豫東地區(qū)上古生界含煤巖系構(gòu)造-巖漿控煤作用樣式

李文前，郭新體，王 昆，黃 婷，許亞坤，趙明珍

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

構(gòu)造-巖漿活動(dòng)對(duì)煤系地層的形成和形變過(guò)程具有重要控制作用，是煤系形成、形變和賦存的首要控制因素[1-4]。構(gòu)造-巖漿控煤作用研究強(qiáng)調(diào)構(gòu)造形態(tài)對(duì)煤系的聚集、賦存、聚煤和變質(zhì)作用之間關(guān)系的研究，以及區(qū)域構(gòu)造變形和大地構(gòu)造演化對(duì)含煤巖系的影響和綜合作用[5,6-9]?？孛簶?gòu)造樣式作為構(gòu)造控煤作用研究的核心內(nèi)容，用以描述同一構(gòu)造變形(應(yīng)力作用)下所產(chǎn)生的煤系變形特征，一般是指對(duì)煤系地層的形成、形變和賦存具有控制作用的構(gòu)造樣式的總和。控煤構(gòu)造樣式的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)聚煤盆地地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律和建立模型進(jìn)行構(gòu)造-巖漿控煤預(yù)測(cè)具有重要理論和勘探意義[5,10-12]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

豫東地區(qū)位于華北地臺(tái)華北坳陷通許隆起至永成-夏邑一線。次級(jí)構(gòu)造單元分布從北向南依次為開(kāi)封凹陷、通許凸起、永城陷褶段束和周口凹陷，基本呈“兩凹夾一隆”的格局[7]。南北坳陷保存了較為完整的石炭系和二疊系含煤巖系，中部隆起由于后期隆升剝蝕，部分含煤巖系缺失，加之后期北西向和北東向斷層的切割和差異升降，使煤系地層的賦存格局發(fā)生變化，呈現(xiàn)東西成帶、南北成塊的格局(圖1)。

圖1 豫東地區(qū)構(gòu)造單元分布

據(jù)地震和鉆探資料揭示，豫東地區(qū)大部分褶皺為低幅度、延伸不遠(yuǎn)的背、向斜或鼻狀構(gòu)造。區(qū)內(nèi)較大的褶皺構(gòu)造有永城背斜及杜集背斜。研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，多為正斷層，以斷距較大、延伸較遠(yuǎn)為特點(diǎn)，另有少量NW走向的左行走滑斷裂。主要可見(jiàn)NNE-NE向、NW向及近EW向三組斷裂。大致沿鄭州-尉氏-太康-禪城一線發(fā)育NW向構(gòu)造，并以此為界，西南部主要發(fā)育近EW-NNW向構(gòu)造，形成近EW-NWW向條帶狀凹、凸相間的構(gòu)造格局，東北部則主要發(fā)育NNE-NE向構(gòu)造，并以NNE-NE向展布的塊狀構(gòu)造單元為特點(diǎn)。其規(guī)模較大、延伸較長(zhǎng)的Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)斷層控制了該區(qū)構(gòu)造格局和沉積凹陷的發(fā)育。據(jù)斷層活動(dòng)性分析，斷層的主要活動(dòng)發(fā)生在山西組和下石盒子組，同一斷層不同部位的活動(dòng)性不一致，總體具有西弱東強(qiáng)，北弱南強(qiáng)的特點(diǎn)。東部地區(qū)的斷層活動(dòng)明顯要強(qiáng)于西部地區(qū)。

