段宏躍， 孟 艷， 溫建亮

(1.山西煤炭地質(zhì)物探測繪研究院， 山西 晉中 030600； 2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院， 江蘇 徐州 221116)

我國煤炭資源豐富，仍是能源支柱產(chǎn)業(yè)，其中又以大同煤田為佼佼者。大同煤田是石炭—二疊紀和侏羅紀雙紀煤田，含煤巖系包括本溪組、太原組、山西組和大同組等。厘清煤田的構(gòu)造特征是煤田開發(fā)的前期必要基礎(chǔ)工作，是煤礦開采工作面布置的參照，是煤層氣資源評價與選區(qū)的基礎(chǔ)。王鐘堂[1]、李明等[2]分別以黔西煤田和黔西-滇東為例，分析了其構(gòu)造特征及演化規(guī)律，認為構(gòu)造運動控制了煤層展布特征和煤儲層物性的非均質(zhì)性。李磊等[3]以陽泉新景煤礦為例，研究其構(gòu)造特征，認為厘清構(gòu)造發(fā)育及其演化規(guī)律是煤層氣勘探開發(fā)和煤礦安全開采的基礎(chǔ)。杜丕[4]、袁遠等[5]、郭萬忠等[6]簡要分析了大同煤田的構(gòu)造特征，得出大同煤田主要受大同向斜控制，控制了含煤巖系的分布特征，進而控制了井田邊界和采區(qū)邊界，為煤礦的安全開采提供了地質(zhì)保障。前人對構(gòu)造特征和構(gòu)造演化規(guī)律方面的研究已經(jīng)形成了一套非常成熟的研究方法，且對我國華北地區(qū)及大同盆地進行了一系列基礎(chǔ)研究，得到了許多重要的研究成果[7-9]。但針對于塔山礦構(gòu)造特征的精細研究十分罕見，仍需大量的研究工作。

基于此，本次研究以大同煤田塔山礦為研究對象，以前期的構(gòu)造詳查報告和野外實地調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，以各構(gòu)造的不同延伸方向為體系劃分依據(jù)，結(jié)合華北地區(qū)不同期次構(gòu)造運動及構(gòu)造應(yīng)力場特征，劃分各體系的形成時間和形成機理。研究結(jié)果對于塔山礦煤炭資源的安全開采具有理論和實踐雙重意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

大同含煤盆地構(gòu)造位置隸屬于華北克拉通，天山—陰山緯向構(gòu)造帶南側(cè)，是一個對應(yīng)于大同新生代斷陷盆地的新華夏系臺隆，二者以口泉斷裂為界，是新華夏系的第三隆起帶[10-11]。大同煤田西鄰西石山脈，東與大同盆地接壤，南部以洪濤山為界相鄰寧武煤田。

大同煤田是一個開闊的、軸跡北東向的近“S”型向斜構(gòu)造，向北東向傾伏。南東翼傾角介于20°～60°之間，局部直立或倒轉(zhuǎn)。大同煤田主干構(gòu)造線，即山陰—懷仁—大同斷裂呈北東向延伸。大同及東部鄰區(qū)的斷裂形跡包括燕山期大同-陽高弧形構(gòu)造、燕山期末大同西弧形斷裂、喜馬拉雅期NNE向“多”字型構(gòu)造和棋盤格式構(gòu)造等四個體系。煤田內(nèi)部斷裂發(fā)育情況不同，以中-南部大型斷裂最為發(fā)育，大多呈近E-W向展布，少量NW-SE向延伸，盆地北部構(gòu)造簡單，僅間十里河斷裂一個大型構(gòu)造。塔山礦位于大同煤田中部偏東區(qū)域，北鄰馬脊梁井田和同忻礦井田；南鄰馬道頭井田；西鄰潘家窯井田和東周窯井田；東鄰大同—山陰山前斷裂帶(如圖1)。

