基于構(gòu)造物理模擬實驗的桌子山煤田棋盤井井田奧灰邊界構(gòu)造因素分析

張國俊， 黃金榮， 魯 欣， 王占軍， 史志江

(國能蒙西煤化工股份有限公司棋盤井煤礦(東區(qū))，內(nèi)蒙古烏海 016100)

棋盤井井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)桌子山煤田東南緣，井田被區(qū)域性大斷裂—苛素烏逆斷層分隔為東西兩區(qū)(圖1)。井田東區(qū)含煤地層基底為震旦系，缺失奧陶系，而井田西區(qū)含煤地層基底為奧陶系石灰?guī)r，富水性較強，極易引發(fā)突水災(zāi)害。目前，基于地面和井下的探查結(jié)果，井田東、西區(qū)奧灰地層缺失邊界已基本確認(rèn)[1]，但目前針對奧灰缺失邊界及其成因機理的研究相對薄弱，缺乏有力證據(jù)。

砂箱物理模擬實驗一直被作為研究構(gòu)造、沉積盆地形成及其耦合關(guān)系的有效手段之一，取得了良好的效果[2-7]，但其在煤田構(gòu)造領(lǐng)域的應(yīng)用較少。本文在分析區(qū)域構(gòu)造格架和井田地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造物理模擬實驗，揭示構(gòu)造作用對井田奧灰地層缺失的影響，為礦井的綠色、安全和高效開采提供地質(zhì)保障，也為進一步認(rèn)識鄂爾多斯盆地西北緣構(gòu)造-沉積演化史提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

桌子山煤田的大地構(gòu)造位置屬華北地臺鄂爾多斯凹陷帶桌子山褶斷束中南部，區(qū)域構(gòu)造較為復(fù)雜。煤田內(nèi)主要構(gòu)造線方向為近南北向，以壓扭性構(gòu)造為主，自東向西有桌子山東麓大斷裂、桌子山背斜、崗德爾-西來峰斷裂、崗德爾背斜(圖1)。其中，桌子山東麓大斷裂為一壓扭性斷裂帶，北段稱為千里山逆斷層，南部分叉形成多條扭性斷裂(苛素烏逆斷層、棋盤井逆斷層、阿爾巴斯逆斷層等)，由北向南呈掃帚狀展開；桌子山背斜以千里山、桌子山為主體，軸向近南北并向南傾伏，軸部出露的太古宇千里山群由于后期剝蝕在北部形成溝壑縱橫的低山，而在南部則發(fā)育為陡峭的高峰，其上均覆蓋奧陶系桌子山組灰?guī)r，西翼地層出露較完全，東翼受桌子山東麓大斷裂的切割，地層缺失嚴(yán)重且傾角較大，形成了一個東陡西緩的不對稱背斜；崗德爾-西來峰大斷裂位于崗德爾山東坡，為兩條平行的壓扭性斷裂，在崗德爾山南部崗德爾大斷裂向西南拐入老石旦，西來峰逆斷層則繼續(xù)向南然后被新近紀(jì)地層所覆蓋，斷面向西傾；崗德爾背斜以崗德爾山為主體，軸部近南北向展布并向南傾伏，東西兩翼均被斷層切割致使背斜兩翼保存并不完整，東翼有部分基巖出露，西翼均被第四系覆蓋。桌子山煤田次一級構(gòu)造線則呈東西向展布，以張性構(gòu)造為主，近東西走向的右旋平移斷層和正斷層對南北向逆斷層進行切割，如位于千里山鋼廠以北的千里溝斷層，斷層呈北東向延伸，南盤為下奧陶統(tǒng)，北盤為太古元古宇千里山群。

圖1 桌子山煤田構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Zhuozishan coalfield

棋盤井井田位于桌子山背斜東翼，受大地構(gòu)造影響，井田內(nèi)發(fā)育兩組構(gòu)造，一組為近南北向的壓扭性逆斷層，一組為近東西向的張性正斷層，一般后者切割前者，前者規(guī)模大，后者規(guī)模小。

