河南義馬煤田逆沖推覆構造特征及其控煤作用

周曉剛 朱炎銘 姚能旺 胡璐宇

（1.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

逆沖推覆構造是一種傾角平緩、規(guī)模較大并作長距離推移的復雜逆掩斷層，主要包括外來系統(tǒng)、斷層面和原地系統(tǒng)三方面。斷層面 （滑動面）主要位于地層中不同層次的物性界面或軟弱層位。到目前對逆沖推覆構造的探索研究已走過約170年。隨著平衡剖面計算技術的應用和發(fā)展，對推覆構造的形成機制與演化有了更加深入的認識。這樣就為正確認識區(qū)域地質構造、地殼結構和煤田構造成因機制及控煤作用等奠定了基礎，并指導隱伏煤田等礦產資源的勘探開發(fā)，為社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

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逆沖推覆構造位于煤田的南部邊界區(qū)域，該構造控制著煤田南部區(qū)域構造格局，煤田內5個主要礦井均受到該構造的影響，并在實際生產過程中十余次揭露該構造，嚴重影響了礦井開采規(guī)劃，帶來較嚴重的安全問題。前人曾對該區(qū)域的逆沖推覆構造有過研究，然而，對于以F16逆沖斷層為主的逆沖推覆構造特征及控煤作用研究尚未做深入探討。因此，本文擬對義馬煤田南部F16逆沖推覆構造特征及其控煤作用進行研究，希望有助于煤礦的安全生產。

1 區(qū)域構造背景

義馬煤田位于板內構造域（華北板塊南部）的二級構造單元崤熊構造區(qū)西北端，總體構造為不對稱向斜——義馬向斜。研究區(qū)域地質剖面圖見圖1，該向斜北翼地層較緩，南翼地層較陡，甚至直立，在平面上，水平延伸長度達20km，向斜軸走向為近EW 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)出單斜構造特征，次一級的褶皺發(fā)育較少，構造相對較簡單；煤田南部邊界直立或者倒轉的老地層受到南部邊界逆沖斷裂構造的影響，多掩覆于新地層之上，次一級的斷裂比較發(fā)育，構造相對比較復雜。在義馬煤田內部未見巖漿巖的發(fā)育分布。

圖1 研究區(qū)域地質剖面圖

2 義馬煤田構造規(guī)律分析

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

表1 煤田內主要斷裂構造特征

義馬煤田內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)。義馬煤田內井下小斷層極為發(fā)育，運用統(tǒng)計學方法統(tǒng)計具有明顯規(guī)律性。小斷層具有明顯的方向性，走向以NE向、NNE向為主；傾向以NW 向、NWW 向為主；落差主要小于5m；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 向斜構造，次一級的褶曲基本上不發(fā)育，僅在局部發(fā)育規(guī)模很小的寬緩褶皺，對煤層賦存狀態(tài)的影響不大。

圖2 義馬煤田構造綱要圖

3 逆沖推覆構造特征

3.1 幾何學特征

逆沖推覆構造的幾何特征分析是構造及其運動學和動力學機制研究的基礎，對探討其控煤作用有重要意義。義馬煤田逆沖推覆構造主要發(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，在義馬煤田內東西延長達20km，斷層面總體走向為近EW，傾向為近SSE，傾角變化較大，在15°～70°之間，淺部最大可達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。

義馬煤田內共有44個鉆孔揭露了地層重復現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為三疊系疊置于侏羅系之上，個別鉆孔出現(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逆沖推覆構造的外來巖系主要由來自斷裂南部的三疊系構成，東部局部地區(qū)亦有侏羅系地層一起卷入形成外來推覆體，中部局部地區(qū)有白堊系地層被卷入成為外來系統(tǒng)的組成部分；原地系統(tǒng)則為煤田內廣泛發(fā)育的侏羅系地層。外來系統(tǒng)受推覆構造影響較大，在斷裂面附近地層強烈褶皺乃至倒轉，對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力作用，發(fā)育次一級斷層。

3.2 運動學分析

義馬煤田逆沖推覆構造呈向NNE-近N 方向突出的弧形，根據(jù)Elliott的弓箭法則判定，該逆沖推覆構造總體運動方向為自南向北運動。在剖面上，斷層面向S或SSE 傾斜，上盤向北逆沖，并且煤田內礦井在開采過程中揭露F16逆沖斷層的外來系統(tǒng)擠壓作用強烈，煤層產狀變化較大，原地系統(tǒng)變形較小，表明F16逆沖斷層的下盤為被動盤，上盤為主動盤，也就是說斷層是在自南向北逆沖擠壓運動中形成的。

根據(jù)秦嶺造山帶北緣逆沖推覆構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，整個逆沖推覆構造是由南向北呈前展式擴展。

義馬煤田自南向北運動形成的逆沖推覆構造是侏羅系煤系地層自形成開始經(jīng)歷了多期構造運動疊加之后的結果。燕山運動Ⅰ-Ⅲ幕擠壓應力作用對義馬地區(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；燕山運動Ⅳ-Ⅴ幕近SN-NNE向擠壓應力場，在義馬地區(qū)影響較大，義馬煤田南部主體構造格架就是在此期運動中形成的。

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。結合義馬煤田經(jīng)歷的構造運動和F16逆沖斷層所切割的地層可以看出，從燕山運動開始，特別是白堊紀的燕山運動Ⅳ-Ⅴ幕，因受到近SN-NNE向擠壓應力場的作用，義馬向斜在此期間形成，之后在褶皺的基礎之上，進一步發(fā)生彎曲或倒轉，并在倒轉翼發(fā)育F16逆沖推覆構造，而在主斷層南部發(fā)育了一系列次級逆斷層。通過以上構造演化背景的分析，可以估算出F16逆沖斷層形成于燕山運動Ⅳ-Ⅴ幕 （白堊紀末期）。

