永隴礦區(qū)東部邊緣煤層底板高差緣由探究

李 浩

(1.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司 國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

永隴礦區(qū)屬隴東黃土高原南緣梁塬、溝壑區(qū)，總體地勢(shì)西北高、東南低。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為侏羅系延安組，其賦煤區(qū)受構(gòu)造演化影響較大。在煤田地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、沉積學(xué)理論，從構(gòu)造演化、構(gòu)造形變及構(gòu)造控煤作用等角度，分析總結(jié)永隴礦區(qū)東部構(gòu)造演化過(guò)程，以期明確構(gòu)造演化對(duì)礦區(qū)東部邊緣賦煤區(qū)煤層底板高差的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造

永隴礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓折帶北緣。鄂爾多斯盆地在晚三疊世從華北地臺(tái)分離出來(lái)，形成一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)造單元。渭北撓褶帶屬盆地Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元，以蒿店—御駕宮大斷裂為界，以南稱(chēng)銅川凸起，以北稱(chēng)廟彬凹陷，屬盆地Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。廟彬凹陷又以構(gòu)造特征及煤層發(fā)育程度的差別，進(jìn)一步分為彬長(zhǎng)坳陷與麟游折帶，屬盆地Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，其界線東以太峪背斜為界，向西至閣頭寺、兩亭背斜一線。

圖1 永隴礦區(qū)構(gòu)造位置簡(jiǎn)圖

1.2 地層

永隴礦區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，依據(jù)地質(zhì)填圖、鉆孔揭露并參考以往資料，礦區(qū)地層由老至新有：三疊系中統(tǒng)銅川組(T2t)、三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、環(huán)河組(K1h)、羅漢洞組(K1lh)，新近系(N)及第四系(Q)。侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)為含煤地層，礦區(qū)自下而上發(fā)育三段，即延安組第一段、第二段和第三段。延安組第一段和第二段為其主要含煤地層，延安組第三段受到后期的沖刷剝蝕作用，殘留地層已無(wú)可采煤層存留，自下而上依次為3#煤～1#煤。

2 主要構(gòu)造形跡

永隴礦區(qū)東部主要的斷裂和褶皺形成于印支—燕山期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受力方向以南北向?yàn)橹?，形成一系列的褶皺、斷裂?gòu)造形態(tài)，主要呈北東向或近東西向展布。永隴礦區(qū)東部發(fā)育的斷裂主要是丈八—元朝斷裂，對(duì)區(qū)內(nèi)影響較大的斷裂主要有草碧—圣人橋斷裂、彬縣—宮莊斷裂。研究區(qū)內(nèi)褶曲較為發(fā)育，中部由南至北主要有：閣頭寺背斜、兩亭背斜、太賢—丈八溝向斜、左家溝—桑坪背斜、天堂—石家莊向斜、陽(yáng)坡—春臺(tái)塬背斜；東部由南至北有：瑤遠(yuǎn)背斜、太裕背斜、邵寨背斜等，如圖2所示。

2.1 斷裂構(gòu)造

草碧—圣人橋斷裂：該斷裂為逆沖推覆構(gòu)造[1]，主要分布于千陽(yáng)縣草碧鎮(zhèn)—麟游縣兩亭—淳化縣圣人橋一線。該斷裂涉及加里東構(gòu)造層和燕山層，是劃分渭北西部和北部鄂爾多斯地塊的邊界斷裂[2]，是華北地塊南緣燕山期構(gòu)造活動(dòng)帶與穩(wěn)定地塊的分界線[3]，斷裂以南的華北板塊南緣卷入秦嶺燕山期陸內(nèi)造山過(guò)程，斷裂以北活動(dòng)相對(duì)較弱，主要表現(xiàn)為北東向沖斷和褶皺系統(tǒng)。

彬縣—宮莊斷裂：該斷裂為逆沖推覆構(gòu)造，燕山期來(lái)自古太平洋動(dòng)力系統(tǒng)的北西—南東向應(yīng)力的作用[4]，造成了該斷裂的形成。

圖2 研究區(qū)及周邊構(gòu)造綱要圖

丈八—元朝斷裂：根據(jù)丈八井田勘探報(bào)告，該斷層傾向北北東，正斷層，傾角50°，落差100～200 m[5]。

據(jù)韓家井田元朝村附近的鉆孔KT5314揭露情況：①巖層、煤層的破碎(圖3)；②地層有重復(fù)跡象(圖4)，推測(cè)該斷層應(yīng)該延伸至韓家井田元朝村附近。

圖3 韓家井田煤層、巖層的破碎

圖4 韓家井田延安組三段地層的重復(fù)出現(xiàn)

