沁水盆地中北部石炭–二叠纪煤系构造演化特征_林中月.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China; 3. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and TechnologyBeijing, Beijing 100083, China Abstract By restoring the paleo-tectonic and sedimentary environment of coal accumulation period, combining with the tectonic stress field and subsidence history, the ation process of Late Paleozoic coal measures in the North-central Qinshui basin and the influence of multi-stage tectonic movement on the occurrence of coal measures minerals were comprehensively analyzed. It is considered that during the C-P coal-accumulating period, the NE-trending sedimentary depression controlled the present tectonic framework of the basin. During Indosinian period, the basin underwent rapid subsidence and ed coal measures gas under the action of deep metamorphism. During Yanshanian period, the basin was destroyed by compression, the NE-trending main syncline ed, and the coal measures strata were uplifted. At the same time, due to magmatic heat, the degree of coalification increased, and the coal and coal measures gas on both sides of syncline were dissipated due to denudation. During Himalayan period, the basin was destroyed by the superimposition of tension. Large-scale rifts and a large number of normal faults developed in the northwest of the basin. Coal measures gas was partially evaporated and mainly enriched in the middle and eastern part of the study area. Keywords coal series gas; tectonic evolution; sedimetary depression; Indosinian period; Yanshanian period; Himalayan period; the middle and the north of Qinshui basin 我国煤炭行业发展须遵循“节约、清洁、安全” 的战略方针， 走与环境相协调的绿色煤炭发展方向。 绿色煤炭的方向之一，即由“煤炭矿产”发展为“煤系 矿产”包括煤系气、铀、油页岩等能源矿产；煤 系高岭土、隐晶质石墨等非金属矿产；镓、锗、锂、 稀土等金属矿产。