]。

一般而言，布格重力異常場值的大小反映了基底的起伏特征，重力場值大，反映高密度的基底埋深相對較淺；重力場值小，反映基底埋深相對較深，上覆蓋層較厚。布格重力異常等值線圈閉的重力高、重力低反映局部潛凸與潛凹構(gòu)造，布格重力異常等值線密集的重力梯級帶反映斷裂構(gòu)造[4]。由重力場值東側(cè)和西側(cè)高、南北向低值的特征分析研究區(qū)基地為東側(cè)和西側(cè)淺，南北向深；由布格重力異常等值線圈閉的重力高、重力低推測研究區(qū)基底起伏較大，潛凸與潛凹發(fā)育；由密集布格重力異常等值線反映的重力梯級帶判斷研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育。

3　斷裂特征

斷裂構(gòu)造的發(fā)生使得斷裂兩側(cè)空間位置發(fā)生變化或出現(xiàn)破碎帶而使地層密度等物性在空間上的分布產(chǎn)生不均勻性，這種地層物性在空間上分布的不均勻性使重力異常值產(chǎn)生明顯變化，應(yīng)用重力異?；緢D件（布格重力異常）及其轉(zhuǎn)換參數(shù)（水平總梯度模、水平一階導(dǎo)數(shù)和垂向二階導(dǎo)數(shù)等）圖件所反映的各種明顯變換特征，綜合分析地質(zhì)背景以及結(jié)合在研究區(qū)前人完成的部分地震探測成果，根據(jù)斷裂構(gòu)造的識別標(biāo)志（斷裂構(gòu)造的識別標(biāo)志主要有：a、線性重力高與重力低之間的過渡帶；b、異常軸明顯錯動的部位；c、串珠狀異常的兩側(cè)或軸部所在位置；d、兩側(cè)異常特征明顯不同的分界線；e、封閉異常等值線突然變窄、變寬的部位；f、等值線同行扭曲部位[5]），推斷出了研究區(qū)的斷裂構(gòu)造。

研究區(qū)共推斷出22條斷裂（見圖3），這些斷裂按走向可分為近南北（包括南北、北北東、北北西）向，東西（包括東西和北東）向2組[1,3]，其中發(fā)育的大斷裂主要有近 SN向的田橋斷裂、畢垓斷裂、巨野斷裂和近EW向的汶泗斷裂、鄆城斷裂。研究區(qū)內(nèi)斷裂縱橫交錯形成了以近南北向?yàn)橹鞲?，東西、北東向斜交分布的構(gòu)造體系。斷裂構(gòu)造的復(fù)雜性，顯示了研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動的特點(diǎn)。

F1畢垓斷層：位于巨野煤田中間、巨野盆地西緣，重力布格異常帶變化不明顯，布格異常值約為-18—-22 mGal，但異常軸線有明顯錯動部位，并且有等值線同行扭曲部位，在垂向二階導(dǎo)數(shù)圖上有明顯的串珠狀左側(cè)異常。在水平總梯度模圖上有清晰的延伸方向，連續(xù)性較好；從延伸結(jié)構(gòu)來看，斷裂帶的切割深度不相同，畢垓斷層為近SN向逆斷層，中間有被EW向斷裂切斷，有錯動部位，控制了煤田的煤層EW向分布特征和煤層的構(gòu)造變化。

圖3　巨野垂向二階導(dǎo)數(shù)與斷裂疊加圖Fig.3 The superposition map of Juye vertical second derivative and fault

F2田橋斷裂：位于巨野煤田中間、巨野盆地中間，兩側(cè)有異常特征明顯不同的分界線，是明顯的異常帶，在水平方向?qū)?shù)結(jié)果圖上有十分清晰的線性異常。在垂向二階導(dǎo)數(shù)圖上有明顯的串珠狀右側(cè)異常，斷裂深度較大，結(jié)合向上延拓剩余等值線圖，斷裂十分明顯，容易區(qū)分出來。該斷裂的發(fā)育控制了煤田的構(gòu)造特征和煤層的EW分布特征，同時也控制了巨野盆地的構(gòu)造特征和沉積特征。

