韩城矿区南中深部隐伏逆冲构造的发现及其地质意义_王辉.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY 2. Geophysical Exploration and Measuring Team of Shaanxi Coalfield Geology Bureau, Xi’an 710054, China Abstract To guide geological exploration, the Paper analyzed the deation characteristics of concealed thrust fault, revealed the ation mechanism of the fault, carred out the structural prediction. Through the fine surface observation, 2D seismic exploration and verification of drilling engineering, on the basis of discovery and understanding of the morphological features of structures, the coupling relationship between shallow structures and deep structures was analyzed. In combination with the stress field of paleostrcture, the genesis of structures was elaborated. The results showed that the north-south and deep concealed thrust faults were dipping to the west and thrusting to the east, the dip of the fault plan is 2035. The faulting took place inside Shihezi ation, underlying coal-bearing measures and their basement. The vertical throw is 190260 m, the horizontal displacement is 260470 m. The shallow strata occurred as unidirectional assymmetrical anticlines. The shallow strata and the deep strata were closely associated in space, interrelated in geometry and kinematics, unified in genesis.The shallow anticline was the result of fault-propagation folding under control of deep overthrusting. The concealed thrust-fault was the response to the reverse thrust faulting induced by the tectonic crushing stress in the basin during middle Yanshan orogeny. The thrust fault dislocated coal seams, led to repetition of seams, ChaoXing 2煤田地质与勘探第 44 卷 controlled the spatial distribution of