魯西南地區(qū)構(gòu)造演化與煤變質(zhì)規(guī)律

雷小喬， 周日平

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038； 2.中煤地北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100049)

魯西南地區(qū)位于華北地臺魯西古隆起西南角，區(qū)域構(gòu)造屬華北板塊魯西臺背斜西南部。魯西南含煤區(qū)東、南、西、北分別由驛山斷裂、南華北北部斷裂東端—豐沛斷裂、聊-蘭斷裂和汶泗斷裂所圍限，東北部為隆起區(qū)，西部和南部為止于邊界斷裂的環(huán)隆起分布的隆凹相間塊段形成的坳陷區(qū)。煤變質(zhì)規(guī)律呈現(xiàn)靠近隆起區(qū)的魯西南東北部以中低變質(zhì)程度的氣煤為主，西部和南部則表現(xiàn)為由隆起到坳陷到邊界斷裂，煤變質(zhì)程度逐步提高，以氣肥煤、肥煤、焦煤為主。東北部隆起區(qū)中低煤階煤的變質(zhì)是深成變質(zhì)為主，西部和南部高煤階煤的變質(zhì)是深成變質(zhì)疊加巖漿熱接觸變質(zhì)和動力變質(zhì)等其他多期次、多熱源的變質(zhì)。中生代及新生代發(fā)生的華南板塊、太平洋板塊與華北板塊構(gòu)造應(yīng)力作用導(dǎo)致的環(huán)魯西古隆起斷裂的復(fù)活以及斷裂間塊體的隆起與坳陷則是煤變質(zhì)發(fā)生的根本，因?yàn)閿嗔寻l(fā)生處巖漿的噴發(fā)、華北東部克拉通破壞引起的塊體沉陷導(dǎo)致的地?zé)崃鞯纳叩?，都是煤進(jìn)一步變質(zhì)的直接誘因。本文以基底構(gòu)造為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化，分析了基底構(gòu)造對魯西南地區(qū)煤變質(zhì)格局的控制作用。

1 魯西南煤類分布與煤變質(zhì)規(guī)律

魯西南地區(qū)煤形成于石炭-二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、新生代三個(gè)時(shí)期，其中以石炭-二疊紀(jì)太原組、山西組煤為主要，分布最廣并最具開采價(jià)值。區(qū)域內(nèi)煤田主要有巨野煤田、濟(jì)寧煤田、兗州煤田、滕縣煤田、韓臺煤田、臨沂煤田等(圖1)。

1.1 魯西南煤類分布

魯西南地區(qū)中低變質(zhì)以及中高變質(zhì)煤層都有分布，主要為氣煤、氣肥煤、肥煤，其次為無煙煤和天然焦[1]，兗州煤田最低，藤縣煤田次之，巨野煤田最高，即圍繞東北部隆起向西、向南，煤變質(zhì)逐漸增高，靠近斷裂處變質(zhì)程度最高，不同變質(zhì)程度煤區(qū)域內(nèi)分布規(guī)律明顯。

圖1 魯西南煤田、煤類分布圖Figure 1 Southwestern Shandong coalfield, coal rank distribution

1.2 魯西南地區(qū)煤變質(zhì)序次與變質(zhì)規(guī)律

圖1所示是研究區(qū)現(xiàn)煤變質(zhì)程度分布，煤變質(zhì)程度是用鏡質(zhì)組油浸反射率(Ro)作為變質(zhì)指標(biāo)測定的，某一時(shí)刻煤變質(zhì)程度應(yīng)是其以前所經(jīng)歷各時(shí)期熱變質(zhì)效應(yīng)的積累，是地質(zhì)歷史縱向演變過程在此靜態(tài)時(shí)間點(diǎn)的反映，而非動態(tài)的變化過程。石油地質(zhì)界用于含油氣盆地地?zé)崾费芯糠治龅腡TI法可以實(shí)現(xiàn)這一動態(tài)變化過程的恢復(fù)，其計(jì)算的時(shí)間溫度指數(shù)TTI值能夠反映變質(zhì)過程中的指數(shù)變化。此方法如用于煤變質(zhì)的測定，通過把TTI值轉(zhuǎn)換為Ro值就可以實(shí)現(xiàn)。這樣通過測定TTI值轉(zhuǎn)化而來的指示各地質(zhì)時(shí)期煤變質(zhì)程度的Ro值[2]，將煤的變質(zhì)演化賦予隨時(shí)間變化的動態(tài)屬性，更好的探尋煤與構(gòu)造期、與古地理相互作用與影響。

