开滦矿区唐山矿构造特征及成因演化_唐鑫.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-09-25 作者简介 唐鑫（1990），男，四川南充人，硕士研究生，从事矿井地质构造研究. E-mailziyuantangxin 引用格式 唐鑫，朱炎铭，赵少磊，等. 开滦矿区唐山矿构造特征及成因演化［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（1）1-6. 文章编号 1001-1986（2015）01-0001-06 开滦矿区唐山矿构造特征及成因演化 唐 鑫 1，朱炎铭1，2，赵少磊1，史 乾3 （1. 中国矿业大学资源学院，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部 重点实验室，江苏 徐州 221008；3. 陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安 710065） 摘要 开滦矿区唐山矿位于开平向斜北西翼，隶属燕山南麓赋煤构造带，由北向南依次发育 FI、 FII、FIII、FIV、FV主断层，地质构造复杂，控制了井田构造格局。基于钻孔和矿井地质资料，以构 造规律解析为基础，结合平衡剖面技术，探讨了唐山矿现今构造特征及构造演化期次。研究结果 显示唐山矿主体构造形成于燕山期 NW-SE 向的挤压应力作用，动力来源为库拉-太平洋板块与 欧亚大陆的相互挤压作用；喜马拉雅期，由于库拉-太平洋板块淹没于欧亚大陆之下，唐山矿受到 NW-SE 向的拉张应力作用，形成了一系列小型正断层，并导致 FI逆断层发生构造反转而变为正 断层；利用平衡剖面技术恢复了唐山矿构造演化过程，得到唐山矿地层缩短率为 27.3％。 关 键 词唐山矿；构造特征；平衡剖面；成因演化 中图分类号P618.11 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.001 Tectonic characteristics and genetic evolution of Tangshan mine in Kailuan mining area TANG Xin1， ZHU Yanming1，2， ZHAO Shaolei1， SHI Qian3 （1. School of Resources and Earth Science， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008， China； 2. Coalbed Methane Resources and Reservoir ation Process， Key Laboratory of Ministry of Education， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008， China； 3. Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.， Ltd.， Xi′an 710065， China） Abstract Located in the northern west wing of Kaiping syncline， Tangshan mine belongs to the south coal struc- tural belt of Yanshan. In Tangshan mine field the main faults FI，FII，FIII，FIV and FV were developed from north to south， and the geological structure is complex. It also controls the mine tectonic framework. Based on the structure rule， combined with balanced section technique，the paper mainly discusses the current tectonic characteristics and tectonic evolution stage