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第 45 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.2 2017 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China Abstract Based on the surface observation data, the new seismic exploration and drilling engineering data, using the research ideas and s of structural analysis, the paper carried out staged restoration of tectonic stress field, discussed the tectonic deation features, mechanism of tectonic ation and phase of deation. The tectonic deation characteristics and tectonic space combination relationship of the study area were analyzed, tectonic styles controlling coalbeds were divided, the tectonic origin was revealed, prediction and uation of the favorable coal-bearing areas were conducted. Research results show that there are 3 tectonic styles NEE squeezed block, NEE multiple graben and horst tectonics and NNE squeezed-stretched composite structure. NEE multiple graben and horst tectonics are major. Since the end of Trias, the study area has experienced NNW squeezed tectonic action during Indosinian movement period, NWW squeezed tectonic action during middle Yanshan movement period, NE squeezed-right rotated and NW-SE stretching action during Himalaya movement period. The maximum principal compressive stress position are 335, 285, 44 in turn. The normal faults in NEE direction are further developed along the early shear joint plane ed in the Himalaya movement period. The faults in NEE direction ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 45 卷 are the most important tectonic controlling the spatial distribution of coal seams. The degree of faults development controls the next step prospecting and mining process of coal resources. The northeastern part of the study area has moderate buried depth of coal seams, simple tectonics, is the most favorable area, through further exploration and uation, may become an important following resource block. Keywords fault; style of tectonic control of coal; tectonic stress field; tectonic origin; Weibei Permo-Carboniferous coalfield; Hancheng mining area 自 20 世纪 70 年代以来， 陕西省渭北石炭-二叠 纪煤田东部韩城矿区边浅部煤炭资源得到相继开 发，目前边浅部资源面临枯竭，亟待寻找新的矿产 资源接续地[1-3]。