F3巨野斷裂：位于巨野煤田中間、巨野盆地東緣，是重力異常明顯的重力梯級帶變化帶，等值線變化密集、定向分布。斷裂深度較大，結(jié)合向上延拓剩余等值線圖，斷裂十分明顯，容易區(qū)分。該斷裂的發(fā)育控制了煤田煤層在東西向上的分布特征和構(gòu)造特征，同時也控制了巨野盆地的分布特征和沉積特征。

F4鄆城斷層：位于巨野煤田中間、拳鋪盆地南緣，有明顯的等值線同行扭曲部位，并有封閉異常等值線突然變寬、變窄的部位，局部地段異常相東西兩側(cè)延伸。在密集帶邊緣，等值線定向分布，表現(xiàn)為錯斷的異常圈閉。在水平總梯度模結(jié)果圖上為較密集的異常帶，該斷裂寬度較小，在垂向二階導(dǎo)數(shù)圖上有明顯反映，斷裂表現(xiàn)為走滑錯動斷層的特點(diǎn)。有利于控制煤層在SN向上的分布特征和煤田的構(gòu)造特征，同時也控制了拳鋪盆地的分布情況和分布特征。

F5汶泗斷裂：位于煤田北部邊界，有十分明顯的重力布格異常帶，異常值變化-32—-18 mGal，且重力梯度異常明顯表現(xiàn)為密集帶，在垂向二階導(dǎo)數(shù)、水平總梯度模和向上延拓剩余異常圖上，有十分明顯的梯級帶變化，延伸方向清晰，連續(xù)性好。有利于控制煤田北部的分布情況和分布特征。同時也控制了拳鋪盆地。

4　剖面分析

鑒于研究區(qū)斷裂發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，地層分布橫向不均勻性強(qiáng)，故求解密度層應(yīng)使用剖面擬合方法。在研究區(qū)一共選取8條剖面（見圖2），剖面分布原則：均勻分布，垂直研究區(qū)構(gòu)造走向和重力異常（主要是重力高、重力低中心，梯級帶）；在重力場陡變處適當(dāng)增加剖面；及所選取的剖面基本能控制研究區(qū)的主要構(gòu)造特征。利用2.5D剖面重力擬合求解了以石炭-二疊系為沉積中心，奧陶系為底層、石炭-二疊系為中間層、中-新生界為蓋層等3個密度層。因而，研究區(qū)石炭-二疊系沉積煤層覆蓋于奧陶系馬家溝組基底之上。

圖4　剖面AA′和BB′Fig.4 Section AA′ and BB′

筆者選取兩條剖面進(jìn)行擬合，分別為剖面AA′和剖面BB′（見圖4）。從剖面圖上可以看出，研究區(qū)地層厚度變化不一，第四系厚度西厚東薄，第三系厚度西薄東厚，中間層石炭-二疊系厚度中間薄兩側(cè)厚，剖面兩側(cè)奧陶系厚度較均一。從垂直潛凹長軸的剖面BB′看潛凹呈地塹式，可見基底因次級斷裂差異活動，交替呈地壘、地塹，基調(diào)圖不平，形成了“盆嶺”構(gòu)造，基底抬拱和凸起，引起蓋層彎曲形成有利于煤層儲存的構(gòu)造。

由于潛凹的生成受控于區(qū)域性斷裂，煤層的分布因斷裂性質(zhì)、方向不同而有所差異。從剖面AA′和BB′(見圖4)分析得：近南北向主干斷裂受東西向斷裂應(yīng)力的影響，部分主干斷裂切割錯位，致使邊界扭曲，潛凹和潛凸寬窄不一。其控制潛凹斷裂以外，還見有石炭-二疊系分布，奧陶系見于基底和斷裂邊緣。該研究區(qū)潛凹主要受近SN向大斷裂控制，沿?cái)嗔褦鄩K陷落，沿?cái)嗔岩淮屋^陡，另一側(cè)基底緩坡翹起。地層沉積蓋層由西向東逐漸變薄，形成了以中間石炭-二疊系為沉積中心、上覆中-新生代蓋層、基底為奧陶系的有利煤層地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)地層和煤系地層的分布特征，可以為鉆井提供有利信息，沉積中心東側(cè)蓋層薄，容易鉆到目的層，相反，西側(cè)蓋層厚，不適合于鉆井。