of Tangshan mine on the basis of the drilling and mine geological data. The research find- ings show （1） The main structure of Tangshan mine has been affected by the NW-SE extrusion stress of Yansha- nian， and the power source has been the compression of Kula Pacific plate and Eurasia. During Kula Himalayan period， because of the Pacific plate submerged beneath the Eurasia， in Tangshan mine effected by the NW-SE ten- sile stress， a series of small faults were ed and led to FI thrust tectonic inversion phenomenon turned into a normal fault. （2） This paper restores the tectonic evolution process of Tangshan mine by balanced section technique and acquires 27.3％ shortening rate of Tangshan mine strata Key words Tangshan mine； tectonic characteristics； balanced cross section； genetic evolution 唐山矿作为开滦集团的主力开采井田之一，受 静态特征和现今构造面貌影响，导致其地质构造变 形复杂，井田断层多。通过对唐山矿断裂构造带结 构和构造的精细解析，发现唐山矿构造期次划分和 构造演化研究尚显不足。本文在丰富的矿井地质资 、料基础上，通过研究分析唐山矿主体构造特征构 造活动期次及成因演化过程，以期对本区构造的深 入研究和煤矿安全生产有所帮助。 1 地质概况 唐山矿位于河北省唐山市西南部，地处开平向 斜北西翼，属于燕山南麓赋煤构造带，蓟玉开平赋 煤构造亚带。在构造单元划分上，燕山南麓赋煤构 造带属于中朝准地台（I 级构造单元），燕山台褶带（II 级构造单元），马兰峪复式背斜（III 级构造单元），开 滦台凹（IV 级构造单元）。 ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 43 卷 井田地层从老到新发育有寒武系、奥陶系、石 炭系、二叠系及第四系冲积层，主采煤层为 5、8、 9、11、12-1、14 号煤，发育于二叠系大苗庄组（P11）、 石炭系开平组（C21）和赵各庄组（C22），5、8、9 号煤 全区可采，其余煤层局部可采。 唐山矿井田构造以断裂为主，其次为宽缓的向 背斜。褶曲构造对煤层的赋存影响较小，仅在个别 褶曲核部有煤层变薄或变厚现象。断裂形式主要以 逆冲断层为主， FI正断层和FV逆断层控制井田边界， FIII逆断层位于井田中部， 将煤层自然分割为上盘下 盘两部与分。唐山矿全区被第四系冲积层覆盖，地 表不可见煤层露头。 2 唐山矿构造特征 唐山矿地层沿 NE-SW 向展布，井田内主要断 裂构造以平行地层走向为主，构造复杂。通过对唐 山矿进行精细构造解析，由北向南依次排列着 FⅠ、 FⅡ、FⅢ、FⅣ、FⅤ等主要大型断层；宽缓褶皱构造 发育，主要形成 4 条规模比较大的褶曲构造带，即 胥各庄向斜带、岭子倾伏背斜带、岳各庄波状褶曲 构造带、安机寨单斜构造带（图 1）。 2.1 断裂构造特征 唐山矿断裂构造由北向南依次发育的 FⅠFⅤ 主要断层，相互之间呈平行排列组合形式。 图 1 唐山矿构造纲要图 Fig.1 Structure outline of Tangshan mine FⅠ断层位于唐山矿西北部边界处，是一条倾向 NW的正断层，其实质是一条下盘向上仰冲的压性断 层。该断层倾角约45，局部近直立状。受其影响， 断层北侧形成倒转不对称向斜， 并发育一系列规模中 等的次级断层，其中规模最大的为FⅠ0逆断层。 