其中，对煤系气的共同开采可提 ChaoXing 86 煤田地质与勘探 第 48 卷 高煤系气资源开发与利用率，实现合采首先需要研 究其不同相态、不同岩性储层的煤系[1-4]。沁水盆地 蕴藏丰富的煤炭、煤层气、页岩气、致密气等煤系 矿产资源，2017 年 8 月，在沁水盆地中北部武乡 榆社区块，勘探预测页岩气、煤层气资源总量 5 455.51 亿 m3，其中页岩气资源总量 3 040.95 亿 m3， 为超大型气田[5-6]。前人对盆地内煤层气、页岩气、 致密气的构造演化地质分别开展了研究， 但少有学 者将煤系视为整体， 从构造演化过程探讨其对煤系 矿产赋存的影响及煤系矿产的连续性与聚集潜力。 因此，针对沁水盆地煤系构造演化过程展开讨论， 对研究盆内煤系矿产共生联采具有重要的理论和 现实意义。 沁水盆地煤系矿产勘探与开发受构造作用控 制，不同规模尺度的挤压推覆、拉张伸展构造组合 样式在盆地内广泛发育[7-8]，目前，煤及煤层气勘探 开发主要集中在盆地主体向斜两翼及南部转折端浅 部地区，本文以沁水盆地中北部为例，在结合前人 对沁水盆地构造格局认识的基础上， 利用野外调查、 二维地震、钻探、煤矿揭露等数据，通过聚煤古构 造和沉积环境恢复、构造应力场恢复、沉降史分析、 综合解释等手段，分析晚古生代含煤地层的形成过 程及多期构造运动对煤系能源矿产赋存的影响，探 讨沁水盆地中北部构造演化历史。本文所述煤系能 源矿产指石炭–二叠纪煤炭及该时代地层作为烃源 岩或储层的煤层气、页岩气、致密气资源。 1 地质背景 研究区为沁水盆地中北部，北为五台山隆起， 西南为霍山隆起，东为太行山隆起，南部为沁水盆 地腹地，区内主要控制性构造除沁水复向斜本身 外，包括东部的晋获断裂带和西部的晋中裂陷盆 地图 1。晋获断裂表现为挤压性质，断裂逆冲将晚 古生代及更老的地层推至地表遭到剥蚀。晋中裂陷 盆地作为汾渭裂陷带的一部分控制了研究区西部构 造格局，表现为叠瓦状铲式正断层，尺度达到地壳 底部，晚古生代煤系被巨厚新生代沉积物所覆盖， 晋中裂陷两侧拉张作用形成的堑垒形式正断层组合 在西山向斜和沁水向斜西翼北部密集分布，控制了 煤及煤系气资源的赋存。 图 1 沁水盆地中北部构造纲要 Fig.1 Tectonic outline of north-central Qinshui basin ChaoXing 第 2 期 林中月等 沁水盆地中北部石炭–二叠纪煤系构造演化特征 87 研究区及周缘赋存的地层有太古界，元古界， 古生界的寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生 代三叠系及新生代新近系、第四系。缺失奥陶系上 统、志留系、泥盆系、石炭系下统、侏罗系、白垩 系。盆地中部出露主要为三叠系和新生界地层，其 中在部分堑垒结构中保留有少量侏罗纪地层，向斜 东西两翼有石炭–二叠系含煤地层出露。 沁水盆地石 炭–二叠系是在奥陶系古风化壳之上发育的一套海 陆交互相至滨海泻湖沼泽相含煤建造，在其中的本 溪组、太原组、山西组和下石盒子组底部发育大量 暗色泥页岩、砂质泥岩和煤层，是煤与煤系气资源 赋存的主要层位[9-12]，含煤地层总厚度 186.5 m，其 中太原组平均厚度为 70.0 m， 煤层厚度平均 6.36 m， 山西组平均厚度 52.3 m，煤层厚度平均 4.3 m。 2 聚煤期古地理古构造环境 对研究区钻孔、露头、煤矿等 48 组地层数据分 析，统计目标地层厚度、砾岩厚度及层数、煤及炭 质泥岩厚度、砂岩厚度及比例、灰岩厚度及比例、 泥岩厚度及比例等。恢复研究区该地层沉积时代的 隆起、凹陷和盆地轮廓，以及物源方向、海河湖等 沉积相分布等聚煤期古地理和古构造特征。 2.1 煤系矿产沉积基底特征 本区基底为太古界及元古界的变质岩，根据磁 场异常分析，本区存在 3 个异常构造带，反应出前 寒武构造格局为北部离石–太原–阳泉异常带，是 沁水古基底与北部阜平稳定基底的构造过渡带；东 侧为左权–长治古裂陷异常带； 西南方为中条古构造 异常带，中间为沁水古陆基底。