圖1 大同煤田構(gòu)造綱要圖

2 構(gòu)造發(fā)育特征

2.1 斷裂發(fā)育特征

本次研究基于塔山礦詳查報告及野外地質(zhì)調(diào)查補充，經(jīng)統(tǒng)計本井田共發(fā)育大小斷層300余條，其中落差≥3 m的有99條；落差≥20 m的斷層18條；落差≥10 m小于20 m的斷層22條，落差≥3 m小于10 m的斷層59條。而其中尤以正斷層為主導(94條)，僅發(fā)現(xiàn)5條逆斷層。

基于斷裂的延伸方向，本次研究中將塔山礦斷裂構(gòu)造劃分為三個體系，即①北東-南西和北北東方向展布的斷裂(NE-SW和NNE)、②北西-南東方向展布的斷裂(NW-SD)、③北東東向和近東西向展布的斷裂(NEE和E-W)(圖2)。

圖2 塔山礦構(gòu)造綱要圖

①NE-SW和NNE：該體系斷裂是研究區(qū)主體斷裂之一，全區(qū)皆有發(fā)育，包括研究區(qū)北部的白F4、白F8，中部的F42、F43和F33以及南部的F1666等。②NW-SD：該體系斷裂同樣在研究區(qū)內(nèi)十分發(fā)育，包括研究區(qū)北部的中小型斷裂，研究區(qū)中-南部的大-中型斷裂(中部的F31、F44、F1390、F1394、F1541和F32等，南部的F1669、F1686和F27等)。③NEE和E-W：該體系斷裂研究區(qū)內(nèi)發(fā)育較少，主要為礦區(qū)北部邊界的F21、F21-22-41和F35等大型緯向斷裂，以及礦區(qū)內(nèi)零星分布的F1和F30等小型斷裂。

2.2 褶皺發(fā)育特征

研究區(qū)內(nèi)褶皺不甚發(fā)育，經(jīng)井田詳查、勘探及補勘等工作共發(fā)現(xiàn)了5條褶皺，分別編號S1-S5，發(fā)育于研究區(qū)的中-南部。

S1向斜：軸向約N65°E-N45°E，長約6 200 m，鉆孔控制，向南西傾伏，兩翼傾角約4°左右。

S2向斜：軸向“S”型，軸長約6 300 m，軸向SN-N46°W-N53°E，鉆孔控制，西翼陡，東翼寬緩。

S3背斜：軸向N42°E，短軸型，鉆孔控制，兩翼傾角約3°。

S4背斜：軸向N48°W，短軸型，兩翼傾角2°左右，鉆孔控制。

S5向斜：軸向N43°E，短軸型，兩翼傾角2°左右，鉆孔控制。

基于各褶皺延伸方向，將S1、S2、S3和S5劃分為和①NE-SW和NNE屬于同一構(gòu)造體系；將S4劃分為和③NEE和E-W屬于同一構(gòu)造體系。

3 構(gòu)造形成機制

前文中，筆者將研究區(qū)構(gòu)造劃分為3個體系，這表明研究區(qū)自盆地形成以來至少經(jīng)歷了明顯的3期構(gòu)造改造。前人研究成果表明自石炭-二疊紀煤層形成以來，研究區(qū)經(jīng)歷了海西—印支期、燕山早—中期、燕山晚期—喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期—現(xiàn)今4期構(gòu)造運動，形成了復雜的褶皺和斷裂等地質(zhì)構(gòu)造格局[12-13]。

3.1 海西—印支期

晚古生代后期，華北板塊向北漂移，與西伯利亞板塊在二疊紀末對接碰撞。同時或略晚，華南與華北兩板塊同樣發(fā)生碰撞，整合為統(tǒng)一的中國板塊，華北板塊南、北兩條縫合線呈近東西向展布。構(gòu)造應(yīng)力場特征呈“最大主應(yīng)力為近南北向擠壓應(yīng)力，最小主應(yīng)力為近東西向拉張應(yīng)力”。