FII逆断层为一走向 40～50，倾向 NW 的逆冲 断层。 FⅢ主断层是唐山矿内规模最大的逆冲推覆断 层，其延伸长，将整个井田拦腰切断，从垂向上把 唐山矿分为上、下两部分。该断层走向 NE49，倾 向 NW，倾角变化大，间于 5～85，为一落差大于 370 m、的逆断层，并呈东部浅倾角大，往西部埋 深增加、倾角变缓的特征，由逆断层逐渐演变成一 条逆掩断层。 FIII断层下盘发育了数条规模中等的伴 生断层，形成明显的帚状构造。由于强烈的推覆作 用，将井田下部奥陶系灰岩推覆于煤层之上，并且 在断层面附近煤层形成了局部倒转现象。 前人认为，唐山矿 FIV断层为一条东正西逆的 断层。 本次在分析大量钻孔以及地质剖面的基础上， 笔者研究认为，由于 FⅣ断层东侧与西侧倾向相反， 因此从唐山矿构造应力场期次以及断层形成的力学 性质分析为两条不同期次的断层， 划分为 FⅣ与 FⅣ北 两条断层，其分界处应该在唐山矿 15 与 16 号剖面 线之间。FⅣ与 FⅣ北断层走向均为 35左右，FⅣ逆断 层倾向 SE 向，FⅣ北正断层倾向 NW，FⅣ逆断层在边 界处被 FV逆断层切割。 FⅤ主断层是唐山矿南部边界断层， 倾向NW向， 倾角 50～70，垂直断距大于 500 m，断层下盘煤层 埋深超过 1 000 m，不利于井田开采。 2.2 褶曲构造特征 除了断裂构造外，唐山矿井田内还发育一系列 褶曲构造。这些构造多为两翼不对称的向背斜，主 要包括胥各庄向斜带、岭子倾伏背斜带、岳各庄波 状褶曲构造带和安机寨单斜构造带。 胥各庄向斜带属于 FⅢ主断层之下的隐伏向斜构 造， 轴向为 NE-SW 向， 至四王庄以东转至 EW 方向。 东北翼倾角较陡，为 20～35，个别达 40～45，西 南翼倾角略缓， 为 15～20， 且多被 FⅢ主断层所切割， 形成一个不完整的向斜构造。 岭子倾伏背斜带位于岳胥区南部，轴向为 NE-SW 向，北至岳 42 号孔附近，向南至大王庄附 近， 向北东方向倾伏。 该背斜为一不对称的背斜构造， ChaoXing 第 1 期 唐鑫等 开滦矿区唐山矿构造特征及成因演化 3 其北翼地层较缓，倾角为 20～35，局部为 40～45， 而东南翼地层较陡，倾角为 50～60，局部达 70左 右。背斜核部由奥陶系和寒武系组成，而石炭系、二 叠系构成两翼地层。 岳各庄波褶曲构造带位于岭子背斜的东北部，由 一系列次一级褶曲构成了一个缓波状起伏的向斜构 造，向西与胥各庄向斜相连，向东南与安机寨单斜衔 接。其构造特征是褶曲枢纽线呈高低波状起伏的一组 宽缓波褶带，地层走向多近东西向，东南地层走向转 近南北向。 地层倾角平缓， 多为15～20， 局部10～20。 安机寨单斜构造带位于岭子背斜的南东翼， 走向 NE，向南东倾伏，由于 FⅤ号逆断层的作用，导致附 近地层倾角较陡，多为 50～60，局部可达 65～70。 2.3 构造组合特征 唐山矿不仅发育有大型的断层及褶曲构造，同 时井下发育众多小型断层，而井下小断层发育具有 方向性、条带性、对称性和分区性等特点，而各种 地质因素和构造的复合叠加，又造成矿井构造的复 杂性和随机性。 根据井田实见 151 条小断层资料绘制了唐山矿 井下正断层及逆断层的倾向玫瑰花图（图 2）。 从图中 可以看出，井田断层中，正断层的优势发育方向有 NW 向和 NE 向两组，且 NE 向的正断层较 NW 向 的更为发育，这是一组典型的 X 共轭剪节理系，主 应力方向近 SN 向。 图 2 断层倾向玫瑰花图 Fig.2 Rose diagram of minor fault dip 逆断层倾向同样也有两组优势发育方向，一组 呈 NNE 向，另一组为 NNW 向，且以 NNE 向发育 为主，该组逆断层同样为一组 X 共轭剪节理系，主 应力方向近 SN 向。总体而言，井田内断层的优势 发育方向为 NNE-NE 向和 NNW-NW 向，且 NNE- NE 向断层较 NNW-NW 向的更为发育。 平面上，唐山矿断裂褶曲组合形式主要有平行 式、相互伴生组合、断裂间交叉共轭组合和在断层 两盘形成牵引褶曲 4 种组合关系。整体上，断裂构 造自西向东呈平行排列，褶曲发育在断层下盘，轴 向多与断层走向一致，以宽缓的向背斜为主。 3 构造成因演化解析 自古生界含煤地层形成之后， 唐山矿位于华北板 块北部，其构造运动很大程度受到燕山造山带的影 响。 