在加里东阶段，整个 华北不存在加里东褶皱，早古生代地层沉积具有明显 的继承性，中奥陶世之后华北地层整体抬升，经过 100 Ma 的风化夷平，形成相对稳定的盆内构造，为晚 古生代大规模的煤炭聚集提供极好的环境[13-14]。 2.2 本溪期古构造古地理格局 晚石炭世本溪期，沁水盆地构造格局以阳泉 榆次一带 NE 向沉积坳陷为主，海侵从东北部顺该 坳陷进入盆地，该时期沉积地层最大厚度 61 m，是 盆地和周边地区的最大沉积厚度，同时南部长治 晋城一带地层变薄，存在 NNE 向的隆起构造。该时 期的沉积环境以东北部的碳酸盐陆棚相向西南潟湖 和潮坪相逐渐过渡为特征，有利于煤及炭质泥岩的 发育，但沉积时间短，不利于大规模聚煤作用发生。 本溪期的 NE 向构造沉积环境奠定了该地区晚古生 代古构造形迹以 NE 向分布格局的基础图 2a。 2.3 太原期古构造古地理格局 太原期古构造格局继承了本溪期，地势北高南 低，以 NE 向坳陷为主，沉积中心为阳泉–左权–霍 州一带，最大厚度 138.5 m，即现今沁水盆地中部及 北部一带，反映沉积盆地有向南迁移的趋势，研究 区总体隆起与坳陷幅度很小，沉积环境以碳酸盐陆 棚、潟湖、潮坪、三角洲平原为主，整个区域处于 下降沉积的过程，有利于聚煤作用的发生。同时， 由于北部阴山古隆起的幅度和范围不断扩大并向南 推进，陆相沉积环境开始向南过渡，沁水盆地以北 图 2 沁水盆地北部晚石炭世早二叠世聚煤古构造地理环境 Fig.2 Late Carboniferous to Early Permian coal-accumulating paleotectonic geographic environments in northern Qinshui basin ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 48 卷 忻州–朔州–大同一线逐渐过渡为三角洲与河流相沉 积环境，由海相向陆相沉积环境转变的区域构造条 件已逐步形成图 2b。 2.4 山西期古构造古地理格局 早二叠世山西期盆地以北的阴山古陆持续隆 起，并继续向南推进，陆相沉积范围进一步扩大。 研究区及周边存在太原祁县、 左权长治两处 NE 向沉积坳陷和临汾霍州 NE 向隆起，地层厚度为 4060 m， 厚度差已没有前两期明显， 沉积相以潟湖、 潮坪、三角洲前缘、三角洲平原为主，是北东向构 造格局下相对稳定的聚煤沉积环境图 2c。 早二叠世末海水全部退出，结束了海陆交互沉 积，仅在下石盒子组底部发育煤线，进入中二叠世， 开始了纯陆相沉积，聚煤作用也由此而告终。 3 古构造应力场分析 研究区内各时代地层中节理广泛发育，且多以 共轭剪节理形式出现，甚至同一观测点出现多组节 理共存、相互切割的现象。根据区内小构造发育的 特征，通过野外构造数据采集，确定了以共轭剪节 理统计为主，纵弯小褶皱、小断层分析为辅的方法 模拟古构造应力场。 共完成 46 组共轭剪节理的应力 状态数据统计，8 个地区的纵弯小褶皱、断层分析， 可将研究区自中生代以来所经历的古构造应力场分 为 3 个期次。 第一期构造应力场在本区内最为发育，主压应 力为 SEENWW 向，统计平均值为 12010∠，发 生于燕山期的中晚期图 3a。在本期 NWWSEE 向的挤压应力下， 沁水坳陷形成 NNE 向缓和开阔的 沁水复向斜，局部地区褶皱较紧闭。研究区东侧的 晋获断裂带在燕山期活化，由西向东逆冲变形，使 研究区东部地层翘起，遭受强烈的抬升剥蚀。该期 应力场造成沁水盆地中北部石炭–二叠煤系形成以 来最明显的一次构造挤压变形， 形成 NNE 向压性构 造和 NW 向、NEE 向共轭剪切构造，由此奠定了研 究区构造的基本格架。 第二期最大挤压应力方向为 NNESSW 向， 统 计平均方位 287∠，发生于新生代早期图 3b。在 NNESSW 向挤压应力作用下，沿最小应力方向发 生应力松弛， 导致清交断层等新生代正断层的产生， 形成晋中裂陷的雏形。