3.3 動力學分析

結合區(qū)域大地構造演化背景可知，燕山運動Ⅳ-Ⅴ幕隨著華北板塊與揚子古板塊進一步碰撞擠壓，揚子古板塊全面而強烈地向華北板塊俯沖，同時由于板塊碰撞帶內近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)受到強烈的擠壓應力場作用。擠壓應力方向為近SN-NNE 向，強烈的擠壓應力作用造成該地區(qū)近EW 向的褶皺擠壓作用進一步增強，使得義馬向斜南翼地層直立甚至倒轉，同時造成義馬向斜的南翼地層發(fā)育逆沖推覆構造。

對野外實測的共軛剪節(jié)理產狀進行恢復，得到其原始產狀，作共軛X 節(jié)理的赤平投影圖，見圖3，可以看出主應力軸的方位，NNE向為該區(qū)域構造最大主應力方向，并且主要為擠壓應力性質。以F16逆沖斷層為主滑面的逆沖推覆構造是在近SNNNE向擠壓應力場作用下形成的，總體來說義馬煤田逆沖推覆構造的動力來源是揚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行了逆沖推覆構造應變分析。選取了義馬煤田東部近SN 向切穿于整個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志層，采用線長守恒原則對其進行恢復?；謴秃髽酥镜貙娱L度L0為3.824km，恢復前標志地層長度L1為2.944km，縮短率e為23%，如圖4所示。

4 構造控煤作用

逆沖推覆構造嚴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造運動的改造和影響，直接控制著義馬煤田煤層的空間賦存狀態(tài)。F16逆沖推覆構造對義馬煤田2＃-3＃煤層賦存狀態(tài)的控制主要表現(xiàn)在煤層產狀與煤厚變化。

圖4 義馬煤田平衡地質剖面

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

（2）北部原地系統(tǒng)煤層產狀較為簡單，整體以向南傾斜的單斜狀為主，異地系統(tǒng)煤層由于長距離的推覆抬升，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)地層產狀由于滑動面的拖曳作用發(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面長期活動影響，煤層產狀變化嚴重，常出現(xiàn)煤層破碎嚴重或者流變現(xiàn)象。逆沖推覆構造中強烈的擠壓作用使得較軟弱的煤層變形破壞較為嚴重，且煤層中次一級構造較為發(fā)育，增加了煤層的開采難度。

5 結論

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

（2）以F16逆斷層為主體的近EW 向逆沖推覆構造，自南向北以前展式逆沖運動是侏羅紀煤系地層自形成開始經(jīng)歷多期構造運動疊加之后的結果。燕山運動Ⅳ-Ⅴ幕，揚子古板塊與華北板塊碰撞相互擠壓所產生的NNE-NE 向擠壓應力是發(fā)育逆沖推覆構造的主要驅動力。

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

［1］ 李紅行，楊成軼，劉志鴻等.豫西 “三軟”煤層水體下采煤工程技術實踐 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992

［2］ 奚方喆，朱炎銘，杭遠等.錢家營礦西翼熱害地質成因探討 ［J］.中國煤炭，2004 （1）

［3］ 王桂梁，曹代勇，姜波等.華北南部的逆沖推覆伸展滑覆與重力滑動構造 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992

［4］ 汪昌亮.雪峰山西部中生代逆沖推覆構造樣式與變形特征 ［D］.中國地質大學 （北京），2006

［5］ 陳偉，盧華復，施澤進等.平衡剖面的正演計算及其應用 ［J］.地質科學，1993 （2）

［6］ 呂良冀 .福建大田廣平推覆構造特征及地質意義［D］.中國地質大學 （北京），2011

［7］ 陳傳詩，曹運興 .河南義馬煤田的逆沖推覆構造［J］.河南地質，1991 （3）

［8］ 石銓曾，尚玉忠，龐繼群等.河南東秦嶺北麓的推覆構造及煤田分布 ［J］.河南地質，1990（8）

［9］ 石銓曾.河南東秦嶺區(qū)域構造研究中的若干問題評述 ［J］.河南地質，1986（1）

［10］ 石銓曾.河南省與推覆構造有關的幾個區(qū)域地質問題 ［J］.河南地質，1988（4）

［11］ 孫玉震.義馬煤田逆沖推覆構造特征及找煤意義［J］.中州煤炭，2002 （3）

［12］ 孫玉震.義馬煤田義馬組地層沉積環(huán)境分析 ［J］.煤礦現(xiàn)代化，2008 （2）

［13］ 張書林，孫喜貴，陳杰等.常村井田構造成因及對瓦斯賦存的影響 ［J］.煤炭科學技術，2013 （12）

［14］ 馬永輝.赤城煤田地質構造及其控煤作用 ［J］.煤田地質與勘探，2013 （6）

［15］ 安鴻濤.龍灣井田3號煤層煤層氣賦存的地質控制因素 ［J］.煤炭科學技術，2014（2）

［16］ 陳尚斌，朱炎銘，袁偉等.開灤唐山礦逆沖推覆構造及其控煤作用 ［J］ .煤田地質與勘探，2011（2）

［17］ Elliot D.E.The construction of balanced cross section ［J］.Journal of Structural Geology，1983 （5）

［18］ 王桂梁，朱炎銘.論煤層流變 ［J］.中國礦業(yè)大學學報，1988 （3）