东海西湖凹陷构造演化及控煤作用_李居云.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-07-20 基金项目 国家科技重大专项项目（2011ZX05023） Foundation itemNational Science and Technology Major Project（2011ZX05023） 作者简介 李居云（1989），男，江苏沛县人，硕士研究生，从事构造地质的相关研究. E-maillijycumt 引用格式 李居云，姜波，屈争辉，等. 东海西湖凹陷构造演化及控煤作用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）22-27. LI Juyun，JIANG Bo，QU Zhenghui，et al. Tectonic evolution and control of coal in Donghai Xihu sag［J］. Coal Geology Exploration，2016， 44（5）22-27. 文章编号 1001-1986（2016）05-0022-06 东海西湖凹陷构造演化及控煤作用 李居云 1，姜 波2，屈争辉2，尹 诗1，许 将1，李 佩3 （1. 中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西 西安 710199；2. 中国矿业大学资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116；3. 河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘察院，河南 郑州 450001） 摘要 西湖凹陷是经历了多期构造作用的新生代弧后盆地。在对其区域构造和其内部构造特征分 析的基础上，利用平衡剖面技术，探讨西湖凹陷构造演化特征及控煤作用。研究结果表明西湖 凹陷具有“东西分带、南北分块”的构造格局；受区域演化的影响，西湖凹陷构造演化可分为断陷 期、坳陷期和区域沉降期；聚煤前的平坦地形、聚煤期的同沉积构造坡折带的发育及聚煤期后一 系列反转构造，造就了西湖凹陷现今煤层气赋存特征。 关 键 词西湖凹陷；平衡剖面；构造演化；构造控煤 中图分类号P618.11；P539.2 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.004 Tectonic evolution and control of coal in Donghai Xihu sag LI Juyun1， JIANG Bo2， QU Zhenghui2， YIN Shi1， XU Jiang1， LI Pei3 （1. Aerial Remote Sensing of China National administration of coal geology， Xi′an 710199， China； 2. School of Re- sources and Earth Science， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 3. No.4 Institute of Geological Mineral Resources Survey of Henan， Zhengzhou 450001， China） Abstract Xihu sag is a Cenozoic back-arc basin which experienced multi-episodic tectonic setting. Based on the analysis of characteristics of regional structure and its internal structure， on the basis of using balanced section technique， the tectonic evolution characteristics of Xihu sag and control of coal were discussed. The results showed that Xihu sag has the structure of “Zonation in latitudinal direction and blocking in longitudinal direction” pattern. Under the control of the regional evolution， Xihu