陳黎明

(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046011)

沁水盆地鄭莊區(qū)塊構(gòu)造特征與演化研究

陳黎明*

(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046011)

基于沁水盆地區(qū)域構(gòu)造發(fā)育特征，以鄭莊區(qū)塊為構(gòu)造演化研究對象，研究了自二疊紀(jì)煤系形成以來該區(qū)域構(gòu)造演化應(yīng)力場及變形特征，分析了研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律。研究表明：鄭莊地區(qū)主要經(jīng)歷了印支期、燕山期、喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期—現(xiàn)代4個(gè)期次的構(gòu)造應(yīng)力場演化。在構(gòu)造發(fā)育受諸多因素的控制下，研究區(qū)的構(gòu)造發(fā)育程度明顯存在不均一性，根據(jù)構(gòu)造分形研究揭示，平面上構(gòu)造分維數(shù)隨距離寺頭斷層的遠(yuǎn)近而呈現(xiàn)明顯的增減，分維值大的區(qū)域，其構(gòu)造發(fā)育程度也將增高。

沁水盆地；鄭莊；構(gòu)造應(yīng)力

1 沁水盆地區(qū)域構(gòu)造特征

沁水盆地為中朝準(zhǔn)地臺（亦稱華北地臺）山西隆起上的一個(gè)中生代以來形成的構(gòu)造型復(fù)式盆地。沁水盆地現(xiàn)今整體構(gòu)造形態(tài)為一近NE－NNE向的大型復(fù)式向斜，軸線大致位于榆社—沁縣—沁水一線，東西兩翼基本對稱，傾角4°左右，次級褶皺發(fā)育。在北部和南部斜坡仰起端，以SW向和NE向褶皺為主，局部為近EW向和弧形走向的褶皺。斷裂以NE、NNE、NEE向高角度正斷層為主，主要分布于盆地的西部、西北部以及東南緣（圖1）。

盆地的不同部位具有不同的構(gòu)造特點(diǎn)?？傮w來看，西部以中生代褶曲和新生代正斷層相疊加為特征，東北部和南部以中生代的EW向、NE向褶皺為主，盆地中部NNE-NE向褶皺發(fā)育。斷層主要發(fā)育于盆地東、西部邊緣，在盆地中部有一組近EW向正斷層，即雙頭—襄垣斷裂構(gòu)造帶。

圖1 沁水盆地南部構(gòu)造綱要圖

2 鄭莊區(qū)塊構(gòu)造變形特征

沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū)，主體部分位于山西省沁水縣境內(nèi)，以寺頭斷層為界，西側(cè)為鄭莊區(qū)塊。沁水盆地南部構(gòu)造處于沁水盆地南部晉城馬蹄形斜坡帶，東為太行山復(fù)式背斜隆起，南為中條山隆起，西為霍山凸起，北部與盆地腹部相接。

鄭莊區(qū)塊，地層寬緩，地層傾角平均只有4°左右，低緩、平行褶皺普遍發(fā)育，呈近南北和北北東向，褶皺的幅度相對較小，背斜幅度一般小于50m，延伸長度在5～10km，呈典型的長軸線性褶皺；斷層相對不發(fā)育，斷距大于20m的斷層僅在西南部分布，主要有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的斷層，呈一組北東向—東西向正斷層組成的弧形斷裂帶（表1），區(qū)內(nèi)無巖漿活動，但發(fā)育有一定數(shù)量的陷落柱。

區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形態(tài)（斷層走向與褶曲軸向）呈NNE向展布，但次一級褶曲構(gòu)造發(fā)育，方向多變，明顯表現(xiàn)了多期構(gòu)造作用的產(chǎn)物，而斷層構(gòu)造則不發(fā)育。

表1 鄭莊區(qū)塊主要斷層統(tǒng)計(jì)簡表

2.1 褶皺構(gòu)造

鄭莊區(qū)塊屬于暴露與半暴露區(qū)，巖石地面露頭良好，在廣泛收集區(qū)域資料的基礎(chǔ)上，對野外進(jìn)行了現(xiàn)場考察，對褶曲進(jìn)行了較詳細(xì)的實(shí)地調(diào)查與研究，基本控制了全區(qū)的褶曲發(fā)育跡線。

鄭莊區(qū)塊的褶曲構(gòu)造發(fā)育，至少有25個(gè)，但其發(fā)育的規(guī)律性比較明顯，背、向斜軸延伸規(guī)律性強(qiáng)，主要集中在NNE-NE，統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果表明，褶曲軸向集中在30°～74°。主要發(fā)育兩翼傾角較緩的寬緩褶曲。