受華北板塊的控制，大同煤田也受到近南北向擠壓的構(gòu)造應(yīng)力場，該期地質(zhì)構(gòu)造主要發(fā)育在研究區(qū)以北的燕山和陰山山脈為主，以褶皺帶形式出現(xiàn)，而大同煤田內(nèi)該期超大型構(gòu)造發(fā)育微弱，塔山礦內(nèi)部大、中型構(gòu)造有所發(fā)育(圖3)。塔山礦發(fā)育近東西向展布的大型構(gòu)造包括北部的F21-22-41正斷層、F23正斷層和F35等大型正斷層，即③NEE和E-W體系構(gòu)造。

圖3 華北板塊海西-印支期構(gòu)造應(yīng)力場(據(jù)區(qū)域地質(zhì)志及文獻[14])

3.2 燕山早-中期

早中侏羅世-晚白堊世，燕山構(gòu)造期，庫拉—太平洋板塊向北西方向擠壓，華北地塊承受高強度的北西—南東向擠壓應(yīng)力場(圖4)。該期是燕山造山帶形成階段，構(gòu)造變形強烈，大同煤田受該期構(gòu)造運動影響形成了一系列北東—北北東向的超大型斷裂和褶皺，包括涼城復背斜、左云復向斜、五臺復背斜、五寨復向斜、蘆芽山復背斜、寧武復向斜、系舟山復向斜、阜平復向斜和口泉斷裂等北東—北北東向構(gòu)造[15-16]。塔山礦內(nèi)部同樣發(fā)育了眾多大、中型構(gòu)造。塔山礦發(fā)育北東—南西向、北北東向展布的大型構(gòu)造包括東北部的白F4、白F8等一些列中、小型正斷層；東部發(fā)育F1385大型正斷層；中部F42、F43正斷層、S1背斜、S2向斜、S3背斜和S5向斜；南部的F1666正斷層和F1549逆斷層等大、中型構(gòu)造。即①NE-SW和NNE體系構(gòu)造。

圖4 華北板塊燕山早-中期構(gòu)造應(yīng)力場(據(jù)區(qū)域地質(zhì)志及文獻[14])

3.3 燕山晚期-喜馬拉雅早期

該階段華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場呈“主大主應(yīng)力為NE-SW向擠壓應(yīng)力，最小主應(yīng)力為NW-SE向拉張應(yīng)力”特征(圖5)。大同煤田受該期構(gòu)造運動影響形成了一系列北西—南動向展布的大、中型構(gòu)造。塔山礦發(fā)育西部F27、F29、F30、F31、F32、F34等大、中型正斷層，S2大型向斜、S4中型背斜；南部發(fā)育F1669、F3166、F1686等大、中型正斷層；南部發(fā)育F1382、F1392、F1394等大型正斷層。即，②NW-SD體系構(gòu)造。

圖5 華北板塊燕山晚期-喜馬拉雅早期構(gòu)造應(yīng)力場(據(jù)區(qū)域地質(zhì)志及文獻[14])

3.4 喜馬拉雅晚期-現(xiàn)代

進入新近紀，庫拉-太平洋洋脊消亡，太平洋板塊運動方向由NNW向轉(zhuǎn)為NWW向，而印度板塊于中新世與歐亞板塊碰撞并繼續(xù)向北推擠，以滑移線場形式作用于中國大陸，并造成中國大陸東部向洋蠕散，使日本海、東海、南海等邊緣海盆相繼打開，東亞大陸東側(cè)轉(zhuǎn)化為溝-弧-盆體系的西太平洋性大陸邊緣，弧后擴張中心東移[14]。新近紀中國大陸東部巖石圈地?；顒訙p弱、熱異常衰減，逐漸由拉張作用轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓體制，方向為NEE或近EW向(圖6)。華北地塊以伴隨周緣山區(qū)隆升的區(qū)域性沉積為標志的沉陷作用為主，該期構(gòu)造作用主要是基于海西—印支期、燕山期形成的構(gòu)造基本形態(tài)，進行加強和改造，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。