sag tectonic evolution can be divided into fault depression stage， depression stage and regional subsidence stage. Coal accumulating effect before the flat terrain， coal accumulating period of development of syndepositional structural slope-break zone and coal accumulating a series of inversion structures， which ed the current CBM regularity of Xihu sag. Key words Xihu sag； balanced section； tectonic evolution； structural control of coal 西湖凹陷位于东海盆地“三隆四盆”构造格局 的中间部位，走向 NNE，面积约 5104 km2，属 于在活动大陆边缘基础上发育起来的新生代弧 后盆地［1］。始新统平湖组暗色泥岩和煤是西湖凹 陷的主力烃源岩［2-3］，近十几年的研究发现，西湖 凹陷内平湖组煤系的发育规律和构造控制已经 成为制约西湖凹陷下一阶段油气勘探的关键［4-6］， 本文在前人研究的基础上，通过对区域构造背景 的分析，利用平衡剖面技术探讨西湖凹陷构造特 征及沉积演化过程，进一步分析富生烃洼陷的构 造控制作用。 1 地质背景 东海陆架盆地位于亚洲板块的东南缘，处于欧 亚板块、菲律宾板块和太平洋板块的交界地带，为 中、新生代叠合盆地［7］。作为西太平洋巨型俯冲体 系的组成部分，将东海作为一个沟、弧、盆统一演 化的系统进行考虑已被广泛接纳，并逐渐认识到自 中生代以来，东海的演化受太平洋板块向欧亚板块 的俯冲及周缘构造域的控制［8］，为一系列向东迁移 的弧后盆地。 西湖凹陷为东海盆地的次级构造单元， 其演化一方面受区域演化格局的控制，另一方面受 ChaoXing 第 5 期 李居云等 东海西湖凹陷构造演化及控煤作用 23 东西两侧先期和后期打开的金山-钱塘-丽水-椒江 等凹陷和冲绳海槽的影响［9］。新生代西湖凹陷以陆 源碎屑沉积为主，最大沉积厚度超过 15 000 m，自 下而上依次发育了始新统平湖组，渐新统花港组， 中新统龙井组、玉泉组和柳浪组，上新统三潭组及 第四系的东海群。作为盆地主力烃源岩，平湖组沉 积时期内盆地是咸水-半咸水环境，早-中始新世为 海侵期，盆地沉积为半封闭海相沉积；中始新世中 期为海侵最盛时期， 在中南部形成畅通的海湾沉积， 在西部斜坡带发育潮坪沉积， 局部可见三角洲沉积； 总体来看，平湖组时期的沉积体系由下而上依次发 育海湾、半封闭海湾泻湖、潮坪沼泽及三角洲沉积 体系［10］。中新世晚期，海水逐渐退出，沉积环境从 海相转为海陆过渡相的半封闭海湾沉积。 2 盆地构造特征 西湖凹陷构造形迹以 NNE 向为主，东西两侧 发育相向倾斜的生长正断层， 中央发育贯穿南北的 背斜，西湖凹陷因此呈现出“东西分带”的特征，自 西向东依次发育西部斜坡带、三潭深凹、中央背斜 带、白堤深凹、东缘断裂带。同时，受冲绳海槽中 北部和南部先后打开的影响，西湖凹陷在东西分带 的基础上叠加了南北分块的特点（图 1）。 西部斜坡带 自北向南可划分为迎翠轩等六个构造带， 断层多以 NE 向和 NNE 向为主，呈雁行排列，自南向北断层 逐渐增多，局部发育鼻状构造，剖面上呈现出两组 相向倾斜的阶梯状正断层组成的地堑，局部见 Y 型组合（图 2a，图 2b，位置见图 1 中（2）、（6）测线）， 南部以“Y”字型断裂为主；中央背斜带平面呈“S” 形展布，西临三潭深凹与西部斜坡带相隔，东靠白 堤深凹与东部断裂带相望， 自北向南构造发育程度 减弱，划分为龙井构造带、西泠构造带、苏堤构造 带。平面上，断层受后期构造反转和剪切作用的改 造， 走向变化较大， 但总体呈 NE 向的雁行状排列， 多发育复合型的背斜构造［11］， 以西泠构造带南端为 界，北部具明显背斜隆起，南部转变为多个小型褶 曲呈波状连续发育； 东部断裂带可划分为北部的北 高峰构造带、南部的灵隐构造带，该区主要发育早 期张性断裂， 虽然断裂数量不多， 但规模一般较大， 多发育陡坡状、“Y”字形构造、花状构造等（图 2c， 图 2d；位置见图 1 中（4）、（5）测线）。该区后期岩 浆侵入活动较强，在一些边缘部位难以识别其原 有的断裂形态，同时岩浆侵入可能会破坏先存的 油气藏。 