桌子山東麓大斷裂南部分支的近南北向苛素烏逆斷層、棋盤井逆斷層、阿爾巴斯逆斷層分別位于井田的西南部、中部和東部。受上述逆斷層影響，井田構(gòu)造形態(tài)基本為一不對稱背斜，即苛素烏背斜，背斜軸位于井田中部東西區(qū)邊界附近，其走向近南北，西區(qū)地層產(chǎn)狀平緩，東區(qū)相對較陡，在靠近斷層處，由于牽引作用，傾角增大，可達20°～30°。

1.2 構(gòu)造演化特征

桌子山煤田主要受控于鄂爾多斯西緣巨型陸緣逆沖推覆構(gòu)造體系。根據(jù)區(qū)域地層發(fā)育、巖石變形屬性、逆沖斷層幾何形態(tài)以及它們與伴生斷層的關(guān)系，鄂爾多斯西緣北段大型陸緣逆沖推覆構(gòu)造體系大體上可以分為不同形成階段的3個沖斷層構(gòu)造組合，包括9個次級構(gòu)造單元[8-12]。受沖斷層運動，自西向東的一致推進，整體呈現(xiàn)一個局部被近東西走向聯(lián)沖斷層切錯、向東凸出的弧形：前端為陸緣褶皺沖斷帶；中部表現(xiàn)為一系列“原地”或“異地”推覆體和沖斷席，發(fā)育低角度滑脫層和雙沖構(gòu)造；后部又被最晚期的沖斷體疊置。

侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)為逆沖推覆構(gòu)造的主要發(fā)展階段，經(jīng)歷了3期主要的沖斷層作用[13]。第一期發(fā)生在侏羅紀(jì)末，沿阿拉善-華北兩類不同性質(zhì)結(jié)晶基底之間的主滑脫面發(fā)生大規(guī)模沖斷層作用，形成桌子山-崗德爾山褶皺沖斷帶；第二期則是隨著沖斷層作用的持續(xù)位移，白堊紀(jì)晚期形成了具有上、下兩個構(gòu)造層的石嘴山-尖山大型異地推覆體，主滑脫面為石炭紀(jì)煤系，其中發(fā)育典型的雙沖構(gòu)造；新生代(距今65 Ma)以來，印度-歐亞板塊擠壓碰撞和青藏高原早期向北推擠，加劇了鄂爾多斯西緣逆沖推覆構(gòu)造的進一步發(fā)育，第三期沖斷層作用在東部陸緣褶皺沖斷帶形成了蘇亥圖反沖構(gòu)造的同時，在西部將異地推覆體下部的奧陶系再次推至地表。第一期和第二期沖斷層作用累計位移幅度可能達到60～80 km，第三期沖斷層作用的位移幅度為8 km。相鄰沖斷席之間位移矢量的差異，通過近東西走向的聯(lián)沖斷層得到了調(diào)整[8]。

2 砂箱物理模擬實驗

2.1 實驗基本原理

構(gòu)造物理模擬技術(shù)是在實驗室內(nèi)采用與自然界可以類比的材料，模擬構(gòu)造變形過程，揭示分析變形機制的一種手段?；诘刭|(zhì)構(gòu)造過程中“自相似性”和“無理有效性”以及相似條件，構(gòu)造物理模型能夠從四維時空尺度上揭示出構(gòu)造演化過程的幾何學(xué)、運動學(xué)特征[2,6,14,15]。

2.2 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

基于構(gòu)造物理模擬實驗技術(shù)的基本原理和棋盤井井田及其鄰區(qū)的基本地質(zhì)特征，研究團隊于2020年9月在陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室(西安科技大學(xué))采用煤田地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置設(shè)計并完成了模擬實驗。