5　結(jié) 論

（1）研究區(qū)重力場值東、西高，南北向低值的特征分析研究區(qū)基地為東、西淺，南北向深；由布格重力異常等值線圈閉的重力高、重力低推測研究區(qū)基地起伏較大，潛凸與潛凹發(fā)育；由密集布格重力異常等值線反映的重力梯級帶判斷研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育。

（2）研究區(qū)重力場形態(tài)特征復(fù)雜，反映出研究區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造演化特征和構(gòu)造特征。研究區(qū)共推斷出 22條斷裂，發(fā)育的斷裂構(gòu)造主要分為兩組：近SN向和近EW向。近SN向斷裂屬主要斷裂，它們多為區(qū)域性大斷裂，生成于中生界，歷經(jīng)多次復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動，不僅是研究區(qū)煤田邊界和煤層的主要控制構(gòu)造單元，也控制了巖漿巖帶的空間展布；近EW向斷裂屬小斷裂，其發(fā)育晚于近南北向斷裂，它們切斷了主斷裂是主斷裂部分發(fā)生移位，并形成了研究區(qū)盆地的部分邊界，控制煤層的分布。

（3）研究區(qū)地層中，石炭-二疊系為沉積中心，奧陶系為底層、石炭-二疊系為中間層、中-新生界為蓋層等3個密度層。石炭-二疊系厚度分布不均，沉積中心上覆蓋層西厚東薄，沉積中心向東遷移，則在沉積中心東側(cè)利于鉆井，西側(cè)不利于鉆井。

［1］李土雄，劉磊，禚傳源,等..利用重力方法圈定巨野煤田成礦遠(yuǎn)景區(qū)[J].山東國土資源,2012，28（7）：28-31.

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［3］衛(wèi)學(xué)忠，湯振清，朱魯.巨野煤田巖漿巖侵入煤層變質(zhì)規(guī)律研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2001，20（3）：29-33.

［4］袁炳強(qiáng)，張化安，許延浪，嚴(yán)云奎.集寧盆地商都凹陷重磁力場與構(gòu)造特征[A].趙靖州.西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院創(chuàng)建10周年學(xué)術(shù)研討會論文集[C].北京：石油工業(yè)出版社，2007-12.

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［6］韓美蓮.魏久傳.巨野煤田三角洲沉積體系及其聚煤特點(diǎn)[J].沉積學(xué)報(bào), 2001,19（3）：381-385.

［7］王明山.巨野煤田 3煤層巖漿巖侵入規(guī)律研究[J].中國煤田地質(zhì),2005，17（4）：9-11.

Gravity Field and Tectonic Characteristics of Juye Coalfield

XV Wen-qiang
(School of Earth Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China)

Based on gravity data of Juye coal field, combined with drilling, geology, seismic surveying and predecessors' studying results, the gravity field of the research region was studied; the fracture structure of the research area was concluded. Three density layers were fitted to solve by using Permian-Carboniferous as sedimentary center, Ordovician as basement, Permian-Carboniferous as interlayer, Mesozoic-Cenozoic as cap rock. The results show that the main fracture direction in the study area is nearly NS-trending fault; they are the regional great faults, which not only control the distribution characteristics of the coal seams in the study area, but also control the distribution of magmatic belt. Development in the study area has Juye and Wenshang- Ningyang two latent concaves, belonging to Mesozoic fault depression basin. Sedimention range gradually increases from east to west in hidden inside concave, sediment thickness is from thin to thick.And sedimentary structure characteristics with Majiagou group of Ordovician as the basement, Taiyuan and Shanxi group of Permian-Carboniferous as the main containing coal measures strata, Mesozoic-Cenozoic as the cover have been formed.

Juye coalfield; Gravity field; Tectonic characteristics

TE 122

A

1671-0460（2014）12-2706-04

2014-05-28

許文強(qiáng)（1990-），男，陜西渭南人，在讀碩士研究生，研究方向：綜合地球物理評價。E-mail：414001696@qq.com。