新疆早–中侏罗世聚煤期同沉积构造及其控煤效应_夏玉成.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. China National Administration of Coal Geology, Beijing 100038, China Abstract The contemporaneous tectonic activity accompanying the coal accumulation from the beginning to the end has direct effect on the development degree of coal-bearing strata, and the original thickness and structure of coal seams in the Early-Middle Jurassic in Xinjiang. The synsedimentary tectonic activity, controlled by the Tethys-Himalayan geodynamic system, mainly shows synsedimentary reverse thrust and normal faults in the period. As a result, the subsidence velocity and range of the basement of coal-accumulating basins differ obviously in the Early-Middle Jurassic period in Xinjiang. Under the control of the Tethys-Himalayan geodynamic system, the depocenter and coal-bearing center of the coal-accumulating basin in the Early-Middle Jurassic period in Xinjiang show a tendency of migration from the west to the east and from the south to the north. Comparing coal-bearing region scale, the coal-accumulating strength and the overall subsidence range of the basement of basin present a negative correlation; Comparing coal basin or coal field scale, the relationship between the coal-accumulating strength and the subsidence velocity of the basin basement present positive correlation, parabola and negative cor- relation respectively. Key wo rds Early-Middle Jurassic coal-accumulating period; synsedimentary structure; tectonic control on coal; coal-accumulating strength; Xinjiang 构造作用是控制煤系和煤层形成、形变和赋存 的首要地质因素，其中，与聚煤作用同步发生的同 沉积期构造活动自始至终都与聚煤作用密切相 关，直接影响聚煤作用的进行，既控制沉积相带的 展布和含煤地层的分布，又直接影响煤层的厚度和 结构，并将其活动特征直接或间接地记录在盆地沉 积物中[1]。 