2.2 斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造在研究區(qū)并不十分發(fā)育，多為正斷層，斷層的規(guī)模相對較小。野外調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)2條小型正斷層，一條位于鄭莊鎮(zhèn)西北側(cè)，發(fā)育于劉家溝組（T1l）地層中，斷層產(chǎn)狀分別為：115°∠54°，斷距為H=1.2m；另一條位于鄭莊鎮(zhèn)西石千峰組（P2sh）地層中，產(chǎn)狀為：325°∠55°，斷距為H=2m，兩條斷層均發(fā)育在石千峰組的砂泥巖互層中。

寺頭斷層是鄭莊區(qū)塊的主要斷層，也是區(qū)內(nèi)最大的斷層構(gòu)造。地表有多處出露，表現(xiàn)為正斷層，斷層斷在劉家溝組的上石盒子組、下石盒子組中,斷層帶寬約3 m，總體呈NNE向延伸,平面上呈舒緩狀，斷層產(chǎn)狀為110°∠40°。

2.3 構(gòu)造發(fā)育程度

由于構(gòu)造發(fā)育受諸多因素的控制，導(dǎo)致研究區(qū)的構(gòu)造發(fā)育程度明顯存在不均一性，對鄭莊區(qū)塊的構(gòu)造分形研究揭示，平面上構(gòu)造分維數(shù)隨距離寺頭斷層的遠(yuǎn)近而呈現(xiàn)明顯的增減，最低值出現(xiàn)在區(qū)塊的西邊界，其分維值僅為0.45，反映出該區(qū)域構(gòu)造發(fā)育較為簡單，斷裂不發(fā)育；而隨著靠近寺頭斷層，分維值則逐漸增大，最高可達(dá)1.35，說明受寺頭斷層影響，接近大斷層帶節(jié)理也越發(fā)育。最大值出現(xiàn)在寺頭斷層與后城腰斷層的相交處；局部受小斷層發(fā)育的影響，其分維值也有隨之增大趨勢，但總體上不破壞整個(gè)區(qū)塊內(nèi)部向NW方向分維值遞減的趨勢，由圖中數(shù)據(jù)結(jié)合地震解釋資料及野外實(shí)測值綜合分析比對表明，分維值的展布與實(shí)際情況非常吻合，因此，分維值大的區(qū)域，其構(gòu)造發(fā)育程度也將增高，發(fā)育可能有斷層等構(gòu)造的可能性也增大。

3 構(gòu)造應(yīng)力場演化

自石炭二疊系煤系形成以來，沁水盆地南部經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，先后經(jīng)歷了印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動，每次構(gòu)造運(yùn)動都相應(yīng)地產(chǎn)生了一系列的地質(zhì)構(gòu)造，現(xiàn)存的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、組合形式及分布規(guī)律都是各期構(gòu)造作用的疊加。與之相對應(yīng)，沁水盆地南部晉城地區(qū)（包括研究區(qū)在內(nèi)）構(gòu)造應(yīng)力場可以分為4個(gè)時(shí)期：第一期，印支期構(gòu)造應(yīng)力場；第二期，燕山期構(gòu)造應(yīng)力場；第三期，喜馬拉雅早期構(gòu)造應(yīng)力場；第四期，喜馬拉雅晚期—現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場（表2）。

表2 晉城地區(qū)中生代以來構(gòu)造應(yīng)力場演化及主應(yīng)力特征

（1）印支期構(gòu)造應(yīng)力場。印支運(yùn)動從中三疊世之后開始影響沁水盆地，并且主要活動期為晚三疊世末。沁水盆地主體遭受近南北向的擠壓應(yīng)力場，在該期主體構(gòu)造應(yīng)力場的影響下，沁水盆地南部陽城斷隆帶上形成了近東西向的褶皺?？傮w上看，印支期近南北向的水平擠壓應(yīng)力場對沁水盆地的影響并不大，沁水盆地仍保持了穩(wěn)定狀態(tài)，并未在盆地內(nèi)部形成明顯的地質(zhì)構(gòu)造，僅使盆地南部產(chǎn)生了一定程度的隆起抬升。