coal seams, constituted important tectonic boundary in the mid and deep part of the south of Hancheng mining area. Keywords overthrust-fault; fault-bend folding; NWW tectonic compression; Weibei Permo-Carboniferous coalfield; Hancheng mining area 研究区位于陕西省渭北石炭–二叠纪煤田东部的 韩城矿区南部。 可采煤层资源丰度为 800900 万 t/km2， 煤炭资源储量可观，且中、深部煤层气资源前景可 观，有望成为韩城矿区煤资源接续基地和重要的煤 层气资源基地。 韩城矿区南部在构造上处于鄂尔多斯盆地南缘 渭北断隆区之铜川韩城断褶带东部边缘。继盆地 南缘印支燕山运动期近东西向构造带和盆地东缘 燕山期近南北向构造带的双重构造挤压作用控制 后，喜马拉雅运动期在 NE 向挤压NW 向伸展兼 右行剪切作用深刻地影响了本区[1-2]，从而形成了最 为特征的 NEE 向展布的正断层系图 1。长期以来 众多地质学者，尤其是煤、石油构造地质学者，对 于渭北煤田构造变形特征及其形成的动力学机制进 行了多次深入地分析与讨论[3-15]。前人研究结果表 明，三叠纪侏罗纪，在华南、华北板块拼接碰撞 后，进入陆内造山变形体制[3]，并产生由南向北推 挤作用，盆地南缘由南向北渐次形成了近东西向展 布的前展式逆冲挤压构造系[4]，地层总体呈 S 翘 N 倾态势，由 S 向 N 地层渐次变新，构造变形强度逐 渐减弱[1]，含煤岩系埋藏深度渐次加大。对于盆地 东缘 NNE近 SN 向构造带，以往研究仅限于盆地 边缘露头条件好且构造变形特征明显的地带[1,4-5,8]。 研究认为近南北向或 NNE 向挤压构造带， 造成含煤 岩系普遍向西缓倾，并在单斜面上发育同向展布的 舒缓波状起伏，由东向西，构造应力迅速衰减，构 造变形强度逐渐变小，地层渐趋水平，仅发育规模 较小的 NEE 向展布的张性断层。 在中深部赋煤区未 见近南北向挤压构造的有关报道。 2013 年通过详细地表观测，在韩城矿区南中深 部区的地表处发现一条轴向近南北向的背斜构造， 起初并未引起人们的重视和深入思索。随着工作的 深入开展，在随后的地震勘探工作中，凡穿越地表 背斜所在位置的地震测线，经钻孔精确标定的时间 剖面上煤层反射波均被明显错断，断点编联结果为 一呈近南北向展布控制延伸长度 10 余 km 的逆冲断 层图 1 中的 F2，并在该断层旁侧伴生数条性质相 同但规模较小的次级断层。地表观测所获得的浅表 层构造与二维地震工作揭露的深层构造形态剖面上 不一致。该构造带距离盆地东缘燕山期南北向挤压 构造带 10 余 km，是否会在盆地内部形成同向展布 的逆冲构造一时成为研究区构造研究的热点，引 起煤地质学者深入思考与激烈的讨论， 甚至是质疑。 该构造如何形成何时形成对煤层现今空间赋存 状况影响程度如何如何指导下一步煤地质勘查工 作有必要进一步讨论与分析。 图 1研究区断裂系统分布示意图 Fig.1Sketch map of t fault system in the study area 1浅表层构造变形特征 1.1浅表层构造变形特征 研究区位于渭北台塬与陕北黄土高原衔接部 位，由南向北可进一步划分为黄土残塬、黄土梁沟 壑地貌、黄土覆盖的基岩低中山等地貌单元。地表 以分布三叠系下、中统为特征，中部、南部基岩多 沿沟出露，露头条件一般；北部山区，基岩大面积 出露，露头条件甚好。 通过地表多条路线详细构造观测与断点编联， 填绘出一条轴向近南北向，轴迹略向东突出的背斜 构造。背斜轴区内延伸长度 13.5 km，背斜核部及两 翼由三叠系中、 下统组成。 东翼岩层产状 64109∠ 1535，西翼岩层产状 243306∠614，转折 端呈圆弧状，两翼明显不对称，东翼陡，西翼缓。 