2 褶皺和斷裂構(gòu)造對(duì)煤層的控制

豫東地區(qū)的煤系地層總體呈現(xiàn)低角度單斜形態(tài)，變形弱，以單斜和寬緩背斜為主，區(qū)內(nèi)小型褶皺(包括背斜和向斜)和斷裂十分發(fā)育(圖2)。以褶皺和后期斷裂活動(dòng)為主，斷層大部切割煤系地層，局部同沉積斷裂對(duì)上盤煤層具有增厚作用。以杜集背斜為界，西部柘城地區(qū)的構(gòu)造總體較為簡(jiǎn)單，煤層厚度穩(wěn)定，煤層向北部寧陵-商丘隆起上傾尖滅，向南部柘城向斜和東部杜集向斜傾伏，東部向杜集背斜上傾尖滅。東部夏邑-永城地區(qū)褶皺和斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，煤層總體向永城背斜抬升上傾，在韓口和順和西地區(qū)存在局部隆起。褶皺軸向以近南北和北北東向?yàn)橹?，少量近東西向，與斷裂走向近于平行。受通許隆起和杜集-永城大型沉積背斜的控制，煤層主要賦存在西部通許隆起南部坳陷和東部夏邑-永城坳陷，煤層向隆起區(qū)或背斜上傾尖滅，背斜帶遭受后期抬升剝蝕(圖3)。

2.1 褶皺對(duì)煤層的控制

褶皺對(duì)煤層的影響主要表現(xiàn)為煤層的減薄、增厚和剝蝕。豫東地區(qū)發(fā)育同沉積背斜、同沉積向斜、拖曳褶皺和拖曳反相褶皺等類型，不同褶皺構(gòu)造類型對(duì)煤層的影響程度不同。

1) 同沉積背斜：僅見(jiàn)于城郊礦區(qū)，以徐棗園-程樓背斜為代表。雙側(cè)被斷裂圍限，構(gòu)成“斷背構(gòu)造樣式”，造成背斜軸部煤系地層抬升變淺(圖4(b))。

2) 同沉積向斜：如永城煤田的張莊向斜、葛雙新向斜和將閣向斜等。雙側(cè)均為正斷層控制，形成“斷向構(gòu)造樣式”，造成向斜軸部煤系地層的埋深增加(圖4(a),圖4(c),圖4(e))。

圖2 豫東東部永城煤田構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖

圖3 豫東東部永城煤田SEE向構(gòu)造-地層剖面(剖面位置見(jiàn)圖2)

圖4 豫東地區(qū)褶皺構(gòu)造對(duì)煤層的控制(剖面位置見(jiàn)圖2)

3) 拖曳褶皺和拖曳反相褶皺： 拖曳褶皺以四里禪堂向斜為代表(圖4(c))。單側(cè)發(fā)育斷層，受基底沉降影響，下降盤一側(cè)快速沉降形成向斜，屬于“半斷向斜構(gòu)造樣式”，導(dǎo)致下降盤一側(cè)煤層埋深加大。拖曳反相褶皺以永城煤田薛湖礦區(qū)西南部的聶奶廟褶皺(圖4(d))、城郊礦區(qū)南段的小莫莊向斜為代表。早期為兩側(cè)斷裂控制的向斜構(gòu)造，后期受到區(qū)域擠壓應(yīng)力作用，使早期的向斜隆起形成背斜構(gòu)造，造成構(gòu)造形態(tài)的反轉(zhuǎn)，隆起區(qū)往往會(huì)遭受剝蝕，導(dǎo)致煤層變薄或缺失。此外，城郊礦區(qū)還存在許多與斷裂無(wú)關(guān)的反相褶皺構(gòu)造，早期的隆起區(qū)受后期區(qū)域擠壓應(yīng)力作用變成向斜構(gòu)造，對(duì)煤系地層的主要影響在于煤層埋深的增加或減小，如高六灣向斜、小趙營(yíng)背斜、李固同背斜、周莊向斜、陳四樓向斜等，這些褶皺構(gòu)造發(fā)育于早二疊世的隆凹期，晚二疊世四煤組沉積期仍在活動(dòng)(圖4(b)、圖4(e)圖4(f))。

2.2 斷裂對(duì)煤層的控制

豫東地區(qū)次級(jí)斷層較為發(fā)育，主要是高角度的正斷層，許多斷層主要造成對(duì)煤系地層的分割和切塊形成斷塊構(gòu)造，對(duì)煤層的厚度、連續(xù)性和埋深造成影響。部分?jǐn)鄬泳哂型练e性質(zhì)。