该期应力场对研究区的影响 没有第一期构造应力场强烈，但挤压应力作用使研 究区继燕山期后持续抬升遭受剥蚀，普遍缺失白垩 系、古近系。 图 3 沁水盆地中北部古构造应力场最大主压应力轴迹线 Fig.3 Maximum principal compressive stress axial trace of paleotectonic stress field in north-central Qinshui basin 第三期应力场主要以 NNWSSE 向伸展作用 为主，并辅以 NEESWW 向的挤压，最大挤压应 力平均方位为 7311∠， 发生于喜马拉雅期图 3c。 在此之前，沁水盆地中北部与整个山西断块一起处 于隆升遭受剥蚀的状态。中新世至上新世，由于受 西太平洋板块俯冲、中国西南部印度板块和欧亚板 块碰撞作用的共同影响，形成了山西地堑系。研究 区西北部的晋中裂陷形成于此次拉张应力，导致研 究区西北部 NENEE 向的高角度正断层密集发育， 形成了研究区现今的构造格局。 4 沉降史分析 在研究区选取 12 个钻孔数据，采用回剥分析 法，划分 5 个地区进行沉降史模拟研究，恢复盆地 ChaoXing 第 2 期 林中月等 沁水盆地中北部石炭–二叠纪煤系构造演化特征 89 中北部沉降过程图 4。地层年龄依据 2015 年发布 的国际年代地层表。因晚古生代以来本区古水深变 化较小，未在模拟中计算。剥蚀量的恢复采用区域 地质综合分析法，根据本区地层残余厚度及地表出 露情况，结合邻区地层厚度进行分析，估算被剥蚀 的地层厚度。 ① 段 晚石炭世中二叠世，曲线下降，斜率 较小。研究区沉降速率缓慢，沉降量不断加大，本 溪组、太原组、山西组煤系发育并被沉降埋藏。 图 4 沁水盆地中北部沉降曲线综合模式 Fig.4 Comprehensive model of subsidence curve in north-central Qinshui basin ② 段 晚二叠世早三叠世，曲线下降，斜率 较大。本区受印支运动影响不大，以快速、大幅度 继承性沉降为主，煤系埋深不断增加。 ③ 段 中三叠世至晚三叠世，曲线下降。中三 叠世开始，沁水坳陷东部逐渐抬起，西部缓慢沉降。 晚三叠世沉降速率减缓，为燕山运动做准备。 ④ 段 侏罗纪白垩纪，曲线上升。在燕山运 动 SEENWW 向强烈的挤压下，研究区全面隆起 遭受剥蚀，改造了煤系赋存状况。东部地层抬升剥 蚀幅度大于 1 000 m，普遍缺失侏罗系、白垩系，仅 在本区西北部有少量中侏罗统出露。 ⑤ 段 新生代，曲线上升。受NNESSW 向挤压 应力作用，研究区继燕山期后仍处于隆升剥蚀状态，表 现为多旋回的抬升改造，普遍缺失白垩系和古近系。 ⑥ 段 新近纪， 曲线下降。 喜马拉雅运动 NNW SSE 向拉张使研究区转为沉降状态，完成了沁水 盆地中北部现今构造格局。受西北部晋中裂陷的影 响，研究区西北部沉降量大，覆盖了较厚的第四系。 5 聚煤期后盆地构造演化模式 5.1 晚古生代煤系气赋存阶段 海西期，整个华北开始接受沉积，晚石炭世 早二叠世，本区在海水进退过程中形成了太原组和 山西组。印支运动期间，中国的南北板块进行拼 接，研究区遭受南北向弱挤压，但在研究区内部 含煤地层东西向构造痕迹较少，研究区继承性沉 降，早期以快速、大幅度沉降为特点，沉降速率 平均达 115 m/Ma。晚期，沉降速率降至 18 m/Ma， 但总沉降量近 3 000 m，使煤系埋深不断增加，随着 压力和温度的提高，煤的变质程度增加，同时也为 煤系气形成提供了必要条件。 5.2 中生代构造成盆阶段 燕山运动早期，构造运动强度相对较弱，盆地 内部水平挤压和垂向抬升幅度小，向斜核部仍沉积 了部分侏罗纪地层，所以该时期研究区为中心接受 沉积，两侧隆升剥蚀的状态，剥蚀由盆地两侧向中 心递减。由于基底在水平上的不均一性，燕山运动 造成的 NWWSEE 向挤压在沁水盆地以复式向斜 表现，在沁水盆地西北部发育次级向斜，轴部中心 在清徐交城以西一带，向斜的一部分为现今西山 向斜的雏形图 5a，剖面位置如图 1 所示。 