利用野外大量产状观测统计数据，采用赤平投影技 术对该背斜构造进行了褶皱要素解析，解析结果为 翼间角 139159， 属平缓褶皱； 枢纽总体向南缓倾 ChaoXing 第 6 期王辉等 韩城矿区南中深部隐伏逆冲构造的发现及其地质意义3 伏局部北倾，倾伏角 08，归属水平褶皱；轴面 略向西倾斜262283， 轴面倾角为 6884， 属歪 斜褶皱。浅表层背斜构造变形特征分南、中、北段 阐述表 1。 表 1浅表层背斜构造变形特征 Table 1Deation characteristics of shallow anticlines 岀露位置东翼优选产状 西翼优选产状翼间角枢纽产状轴面产状 南段 爱帖村北沟109∠15269∠6159193∠2283∠82 红花沟64∠19306∠141520∠8270∠84 中段 刘家庄南沟101∠25286∠7148近水平，倾伏向12，倾伏角小于1282∠76 刺沟85∠20255∠7153172∠1262∠78 北段北沟88∠35243∠6139175∠2264∠68 南段在爱帖村北沟和红花沟出露条件较好。爱 帖村北沟出露段背斜由三叠系下统和尚沟组下部鲜 棕红色薄–中层状砂质泥岩夹紫红色中厚层状钙质 粉–细砂岩、泥灰岩组成。东翼岩层优选产 状 109∠15，西翼岩层优选产状 269∠6，翼间角 159，枢纽向南缓倾伏，产状 193∠2，轴面略向 西倾，产状 283∠82；红花沟出露段背斜核部及两 翼由三叠系下统和尚沟组下部鲜棕红色薄–中层状 灰质砂质泥岩组成，东翼岩层优选产状 64∠19， 西翼岩层优选产状 306∠14，翼间角 152，枢纽 向北缓倾伏，产状 0∠8，轴面略向西倾，产状 270∠84。 中段在刘家庄南沟、刺沟等沟谷出露。刘家庄 南沟出露段背斜核部及两翼由三叠系下统和尚沟组 中部鲜棕红色含灰绿色还原斑薄–中层状灰质砂 质泥岩夹灰白色泥质粉砂质灰岩组成。东翼岩层优 选产状 101∠25，西翼岩层优选产状 286∠7，翼 间角 148， 枢纽近水平， 倾伏向 12， 倾伏角小于 1， 轴面向西陡倾，产状 282∠76。刺沟出露段背斜核 部及两翼， 由三叠系下统和尚沟组上部鲜棕红色薄– 中层状灰质砂质泥岩夹灰绿色中层状细砂岩和三叠 系中统二马营组底部灰绿色厚层–块状中细粒砂岩 组成。东翼岩层优选产状 85∠20，西翼岩层优选 产状 255∠7，翼间角 153，枢纽略向南倾，产状 172∠1，轴面向西陡倾，产状 262∠78。 北段在北沟出露特征是，背斜核部及两翼由三 叠系中统二马营组下部灰绿色厚层–块状中细粒砂 岩及灰紫色中层状砂质泥岩组成。东翼岩层优选产 状 88∠35，西翼岩层优选产状 243∠6，通过持 平投影解析，翼间角 139，枢纽略向南倾，产状 175∠2，轴面向西陡倾，产状 264∠68。 可以看出，该背斜形态沿褶轴方向具明显的规 律性变化。由南向北东翼产状逐渐增大，翼间角逐 渐减小，背斜弯曲程度逐渐增大，轴面向西倾斜程 度和背斜歪斜程度逐渐增大，背斜规模也不断增强 和扩展。 1.2深层构造变形特征 1.2.1二维地震工作野外施工方法及可靠性评价 深层构造由二维地震揭露。本区浅、表层地震 地质条件复杂，但深层地震地质条件好，如采用适 当的施工参数，就可获取良好的地震资料。通过充 分的野外试验工作，野外施工具体采用如下参数。 采用 Aries 高分辨率数字地震仪，仪器参数包 括采样间隔 1 ms，记录长度 2 s，全频段接收，前放 增益为 24 dB， 记录格式为 sgy。 接收参数为 5 个 60 Hz 检波器串联，点式组合，施工过程要求检波器插直 插实。在不同地震条件景观区采用了不同的激发方 式一是黄土梁及半坡等黄土覆盖厚或较厚地段采 用 3 井线性组合，较湿红土中激发井深约 312 m， 药量采用 1 kg/井，炮井组合距 5 m；二是半坡及沟 谷等黄土覆盖较薄或基岩出露地段采用 3 井线性组 合，基岩面激发井深 0.83 m，药量采用 1 kg/井， 炮井组合距 35 m。