新疆早–中侏罗世聚煤期发生的同沉积构造活 动，既有陆块的水平运动，又有陆块内部的差异升 降运动，但对聚煤作用影响最大、在地层记录中表 现明显的是后者。新疆的煤炭资源约占中国煤炭资 源总量的 35，是中国后备煤炭资源基地和煤炭工 业接续地[2]。开展新疆侏罗纪煤田同沉积构造控煤 研究，揭示聚煤盆地基底的同沉积差异升降运动对 聚煤强度的控制作用，将为新疆侏罗纪煤炭资源的 勘查和开发提供理论指导，同时进一步丰富和深化 ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 44 卷 构造控煤的研究内容，具有重要的理论意义和实际 应用价值。 1 同沉积构造的动力学和运动学特征 1.1 同沉积构造的动力学背景 石炭纪晚期，新疆北部的准噶尔、北天山及南 天山等小洋盆和陆间残余海盆相继关闭， 原来被分 离的西伯利亚古板块、哈萨克斯坦古板块、塔里木 古板块汇聚碰撞在一起。从二叠纪开始，作为欧亚 板块的一部分，进入板内构造演化时期[3-8]。中生 代以来，新疆南侧先后出现古特提斯洋、中特提斯 洋和新特提斯洋， 分别经历了从洋盆扩展→洋壳俯 冲→洋盆闭合→与欧亚板块碰撞的全过程[9-10]。从 古特提斯洋、 中特提斯洋和新特提斯洋的构造演化 表 1可见，虽然特提斯–喜马拉雅地球动力学体系 对新疆及其邻区的地球动力学作用以挤压为主， 但 在早–中侏罗世是挤压应力松弛，甚至出现区域拉 张应力的时期，为新疆早–中侏罗世聚煤作用创造 了良好的构造环境[11]； 晚侏罗世以后随着中特提斯 洋和新特提斯洋的逐步闭合及陆–陆碰撞，新疆及 其邻区受到愈来愈强烈的构造挤压应力， 山脉快速 隆升、盆地加速沉降[12]，使早–中侏罗世各种成因 的聚煤盆地全部转化为压陷盆地， 同时导致聚煤作 用终止。 表 1 特提斯洋的构造演化 Table 1 T ectonic evolution of Tethys Ocean 晚三叠世末 早–中侏罗世 晚侏罗世–早白垩世 晚白垩世–始新世 古特提斯洋 闭合 – – – 中特提斯洋 扩张 扩张达到顶峰 自东向西逐步闭合 – 新特提斯洋 – 迅速扩张 开始向北俯冲 自东向西逐步闭合 区域构造应力 挤压–拉张 拉张 挤压 挤压 注 “–”表示该时期未发生挤压或拉张活动 1.2 同沉积构造的运动学特征 由于构造作用控制聚煤作用的实质是建立或打 破升降运动速度与造煤物质堆积速度之间的平衡， 因而对于聚煤作用来说，各种构造作用形式所导致 的垂向升、降效应乃是最为重要的[13]。在陆相沉 积盆地均衡补偿沉积条件下，盆地充填物的厚度可 以代表盆地基底的沉降幅度或速度。一般而言，聚 煤盆地中煤系厚度愈大，说明盆地基底的同沉积期 沉降幅度愈大，或沉降速度愈快；煤系厚度差异愈 大，说明差异升降运动愈强烈。 根据新疆侏罗纪盆地沉积的空间分布及其厚度 变化图 1， 推断在侏罗纪时新疆区内差异升降运动 强烈，剥蚀区与沉积区的差异升降幅度大于千米， 最大可达 4 000 m 以上。发育在稳定地块上的盆地 前陆–克拉通盆地，同沉积构造活动主要表现为同 期褶皱运动，反映坳陷盆地的特征，但在盆地边缘 受同沉积断裂控制。其中，准噶尔盆地在天山北缘 同沉积断裂控制下， 发育成为南深北浅的箕状盆地， 沉积岩相和地层厚度主要反映在南北方向的变化； 塔里木盆地总体为近于对称的长轴近东西向展布的 椭圆形盆地，沉积岩相和地层厚度大体呈环带状分 布，但在天山南缘同沉积断裂控制下，库–拜煤田成 为另一个更大的沉积中心。 虽然在早–中侏罗世聚煤 期， 剥蚀区与前陆–克拉通盆地的总体升降幅度差异 较大，但同沉积构造活动表现为一个长期而缓慢的 过程，因而在某个时间段古地形差异比较小。相对 隆升的天山尚属于低山丘陵，其南北两侧虽有同沉 积断裂发育，却在沉积区形成深水黏土沉积[14]。 发育在褶皱带及其中 “中间地块” 稳定微地块 上的盆地山间盆地，同沉积构造活动主要表现为 同沉积断裂运动，反映断陷盆地的特征。这些盆地 一般面积较小，盆地充填物以粗碎屑为主。 由此可见， 同沉积断裂是造成新疆早–中侏罗世 聚煤盆地基底升降速度与幅度明显差异的主要构造 活动方式。 