图 1 西湖凹陷构造纲要图（宋小勇等［6］修改） Fig.1 Tectonic outline map of Xihu sag 3 西湖凹陷构造演化 基于区域构造背景分析，选取凹陷内 9 条典型 地震解释剖面（图 1），运用平衡剖面技术，进行研究 区新生代以来构造演化分析，将西湖凹陷新生代以 图 2 西湖凹陷局部构造样式 Fig.2 Regional tectonic style of Xihu sag ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 44 卷 来的演化划分为三个阶段古新世-始新世断陷期、 渐新世-中新世拗陷期、 上新世-第四纪区域沉降期。 断陷期盆地内的同沉积生长断裂控制了盆地发育形 态，同沉积构造坡折带控制了煤系烃源岩展布；之 后盆地经历了多期构造反转［12-13］，对煤系烃源岩的 发育及赋存状态具有重要的控制作用。 3.1 古新世始新世断陷期 古新世以来，受太平洋弧后扩张的影响，古琉 球岛弧首次裂解，于新生的钓鱼岛火山弧与残余的 凸起间形成西湖凹陷。盆地边缘断层控制了盆地的 初始样式，形成了西高东低的箕状断陷盆地。随着 太平洋板块 NNW 向俯冲作用逐渐增强，并在始新 世 中 后 期 达 到 高 潮 ， 盆 地 内 形 成 了 一 系 列 由 NNE-NE 向断裂构成的地堑、半地堑［14］。伴随盆地 迅速拉张断陷，西湖凹陷发生了广泛海侵，盆地内 的阶梯状同沉积断层控制了沉积分布，随着断距的 不断增加沉积厚度逐渐增大，最终形成了西薄东厚 的始新统地层（图 3a-A）。始新世晚期，由于太平样 板块俯冲方向由 NNW 转变为 NWW 向，造成西湖 凹陷所受应力环境由拉张向挤压过渡，断裂活动强 度衰减，对沉积的控制作用也减弱，且随着西湖凹 陷的整体抬升，原有的地堑、半地堑拓宽，沉积了 一套半封闭海湾相平湖组地层。 平湖组是研究区主要的含煤地层，具有煤层多、 厚度薄、分布广、变化小等特点［15］。下段和中段沉 积时西湖凹陷处于强烈断陷期。 先期形成的穿过基底 的盆缘断裂， 随断陷的演化而不断生长， 且东部强于 西部，使平湖组整体呈由西向东渐厚的楔形（图 3a-B）。 3.2 渐新世中新世坳陷期 自晚始新世太平洋板块突然转向以来，西太平 洋的俯冲作用主要表现在马里亚纳海沟处，这一过 图 3 西湖凹陷构造演化剖面（剖面位置见图 1） Fig.3 Structural evolution section of Xihu sag ChaoXing 第 5 期 李居云等 东海西湖凹陷构造演化及控煤作用 25 程一直持续到中新世晚期，在此期间，马里亚纳弧 后的帕雷斯维拉盆地于 28 Ma 前打开，受马里亚纳 弧后持续扩张及琉球海沟弱俯冲的影响，来自帕雷 斯维拉盆地扩张作用经琉球沟弧转变为对西湖凹陷 的挤压，这种挤压应力于始新世末代替之前的拉张 环境成为主导，一方面使得凹陷缓慢抬升，海水自 北向南逐渐退去，并出露水面遭受剥蚀，另一方面 使地层缓慢下弯形成坳陷［16］。抬升作用主要发生于 太平洋板块转向之后至花港组沉积之前，下弯作用 则主要发生在花港组-龙井组沉积期间， 导致花港组 与下伏平湖组间存在明显的沉积间断，形成于坳陷 背景下的花港组-龙井组表现为中间厚两边薄的形 态特征，盆地由断陷期进入坳陷期。西部斜坡带的 同沉积断裂作用减弱、停止，中部原张扭性断层发 生构造反转，并在此之上发育褶皱构造，形成中央 隆起带雏形； 东部遭受强烈挤压作用形成“Y”字形构 造，盆地南部花港组地层减薄剥蚀。 晚中新世，太平洋板块再次活动，并向琉球海 沟和马里亚纳海沟俯冲，致使两列岛弧继续后退， 冲绳海槽和马里亚纳海槽同时打开，这两列岛弧后 扩张经残余的钓鱼岛火山弧，至西湖凹陷表现为强 烈的挤压应力，同时由于冲绳海槽北部较南部打开 较早， 所以此时西湖凹陷所受的挤压应力北强南弱， 导致西湖凹陷在坳陷的基础上西部、中部和东部相 对隆升，并发生强烈的构造反转，最终形成了西部 斜坡弱反转构造带、中央构造反转带和东缘反转断 褶构造带的东西分带格局。该期构造反转主要表现 在三个方面其一，位于凹陷北部的西部边界基底 断裂反转并向上切穿玉泉组地层；其二，凹陷中部 和东部始新世形成的小型张性断裂反转，部分向上 切穿至花港组或龙井组（图 3a-E），部分未向上切穿， 但由于上盘反转在上覆地层中形成背斜（图 3b-E）； 其三，强烈挤压形成新的逆断层，此类构造较为局 限，主要发育于中央隆起带及其两侧次级凹陷中， 以花港组为中心的上下地层。 强烈的挤压反转后，应力作用渐趋平静，并开 始接受柳浪组沉积，尽管此时应力作用较弱，仍有 部分断层活动将其切穿（图 3a-F）。 3.3 上新世第四纪区域沉降期 上新世以来，随着冲绳海槽早期的扩张部位向 东迁移，盆地进入了区域沉降阶段，沉积了巨厚三 潭组、东海群，逐步形成了现今的构造形态。 