观测系统采用中点放炮，160 道或 144 道接收，10 m 道距，20 m 炮点距，40 次 或 36 次叠加。 该构造由南向北依次由 DL23、D12 及 D4 三条 地震直测线控制。通过静校正、压制折射多次波与 规则线性干扰、振幅处理、反褶积、速度分析、剩 余静校正、去噪及偏移等关键处理技术，获得 3 条 Ⅰ类时间。各条时间剖面均在地表背斜出露地段发 现断点，5 号煤层反射波T5同相轴被明显错断，断 点级别均为 A 级可靠级。各断点形态特征相似， 性质相同，相邻断点落差接近或有规律变化，故将 三个断点组合成一个断层， 断层控制程度为 A 级可 靠级。 1.2.2深层构造变形特征 断点组合结果表明，研究区西部沿背斜出露地 段，在深层表现为一走向近一致的逆冲断层带。 ChaoXing 4煤田地质与勘探第 44 卷 断层走向为 NNW，控制的延展长度约 10.20 km。 断面倾向西，倾角 2937， 地震测线控制的铅直地 层断距 190260 m，水平位移量 212425 m，具明 显的逆冲特征。 DL23 号地震测线时间剖面反映，断面视倾角 23，5 号煤层反射波垂向落差 190 m，重复带宽度 511 m图 2，测线与断层走向夹角为 34，换算后的 断面倾角 37，铅直地层断距 190 m，水平位移量 285 m；D12 号地震测线时间剖面反映，断面视倾角 27，5 号煤层反射波垂向落差 220 m，重复带宽度 389 m图 3， 测线与断层走向夹角为 53， 换算后的 断面倾角 32，铅直地层断距 220 m，水平位移量 311 m；D4 号地震测线时间剖面反映，断面视倾角 22，5 号煤层反射波垂向落差 260 m，重复带宽度 572 m图 4， 测线与断层走向夹角为 48， 换算后的 断面倾角 29，铅直地层断距 260 m，水平位移量 425 m。可以看出，由南向北断层倾角逐渐变小，垂 直断距和水平断距逐渐增大。根据断层沿走向发育 趋势，向北应继续延伸，进入北邻的象山煤矿中深 部资源续接区，向南断层变形强度逐渐减小，断层 走向逐渐向西偏转，与合阳北中深部阿池背斜[12]相 接，继而被阿池背斜构造所替代。 图 2F2 隐伏逆冲断层南段在 DL23 号地震测线时间剖面上的反映 Fig.2Reflection of concealed thrust-faultsouth section F2 in time profile along seismic exploration line DL23 图 3F2 隐伏逆冲断层南段在 D12 号地震测线时间剖面上的反映 Fig.3Reflect of concealed thrust-faultsouth section F2 in time profile along seismic exploration line D12 图 4F2 隐伏逆冲断层北段在 D4 号地震测线时间剖面上的反映 Fig.4Reflect of concealed thrust-faultnorth section F2 in time profile along seismic exploration lines D4 1.2.3钻探工程验证 二维地震时间剖面构造解释得到部分钻探工程 LT4-31、LT12-23验证图 3、图 4。LT4-31 孔位于 隐伏逆冲断层北段 D4 号地震测线上，钻孔穿越煤 ChaoXing 第 6 期王辉等 韩城矿区南中深部隐伏逆冲构造的发现及其地质意义5 层重复带，揭露 2 套含煤岩系。通过详细的岩心观 测和地质编录，断层破碎带铅直厚度约为 35 m，断 层角砾带由上盘马家沟组灰岩及下盘下石盒子组泥 岩共同组成。灰岩呈角砾状，棱角受挤压、揉搓有 不同程度磨圆，并被泥岩包裹和胶结，泥岩揉皱变 形强烈，表现为强烈的塑性变形特征，属压碎角砾 岩，具明显的压性变形特征。断层作用造成含煤岩 系及其上覆下石盒子组、下伏本溪组、马家沟组部 分重复。