表1是姚多喜將魯西南地區(qū)TTI值換算為Ro值的山西組3號煤熱演化歷程表。由表中可以看出，現(xiàn)今的研究區(qū)山西組3號煤變質(zhì)從兗州—滕北—滕南—濟(jì)寧唐口—濟(jì)寧許廠—巨野逐步遞增。三疊紀(jì)末期，各煤田Ro值處于0.527%～0.55%區(qū)間，煤變質(zhì)程度基本接近，為長焰煤階段，說明此時(shí)的變質(zhì)發(fā)生在板塊碰撞及其引起的板內(nèi)變形以前的穩(wěn)定期。差異化主要集中于三疊紀(jì)末期以后，即三疊紀(jì)末期到侏羅紀(jì)末期、侏羅紀(jì)末到古新世末、古新世末至現(xiàn)代三個(gè)階段，由表中可見，三疊紀(jì)末至侏羅紀(jì)末巨野煤田煤變質(zhì)程度最高，說明擠壓斷裂作用引起的構(gòu)造巖漿作用在巨野煤田最先發(fā)生；侏羅紀(jì)末到古新世末，滕南、濟(jì)寧變質(zhì)最大，巨野次之，滕北、兗州變質(zhì)最低，說明此時(shí)的拉伸作用引起的斷裂巖漿作用主要集中于研究區(qū)南部；古新世末至現(xiàn)代為研究區(qū)全面沉陷期，巨野煤田離轉(zhuǎn)化成的拉伸斷裂最近，受華北東部克拉通破壞及下地殼拆沉影響，地幔巖漿上涌，華北東部并研究區(qū)大幅度沉陷，煤變質(zhì)增加值明顯，這是華北東部克拉通破壞引起的研究區(qū)熱流值增加所致，是地?zé)嶙饔玫慕Y(jié)果。

因此，從三疊紀(jì)末到現(xiàn)代，從兗州-滕北-滕南-濟(jì)寧-巨野煤田煤變質(zhì)呈現(xiàn)逐步增加的規(guī)律性變化，即環(huán)繞兗州的西、南方向，研究區(qū)煤變質(zhì)在逐漸升高，在聊蘭斷裂帶附近達(dá)到最高。

2 魯西南地區(qū)基底構(gòu)造、板內(nèi)變形與煤變質(zhì)

魯西南在石炭-二疊紀(jì)煤系形成后，共經(jīng)歷了三個(gè)構(gòu)造發(fā)展階段，即石炭-二疊紀(jì)成煤后至三疊紀(jì)末期的穩(wěn)定期、三疊紀(jì)末期至侏羅紀(jì)末期擠壓隆起期、侏羅紀(jì)末期開始直至現(xiàn)在的伸展構(gòu)造期。侏羅紀(jì)末期開始的伸展斷裂期包括侏羅紀(jì)末期到古新世末的伸展斷裂期和古新世末至現(xiàn)代全面沉陷時(shí)期。期間經(jīng)歷了擠壓到伸展的構(gòu)造轉(zhuǎn)化，即晚侏羅世末到早白堊世，隨著西太平洋被動大陸邊緣轉(zhuǎn)化為活動大陸邊緣，原有擠壓斷裂轉(zhuǎn)化為拉伸斷裂，從此區(qū)域內(nèi)以拉伸斷裂及其巖漿噴發(fā)為主。三個(gè)階段分別對應(yīng)不同的古構(gòu)造和古地理環(huán)境，與華北煤變質(zhì)階段相對應(yīng)，即穩(wěn)定期的深成變質(zhì)、斷裂發(fā)生期的區(qū)域巖漿熱變質(zhì)和全面沉陷期熱流值增加導(dǎo)致的熱變質(zhì)，這三階段對煤變質(zhì)的影響在表1的山西組3號煤熱演化歷程表中都有所反映。

表1 魯西南地區(qū)山西組3號煤熱演化歷程表

上述成煤后構(gòu)造演化的階段性對煤變質(zhì)的影響解決的是煤在時(shí)間維度的變化，而區(qū)域內(nèi)煤變質(zhì)的橫向分布差異及規(guī)律則是成煤前基底構(gòu)造的再活動來控制，因?yàn)槊簩幼鳛樯w層的一部份是依托基底而存在，基底的堅(jiān)硬軟弱、高低起伏以及舊有斷裂對后期的成煤古地理以及構(gòu)造演變過程中的斷裂構(gòu)造的發(fā)展都具有直接的控制性影響。因此，基底構(gòu)造對賦煤構(gòu)造格局及煤變質(zhì)分布規(guī)律具有控制性作用。煤的變質(zhì)是在基底構(gòu)造控制下經(jīng)受不同構(gòu)造階段應(yīng)力作用而成。