前述地質(zhì)構(gòu)造特征表明，包括棋盤井井田在內(nèi)的桌子山地區(qū)主要表現(xiàn)為自西向東的逆沖推覆作用下形成的一系列走向近南北的斷褶構(gòu)造，其構(gòu)造變形時間主要為侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)時期，主體是沿不同性質(zhì)結(jié)晶基底之間的主滑脫面發(fā)生大規(guī)模沖斷層作用以及以石炭紀(jì)煤系作為主滑脫面沖斷層作用的持續(xù)位移。在區(qū)域大型逆沖推覆之前，桌子山地區(qū)構(gòu)造運動主要以水平運動為主，因此在構(gòu)造物理模擬實驗條件下將地層全部理想化，所有地層系統(tǒng)在發(fā)生逆沖推覆構(gòu)造之前平均分布。將實際地層厚度按照1∶10萬的比例縮小，根據(jù)計算，整個實驗?zāi)Ｐ椭谢缀窦s30mm，震旦系厚約4mm，寒武系厚約4mm，奧陶系厚約4mm，石炭系厚約4mm，二疊系厚約10mm，三疊系厚約20mm，侏羅系厚約3mm。由區(qū)域地質(zhì)演化可知，除基底滑脫面以外，石炭系亦是本區(qū)主要滑脫面之一。大量實驗表明，60～80目的石英砂非常接近地殼淺部沉積巖的脆性變形行為，是模擬上地殼巖石變形的理想材料，而微玻璃珠是模擬脆性滑脫層的優(yōu)質(zhì)材料，被廣泛用于模擬研究中[15]。因此，以40～80目的石英砂模擬上地殼(<15km)能干性地層，并使用染色砂設(shè)置多個標(biāo)志層，以60目的染色玻璃微珠模擬滑脫層。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造分析可知，研究區(qū)基底存在一個古老的隆起，且該隆起在早古生代控制了奧陶系灰?guī)r的沉積分布與沉積邊界，因此模型按照比例在自東向西40cm處設(shè)置基底隆起區(qū)，以模擬奧陶系灰?guī)r原始沉積邊界。模擬實驗以0.004mm/s作為推進速度，根據(jù)實際情況設(shè)置模型自西向東推進距離為260mm，進行模擬(圖2)。

圖2 實驗?zāi)Ｐ统跏紶顟B(tài)Figure 2 Initial state of experiment model

3 實驗結(jié)果分析

本次實驗設(shè)置為未有初始地形起伏形態(tài)，也就是以水平未變形的砂體作為開端，接受來自右側(cè)的勻速擠壓(圖3)。在實驗中，觀察到了典型的庫倫逆沖模的演化過程，符合相關(guān)的相似性原理，表明結(jié)果在一定程度上具有一定的可靠性。實驗過程整體表現(xiàn)出逆沖楔形體以前展式斷片增生疊置為特征，可劃分為三大階段：

1)初始平行層縮短階段。在該階段模型尚無明顯沖斷、縱向上發(fā)生縮短，垂向上增厚不明顯(圖3-a)，表明該階段主要以平行層縮短為主，巖石變形尚不明顯，主要是以水平層擠壓作用下巖石的進一步壓實。

2)小斷片快速疊置，垂向迅速增厚階段。隨著縮短量達到3.95mm時(圖3-b)，早期形成的箱型褶皺左翼形成了第一個逆沖推覆斷層F1，使得箱型褶皺成為楔形體，并在垂向上明顯增厚，而速度矢量圖顯示F1斷層下盤處的砂體尚無明顯運動軌跡，表明變形主要發(fā)生于上盤。隨著縮短量進一步增大，F(xiàn)1下盤形成一個新的F2逆斷層(圖3-c)，速度矢量圖顯示此時速度主要集中于F1、F2逆斷層處以及地面附近，斷層發(fā)育處不僅有向右的速度分量還有向上的速度分量，進一步反映出主要應(yīng)變區(qū)域已經(jīng)從F1、F2逆斷層以及楔形體處向砂體前緣轉(zhuǎn)移，且砂體前緣擁有一個沿擠壓方向和一個垂直于擠壓方向向上的速度、位移、應(yīng)變趨勢。當(dāng)縮短率達到18%時(圖3-d)，新發(fā)育斷層F3及其次級斷層F4，且砂體前緣F3斷層上盤形成一個平頂大致對稱寬緩的背斜褶皺，此時速度矢量圖也顯示背斜褶皺轉(zhuǎn)折端至F2斷層處為應(yīng)力應(yīng)變相對較大，背斜褶皺仍然有沿主應(yīng)力方向和垂直于主應(yīng)力方向向上的速度、位移、應(yīng)變并且該背斜褶皺左翼處有明顯的沖斷趨勢，F(xiàn)1斷層上盤的楔形體規(guī)模逐漸變小，箱狀褶皺的形態(tài)逐漸被破壞減弱?？s短量達到18.5mm時(圖3-e)，斷層褶皺形態(tài)基本與縮短18%時無明顯變化，僅在斷層位移量及楔形體的高度逐漸增加，速度矢量圖和幾何演化圖顯示從此時開始到縮短距離達到18.5mm這一段擠壓過程中，主要的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域在F3斷層的上盤至楔形體之間，F(xiàn)1、F2、F3逆斷層沿主應(yīng)力方向不斷向前向上位移，F(xiàn)1、F3斷層上盤的楔形體平頂不斷變窄。這一階段性的構(gòu)造變形主要表現(xiàn)為小斷片快速疊置階段，垂向厚度明顯增厚。