新疆早–中侏罗世聚煤期的同沉积断裂有 两种类型，其一为同沉积逆断层，例如准噶尔盆地 西北缘冲断带和天山北缘逆冲断裂[15-17]；其二为同 沉积正断层，以准南煤田硫磺沟与乌鲁木齐矿区之 间的同沉积正断层最为典型。 1.3 同沉积逆断层 准噶尔盆地西北缘冲断带为晚石炭世三叠纪 发育起来的大型叠瓦冲断系统， 被北西向横断层由西 南向东北分割为南北向的红–车断裂带、 北东向的克– 乌断裂带与北东东东西向的乌–夏断裂带 3 段[17]。 从地震剖面[17]图 2可见， 红–车断裂断面较陡， 推覆特征不明显。 在侏罗纪时， 红–车断裂停止活动； 小拐断裂活动较弱，但上盘石炭系处于隆升剥蚀状 态，构成了准噶尔盆地的西部边界；车 16 井断裂活 动较强，在其控制下，断层上下盘的侏罗系沉积厚 度差异巨大。 ChaoXing 第 2 期 夏玉成等 新疆早–中侏罗世聚煤期同沉积构造及控煤效应 3 图 1 新疆中、北部侏罗纪盆地沉积–构造示意图据文献[14] Fig.1 Schematic sedimentary and structural map of Jurassic basins in the center and the north of Xinjiang 图 2 红–车断裂带北段剖面地质结构据文献[18] Fig.2 Geologic structure of Hong-Che fault north section 克拉玛依断裂为克–乌冲断系统的前锋断裂， 石 炭系推覆体被剥蚀，上为三叠系不整合覆盖；三叠 纪期间，克拉玛依断裂为同沉积逆断层；侏罗纪该 断裂带活动减弱，但断层活动仍造成了侏罗系沉积 厚度和岩相的明显差异图 3。 乌–夏断裂带在三叠纪晚期侏罗纪仍在活动， 其中的乌兰林格断裂同样对侏罗系沉积厚度和岩相 产生了明显的控制作用图 4。 1.4 同沉积正断层 盆地内部发生的同沉积断裂对沉积环境和聚煤 作用同样有不同程度的控制作用。如准南煤田硫磺 沟与乌鲁木齐矿区之间的同沉积断裂上升盘一侧煤 系厚度较小，煤层厚度相对也较小，但煤层稳定程 度较高，下降盘一侧则反之图 5 和图 6。准噶尔盆 地早–中侏罗世聚煤期煤层富集最有利地区正是位 于该同沉积断裂下降盘一侧的乌鲁木齐一带[18]。 与此类似，天山含煤区的伊犁、吐鲁番、哈密、 尤路都斯、 焉耆、 库米什等一系列中–小型山间盆地， 普遍受引起天山内部差异性升降的同生断裂控制， 往往属单边断陷盆地，同沉积断裂的控煤作用也比 较典型。 图 3 克拉玛依断裂带中段剖面地质结构据文献[18] Fig.3 Geologic structure of Karamay fault middle section ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 4 夏 10 井冲断推覆体与乌兰林格冲断推覆体过渡部 位的剖面地质结构据文献[18] Fig.4 Geologic structure of the transitional section of thrust nappe of well Xia 10 and Wulanlinge 2 同沉积构造对聚煤作用的控制 2.1 盆地沉降和聚煤作用的时间差异性 通过对新疆主要聚煤盆地早–中侏罗世含煤沉 积特征表 2进行分析，可以得到以下认识 a. 部分盆地的沉降和聚煤作用从早侏罗世开 始，但遍及各个盆地的沉降和聚煤作用发生在中侏 罗世。 b. 盆地的沉降和聚煤作用自西向东发展。在外 准噶尔含煤区，位于西准噶尔界山褶皱带的托里盆 地，从早侏罗世开始沉降接受含煤沉积，而位于东 准噶尔界山褶皱带的巴里坤盆地、三塘湖盆地缺失 早侏罗世含煤建造。在天山含煤区，位于中–南天山 褶皱带西端的伊犁盆地从早侏罗世开始沉降接受含 煤沉积，是当时的赋煤中心[19]；伊犁盆地东南方向 上依次出现的尤路都斯盆地、焉耆盆地和库米什盆 地，早侏罗世盆地沉降幅度按上述盆地排列顺序递 减，同时含煤性依次变差，以至在库米什盆地缺失 早侏罗世含煤建造[20]。 