断层角砾岩带压性特征和地层垂向叠置， 不仅证实断层的存在，而且容易判断该断层属逆断 层性质。相对而言，LT12-23 孔揭露该断层特征不 及 LT4-31 孔明显易判， 该孔在含煤岩系上覆的孙家 沟组二段钻遇该断层，造成组内部分砂、泥岩段重 复， 揭露厚度199.58 m比邻近钻孔揭露的正常厚度 160 m增加约 40 m。断层破碎带铅直厚度约 5 m， 断于该段泥岩中， 表现为明显的挤压揉皱变形特征。 LT4-31 揭露隐伏逆冲断层深于 LT12-23 孔，前者铅 直地层断距260 m明显大于后者40 m，表明该逆 冲断层沿断坡的位移由下而上逐渐减小消失乃至停 止，而上覆地层被迫产生褶皱作用以适应下伏逆冲 断层造成地层水平方向的缩短，并与下伏逆冲作用 近同步协调发展。 2表层构造与深层构造耦合关系 2.1空间组合关系 地表出露的背斜构造与隐伏逆冲断层空间上密 切相关，共同组成下断上褶、下冲上弯的构造组合 型式，并得到钻探工程的验证图 4。垂向上，浅表 层的无根背斜构造位于逆冲断层的上方，背斜构造 卷入的地层为石盒子组上部及其以上地层，逆冲断 层发育于石盒子组和含煤岩系及其基底，沿断坡的 位移逐渐减小，以至停止于石盒子组内。平面上， 二者分布关系密切，背斜轴位于上、下盘煤层重复 带内或其以西，且由南向北，随着表层背斜构造和 隐伏逆冲断层变形强度的同步增强，背斜轴由西向 东不断偏移，逐步向断层终端靠拢。 2.2耦合关系分析 空间上密切相关性，暗示二者具内在的成生联 系。二者变形特征、运动方向及各自变形强度同步 变化， 指示其具统一的应力场环境和内在成生联系， 为二者耦合关系提供了佐证。浅部无根背斜两翼产 状东陡西缓，指示地层由西向东推压的运动指向， 沿褶轴由南向北，背斜弯曲程度、歪斜程度及背斜 规模明显增大，反映构造主压应力由南向北逐渐增 强；深部断层断面西倾东冲，同样指示在由西向东 逆冲挤压运动学特征，水平位移量由南向北逐渐增 大， 也同样反映了构造主压应力由南向北逐渐增强。 褶皱倒向与逆冲方向的一致性，以及变形强度的共 同衰减或增强，证明了二者是不同空间层次的地层 体在统一的挤压应力场环境下不同构造变形条件同 期或近同期发生的构造响应和表征，浅表层无根褶 皱实际上是因下伏地层水平位移垂向叠置，而产生 塑性收缩的地质表现[16]。 砂、泥互层沉积地层的基本特点是成层性好， 旋回频繁，软硬相间，软弱岩层发育，层间包含众 多构造软弱面，这就为隐伏逆冲构造及其逆冲作用 控制下的表层无根褶皱发育提供了良好的物质基 础。断层上盘由西向东沿断坡爬升，并沿着断坡的 位移逐渐消失以至停止，致使上覆层段褶而未断， 以背斜构造样式进行调整，以适应下伏地层水平方 向上的收缩和垂向的差异升降，可以看出上部背斜 构造的形成和发展，受控于下伏的逆冲推覆构造作 用。关于逆冲推覆构造作用控制下的褶皱发育，早 在 20 世纪 80 年代， W R Jamison[16]根据断层与褶皱 的空间组合关系，提出断弯褶皱作用、断展褶皱作 用及断滑褶皱作用三种模式。研究区表层褶皱作用 与断坡关系密切，褶皱形成于断层终端，而且是断 坡形成的同时或近于同时发生的，属断展褶皱作用 图 5。至于该逆冲断层向南被背斜所代替，抑或是 沿奥陶系顶界面古风化壳柔性层铝土质泥岩顺层 滑脱而产生断滑褶皱作用的结果。 图 5隐伏反冲构造及其控制的上覆背斜构造在横剖面 上的组合示意图 Fig.5Combined sketch map of the concealed thrust fault and the overlying anticline controlled by the er 3构造成因与构造预测 研究区含煤岩系与上覆地层为连续沉积整合接 触关系，隐伏逆冲断层及其上覆背斜构造卷入的最 新地层为三叠系，表明该构造形成于三叠纪后。