2.2 褶曲

閣頭寺背斜：位于郭家河煤礦南部，為閣頭寺—硯汪臺(tái)北斜西段。軸部出露中侏羅統(tǒng)安定組，白堊統(tǒng)宜君組平行不整合于其上，向西傾伏。軸向呈北東東—近東西向延伸至礦區(qū)以外，北翼傾角變化大，東部3°～4°，中部10°；南翼傾角5°～16°。

兩亭背斜：位于研究區(qū)南緣，為一寬緩箱狀背斜。地表見(jiàn)于西川溝、折靈溝，向西延伸至兩亭，為大灣嶺—兩亭北斜向東延伸部分，軸向北東。軸部出露下白堊統(tǒng)宜君組(西川溝)及洛河組(南莊)，向西傾伏，北翼傾向330°～350°，傾角10°～15°，最大可達(dá)25°；南翼傾向150°～170°，傾角5°～8°，呈兩翼不對(duì)稱(chēng)的較寬緩背斜，其南翼寬緩而北翼較陡。

太賢—丈八溝向斜：位于郭家河煤礦中部，南翼地層的傾角為4°～10°，北翼地層傾角為3°～5°，兩翼呈不對(duì)稱(chēng)，較為寬緩。軸向近東西，軸部較為平緩，在太賢以西地區(qū)，軸部收縮并呈北東向，在太賢以東地區(qū)，軸向轉(zhuǎn)為東西向，最終向東部古河道尖滅。

左家溝—桑坪背斜：位于郭家河煤礦北部，據(jù)鉆孔揭露情況來(lái)看，西部中侏羅統(tǒng)直羅組超覆在三疊系之上，東部中侏羅統(tǒng)安定組超覆于三疊系之上。北翼傾角4°～5°，南翼傾角3°～5°軸部起伏，呈短軸背斜。

太裕背斜：東起彬縣太裕鎮(zhèn)，軸部為三疊系，為一寬緩箱狀背斜，軸向北東東，經(jīng)底店、太陽(yáng)寺區(qū)至大灣傾沒(méi)，進(jìn)而向西延伸可與陽(yáng)坡—春臺(tái)塬背斜相接，研究區(qū)內(nèi)軸長(zhǎng)約13 km。地表出露于太峪與拜家河之間，出露地層為下白堊統(tǒng)洛河組、侏羅系中統(tǒng)安定組及三疊系銅川組，向西傾伏。北翼傾向330°～350°，傾角8°～12°；南翼傾向60°～80°，傾角5°～8°。呈兩翼不對(duì)稱(chēng)的較寬緩背斜，其北翼較陡而南翼寬緩。

邵寨背斜：位于研究區(qū)北部外圍，為隱伏構(gòu)造，近北東走向，兩翼傾角小，僅4°～10°，屬成煤后期構(gòu)造。軸部走向在西南的甘肅邵寨存在起伏抬高，至東北部大佛寺一帶軸部?jī)A伏。

遙遠(yuǎn)背斜：區(qū)域內(nèi)遙遠(yuǎn)背斜，東起永壽縣底角溝、平遙煤礦北。軸部為三疊系，向西延伸與閣頭寺背斜相接，軸部為延安組。研究區(qū)內(nèi)為其北翼，最大傾角10°。

3 構(gòu)造演化特征

3.1 印支期

華北地臺(tái)印支期地應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向?yàn)榻颇媳弊呦?，磁北方向較東偏30°左右，據(jù)此恢復(fù)當(dāng)時(shí)的主應(yīng)力方向較東偏30°左右。受這一應(yīng)力作用的影響，晚三疊世末印支構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期鄂爾多斯西緣發(fā)生弱褶皺，斷裂作用并不明顯[6]。弱褶皺作用使得永隴礦區(qū)西部上三疊統(tǒng)與上覆侏羅系之間形成微角度不整合接觸關(guān)系，造成了區(qū)內(nèi)前侏羅系坳隆不平的古地貌特征。受近似南北應(yīng)力方向的作用，研究區(qū)內(nèi)此時(shí)形成的小褶皺大多近似東西走向。