结合区域构造分析、 井下共轭节理配套及其平衡 剖面分析， 从中生代开始， 唐山矿构造演化过程可分 为 4 个阶、、、段 印支期燕山早期燕山中期燕山晚 期喜马拉雅期。 3.1 印支期 在志留纪早期到泥盆纪晚期，本区以抬升为主， 导致地层缺失；在石炭纪、二叠纪、早三叠世时期， 开滦地区地壳区域性下降， 使本区接受沉积， 并形成 了唐山矿各主采煤层； 从中三叠世开始， 本区地壳由 下降逐渐变为抬升， 在晚三叠世， 西伯利亚板块与扬 子板块碰撞对接， 产生了巨大的南北向挤压应力， 导 致华北板块整体向上抬升约 1 500 m，揭开了本区构 造演化的序幕。在印支期，本区构造活动较弱，形成 了倾角较缓的岳各庄波状褶曲构造的雏形（图 3a）。 3.2 燕山早期 燕山期是唐山矿构造发育的主要时期，该时期本 区的区域应力场方向为 NW-SE 向的挤压应力。从燕 山早期到燕山末期，本区受到 NW-SE 向的挤压应力 作用，呈现从弱增强再减弱的变化，燕山中期挤压作 用最强，形成了唐山矿规模最大的 FIII逆冲推覆构造。 燕山早期，本区由印支期的南北向挤压作用逐 渐转变为 NW-SE 向的挤压作用，随着库拉-太平洋 板块与欧亚板块的挤压冲撞作用，先形成了规模较 小的 FI逆冲断层，随着挤压作用的加强，在 FI断层 南部以前展式扩展的方式发育了 FII、FIII逆冲断层， 在本区形成了逆冲推覆构造体系（图 3b）。其中，FIII 逆冲断层是唐山矿规模最大的一条逆断层，北起唐 山市西北的凤凰山，南到丰南站西南 3 km；该断层 浅部倾角较大，可达 60左右，随着埋深的增加， 倾角逐渐变缓为 15左右。由于该期内强烈的构造 作用，使得该区域内煤层破碎严重，有明显的揉皱 和煤层流变现象，局部可见煤层尖灭和煤仓现象。 3.3 燕山中期 从燕山早期到燕山中期，本区构造运动不断加 强，燕山早期形成的 FIII逆冲推覆断层向 SE 方向的 推覆距离进一步增加，导致奥陶系灰岩上覆于二叠 系煤层之上，对唐山矿煤层开采带来很大危险。并 且，在井田南部边界处形成了规模较大的 FIV、FV 逆断层，FIV与 FV相互交错切割，形成了“Y”字型构 造形态（图 4a）。侏罗纪和白垩纪时期，本区以抬升 运动为主，目前未发现有相应地层沉积。 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 43 卷 图 3 唐山矿印支期及燕山早期构造演化图 Fig.3 The tectonic evolution in Indosinian and early Yanshan of Tangshan coal mine 图 4 唐山矿燕山晚期及喜马拉雅期构造演化图 Fig.4 Tectonic evolution of late Yanshanian and Himalayan period of Tangshan coal mine 3.4 燕山晚期喜马拉雅期 晚白垩纪以来， 库拉太平洋板块逐步淹没于欧亚 大陆之下，华北地区区域构造应力场发生明显变化， 华北板块在喜马拉雅期第 I 幕板块间表现为拉伸扩 陷作用， 燕山晚期之后， 唐山矿受到的区域应力场逐 渐变为 NW-SE 向的拉张应力作用。至此，唐山矿开 始了对前期构造的改造叠加作用， 先期形成的各种结 构面， 在该期均受到拉张应力作用转换成张性或张裂 性质结构面。 最为重要的叠加作用是对于唐山矿先期 形成的 FI逆断层发生构造反转现象，使 FI断层性质 反转为正断层。FIV断层在之前形成的断层面北部进 一步发育了 FIV北断层， 断层性质为正断层， 并且在该 期拉张应力的作用下， 在唐山矿南部岭子背斜附近形 成了一系列规模较小的正断层。至喜马拉雅期第 II 幕， 断裂活动进一步减弱， 应力场进一步转为近东西 向的挤压应力， 本区未形成明显构造现象， 地层以区 域性的沉降为主， 上部堆积形成厚度约 400 m 的第四 系沉积，接触关系为不整合接触（图 4b）。 ChaoXing 第 1 期 唐鑫等 开滦矿区唐山矿构造特征及成因演化 5 3.5 平衡剖面恢复 平衡剖面方法能有效解释构造演化及成因机制， 对定量研究区域变形有重要意义。 因此， 本文利用平 衡剖面方法对唐山矿进行构造演化分析（图 5）。