燕山运动后期，构造活动剧烈，地层垂向变动 强度增大，全区整体处于隆起抬升状态，普遍缺失 J3K 的地层[15]。盆地东侧太行山强烈隆起，在盆 地东翼逆冲性质的晋获断裂将元古代地层推至古生 代之上，受其影响，武乡南、榆社东南地区抬升速 度和剥蚀量都大于其他地区。同时，西北部祁县一 带岩浆岩活动剧烈，并在狐偃山喷出地表，西山次 级向斜抬升幅度大于沁水盆地主体部分，并在清徐 东一带含煤地层被抬升至地表遭到剥蚀，沁水盆地 构造形态基本形成图 5b。 SEENWW 向的挤压应力在华北中部地区普 遍存在，是晚古生代煤系形成以来所经历的最明显 的一次构造挤压变形。首先，本期次全区剥蚀幅度 平均 800 m，东部超过 1 000 m，导致煤系抬升埋藏 变浅，煤的深成变质环境发生了变化，同时由于岩 浆活动作用，全区大部分煤系叠加了区域岩浆热变 质作用，有机质热演化程度提高，煤级达到贫煤、 无烟煤；另外，向斜两翼的构造应力集中区改变了 煤系的构造赋存状态，导致煤系被抬升剥蚀，煤系 气从露头和断裂处散逸。 5.3 新生代叠加破坏阶段 新生代早期， 区域应力场以 NNESSW 向挤压 为主，在沁水盆地西北侧体现为 NWWSEE 向拉 张环境，发育大量正断层，西山向斜与沁水主向斜 仍为一体相连，整个沁水盆地处于抬升状态，该期 地层无沉积，侏罗纪地层几乎完全剥蚀[16-17]，仅在 西北侧部分堑垒结构中残留图 5c。 ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 5 聚煤期后沁水盆构造演化过程示意 Fig.5 Sketch map of tectonic evolution process of Qinshui basin after coal-accumulating period 喜马拉雅运动在印度板块对欧亚板块的强烈碰 撞的背景环境下， NEESWW 向的强挤压在华北地 区表现为 NNWSSE 向拉张， 形成斜贯整个华北的 汾渭地堑系。研究区内，SW 向挤压与北向阻挠的 叠加，南北向表现为顺时针的剪切作用，东西向表 现为拉张。在清徐交城一带拉张作用最为强烈， 并沿早期发育的正断层继续形成规模尺度巨大的犁 状正断层组合，地堑内快速沉积巨厚 NQ 地层， 形成晋中新裂陷盆地。此时，西山向斜从沁水盆地 主向斜分割出去，沁水盆地北部的现今构造格局形 成图 5d。本阶段是对沁水盆地的构造叠加破坏阶 段，大部分煤系继续抬升，裂陷盆地内则被巨厚新 生代地层覆盖，同时西北部地区发育的大量正断层 破坏了煤系气的赋存条件，煤系气有利聚集区转移 至沁县武乡榆社一带。 6 结 论 a. 沁水盆地中北部石炭–二叠纪聚煤期以 NE 向沉积坳陷为主的古构造环境奠定了现今构造格局 基础。其中，本溪期在祁县–榆次–阳泉一带、太原 期在武乡–左权一带、山西期在祁县–太原和长治– 左权一带发育沉积坳陷，整体沉积环境由海陆过渡 相向陆相过渡。 b. 印支运动期间，盆地接受沉降，煤系受构造 运动破坏较小， 在深成变质作用下煤变质程度提高， 煤系气资源生成并赋存于煤系中。 c. 燕山运动期间，盆地遭到 SEENWW 向挤 压破坏，NE 向向斜形成，煤系抬升，同时受到岩浆 热接触作用，煤化程度提高，向斜两翼煤及煤系气 资源遭到剥蚀或散逸。 d. 喜马拉雅运动期间，盆地遭到叠加破坏， NWWSEE 向拉张作用由东向西增强， 盆地西北部 发育大型裂陷盆地和大量正断层，煤系气资源主要 在研究区中东部聚集。 e. 沁县–武乡–榆社一带在石炭–二叠纪聚煤期 泥页岩广泛发育，泥页岩累计厚度大，全区发育稳 定；在印支期该区沉降埋深加大，煤变质程度高， 形成煤系气；在燕山期、喜马拉雅期该区遭受挤压 拉伸破坏影响较小，是煤系气资源的有利区。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 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