在塔里木含煤区， 库车–满加 尔盆地、 托云–和田盆地从早侏罗世开始沉降接受含 煤沉积，而民丰–且末盆地则缺失早侏罗世含煤建 造。即使在吐哈盆地，也具有这一特征，西部的艾 维尔沟、托克逊、鄯善、吐鲁番从早侏罗世开始沉 降接受含煤沉积，而东部的沙尔湖、哈密、大南湖– 梧桐窝子、野马泉则只形成中侏罗世含煤建造。 图 5 准噶尔盆地南部早侏罗世八道湾组同沉积构造剖面图引自文献[21] Fig.5 Synsedimentary structural cross-section of Early Jurassic Badaowan ation in the south of Junggar basin 图 6 准噶尔盆地南部中侏罗世水西沟组同沉积构造剖面图据文献[21] Fig.6 Synsedimentary structural cross-section of the Middle Jurassic Shuixigou ation in the south of Junggar basin ChaoXing 第 2 期 夏玉成等 新疆早–中侏罗世聚煤期同沉积构造及控煤效应 5 表 2 主要聚煤盆地早–中侏罗世含煤沉积特征对比表 Table 2 Comparison of sedimentary characteristics of Early-Middle Jurassic coal- bearing series in principal coal accumulating basins 早侏罗世 中侏罗世 序号 聚煤盆地 煤系厚度/m 煤层厚度/m 煤系厚度/m 煤层厚度/m 1 福海山间坳陷 － － 843 5.5 2 白杨河谷地托里盆地 110979 544 942 25 3251 083 704 1338 30 3 巴里坤盆地 － － 542680 611 13155 56 4 三塘湖盆地 － － 400800 600 190 46 5 准噶尔盆地 71 200 275 0.268 26 61 000 275 0.3152 38 6 伊犁盆地 34500 281 4131 48 30410 218 0.3100 34 7 吐哈盆地 200600 338 175 22 200600 344 0.5159 18 8 尤路都斯盆地 274 15 500 2.5 9 焉耆盆地 196 0.821 2.5 256515 386 1438 26 10 库米什盆地 － － 557 1538 27 11 库车–满加尔盆地 375763 569 433 18 300803 552 0.5768 34 12 托云–和田盆地 1341 441 787 221 12 291 200 615 415 9.5 13 民丰–且末盆地 － － 1 0001 200 1 100 25 最小最大 平均 01 441 408 0131 21 61 200 562 0.3159 27 注表中数据由新疆煤田地质局勘探资料整理而得。 c. 盆地的沉降和聚煤作用由南向北发展。 在塔里 木含煤区，库车–满加尔盆地早–中侏罗世含煤地层为 克拉苏群J1–2k，分为四个组下统塔里奇克组J1t、 阿合组J1a、阳霞组J1y；中统克孜勒努尔组J2k。 其中塔里奇克组含 A 煤组、阳霞组含 B 煤组、克孜勒 努尔组含 C 煤组。而位于其北侧的尤路都斯盆地、焉 耆盆地和库米什盆地中，则缺失 A 煤组甚至 B 煤组。 d. 早侏罗世沉降幅度最大的盆地是位于天山 北麓的准噶尔盆地南缘准南煤田和昆仑山北麓的 托云–和田盆地； 中侏罗世沉降幅度最大的盆地是昆 仑山北麓的托云–和田盆地和民丰–且末盆地，外准 噶尔含煤区也接受了比较厚的沉积。 2.2 盆地沉降和聚煤作用的空间差异性 将早–中侏罗世含煤地层作为一个整体， 对各含 煤区的煤系厚度进行统计，可以发现各含煤区早– 中侏罗世盆地基底总体沉降幅度与聚煤作用的空间 差异性表 3。 从表 3 可见，盆地基底总体沉降幅度以塔里木 含煤区最大，外准噶尔含煤区次之，天山含煤区和 准噶尔含煤区较小。 