（2）燕山期構(gòu)造應(yīng)力場。該期構(gòu)造應(yīng)力場表現(xiàn)為NW-SE向近水平擠壓應(yīng)力場，在盆地南部晉城一帶主應(yīng)力跡線略有偏轉(zhuǎn)呈近東西向，事實(shí)上我們在研究寺頭斷層的巖石的組構(gòu)時(shí)，也明顯發(fā)現(xiàn)其存在一期近EW向的擠壓應(yīng)力場，主應(yīng)力呈15°向SEE傾向。

在該期構(gòu)造應(yīng)力場的作用下，沁水盆地的構(gòu)造活動以擠壓抬升和褶皺作用最為顯著，盆地內(nèi)部形成了軸向NE-NNE的一系列寬緩的背、向斜構(gòu)造，規(guī)模較大，一般長約10～30km，褶皺走向自北向南呈規(guī)律性變化，南部陽城以南呈北北東—北東向，在大褶皺的兩翼往往發(fā)育一系列的次級褶皺，而盆地兩緣特別是盆地東緣靠近太行山造山帶形成了北東向展布的沖斷層。同時(shí)，盆地的莫霍面上拱并有局部的巖漿侵入，形成了不均衡高地?zé)釄?，這對于煤儲層中外生裂隙以及割理的生成是十分有利的，因而形成本區(qū)所特有的煤級雖高，但割理比較發(fā)育的狀況，對于煤層氣的生成和產(chǎn)出以及勘探開發(fā)十分有利。

（3）喜馬拉雅早期構(gòu)造應(yīng)力場。該階段，華北地區(qū)北部受到NW-SE方向的拉張構(gòu)造應(yīng)力作用，在區(qū)內(nèi)形成大規(guī)模伸展構(gòu)造，即進(jìn)入全面裂陷階段，形成了貫穿山西南北的斷陷盆地，長治段及晉城段高角度正斷層發(fā)育，部分地段密集分布，同時(shí)伴生形成剪、張節(jié)理。

在研究區(qū)內(nèi)，喜馬拉雅早期最明顯的構(gòu)造是分隔鄭莊區(qū)塊與樊莊區(qū)塊的寺頭斷層，對該斷裂帶的巖組與擦痕研究表明，明顯可以區(qū)分出存在3期構(gòu)造應(yīng)力場。其3期構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力產(chǎn)狀分別為：NW向：300°∠20°；近EW向：100°∠15°；NNE向，約10°∠16°。而根據(jù)斷層延展及性質(zhì)與構(gòu)造應(yīng)力場的關(guān)系分析，特別是就斷層面的擦痕研究，斷層形成時(shí)其三軸應(yīng)力方向分別為，最大主應(yīng)力10°∠16°，最小主應(yīng)力290°∠16°，中間主應(yīng)力100°∠74°。因此，該斷層發(fā)育主要與NNE向擠壓和NWW向伸展有關(guān)，應(yīng)該是喜馬拉雅早期的產(chǎn)物。該期構(gòu)造應(yīng)力場在鄭莊區(qū)塊內(nèi)，主要表現(xiàn)為發(fā)育大量的節(jié)理構(gòu)造，但褶曲構(gòu)造并不明顯，僅有少量的正斷層形成，原先的褶皺被得到一定程度的加強(qiáng)。

（4）喜馬拉雅晚期—現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場特征。山西地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場由早期的NNE-SSW向擠壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹E-SW向擠壓應(yīng)力。研究區(qū)在該期構(gòu)造應(yīng)力場作用下，導(dǎo)致地殼進(jìn)一步被抬升，接受剝蝕，并在第四紀(jì)老黃土中發(fā)育有節(jié)理構(gòu)造。野外實(shí)測黃土節(jié)理表明現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E50°左右，而實(shí)測（測井解釋）水平最大主應(yīng)力值也呈NE向，兩者相得益彰，均揭示了該期構(gòu)造應(yīng)力場的特征。

最近的一期應(yīng)力場對樊莊區(qū)塊的構(gòu)造改造性相對大些，它進(jìn)一步加強(qiáng)了前期構(gòu)造特征，特別是中部的軸向NW的褶曲構(gòu)造。此外，研究區(qū)常存在一些褶曲軸彎曲的現(xiàn)象，也可能是本期應(yīng)力場影響的表現(xiàn)，使得原先的構(gòu)造復(fù)雜化。受該期NE-SW向的區(qū)域擠壓應(yīng)力場作用，寺頭斷層可能在該期應(yīng)力場下，兼具右行走滑作用，導(dǎo)致該斷裂在喜馬拉雅晚期—現(xiàn)代處于相對緊閉狀態(tài)而有利于煤層氣的保存。