这里 图 5 唐山矿平衡剖面恢复 Fig.5 Balanced section recovery of Tangshan coal mine ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 43 卷 选择切穿主要构造的 29 号剖面进行分析，以全区分 布的 K3灰岩层作为标志层， 采用线长守恒进行恢复， 面积守恒进行检验， 恢复各个时期构造发育历史， 并 计算地层变形量及缩短率。 结果显示 本区恢复前地 层长度 L03.55 km；恢复后地层长度 L14.52 km；变 形量为 0.97 km；缩短率 e27.3％。 4 结 论 a. 唐山矿构造以较复杂类型为主，主要发育具 有平行组合关系的 5 条大型断层（FI、FII、FIII、FIV、 FV），大断层倾向多为 NW 向，仅 FIV断层倾向为 SE 向；并且在大断层附近伴生大量小断层，这些小断 层的优势发育方向为 NNE-NE 和 NNW-NW 向两 组， 且 NNE-NE 向断层较 NNW-NW 向的更为发育。 b. 从印支期开始，本区便受到构造作用影响。 印支期，本区以开平地块区域性升降为主，在 SN 向挤压作用下仅形成了岳各庄波状褶曲中部向斜 带。本期构造动力来源是华北古板块与北部西伯利 亚古板块南部碰撞拼接作用。 c. 燕山早-中期，NW-SE 向的挤压作用使开平 向斜北西翼地层多陡立，局部倒转，并发育大量压 性及压扭性逆断层，南东翼倾角较缓，构造相对简 单。在燕山期，本区先后形成了 FI、FII、FIII、FIV、 FV共 5 条逆冲断层。本期构造动力来源是库拉-太 平洋板块由 NW 方向对欧亚大陆的挤压作用。 d. 燕山晚期喜马拉雅期，开平地区应力方向 表现为 NW-SE 向的拉张作用，开平区域进入全面 裂陷阶段，拉张应力作用使早期形成的各种结构面 演变为张性或张裂性结构面。在该期拉张作用下， 唐山矿 FI逆冲断层发生构造反转，其断层性质变为 正断层，且使 FIV断层的北部形成倾向 NW 的 FIV北 正断层。 本期构造动力来源是由于库拉-太平洋板块 淹没于欧亚大陆之下，太平洋板块以 NWW 向对东 亚大陆俯冲。 参考文献 ［1］ 陈尚斌，朱炎铭，袁伟，等．开滦唐山矿逆冲推覆构造及其 控煤作用［J］．煤田地质与勘探，2011，39（2）7-12. ［2］ 郭华，刘红旭，王润红．燕山板内造山带中生代构造演化特 征［J］．铀矿地质，2003（2）65-72. ［3］ 黄喜峰，钱壮志，孙保平，等．贺兰山小松山地区逆冲推覆 构造特征及演化［J］．西北大学学报自然科学版，2011（2） 273-277. ［4］ 李磊， 王陆超， 汪吉林． 卜弋矿矿井构造特征及其演化史［J］． 煤 炭技术，2011，30（12）116-118. ［5］ 吕良冀．福建大田广平推覆构造特征及地质意义［D］．北京 中国地质大学，2011. ［6］ 马海军．昌福山煤矿区构造特征及其演化［J］．中国西部科技， 2011（28）4-5. ［7］ 马杏垣．解析构造学刍议［J］．地球科学，1983（3）1-9. ［8］ 沙亚南，张宏，郭英海，等．开平-涧河地区山西组的沉积与 聚煤研究［J］．中国矿业大学学报，2000，29（2）203-206. ［9］ 舒建生，贾建称，王跃忠，等．地质构造复杂程度定量化评 价以涡北煤矿为例［J］． 煤田地质与勘探， 2010， 38（6） 22-26. ［10］ 王陆超，李磊，汪吉林．苏南地区区域构造演化及其对煤层 赋存的控制［J］．煤炭科学技术，2011，39（7）93-97. ［11］ 王陆超，汪吉林，李磊．徐宿地区构造特征及其演化［J］．地 质学刊，2011，35（3）247-250. ［12］ 王猛．河北省煤矿区瓦斯赋存的构造逐级控制［D］．徐州中 国矿业大学，2012. ［13］ 王强．开平向斜清凉山背斜地质构造成因分析［J］．北京地 质，2001，13（1）45-47. ［14］ 王双明．鄂尔多斯盆地构造演化和构造控煤作用［J］．地质通 报，2011，30（4）544-552. ［15］ 魏刚锋， 于凤池． 青海滩间山金矿床构造演化及成因探讨［J］． 西 安工程学院学报，1999（4）62-66. ［16］ 徐德英，朱德献，段秋梁，等．黄骅坳陷中南部逆冲推覆构 造特征及其形成背景分析［J］． 中国石油勘探， 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