1) 繼承性同沉積斷裂，以城郊礦區(qū)F17斷裂為例。該斷裂是東側(cè)相對(duì)上升，西側(cè)相對(duì)下降的南北向正斷層。在晚二疊世早期四煤組(K5-K6)沉積期，繼承了早二疊世的沉積特征，西側(cè)上盤持續(xù)沉降，推測(cè)四煤組沉積后的各段沉積均呈現(xiàn)出相似的差異性，直到燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化，在其西側(cè)下降盤形成明顯的向斜形態(tài)(圖5(a))。此外，與F17斷裂共同控制蔣閣向斜形成的F5斷裂，控制張莊向斜的F2’和F12斷裂，永城背斜東翼葛雙新向斜兩側(cè)的王莊斷層和雙廟斷層，具有與F17類似的構(gòu)造-沉積演化過(guò)程。

2) 后期改造反轉(zhuǎn)斷裂，受地史時(shí)期不同構(gòu)造應(yīng)力的作用，斷層性質(zhì)發(fā)生變化，即斷層產(chǎn)生“正反轉(zhuǎn)”或“負(fù)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。

以城郊控制小莫莊向斜形成的F20斷層為例，表現(xiàn)為北盤相對(duì)下降的正斷層。斷層北盤由于受斷塊相對(duì)沉降的拖曳牽引作用影響，形成了一個(gè)與斷裂延伸方向基本平行的小莫莊向斜構(gòu)造，從二疊紀(jì)各組段的沉積厚度及巖性分析，這一斷裂兩盤的運(yùn)動(dòng)方向在不同階段發(fā)生了改變。早二疊世沉積期，曾發(fā)生過(guò)相對(duì)差異升降運(yùn)動(dòng)，斷裂北部斷塊相對(duì)下降。晚二疊世早期四煤組沉積期，斷層發(fā)生擠壓“正反轉(zhuǎn)”，形成了一個(gè)大體與斷裂延伸方向一致的隆起帶(圖5(b))。城郊區(qū)東北部的漢陳向斜，兩側(cè)由F18和F13斷層所控制。兩條斷層在二疊紀(jì)各組段的沉積厚度及巖性特征均表現(xiàn)出與F20斷層一樣的特征，具有相同的發(fā)育演化歷程。

圖5 豫東地區(qū)斷裂構(gòu)造對(duì)煤層的控制(剖面位置見(jiàn)圖2)

3 控煤構(gòu)造樣式

構(gòu)造樣式是指一群構(gòu)造或某種構(gòu)造形態(tài)特征的總和，或一組相關(guān)構(gòu)造的總體特征?？孛簶?gòu)造樣式用以描述對(duì)煤系和煤層的形成、演化和賦存具有控制作用的構(gòu)造樣式，它們是區(qū)域構(gòu)造樣式的重要組成部分，是成煤后多次構(gòu)造變形疊加綜合作用的結(jié)果，對(duì)揭示煤田構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，建立控煤地質(zhì)構(gòu)造模型，煤炭資源預(yù)測(cè)具有重要意義。

從煤層底板等值線圖、煤層厚度圖和剖面圖分析，豫東地區(qū)發(fā)育伸展斷裂組合構(gòu)造樣式、同沉積構(gòu)造樣式、反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式和巖漿構(gòu)造樣式四類控煤構(gòu)造樣式，但總體以伸展斷裂組合構(gòu)造樣式為主(圖6)。

圖6 豫東地區(qū)構(gòu)造-巖漿控煤樣式

3.1 構(gòu)造-巖漿控煤作用的基本特點(diǎn)

從豫東地區(qū)煤層賦存規(guī)律，褶皺、斷裂和巖漿活動(dòng)特點(diǎn)分析，豫東地區(qū)煤層主要形成于上古生界的石炭紀(jì)和二疊紀(jì)，屬于華北克拉通陸表海濱岸沼澤聚煤環(huán)境，早期基底隆凹格局控制了煤系地層的形態(tài)、厚度和分布位置。而大部分褶皺、斷裂構(gòu)造在燕山期形成和活動(dòng)，巖漿作用也主要發(fā)生燕山期。因此，構(gòu)造-巖漿作用影響主要表現(xiàn)在對(duì)煤層的后期改造方面。杜集和永城大型背斜形成較早，控制了研究區(qū)主要煤層和富煤帶的總體分布格局。斷裂作用是研究區(qū)煤層賦存的主要控制因素且影響廣泛，對(duì)煤層的埋深和形態(tài)有重要影響，對(duì)煤層的厚度影響有限。巖漿作用對(duì)局部地區(qū)煤層產(chǎn)生重要影響，表現(xiàn)為吞噬煤層和煤層的變質(zhì)程度加大。褶皺作用影響相對(duì)較弱，只在局部地區(qū)存在同沉積褶皺，造成煤層的局部增厚。