研究区地处韩城矿区南部，向北与 韩城矿区象山煤矿相毗邻，向南与澄合矿区自然衔 接， 面积约 170 km2。 区内以广泛出露三叠系为特征， 属掩盖式井田[4]。最新的勘查成果表明，区内普遍 发育 4、5、11 号 3 层可采煤层，可采煤层平均累计 厚度为 8.39 m，煤炭资源量十分可观。研究区因断 层发育而有别于其南、北邻区，最新的勘查工作证 实了以往构造认识[5-10]，一定程度地影响了该区资 源勘查与开发进程。 长期以来，尤其是二十世纪八九十年代，研究 区及其所在的整个渭北煤田受到地质学者的重视， 不少煤田地质构造研究工作涉及本区[11-16]。但多为 区域构造特征与区域构造演化论述，区内构造细节 涉及甚少[17-20]。依据最新综合勘查工程资料，在揭 露区内构造形态特征基础上，分析区内断层展布规 律、空间组合关系，划分构造控煤样式，进而揭示 构造成因与形成机制，阐明构造演化历程，开展煤 炭资源构造预测评价，从而指导研究区下一步煤炭 资源勘查与开发。 研究区构造区划归属于鄂尔多斯南缘渭北断隆 区[11]，位于鄂尔多斯盆地南缘东西向构造带东缘与 南北向构造带向弧形转弯部位，明显受二者的双重 影响，独特的构造位置造就了复杂而有序的构造应 力场环境，形成了特有构造型式[21-23]。 1 构造变形特征 研究区地层变形强度总体较弱，地层倾角一般 5左右，部分地段 1015。除北部向 W 缓倾外，其 余地段总体向 SSE 缓倾。在单斜构造面上，发育近 南北向延伸的波状起伏。轴迹向南统一向西偏转，与 研究区处于盆地东南缘弧形转弯构造部位相协调。 区内以断层发育而有别于南、 北邻区。 区内共有25 条断层，其中20 条正断层，5 条逆断层。按照断层性质 和断层走向， 可分为4 组 第1 组为NEE 向挤压构造系； 第2 组为NEE 向伸展构造系；第3 组为NNE 向挤压构 造系，第 4 组为 NNE 向反转伸展构造系，以第 2 组 为主，从而构成了勘查区最具特征的构造图1[12]。 图 1 研究区断裂系统分布图 Fig.1 Distribution of fault system of the study area 1.1 NEE 向挤压构造变形特征 NEE 向逆断层组分布于研究区南部，除 F46外， 其余断层断面倾向均为 SSE 向。 断距在数十米到数百 米，其中 F12最具规模，为一区域性的南倾北冲逆断 层，属渭北早期逆冲挤压变形区北界断层，走向延伸 120 余 km，断层产状 1611795∠ 580。在区内爱 帖村北沟内出露良好，上盘为上石盒子组下段，下盘 为孙家沟组一段，此处断距大于 350 m，近断层处， 上下盘变形强烈，挤压褶皱发育图 2，断层角砾岩不 甚发育，表明该断层具有一定的塑性变形特征。 图 2 F12爱帖村北沟出露段素描图 Fig.2 The sketch map of F12 in the northern valley of Aitie village ChaoXing 第 2 期 王辉等 韩城矿区南部构造变形特征与构造成因 3 1.2 NEE 向伸展构造变形特征 NEE 向正断层共 18 条，占研究区断层总数的 72。 多数断面平直， 断面倾角大， 一般为 75左右， 部分断层断面甚至直立，断距一般为数十米至百余 米，个别断层F7、F8、F13断距大于 200 m。断层两 盘岩层变形特征因岩石能干性、断面倾角、断距规 模、运动学机制及断层现今剥蚀深度差异等因素各 有差异，多数断层上盘因构造牵引表现为轻微的弧 形弯曲，部分断层因断面平直陡峻，上、下两盘岩 层无明显变形，仅 F8断层下盘临近断层处具较明显 的拖曳变形，其下盘上石盒子组薄层砂质泥岩夹砂 岩，因构造牵引变形强烈，形成牵引背斜，背斜南 翼靠近断层处产生明显的塑性拖曳和拉伸减薄现 象，岩层由远离断层近水平，到临近断层处地层倾 角增大到 37。研究区断层面多呈平面状，断层间 所夹地层总体向 SSE 缓倾，南部 7 条断层F10及其 以南倾向 NNW，与其间断夹块，形成反向正断层 组合，北部断层除 F105外，其余 10 条断层均倾向 SSE，与其间断夹块，多形成同向正断层组，说明 断层对地层倾向不起主控作用，地层倾向非断层活 动过程中旋转所致， 属平面状非旋转伸展构造模式。 