圖6 華北地區(qū)近代構(gòu)造應(yīng)力場(據(jù)區(qū)域地質(zhì)志及文獻[14])

4 構(gòu)造-沉積響應(yīng)特征

大同盆地基底集寧群片麻巖盆地形成后經(jīng)歷了祁縣運動、加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅期運動等多期改造，使得盆地呈現(xiàn)現(xiàn)今的沉積-構(gòu)造特征。

寒武紀-奧陶紀期間，受祁縣運動影響，盆地基底開始下沉，北部沉降幅度較緩慢，致使廣泛海水由南而北侵入，沉積了以一套海相碳酸鹽巖類為主的地層。

中奧陶世后，受加里東運動影響，整個華北克拉通發(fā)生大面積隆起，研究區(qū)也發(fā)生了整體抬升，經(jīng)受長期的風化剝蝕，造成盆地內(nèi)部上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)的沉積缺失。

至中石炭世，地殼再次緩慢下降，十里河以南地層沉降幅度較快，形成北東向聚煤拗陷，煤系本溪組、太原組和山西組相應(yīng)沉積。太原組為主要含煤地層，其次為山西組，本溪組地層中僅可見幾層不穩(wěn)定煤線。

研究區(qū)在晚二疊世初期沉積范圍就開始縮小，直至二疊世末的石千峰組含煤盆地最終封閉。盆地內(nèi)部三疊系沉積缺失，受印支運動影響，盆地整體抬升，并發(fā)生了一次較大規(guī)模的構(gòu)熱事件，巖漿侵入破壞了煤層、影響了煤質(zhì)，同時也給煤炭開采帶來了較大困難。

侏羅紀燕山運動奠定了盆地現(xiàn)今構(gòu)造格局初期，其致使全球構(gòu)造動力學機制發(fā)生了重大變化，由先期南北向擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)樘窖蟀鍓K向歐亞板塊俯沖為主的動力學機制。在盆地的中部形成軸向為北東向的寬緩褶皺，并產(chǎn)生了一系列北西方向的正斷層，逆沖推覆作用還在大同侏羅紀盆地北部產(chǎn)生了陸內(nèi)拗陷，形成了侏羅世陸內(nèi)河湖相含煤沉積建造，角度不整合于大同晚古生代含煤巖系之上。

隨著燕山運動的持續(xù)，侏羅紀含煤建造沉積仍殘留有大小不同的小型拗陷，在左云一帶形成了以礫石為主的白堊紀地層沉積。燕山晚期構(gòu)造運動及喜山運動影響使得大同一帶再次抬升，遭受風化剝蝕至今。

5 結(jié)論

1)根據(jù)研究區(qū)各構(gòu)造的延伸方向，將各斷裂和褶皺劃分為①NE-SW和NNE向、②NW-SD向和③NEE和E-W向3個構(gòu)造體系。其中研究區(qū)主要受①NE-SW和NNE向和②NW-SD體系構(gòu)造控制，研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育；③NEE和E-W向僅在研究區(qū)北部邊界較為發(fā)育。

2)大同盆地自石炭-二疊系煤層形成以來共經(jīng)歷了海西期、印之期、燕山期和喜馬拉雅期4期構(gòu)造運動，其中③NEE和E-W體系形成于海西—印之期；①NE-SW和NNE體系形成于燕山早—中期；②NW-SD體系形成于燕山晚期—喜馬拉雅早期；喜馬拉雅晚期-現(xiàn)代構(gòu)造運動加強和改造了之前的構(gòu)造。

3)大同盆地形成后，寒武系、奧陶系沉積了一套巨厚的海相碳酸鹽巖，之后經(jīng)歷了影響最大的加里東運動，使得華北地區(qū)確實泥盆系和上石炭統(tǒng)地層，之后重新地殼下降，依次沉積了本溪組、太原組、山西組和大同組等多套含煤巖系。