3.2 燕山期

燕山期，受太平洋板塊向亞洲大陸俯沖的影響，伸展—擠壓作用交替演化[7]。早侏羅世至中侏羅世早期(燕山第一亞構(gòu)造層，表1)研究區(qū)處于弱引張應(yīng)力環(huán)境[8]，以伸展坳陷作用為主，區(qū)內(nèi)地層整體發(fā)生沉降，形成了聚煤的坳陷地貌，促進(jìn)了富縣組及延安組的沉積。至中侏羅世延安組末期，來(lái)自華南板塊與華北板塊中間的秦嶺造山帶的擠壓作用造成了鄂爾多斯盆地南北區(qū)域不均衡的抬升運(yùn)動(dòng)，中部及北部所受影響極小，盆地南部地殼抬升幅度和影響范圍較大，這一點(diǎn)研究區(qū)內(nèi)直羅組與延安組的不整合接觸關(guān)系及局部延安組三段頂部殘存的紫紅色泥巖可以給予證明。擠壓作用致使研究區(qū)內(nèi)的褶皺生成，后期伴有逆沖斷裂作用[9]，應(yīng)力方向?yàn)榻媳弊呦?，受該?yīng)力方向的影響，研究區(qū)內(nèi)的褶皺、斷裂大多為近似東西走向，區(qū)內(nèi)的褶皺也大多在這一時(shí)期初具規(guī)模，丈八—元朝斷裂此時(shí)為逆斷層。擠壓抬升作用及后期直羅組底部的沖刷作用致使研究區(qū)內(nèi)不但延安組四段、五段的沉積缺失，而且三段也在較大范圍內(nèi)保存不全，更有很多區(qū)域無(wú)二段、一段或富縣組沉積，直羅組直接與延安組一段、富縣組或銅川組接觸，形成了直羅組與延安組、富縣組或銅川組明顯的不整合接觸關(guān)系。擠壓抬升、沖刷剝蝕的作用，最終使得研究區(qū)內(nèi)的煤層沉積區(qū)域幾何形態(tài)初步形成。

中侏羅世—早白堊世燕山期，鄂爾多斯盆地全面進(jìn)入強(qiáng)烈的擠壓成盆環(huán)境，地殼上部受到南北向擠壓應(yīng)力作用，以褶皺和脆性斷裂釋放南北向的擠壓應(yīng)力。由于在圣人橋斷裂帶的遮擋作用下，向北的應(yīng)力沒(méi)有越過(guò)圣人橋斷裂[10]，故此這一應(yīng)力作用對(duì)研究區(qū)內(nèi)影響有限。另外，在二疊紀(jì)到侏羅紀(jì)時(shí)期，在西太平洋古陸與古亞洲大陸之間存在一個(gè)古洋盆，該古洋盆與特提斯相通，到三疊紀(jì)中晚期，由于印支運(yùn)動(dòng)的作用，使得古洋盆開(kāi)始消減，到晚侏羅世—早白堊世時(shí)期(燕山第三亞構(gòu)造層，表1)，古亞洲大陸與西太平洋古陸間接觸封閉并強(qiáng)烈碰撞[11]，應(yīng)力方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向，受此應(yīng)力的遠(yuǎn)程效應(yīng)影響，研究區(qū)內(nèi)地殼再次抬升(研究區(qū)內(nèi)沉積的安定組深紫色泥巖及洛河組的棕紅色砂巖可以較好的證明此時(shí)構(gòu)造事件的強(qiáng)烈(圖5))，地層遭受風(fēng)化剝蝕，區(qū)內(nèi)褶曲、斷裂不同程度向北東方向扭轉(zhuǎn)，走向基本定形。

圖5 侏羅系安定組深紫色泥巖和白堊系洛河組棕紅色中粒砂巖

早白堊世末至晚白堊世(燕山第四亞構(gòu)造層，表1)，屬鄂爾多斯盆地消亡并進(jìn)入后期改造時(shí)期，盆地整體抬升[12]，渭北隆起開(kāi)始發(fā)育，研究區(qū)全面隆升，不但晚白堊統(tǒng)地層沉積缺失，而且下白堊統(tǒng)地層也不同程度遭受到風(fēng)化剝蝕。

3.3 喜山期

始新世開(kāi)始，主要受印度次大陸向歐亞板塊下俯沖作用，青藏高原地塊向北東推擠，應(yīng)力作用于鄂爾多斯地塊時(shí)，由西而東發(fā)展，由于受到來(lái)自東部地塊的對(duì)抗，致使渭河盆地裂陷，應(yīng)力分解向南、向北作用。向北作用致使渭北隆起并向北西方向旋轉(zhuǎn)走滑，受此影響，黃隴侏羅紀(jì)煤田北部幾個(gè)礦區(qū)褶皺和斷裂由近東西向轉(zhuǎn)變?yōu)楸北睎|、北東向，永隴礦區(qū)東部接近渭北隆起邊緣，也不同程度受到影響，丈八—元朝斷裂最終轉(zhuǎn)變?yōu)楸北睎|向，礦區(qū)邊緣的太峪背斜走向也最終轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|東向。向南作用致使秦嶺抬升并向南東方向旋轉(zhuǎn)走滑(從寶雞到藍(lán)田的秦嶺山脈南東走向最為明顯)。于此同時(shí)的伸展、斷陷作用導(dǎo)致了渭北隆起邊部出現(xiàn)斷塊翹傾的特征[12]。受其影響，丈八—元朝斷裂由逆斷層變?yōu)檎龜鄬?礦區(qū)東南部邊緣出現(xiàn)翹傾，接受后期強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕。據(jù)研究區(qū)東南部地層出露圖(圖6)來(lái)看，礦區(qū)東部由北西向東南出露地層依次變深，最深處可見(jiàn)奧陶紀(jì)地層，這說(shuō)明了礦區(qū)東南部曾經(jīng)遭受了強(qiáng)烈的沖刷剝蝕，從而印證了礦區(qū)東南部喜山期翹傾的特征。