断层两盘构造牵引现象不甚明显，近断层处与断层 走向同向分布的节理密集发育，说明绝大多数正断 层为近地表脆性变形环境下南北向伸展作用产物。 1.3 NNE 向挤压构造变形特征 近 EW 向构造挤压作用主要表现在研究区北 部，向南迅速衰减，造成北部地层隆升幅度大于南 部，致使研究区北部地层在总体抬升的背景下向西 缓倾，并在总体向西倾斜的单斜面上发育近南北向 延伸的宽缓褶皱，轴面略向东倾斜，由东向西，地 层变形强度逐渐变小，出露地层渐次变新，指示了 早期由东向西的近水平挤压机制。研究区东界韩城 大断裂F1在英山以北地段下西盘较好地保留了 早期由东向西的强烈挤压变形特征，形成一条由向 西陡倾的单斜、 倒转-平卧褶皱或逆掩断层组成的挤 压带，断层东盘根据相关钻探成果含煤岩系及其上 覆部分层段剥蚀殆尽。 另外，在研究区西部通过二维地震勘探发现一 组近 SN 向展布的隐伏逆冲断层组F2，断于含煤岩 系及其上覆一定层段内，断层倾向西，断面倾角 2035，地层铅直断距为 190260 m，煤层重复带 宽度为 260470 m图 3。通过地表精细观测，上覆 层段表现为一东陡西缓的背斜构造，东翼倾角 1030，西翼倾角 515，轴面西倾，指示由西向 东的运动学特征，与下伏逆冲断层西倾东冲的运动 学特征一致，背斜产于断坡处，是下伏逆冲断层上 盘沿断面爬升过程中上覆地层水平方向压缩而形成 的，依据背斜与断层的相互关系，该褶皱作用属断 弯褶皱，其形成机制为东侧挤压作用背景下，受盆 地内部阻抗而发生反向逆冲的结果。与 F1早期逆冲 挤压构造作用形成于同一应力场环境，空间上与 F1 遥相呼应，二者呈对冲关系，应具有一定的耦合性， 故将 F2也归入该组挤压构造。 图 3 隐伏逆冲构造与其控制的上覆褶皱构造示意图 Fig.3 Scketch of hidden thrust structure and overlying folds 1.4 NNE 向反转构造伸展构造变形特征 NNE 向伸展构造主要表现在研究区东界附近， 包括韩城大断裂F1及其分支构造 F6。韩城大断裂 F1现今表现为一向东陡倾正断层， 二维地震勘探表 明该断裂由一组阶梯状的正断层组成，断面倾向 SEE，倾角 6075，主断层断距大于 460 m，上盘 第四纪黄土广泛覆盖，下伏上新统保德组红土，基 岩未见出露，下盘在英山以北基岩出露良好。控制 了新近纪上新世红色砂泥建造的充填范围与现代地 貌分布格局，构成汾渭地堑的西界。下盘近断层处， 岩层变形复杂而强烈，较好地保留了早期挤压变形 的特征，奥陶系碳酸盐岩呈带状 NNE 向延伸，向 NWW 向陡倾，部分地段地层甚至倒转，沿倾向远 离断层，地层倾角迅速变缓，指示了早期由东向西 水平挤压作用。晚期新近纪上新世发生区域性伸 展断陷作用，部分地段沿袭早期挤压结构面形成了 现今阶梯状正断层组，是构造逆反转作用的结果。 F6与 F1基本同向延伸， 在研究区以北英山附近归入 F1，属 F1分支构造，上盘由第四系组成，下盘由石 盒子组薄层泥岩夹砂岩构成，在构造牵引作用下， 临近断层处具较明显的拖曳和拉伸减薄变形，形成 牵引背斜。断层处未见早期挤压变形特征， 说明该 断层是 F1逆反转作用过程中新派生出的分支构造。 1.5 构造空间展布规律与相关关系 自含煤岩系沉积期后研究区经历了多期构造运 动，形成了不同方向、不同力学性质、不同规模的 多组构造。区内以发育断层为特征，其空间展布复 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 45 卷 杂而有序，其中 NEE 向正断层最为发育，形成研究 区特征性构造。按照其时空关系，NEE 向挤压构造 形成最早印支期，分布于 F12断层及其以南地段， F12逆断层构成研究区乃至整个渭北逆冲变形区北 部边界断层；NNE 向挤压构造形成于燕山运动期， 主要分布于勘查区东北部，由 F1断层西盘挤压带及 其以西的西倾单斜构造组成，该地段因构造挤压抬 升，煤层埋藏深度变小；NNE 向伸展构造形成于喜 马拉雅期，主要分布于勘查区东北边部 F6及其以东 地段，由 F1及其分支构造 F6组成，是 NEE 向挤压 构造反转作用的结果，至今仍在活动，既构成汾渭 地堑西缘边界断裂，又是煤炭资源勘查开发边界； NEE 向伸展构造形成略晚于 NNE 向伸展构造，在 研究区普遍发育，相对而言，在 F12以北，DF1和 F8断层以南地段最为发育，断层密度与断层规模均 大于南、北相邻地段。 NEE 向构造是区内的主体构造， 既有 NEE 向高 角度逆断层，也有 NEE 向高角度正断层，二者同区 共存，其中以后者为优势。