2.1 魯西南地區(qū)基底構(gòu)造

2.1.1 魯西南地區(qū)古陸核組成及特征

研究區(qū)東、西邊界分別被郯廬斷裂帶與聊蘭斷裂帶所圍限，這兩條斷裂帶屬華北次一級磁異常分區(qū)——濟(jì)寧古陸核區(qū)域的邊界斷裂，是華北地臺古中元古代斷裂，屬結(jié)晶基底斷裂，是地臺內(nèi)部薄弱地帶遇應(yīng)力作用的結(jié)果，古陸核垂向生長的特性形成了其固有的穩(wěn)定性。圖2為白瑾等在華北磁性界面等深圖劃分出的濟(jì)寧古陸核深層磁性界面等深線圖[3]，不同形態(tài)等深線分別代表不同的地形與地形走向，圖中可見，濟(jì)寧古陸核成穹窿狀分布，中心圈閉線代表的穹窿最高處是從濟(jì)寧西南部一直延伸到濟(jì)南南部，且方向有分散狀，表示古陸核在晚太古代拼接時(shí)的復(fù)雜性，古陸核碰撞時(shí)的旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的韌性剪切帶圍繞古陸核呈弧形分布，碰撞、剪切的結(jié)果形成邊緣走向的不同，東部、西部邊緣走向?yàn)楸睎|向，北部、南部邊緣走向?yàn)楸蔽飨蚧蚪鼥|西向。

圖2 魯西磁性界面等深度圖和濟(jì)寧古陸核分布圖Figure 2 Western Shandong magnetic interface isobath and Jining paleo-continental nuclear distribution

2.1.2 魯西南地區(qū)古中元古代的破裂與煤變質(zhì)格局

古元古代引張應(yīng)力作用下的拉伸破裂是華北區(qū)新太古代晚期第一次克拉通化之后的韌性破裂，此破裂為多處且不連續(xù)的發(fā)生，中元古代的破裂是克拉通固結(jié)之后的破裂，為線性斷裂，線性斷裂的發(fā)生形成區(qū)域內(nèi)塊斷分割的構(gòu)造格局。

魯西南含煤區(qū)地處濟(jì)寧古陸核西南部，西部、南部邊界的聊-蘭斷裂、豐沛斷裂為古斷裂，北部、東部的驛山斷裂、汶泗斷裂應(yīng)是構(gòu)造運(yùn)動過程中起調(diào)節(jié)作用的轉(zhuǎn)換斷裂，但其整體格局仍受古陸核控制，研究區(qū)“棋盤”狀復(fù)式塹壘構(gòu)造受這些斷裂所圍限。區(qū)域內(nèi)自北而南的東西向的汶泗、鄆城、鳧山及韓臺斷層, 自西而東聊城、田橋、巨野、嘉祥、孫氏店、濟(jì)寧、嶧山等斷層也應(yīng)具有與邊界斷裂同樣的成生性，均為次一級古斷裂或軟弱破裂帶的復(fù)活，斷塊間地塹與地壘是擠壓或拉伸應(yīng)力作用時(shí)起伏調(diào)整的結(jié)果，由此形成了魯西南部、北部“兩塹一壘”的地塹和“三壘兩塹”的中間及兩邊為地壘、間夾地塹的構(gòu)造(圖3)。位于南、北兩側(cè)的EW向地塹含煤建造保存較好,如汶上-寧陽、滕縣、魚臺等煤田，位于中部的地壘含煤建造保存不完整,只是在與SN向地塹疊加地段如濟(jì)寧凹陷、巨野凹陷保存較好,形成濟(jì)寧、巨野煤田;在與SN向地壘疊加地帶如菏澤隆起、兗州凸起含煤建造大部分遭剝蝕,僅在背斜翼部、向斜軸部有保存,如位于兗州凸起的兗州煤田。

圖3 魯西南塹壘控煤構(gòu)造示意圖Figure 3 A schematic diagram of graben-horst coal control structures in southwestern Shandong

2.2 魯西南顯生宙構(gòu)造演變與煤變質(zhì)