但含煤性以准噶尔含煤区最好， 天山含煤区次之，外准噶尔含煤区又次，塔里木含 煤区相对较差。因此，从含煤区尺度进行比较，盆 地基底总体沉降幅度与聚煤强度呈负相关关系，即 盆地基底总体沉降幅度相对较小的区域往往可以形 成巨厚煤层。 表 3 主要聚煤盆地早–中侏罗世含煤沉积特征对比表 Table 3 Comparison of Early-Middle Jurassic coal-bearing sedimentary characteristics in principal coal accumulating basins 含煤区 聚煤盆地 煤系厚度/m 煤层厚度/m 福海山间坳陷 843 5.5 白杨河谷地 托里盆地 4352 062 1 248 2280 55 巴里坤盆地 542680 611 13155 56 外准噶 尔含煤 区 三塘湖盆地 400800 600 190 46 准噶尔 含煤区 准噶尔盆地 202200 550 0.5184 55 伊犁盆地 91910 429 2231 70 吐哈盆地 2001 100 513 1.5159 30 尤路都斯盆地 774 17.5 焉耆盆地 582 28.5 天山含 煤区 库米什盆地 557 1538 27 库车–满加尔盆地 1562129 1053 372 36 托云–和田盆地 1632641 1402 636 21 塔里木 含煤区 民丰–且末盆地 1 0001 200 1 100 25 注表中数据 2280/55 为最小值最大值/平均值。 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 44 卷 由上述特征推断，在早–中侏罗世，天山和昆仑 山与塔里木盆地之间的差异升降运动较天山以北区 域强烈；天山内部以及天山与准噶尔盆地之间的差 异升降运动相对较弱，地势较为平缓，对聚煤作用 更为有利。 2.3 同沉积差异升降对聚煤强度的控制 从含煤盆地或煤田尺度进行比较，新疆境内早– 中侏罗世聚煤强度与盆地基底沉降速度之间的关系分 别表现为三种类型 正相关型、 抛物线型及负相关型。 a. 正相关型 在外准噶尔含煤区的巴里坤盆地、 三塘湖盆地， 准噶尔含煤区的乌鲁木齐矿区，天山含煤区的伊犁 盆地等， 早–中侏罗世聚煤强度随着盆地基底沉降速 度的加快而同步增加，聚煤中心与沉积中心基本一 致图 7。具有这种相关关系的地区，造煤物质的堆 积速度相对较快，更确切地说，是盆地基底的沉降 速度小于造煤物质的堆积速度。因而，只有当盆地 基底沉降速度较快，以至其与造煤物质的堆积速度 达到了均衡状态的区域，才能为造煤物质的堆积提 供足够大的空间，从而有利于厚煤层的聚集。 图 7 煤系厚度与煤层厚度关系散点图 Fig.7 Thicknesses of coal seam and coal measures b. 抛物线型 虽然新疆大部分煤田早–中侏罗世聚煤强度随 着盆地基底沉降速度的加快而增加，但在地层厚度 大于某个值后，煤层厚度不增反降。这种关系在准 南煤田比较典型图 8， 当煤系厚度小于 1 500 m 时， 煤层厚度随着煤系厚度同步增加，而当煤系厚度大 于 1 500 m 时，煤层厚度出现变薄的趋势。又如， 在哈密盆地的大南湖–梧桐窝子煤田， 富煤带也发育 在地层厚度中等的地区350450 m。 c. 负相关型 在早–中侏罗世， 塔里木盆地与其南北两侧的昆 仑山和天山之间差异升降运动较天山以北区域强 烈， 位于塔里木盆地北缘的库车–满加尔盆地图 8、 西南缘的托云–和田盆地、 东南缘的民丰–且末盆地， 煤系的平均厚度均在 1 000 m 以上，而造煤物质的 堆积速度远小于盆地基底的沉降速度。因而，煤层 厚度与煤系厚度呈十分显著的负相关关系，富煤带往 往分布于坳陷中相对隆起的部位并呈串珠状排列。 图 8 不同盆地煤系厚度与煤层厚度关系散点图 Fig.8 Thicknesses of coal seam and coal measures in different basin 3 结 论 a. 