共同之处在于延伸方向 基本一致，且断层倾角均较大；区别在于①空间 分布规律不尽一致，前者仅分布在研究区南部，后 者全区均有发育；②断层发生层次有所差异，前者 上、下盘变形强烈，挤压褶皱发育，塑性变形特征 明显，后者两盘构造牵引现象不甚明显，多变形为 脆性特征F8断层下盘以薄层泥岩为主， 牵引特征明 显，可能与该盘岩石能干性与单层厚度有关，指示 了前者产生的构造层次相对后者深，形成时代也较 后者早；③断层规模有差异，前者断层走向延伸长 度与断距规模较后者大。 通过断面特征的野外观察， 前者逆反转特征不明显，后者也不具前者特征，具 明显的新生特征，故二者成生联系不大。 2 控煤构造样式 依据前述构造变形特征，按照地球动力学分类 方案[24-30]，将研究区构造样式分为伸展、挤压及具 有构造复合叠加性质的反转构造 3 类控煤构造样式， 其中伸展构造样式具体表现为 NEE 向复式地堑构 造，是区内最具特征的构造样式，挤压构造样式为 NEE 向挤压断块，反转构造样式表现为 NNE 向挤 压隆升伸展断陷复合构造。 2.1 NEE 向复式地堑构造 由区内 NEE 向平行或近平行排列的、断面倾 向相向正断层组及其所夹持的地层体组合而成。 南 部断层带表现为南升北降， 北部断层带主要表现为 北升南降，局部北降南升，形成次级堑垒构造，共 同构成一个不对称的复合地堑构造。 南部断层发育 密、走向延伸长、断距大、构造变形强，北部断层 发育稀少、走向延伸短、构造变形弱，指示了由南 向北由盆缘向盆内依次发展的前展式断层发育模 式图 4。 图 4 NEE 向复式地堑与 NEE 向挤压断块构造样式示意图 Fig.4 Structure styles of NEE multiple graben and NEE squeezed fault blocks 2.2 NEE 向挤压断块 该构造样式分布于研究区南部，属渭北煤田逆 冲挤压变形区北缘金锁关洞子崖挤压断块[12]东段 有机组成部分。由北缘 F12及其南侧的 F110、F109及 F46构成，断层倾角均大于 45，均属高倾角逆断层， 断层间夹持的地层变形程度较低，基本保持单斜形 态，褶皱不甚发育。 2.3 NNE 向挤压隆升伸展断陷复合构造 该复合构造分布于研究区北部，由 F1、F2、F6 及其所夹持的地层体共同组成。早期发生挤压隆升 构造作用，晚期发生伸展断陷作用。F1以西地段较 好地保留了早期来自东侧挤压应力环境下的挤压抬 升变形特征，地层东翘西倾，向东煤层抬升，埋藏 深度变浅，并在西北部形成 F2反冲断层。晚期伸展 断陷作用在研究区东界的 F6及其以东地区表现明 显，部分沿袭和改造了早期的压性结构面，形成向 东陡倾正断层组F1、F6，既构成汾渭地堑西缘边界 断裂，又是煤炭资源勘查开发边界图 5。韩城断裂 F1自上新世形成至今，一直持续活动[31]，控制了 现代地貌分布格局。 ChaoXing 第 2 期 王辉等 韩城矿区南部构造变形特征与构造成因 5 图 5 NNE 向挤压伸展复合构造样式 Fig.5 NNE squeezed-stretched composite structure 3 构造成因与构造演化 3.1 断层形成机制讨论 NEE 向高角度正断层形成机制通过野外精细 观测，多数 NEE 向正断层与先存的 NEE 向构造节 理空间上密切共生。喜马拉雅运动期主压应力方位 σ1为 NE 向，主张应力方位σ3为 NW 向，在此构 造应力场环境下，很易继承沿袭先存的普遍发育的 NEE 向构造剪节理面进一步发育而成同向正断层。 这可能是研究区乃至渭北断隆区 NEE 向高角度正 断层形成的根本原因。 NEE 向高角度逆断层形成机制勘查区位于鄂 尔多斯盆地南缘的北端，远离秦岭造山带230 km， 水平挤压应力向北逐渐减弱，在基底刚性较强的台 内更多的表现为南升北降的差异性升降运动。在南 北向水平挤压隆升作用下，派生了垂向剪切作用， 并在此基础上，进一步发育，形成断距较小的高角 度逆断层。 3.2 构造演化 晚三叠世侏罗纪，随着华南板块与华北板块 间秦岭洋消失，并发生陆-陆碰撞造山，导致了秦岭 造山带的形成[33-34]。受秦岭造山带的直接影响和制 约，盆地南缘逆冲系由南向北渐次推进，形成时代 上南早北晚，地层时代由南向北逐渐变新，各逆冲 岩块南翘北倾， 变形强度南强北弱的构造格局[12,35]。 研究区地处盆地南缘逆冲构造挤压带北端，远离动 力源区，该期构造变形主要分布在 F12以南地段， 主要表现为整体抬升、Ⅰ期共轭剪节理系及其 NEE 向高角度逆断层组。 燕山运动中期因库拉太平洋板块向 N 或 NNW 运动，而欧亚大陆向 S 运动。两者相向运动 中产生左旋剪切作用派生出鄂尔多斯盆地 NW 向挤 压应力场[11]，并导致东部隆升，西部坳陷，沉积中 心由东向西逐步迁移。