與安徽和豫西等鄰近地區(qū)相比，豫東地區(qū)的構(gòu)造-巖漿控煤作用具有以下特點(diǎn)。

1) 豫西煤田滑覆構(gòu)造發(fā)育，煤田蓋層構(gòu)造分區(qū)性明顯，以掀斜斷塊為主的伸展構(gòu)造和沿蓋層中軟弱層位發(fā)育的重力滑動(dòng)構(gòu)造為特色，造成煤層局部加厚、翹傾和缺失。煤層厚度異常帶展布與斷塊走向平行，煤變質(zhì)程度和變形強(qiáng)度與層間滑動(dòng)強(qiáng)度正相關(guān)[13]。而豫東以寬緩褶皺和后期斷裂活動(dòng)為主，主要造成煤層埋深的變化。

2) 豫西地區(qū)斷層活動(dòng)燕山期為褶皺和沖斷作用，喜山期發(fā)生伸展作用，造成半地塹型聚煤盆地。豫東地區(qū)褶皺總體表現(xiàn)平緩，大型褶皺控制著富煤帶的展布，后期伸展斷裂對(duì)煤系地層的分割和切塊形成斷塊構(gòu)造，對(duì)煤層的厚度、連續(xù)性和埋深造成影響。

3) 豫西地區(qū)煤田巖漿活動(dòng)規(guī)模小，對(duì)煤層的影響范圍有限，在平頂山、寶豐及西部陜縣一帶有小規(guī)模酸性和中酸性巖漿侵入。而豫東地區(qū)巖漿活動(dòng)較為廣泛，對(duì)煤層造成吞噬、減薄和煤變質(zhì)程度的顯著提高。

4) 安徽省以擠壓控煤構(gòu)造樣式為主，發(fā)育在煤田邊界地區(qū)，煤田內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，煤系變質(zhì)程度較低。豫東地區(qū)整體以伸展構(gòu)造背景控煤作用為主。

3.2 構(gòu)造-巖漿控煤樣式

3.2.1 伸展斷裂組合構(gòu)造樣式

以發(fā)育伸展背景條件下的正斷層和寬緩背斜組合為特征，組成單斜構(gòu)造、壘塹構(gòu)造、斷背構(gòu)造和斷向構(gòu)造四種類型。煤系被斷層切割，在斷層之間形成背斜和向斜構(gòu)造，同時(shí)也造成煤層的埋藏深度的變化。煤系賦存穩(wěn)定，保存較好，埋深中等-較淺。單斜斷塊的構(gòu)造變形較弱，一般呈大型緩傾至中等角度產(chǎn)出，且多被斷層切割，斷層不具主導(dǎo)控制作用，可形成厚煤層。單斜斷塊型控煤構(gòu)造樣式在豫東地區(qū)煤田中非常常見(jiàn)，既見(jiàn)于大型褶皺的翼部及斷裂帶附近，也見(jiàn)于盆地的邊緣及隆起的周邊地區(qū)。塹壘構(gòu)造中上升盤因抬升而煤系埋深變淺且構(gòu)造簡(jiǎn)單有利于勘探開(kāi)發(fā)，兩側(cè)正斷層多構(gòu)成井田的自然邊界。地塹內(nèi)部煤系地層呈背斜或向斜構(gòu)成斷背斜或斷向斜構(gòu)造樣式。褶皺斷裂(褶斷)型構(gòu)造樣式(包括斷背型和斷向型)以向斜、背斜、復(fù)向斜、復(fù)背斜的形態(tài)產(chǎn)出。隨著應(yīng)力變化形成逆斷層，先前形成的褶皺被不同程度的切割、破壞，形成褶-斷組合形態(tài)。