3)長斷片周期性生長階段。在該階段尤其是縮短量達到25mm，縮短率為31%時(圖3-f)，形成了F5主干斷層及其次級斷層F6,并且無論是從幾何演化圖還是速度矢量圖都可以看到一個平頂，大致對稱的背斜褶皺已經(jīng)發(fā)育，且左翼明顯被F5切割，并且主要的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域也同樣集中于此處。但與之前不同的是F5和F3之間的寬度明顯大于F1、F2、F3，表明砂體進入了長斷片周期性生長階段，楔形體垂向上的増厚和縱向上的擴展交替占主導(dǎo)。經(jīng)過對圖3-f的仔細觀察和分析發(fā)現(xiàn)F5發(fā)育的地方恰好為下部基底砂體突變的地方，預(yù)示著基底與F5之間可能存在著相關(guān)性，可能受控于基底與上覆蓋層的巖石能干性等基本性質(zhì)。

因為桌子山地區(qū)的構(gòu)造形態(tài)和模擬結(jié)果高度相似，物理模擬達到了預(yù)期的效果，物理模擬再現(xiàn)了桌子山地區(qū)的構(gòu)造演化過程。桌子山斷褶帶的大地構(gòu)造位置和作用類似于F5及其上盤的背斜，而崗德爾山褶沖帶更像F3，F(xiàn)1之間的位置；F5上盤褶皺則可認(rèn)為是桌子山背斜。細化到棋盤井井田，F(xiàn)5可視為苛素烏斷層，構(gòu)造物理模擬實驗表明，該斷裂是順基底滑脫作用造成的結(jié)果，且該斷裂向東的逆沖作用破壞和改造了早古生代古隆起所控制的奧陶系灰?guī)r沉積分布和原始沉積邊界，致使沉積邊界向東遷移，造就了現(xiàn)今斷層上盤(即棋盤井西區(qū))含有奧陶灰?guī)r，而下盤及以東地區(qū)(即棋盤井東區(qū))未含奧陶系灰?guī)r的地質(zhì)特征。

圖3 砂箱構(gòu)造物理模擬實驗結(jié)果Figure 3 Sandbox structure physical simulation experiment result

4 結(jié)論

1)基于桌子山地區(qū)地質(zhì)特征設(shè)計的砂箱物理實驗?zāi)Ｐ涂傮w經(jīng)歷了初始平行層縮短、小斷片快速疊置和長斷片周期性生長三個變形階段，在一定程度上再現(xiàn)了該地區(qū)的構(gòu)造變形過程。

2)桌子山地區(qū)構(gòu)造幾何形態(tài)和構(gòu)造物理模擬結(jié)果高度相似，反映出棋盤井井田苛素烏邊界斷裂是順基底的滑脫作用造成的，且改變了奧陶灰?guī)r沉積的原始邊界，并使得沉積邊界向東遷移。