以 ChaoXing 6煤田地质与勘探第 44 卷 往研究成果表明，自三叠纪后，研究区经历了印支、 燕山及喜山三期构造运动，主压应力方向分别为近 南北向、北西西及北东向兼右旋剪切，并分别产生 近东西向逆冲挤压构造系、北北东–近南北向褶皱– 推覆挤压构造系、北东东向伸展断陷构造系。可见 不同期次构造作用因构造应力场的显著差异，在区 内留下不同方向、不同性质的构造组合形迹和构造 样式，其中喜山运动期在 NE 向挤压NW 向伸展 兼右行剪切应力场环境下形成的 NEE 向正断层系， 成为区内特征性构造样式。不难判断，新发现的隐 伏逆冲断层则是燕山期 NWW 向挤压应力场环境下 的产物。 燕山运动期构造应力来源于盆地周边，即由盆 缘向盆地内部推挤。在盆地边部形成指向盆地内部 的叠瓦式逆冲推覆构造和倒转–平卧复杂褶皱的区 域性挤压隆升构造系多被后期汾渭地堑系所破坏， 仅 在地堑边部部分残留。 如在研究区以北的韩城市龙 门山罗云山一线，由山前边界高角度正断层和其 西侧东倾西冲的逆掩断层及倒转褶皱共同构成。本 次新发现隐伏逆冲断层，断面西倾，指示由西向东 挤压和运动指向，与盆地边部逆冲断层由东向西的 主运动方向相反，且规模级次小于边部逆冲断层。 其形成机制应是研究区燕山期由东向西挤压隆升过 程中，盆地内部因阻抗来自东侧构造的强大挤压应 力，而产生的反向逆冲作用和构造变形响应，具明 显的反冲断层性质图 5。 该逆冲断层水平位移量沿走向向北有逐渐加大 趋势，推测该隐伏逆冲断层向北应继续延伸，进入 北邻的象山煤矿中深部资源续接区。根据断层发育 的一般规律，随着构造应力的长时间持续作用，一 方面该断裂本身不断发展和演化，另一方面在该断 层旁侧，尤其是前展方向西侧可能产生近同期、 低序次、小规模同向同性质断层，这一点也为新近 钻探工程所揭露。隐伏逆冲断层及其表层无根背斜 北强南弱的构造变形特征，与盆地边部同期褶皱– 推覆挤压隆升幅度和地层变形强度北强南弱的特征 遥相呼应，共同反映了燕山期构造应力北强南弱的 不均衡性和差异性。按北强南弱的构造变形强度空 间分布规律，推测在本区以北的韩城矿区北部，同 期、同向、同性质更大规模和更高级次逆冲构造是 可能存在的。 4控煤意义 新发现的南北向反冲断层，对煤层空间赋存状 况具主导控制作用，具体控煤意义有以下 3 点。 第一， 断层错断煤层， 并造成煤层重复与煤层厚 度局部增厚。上、下盘煤层落差在 190260 m，煤层 重复带宽度 260470 m，煤炭资源增储约 3 000 万 t。 第二，断层西盘煤层抬升，煤层埋藏深度相对 变浅，为今后在中深部区寻找埋深适中的有利资源 区块提供了可能。 第三，该断层是韩城矿区南中深部区最主要的 控煤构造，也构成了该区中深部重要的构造边界， 可为矿区远景规划、井田划分及矿业权设置提供构 造依据。 5结 论 a. 新发现的南北向深部隐伏逆冲构造西倾东 冲， 断面倾角为 2035， 断于石盒子组内和下伏含 煤岩系及其基底内，地层垂直断距为 190260 m， 水平断距 260470 m；浅部地层表现为同向展布的 不对称背斜构造。二者空间上密切共生，几何学和 运动学具相关性，成因上具统一性，浅层背斜构造 是深层逆冲作用控制下断展褶皱作用的结果。 b. 隐伏逆冲构造是燕山运动中期盆地内部因 阻抗来自东侧构造挤压应力，而产生的反向逆冲构 造作用响应。该逆冲构造错断煤层，造成煤层重复， 控制了煤层的空间分布，构成为韩城矿区南中深部 重要的构造边界。 c. 南北向逆冲构造的发现和构造成因的揭示， 填补和丰富了韩城矿区深部区控煤构造认识。对于 深入开展韩城矿区煤田构造发育规律研究，指导该 区煤资源评价和煤资源勘查实践具有重要现实意 义。今后煤、煤层气及专门水文地质条件研究与勘 查评价过程中，应得到特别注意和重视。 参考文献 [1] 王双明. 鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M]. 北京 煤炭工业出版社，1996. 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