受先存边界条件制约，研究 区挤压应力场由 NW 偏转为 NWW 向，形成 NEE 向和 NNW 向共轭剪节理，继而在研究区东邻地区 发生挤压隆升构造作用， 产生 NNE 向逆冲推覆或褶 皱构造，区内东北部受该期构造作用明显，地层抬 升幅度最大，并向 NWW 倾斜。构造变形强度由东 向西、由北向南逐渐减弱，并导致中、南部地层向 SSE 缓倾。 早白垩世以后的喜马拉雅运动期，研究区构造 应力场发生了根本性的转变。一方面由于来自 SW 方向的特提斯构造域侧向挤压鄂尔多斯地块占据了 主导地位，挤压方向由燕山中期的 NW 向为主转变 为 NE 向，在 NE 向斜向挤压应力场和盆地周缘先 存深大断裂的双重作用下，派生了右旋剪切作用[11] 和 NW-SE 向伸展作用；另一方面，因盆地周缘地 幔上隆，深部热流上升，导致表壳伸展减薄，逐步 形成汾渭地堑系[36-38]，并逐步向盆内扩展。研究区 处于渭河断陷盆地东北部边缘，不同程度地受到伸 展断陷作用的影响， 区内 NEE 向展布的特征性正断 层系，正是受 NE 向挤压，NW 向伸展拉张作用由 盆缘向盆内逐步扩展的产物。不对称复式地堑构造 样式，与渭河断陷盆地北部断面普遍南倾的情况不 甚协调，可能与深部热隆中心或其分支逐渐由南向 北，由盆缘向盆内迁移扩张有关。 4 含煤岩系构造变形分区与控煤意义 根据构造变形特征、 构造展布规律与相互关系 及构造变形程度差异， 从煤炭资源赋存条件和水文 地质条件角度， 将研究区分为 2 个构造分区 3 个构 造亚区。相关水文地质资料显示[39]，受 F12逆断层 阻隔作用，研究区分属 2 个独立的水文地质单元， Ⅰ区属合耀水文地质单元，Ⅱ区属韩城水文地质 单元。鉴于此，首先以 F12逆断层为界将勘查区分 为南Ⅰ 、北Ⅱ 2 个构造变形分区，然后根据断层 相对发育的程度，以 DF1和 F8断层为界将北区进 一步划分为北一1Ⅱ、 北二2Ⅱ2 个构造变形亚区 图 1。 Ⅰ区为挤压伸展复合构造变形区，由 4 条逆 断层和 4 条正断层组成，呈 NEE 近平行展布，伸展 构造与挤压构造并举，构造变形相对最为复杂。具 断层密度大、延伸长、断距大的特点。煤层连续性 遭受强烈破坏，严重影响煤炭资源勘查进度与后续 开发，属煤炭资源赋存条件一般区；Ⅱ区为伸展构 造为主构造变形区。其中2Ⅱ亚区为伸展构造强变 形亚区， 断层相对发育， 断层性质单一， 由 8 条 NEE 向延伸倾向相向的正断层构成，断距一般在 100 m 左右，构造变形相对较复杂，煤层连续性遭受破坏， 一定程度地影响煤炭资源勘查进度与后续开发，属 煤炭资源赋存条件中等区；1Ⅱ亚区为伸展构造弱 变形亚区，断层发育较少，断层走向延伸短，断距 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 45 卷 小，多在数十米，构造变形相对简单。煤层连续性 受到轻微破坏，煤层埋藏深度适中，属煤炭资源赋 存条件有利区。尤其是该亚区东部地段，煤层埋藏 深度最浅350600 m，断层稀少，成为煤炭资源赋 存条件最有利区，可优先安排下一步勘查工作。 5 结 论 a. 研究区构造位置独特，以断层发育而有别于 南、北邻区。印支构造运动晚期在 NNW 向挤压构 造应力场下，形成 NEE 向高角度逆断层组；燕山构 造运动中期在 NWW 向挤压构造应力场下，形成 NEE 和 NNW 向初始共轭剪节理系，并产生差异抬 升，研究区东北部隆升幅度最大，煤层埋深变浅； 喜马拉雅运动期在 NE 向挤压与 NWSE 向伸展作 用下， 东界燕山运动期形成的 NNE 向挤压构造发生 反转，产生了向东陡倾的阶梯状正断层组，形成煤 炭资源勘查开发边界。 区内先存的 NEE 向剪节理得 到进一步增强，形成区内最优势的构造节理，并在 此基础上进一步发育成 NEE 向正断层系， 从而构成 了勘查区最具特征的构造。 b. 深部地幔热流上涌，地壳伸展减薄下陷，盆 地周缘裂陷，并向盆内迁移逐渐扩张，是研究区乃 至渭北煤田 NEE 向断层形成的内在动力学来源。 c. 研究区可划分 3 种构造样式，分别为 NEE 向复式地堑、NEE 向挤压断块及 NNE 向挤压隆升 伸展断陷复合构造，以前 2 种为主。 d. 从控煤意义角度，以 F12断层为界将研究区 划分为南Ⅰ 、北Ⅱ 2 个构造变形分区，又以 DF1 和 F8断层为界将北区进一步划分为北一1Ⅱ、 北二 2Ⅱ2 个构造变形亚区，其中1Ⅱ亚区为煤炭资源 赋存条件有利区，尤其是该亚区东部，煤层埋藏浅， 构造简单，通过进一步勘查，有望成为韩城矿区重 要的资源接续地之一。 参考文献 [1] 李明培，李智学，邵龙义，等. 陕西省渭北煤田石炭–二叠系 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