新疆及其邻区中生代的地球动力学作用以 挤压为主，但在早–中侏罗世是挤压应力松弛，甚至 出现区域拉张应力的时期， 为新疆早–中侏罗世聚煤 盆地的持续沉降创造了良好的地球动力学条件。同 沉积断裂包括同沉积逆断层和同沉积正断层是造 成新疆早–中侏罗世聚煤盆地基底沉降速度与幅度 明显差异的主要构造活动形式。 b. 在同沉积构造活动控制下，新疆早–中侏罗 世含煤地层的发育程度和聚煤强度在时间和空间上 表现出明显的规律性变化。聚煤盆地的沉积中心和 赋煤中心有自西向东、由南向北迁移的趋势。 c. 从含煤区尺度进行比较，盆地基底总体沉降 幅度与聚煤强度呈负相关关系。盆地基底总体沉降 幅度以塔里木含煤区最大，外准噶尔含煤区次之， 天山含煤区和准噶尔含煤区较小。含煤性以准噶尔 含煤区最好，天山含煤区次之，外准噶尔含煤区又 次，塔里木含煤区相对较差。 d. 从含煤盆地或煤田尺度进行比较，新疆境内 早–中侏罗世聚煤强度与盆地基底沉降速度之间的 关系主要表现为正相关型、抛物线型及负相关型。 在外准噶尔含煤区的巴里坤盆地、三塘湖盆地，准 噶尔含煤区的乌鲁木齐矿区，天山含煤区的伊犁盆 地等新疆大部分煤田， 早–中侏罗世聚煤强度随着盆 地基底沉降速度的加快而同步增加，聚煤中心与沉 积中心基本一致；但在地层厚度大于某个值后，煤 层厚度不增反降，例如在准南煤田，当煤系厚度小 ChaoXing 第 2 期 夏玉成等 新疆早–中侏罗世聚煤期同沉积构造及控煤效应 7 于 1 500 m 时，煤层厚度随着煤系厚度同步增加， 而当煤系厚度大于 1 500 m 时，煤层厚度出现变薄 的趋势；位于塔里木盆地北缘的库车–满加尔盆地、 西南缘的托云–和田盆地、 东南缘的民丰–且末盆地， 煤系的平均厚度均在 1 000 m 以上，而造煤物质的 堆积速度远小于盆地基底的沉降速度，因而，煤层 厚度与煤系厚度呈十分显著的负相关关系，富煤带 往往分布于坳陷中相对隆起的部位。 致谢本文研究工作得到中国煤炭地质总局立 项支持，新疆维吾尔自治区煤炭地质局提供了基础 地质资料，对上述单位和参考文献作者谨表谢忱。 参考文献 [1] 黄克兴，夏玉成．鄂尔多斯盆地南部侏罗纪煤系基底构造活 动方式与聚煤作用[J]．煤田地质与勘探，1987417–22． HUANG Kexing，XIA Yucheng．Tectonic active modes and coal-accumulation of basement of Jurassic coal measures of southern margin of Ordos basin[J]． Coal Geology Exploration， 1987417–22． [2] 何深伟，李赛歌，王俊民，等．新疆煤炭资源赋存规律与资 源潜力预测[J]．中国煤炭地质，2011，23882–85． HE Shenwei，LI Saige，WANG Junmin，et al．Coal resources hosting pattern and prediction in Xinjiang[J]．Coal Geology of China，2011，23882–85． [3] 肖序常，汤耀庆，冯益民，等．新疆北部及其邻区大地构 造[M]．北京地质出版社，1992． [4] 陈哲夫．新疆开合构造与成矿特征的有关问题[J]．地质通报， 2004，233214–222． CHEN Zhefu． Problems relating to opening-closing tectonics and metallogenesis in Xinjiang[J]．Geological Bulletin of China， 2004，233214–222． [5] 何国琦．中国新疆及邻区大地构造图说明书 12 500 000[M]. 北京地质出版社，200412. 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