4 构造控煤分析 西湖凹陷特殊的构造演化历程，对煤层构造格 局产生深远的影响，聚煤期前后凹陷的演化控制了 煤层的发育及后期改造。 a. 聚煤前 古新世以来，琉球弧后扩张中心东移，钓鱼岛 火山弧裂离，并与残余岛弧间形成西湖凹陷雏形， 构成受新生岛弧围限的向南开口的海湾环境，并在 断陷的背景下首先接受古新世宝石组沉积填平，地 形较为平坦， 为始新世平湖组煤系沉积奠定了基础。 b. 聚煤期 西湖凹陷始新统平湖组煤系下段和中段形成于 强烈断陷背景，上段形成于太平洋板块俯冲方向突 然转向导致的断陷向坳陷转换背景，盆地演化方式 及同沉积断层作用是控制聚煤的主要因素。 聚煤时强烈的断陷作用及太平洋板块的突然转 向会使得研究区沉积环境频繁更替，应是造成西湖 凹陷平湖组煤层多而薄的主要原因。断陷主要表现 在中生代形成 NE-NNE 向断裂构造的同沉积生长， 一方面盆地两侧主断裂的生长控制了西湖凹陷的形 态，由于东部断裂生长较西部显著，而表现为东倾 的箕状盆地，沉积物具有东断西超的特征；另一方 面，西部斜坡带主断裂附近发育一系列与其平行或 斜交的小型生长断层，并随着弧沟的后退而随之东 移，与主断裂一起构成了西湖凹陷西部的坡折带， 该构造带可“捕获”来自西部物源的碎屑物质形成沉 积中心，如果是植物碎屑则可在合适的沉积环境下 形成泥炭堆积，并随断陷的进行而不断向东迁移。 由于始新世晚期太平样板块俯冲方向由 NNW 转变为 NWW 向，造成西湖凹陷所受应力环境由拉 张向挤压过渡，断裂活动强度衰减，对沉积的控制 作用也减弱。平湖组下段沉积时盆地处于较为强烈 的断陷阶段，此时三角洲相沉积主要发育在凹陷北 部（图 4a），适宜成煤；中部区域属于抬升剥蚀区， 三角洲相沉积发育局限，煤层几乎不发育；南部三 角洲相对不发育，煤层厚度相对较薄（图 5a）。平湖 组中段沉积时期，由于区域构造环境的改变，凹陷 西北部抬升遭受剥蚀，水体向南东方向发生海退， 三角洲沉积面积逐渐变大，成煤中心向南迁移（图 4b）。此时煤层主要发育在凹陷西部斜坡带，且煤层 厚度有所增加（图 5b）。平湖组上段沉积时期，凹陷北 部继续抬升， 水退强烈， 三角洲沉积范围扩大（图 4c）， 煤层分布范围扩大，此时煤层展布受三角洲影响强 烈，平面上呈鸟足状产出（图 5c）。平湖组煤系厚度表 现为西部和南部较大，东西向厚度变化较大的特点。 c. 聚煤后 平湖组即受始新世末-渐新世初玉泉运动影响， 隆升接受剥蚀，并使西部局部地区缺失平湖组中段 或上段，导致尚未成岩的有机质堆积长时间暴露或 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 4 西湖凹陷平湖组沉积环境演化图 Fig.4 Depositional environment evolution of Pinghu group in Xihu sag 图 5 西湖凹陷平湖组煤层厚度分布 Fig.5 Distribution of Pinghu Group coal seam thickness in Xihu sag 接近地表，因被氧化而降低“质量”；随后该区下降 进入坳陷阶段，接受渐新统-中新统巨厚沉积，这一 过程凹陷处于挤压应力环境，一方面导致煤系深埋 藏而有利于生烃，另一方面挤压应力环境有利于煤 层气藏的保存；中新世后期，由于冲绳海槽北部和 中部打开，导致挤压应力显著增大，强烈的挤压作 用改变了原盆地构造格架，在坳陷的基础上形成纵 贯南北的北强南弱的中央隆起带，并导致前期断层 发生反转，从而更有利于煤层气藏的保存。 5 结 论 a. 西湖凹陷位于东海盆地次级构造单元，整体 具有“东西分带、南北分块”的构造格局，同时盆地 内的同沉积构造和反转构造的发育，使西湖凹陷构 造变得更为复杂。 b. 受区域演化格局的控制，同时受东西两侧 先后打开的金山-钱塘-丽水-椒江等凹陷和冲绳 海槽的影响，将西湖凹陷构造演化分为断陷期、 坳陷期和区域沉降期。断陷期强烈的断陷作用及 太平洋板块的突然转向，使得盆地内沉积环境频 繁更替，造成西湖凹陷平湖组煤层具有多而薄的 特点。 c. 聚煤前平坦的地形、聚煤期同沉积构造坡折 带的发育为平湖组煤系提供了充裕的储存空间，聚 煤后发生的的一系列反转构造，为西湖凹陷现今的 煤层气富集特征提供了条件。 ChaoXing 第 5 期 李居云等 东海西湖凹陷构造演化及控煤作用 27 参考文献 ［1］ 熊斌辉，王春红，张锦伟，等. 西湖凹陷龙井运动特征［J］. 中 国海上油气，2008，20（2）77-81. 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