2.2.1 晚古生代成煤與晚三疊世前的深成變質(zhì)

早古生代的寒武紀(jì)及早、中奧陶世，魯西南地區(qū)隨華北板塊同步緩慢沉降并接受以濱淺海相碳酸鹽巖為主的沉積，晚奧陶世泥盆紀(jì)到中石炭世抬升，中石炭世開始受古亞洲板塊與華北板塊的碰撞影響，華北板塊北部隆升，華北板塊從北到南翹翹板式不斷推進(jìn)，華北區(qū)大面積海陸交互相煤系形成，但基底的隆起與坳陷處仍在影響著煤層的均勻沉積，隆起區(qū)沒有煤層沉積，坳陷區(qū)則因水深過度而煤層難以形成，由此形成了研究區(qū)成煤古地理的差異和厚度不同的魯西南煤系地層的沉積。煤系形成后，印支運(yùn)動發(fā)生前，研究區(qū)沉積持續(xù)，煤的深成變質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2.2 中新生代擠壓、拉伸應(yīng)力的轉(zhuǎn)化與煤的熱變質(zhì)

晚三疊世末期，隨著揚(yáng)子板塊向北俯沖-碰撞以及西太平洋板塊被動邊緣的持續(xù)推進(jìn)，華北大面積隆起，擠壓推覆構(gòu)造此起彼伏，原有基底斷裂復(fù)活，華北板塊出現(xiàn)東高西低的東西分異格局，環(huán)古陸核魯西弧形構(gòu)造系統(tǒng)發(fā)育[5]，魯西南區(qū)為南部EW向、西部NE向推覆構(gòu)造及NE向和WN向走滑調(diào)整斷裂發(fā)育，晚侏羅世-早白堊世達(dá)到隆起頂峰。隨著西太平洋板塊板緣構(gòu)造由被動轉(zhuǎn)化為活動，并且向華北板塊俯沖，原有擠壓斷裂轉(zhuǎn)換為伸展斷裂，巖漿噴發(fā)，煤系巖漿熱接觸變質(zhì)占主導(dǎo)。隨著俯沖作用的持續(xù)以及印度板塊在南部的推擠，華北東部地幔隆升，巖石圈減薄，下地殼拆沉，華北東部克拉通發(fā)生破壞，研究區(qū)古陸核西部區(qū)域地殼全面沉陷，地?zé)崽荻壬?，西部、南部區(qū)域沿邊界斷裂拉伸下陷，受巖石圈減薄及地?zé)嶂瞪叩挠绊?，邊界斷裂處煤變質(zhì)進(jìn)一步提高。

3 魯西南地區(qū)構(gòu)造演化與煤變質(zhì)規(guī)律

華北板塊在經(jīng)歷了石炭-二疊紀(jì)煤系沉積、晚三疊世末期以及早中侏羅世擠壓隆升后，晚侏羅世-早白堊世在西太平洋板塊活化俯沖后，華北東部區(qū)域即開始了拉伸斷裂、全面沉陷、地殼減薄、巖漿噴發(fā)以及地?zé)崽荻蕊@著增強(qiáng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，巖漿的噴發(fā)以及地?zé)崽荻鹊脑鰪?qiáng)使得煤變質(zhì)進(jìn)一步加深，而組成原地臺基底的古陸核和原始斷裂，在經(jīng)受擠壓和拉伸應(yīng)力作用時(shí)繼承性活動，對研究區(qū)煤變質(zhì)構(gòu)造格局具有控制意義。魯西南石炭-二疊紀(jì)煤由東北部到南部、到西部逐漸增大的變質(zhì)即是沿古陸核中心到邊部到深大斷裂帶處的由淺到深的變質(zhì)，由穩(wěn)定陸核到構(gòu)造活動帶的變質(zhì)。因?yàn)榛顒訋ё鳛樵嘏_的構(gòu)造薄弱帶，具有更強(qiáng)的活動性，是巖漿多發(fā)帶，而且在遇拉伸應(yīng)力作用時(shí)沉陷更深，是煤變質(zhì)的巖漿接觸變質(zhì)、動力變質(zhì)、深成變質(zhì)以及地?zé)嵘哂绊懙淖冑|(zhì)的集中地帶，因此，基底構(gòu)造和成煤后構(gòu)造演化構(gòu)成了魯西南煤變質(zhì)的兩個(gè)方面，但基底構(gòu)造更具有控制意義。