3.2.2 同沉積構(gòu)造樣式

受同沉積斷裂和褶皺的控制，斷層上盤煤層加厚，向斜核部煤層較厚、埋藏較深，向背斜超覆上傾，煤層埋藏較淺。豫東地區(qū)發(fā)育兩個(gè)大型沉積背斜構(gòu)造：杜集背斜和永城背斜。這兩個(gè)背斜控制了豫東地區(qū)煤層的空間分布，煤層圍繞背斜周圍分布，向背斜上傾尖滅。

3.2.3 反轉(zhuǎn)構(gòu)造樣式

由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致構(gòu)造性質(zhì)發(fā)生根本轉(zhuǎn)變。沉積期的負(fù)向構(gòu)造改造成正向構(gòu)造，煤系的完整性保存較好，前期的上盤隆起區(qū)變成了后期埋藏較深的向斜坳陷。正向構(gòu)造改造成負(fù)向構(gòu)造，前期煤系埋藏較深的上盤向斜坳陷區(qū)后期被改造成了埋深較淺的背斜隆起區(qū)。正反轉(zhuǎn)和負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造常常由于斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)互相牽引，形成拖拽褶皺(背向斜)。

3.2.4 巖漿構(gòu)造樣式

豫東地區(qū)巖漿活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致煤層變形或變質(zhì)。巖體有順層侵入、單側(cè)侵入和中央侵入三種侵入樣式。順層侵入巖體往往使煤層減薄，或變質(zhì)成為天然焦，但煤層總體形態(tài)沒(méi)有發(fā)生大的改變；單側(cè)侵入指巖漿從煤層的單側(cè)方向侵入，侵入方式主要有順層侵入，底部侵入或煤層中間侵入，對(duì)煤層形態(tài)、厚度和煤質(zhì)特征造成較大影響。

在綜合分析和典型解剖豫東地區(qū)構(gòu)造-巖漿控煤作用基礎(chǔ)上，總結(jié)了豫東地區(qū)構(gòu)造-巖漿控煤作用模式(圖7)。

圖7 豫東地區(qū)構(gòu)造-巖漿控煤作用模式

4 結(jié)論

1) 豫東地區(qū)發(fā)育上古生界煤系地層，通許隆起和杜集-永城大型沉積背斜控制了含煤巖系的賦存狀態(tài)。煤層向隆起區(qū)或背斜上傾尖滅，背斜帶煤系地層遭受后期抬升剝蝕。

2) 豫東地區(qū)發(fā)育4大類和13亞類構(gòu)造-巖漿控煤樣式?？傮w以伸展斷裂組合構(gòu)造樣式為主，局部存在擠壓反轉(zhuǎn)構(gòu)造、同沉積構(gòu)造和巖漿侵入構(gòu)造樣式組合。

3) 豫東地區(qū)構(gòu)造-巖漿作用對(duì)煤層的影響程度表現(xiàn)不一，大型褶皺隆起和坳陷邊界斷裂控制了富煤帶的發(fā)育，坳陷內(nèi)部褶皺和斷裂控制了煤層的賦存狀態(tài)，富煤中心主要分布在隆起區(qū)周緣。褶皺構(gòu)造主要對(duì)煤層造成變形和厚度變化，斷裂活動(dòng)主要出現(xiàn)在聚煤后期，造成煤層的抬升剝蝕或埋深增大，對(duì)煤層厚度影響不大，燕山期巖漿活動(dòng)主要分布在豫東東部地區(qū)，侵入方式多樣，造成煤層吞噬和煤變質(zhì)程度的顯著提高。

4) 與豫西和安徽相鄰地區(qū)控煤構(gòu)造類比，以擠壓構(gòu)造背景為主，煤層形態(tài)復(fù)雜，厚度變化大，但巖漿活動(dòng)影響較小。豫東地區(qū)整體以伸展背景為主，褶皺和斷裂對(duì)煤層埋深影響較大，巖漿活動(dòng)相對(duì)頻繁，對(duì)煤層厚度、分布和變質(zhì)程度有重要影響。

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