4 結(jié)論

（1）沁水盆地現(xiàn)今整體構(gòu)造形態(tài)為一近NE－NNE向的大型復(fù)式向斜，東西兩翼基本對稱，在北部和南部斜坡仰起端，以SW向和NE向褶皺為主，局部為近EW向和弧形走向的褶皺。斷裂以NE、NNE、NEE向高角度正斷層為主。

（2）鄭莊區(qū)塊的褶曲構(gòu)造發(fā)育，其發(fā)育的規(guī)律性比較明顯，背、向斜軸延伸規(guī)律性強(qiáng)，主要集中在NNENE，主要發(fā)育兩翼傾角較緩的寬緩褶曲。斷裂構(gòu)造在研究區(qū)并不十分發(fā)育，多為正斷層，斷層的規(guī)模相對較小。由于構(gòu)造發(fā)育受諸多因素的控制，研究區(qū)的構(gòu)造發(fā)育程度明顯存在不均一性，鄭莊區(qū)塊的構(gòu)造分形研究揭示，而隨著靠近寺頭斷層，分維值則逐漸增大，分維值大的區(qū)域，其構(gòu)造發(fā)育程度也將增高。

（3）沁水盆地南部經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，先后經(jīng)歷了印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動，每次構(gòu)造運(yùn)動都相應(yīng)地產(chǎn)生了一系列的地質(zhì)構(gòu)造，現(xiàn)存的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、組合形式及分布規(guī)律都是各期構(gòu)造作用的疊加。

[1]曹代勇，張守仁，任德貽.構(gòu)造變形對煤化作用進(jìn)程的影響——以大別造山帶北麓地區(qū)石炭紀(jì)含煤巖系為例[J].地質(zhì)論評，2002,48(3):313-317.

[2]段利江.晉城地區(qū)鄭莊區(qū)塊煤層氣解析分餾特征研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2007.

[3]段利江，唐書恒，劉洪林，李貴中，王勃.晉城地區(qū)煤層甲烷碳同位素特征及成因探討[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007,32(11):1142-1146.

[4]馮文光.煤層氣藏工程[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[5]傅雪海，秦勇.現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場中煤儲層孔隙應(yīng)力分析與滲透率研究[J].地球?qū)W報(bào)，1999,20(增刊):623-627.

[6]方愛民，侯泉林，琚宜文，卜英英，盧繼霞.不同層次構(gòu)造活動對煤層氣成藏的控制作用[J].中國煤田地質(zhì)，2005,17(4): 15-20.

[7]樊生利.沁水盆地南部煤層氣勘探成果與地質(zhì)分析[J].天然氣工業(yè)，2001,21(4):35-38.

[8]馮虎，劉剛芝，黃雷，Michael J.Economides.水力壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用[J].油氣井測試,2008.

[9]馮培文.潞安礦區(qū)煤層氣生產(chǎn)井井網(wǎng)布置方法的探討[J].中國煤炭地質(zhì),2008,20(11)21-23.

[10]康永尚，鄧澤，劉洪林.我國煤層氣井排采工作制度探討[J].天然氣地球科學(xué)，2008,19(3):423-427.

Study on the Structure Features and Evolution of Zhengzhuang Block in Qinshui Basin

CHEN Li-ming
(Shanxi Province Coal Geology 114 Prospecting Institute,Changzhi Shanxi 046011,China)

Based on the characteristics of Qinshui Basin regional tectonic development,the paper take Zhengzhuang block as a research object of structural evolution,studied its tectonic evolution and stress field features since the formation of the Permian coal measure strata,analyzed the research area structural development pattern.The research shows that Zhengzhuang block has experienced the tectonic stress filed evolution history of Indosinian period,Yanshanian period,early Himalayan movement period,later to modern Himalayan movement period.The tectonic development degree of the studying area is heterogeneous apparently under the control of several factors.Study on the structural fractal shows that structural fractal dimension of the plane present obvious presents obvious with different distances from the Sitou fault.The bigger of the fractal dimension,the higher of the tectonic development degree.

Qinshui basin；Zhengzhuang；tectonic stresses；tectonic period

P618

A

1004-5716(2015)12-0098-04

2014-12-19

2014-12-19

陳黎明（1982-），男（漢族），湖南祁陽人，工程師，現(xiàn)從事煤田地質(zhì)相關(guān)工作。