4 構(gòu)造演化對(duì)東部煤層底板高差影響

據(jù)煤田地質(zhì)資料顯示，永隴礦區(qū)東部邊緣存在煤層底板高差大的情況，尤其是韓家井田(圖7)，鉆孔揭露數(shù)據(jù)顯示：韓家井田西部的ZK6116號(hào)鉆孔3煤底板高程為287.87 m，而東部的ZK0908鉆孔3煤底板高程為1 064.38 m(圖8)，兩者之間相差了776.51 m。現(xiàn)依據(jù)構(gòu)造演化及井田東部賦煤特征，對(duì)這一現(xiàn)象分析如下。

表1 鄂爾多斯盆地及其周緣構(gòu)造演化及構(gòu)造層序表

圖6 研究區(qū)東南部地層出露圖

圖7 永隴礦區(qū)煤炭資源勘查程度分布圖

圖8 韓家井田東西部3煤賦煤情況示意圖

晚三疊世末，弱褶皺作用造成了區(qū)內(nèi)坳隆不平的基底，該基底控制了富縣組和延安組的沉積，通常隆起部位沉積薄或缺失，坳陷部位沉積厚。早侏羅世至中侏羅世早期，以伸展凹陷作用為主，這為井田內(nèi)延安組的沉積創(chuàng)造了條件，井田的東部與西部沉積了厚度相當(dāng)?shù)拿簩?，?jù)鉆探揭露東西部均有厚煤層沉積。至中侏羅世延安組末期，由于擠壓隆升作用，導(dǎo)致了井田內(nèi)太裕背斜的隆升，井田東部由于地處太裕背斜附近，隆升幅度較大，直接造成了井田內(nèi)東西部地形高差變大。東部地層的隆升縱向上導(dǎo)致了韓家井田東部與西部煤層底板形成較大的高差，同時(shí)也致使上部地層易遭受沖刷剝蝕而不斷變薄(韓家井田東部的鉆孔ZK0910洛河組直接覆于三疊系之上)；在橫向上則導(dǎo)致了隆起區(qū)域的抬升邊緣由于邊界的剝蝕而不斷后退。至晚白堊世，由于韓家井田東部地處黃隴侏羅紀(jì)煤田的東南部邊緣，且距離渭北隆起東南部邊緣較近，受這一時(shí)期的渭北隆起邊部抬升早、中部抬升晚特點(diǎn)的影響，遭受沖刷剝蝕的時(shí)間較長(zhǎng)，地層變薄或缺失可能性變大(韓家井田東部的鉆孔ZK0910環(huán)河組缺失)。至喜山期，由于伸展、斷陷的作用致使礦區(qū)東南部邊緣出現(xiàn)翹傾，受其影響韓家井田東部與西部底板高差再次加大，東部賦煤區(qū)再次遭受強(qiáng)烈沖刷、剝蝕，最終導(dǎo)致了現(xiàn)今東西部賦煤區(qū)底板高差的結(jié)果及東部目前獨(dú)立的兩塊賦煤區(qū)。

礦區(qū)東部邊緣的崔木煤礦及碾子溝煤礦整合區(qū)煤層底板高差大的原因和韓家井田東西部賦煤區(qū)煤層底板高差大的原因基本一致。

5 結(jié)論

(1)印支晚期的弱褶皺作用，應(yīng)力方向近似南北，造成了區(qū)內(nèi)近似東西的小褶皺形成；燕山期伸展—擠壓作用交替進(jìn)行，伸展作用促進(jìn)地層的沉降，擠壓作用造成地層隆升、褶曲及斷裂形成，受近南北走向擠壓應(yīng)力的作用，區(qū)內(nèi)褶皺大多近東西走向，斷裂多為逆斷層；喜山期的伸展、斷陷作用，促使研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造形態(tài)最終成形，東南部地層在前期抬升的基礎(chǔ)上發(fā)生翹傾。

(2)燕山期的擠壓抬升作用疊加喜山期的斷陷翹傾作用，最終導(dǎo)致了礦區(qū)東部邊緣賦煤區(qū)煤層底板高差大的結(jié)果。