永隴礦區東部邊緣煤層底板高差緣由探究

李 浩

(1.陜西省煤田地質集團有限公司 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710054；2.陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

永隴礦區屬隴東黃土高原南緣梁塬、溝壑區，總體地勢西北高、東南低。區內主要含煤地層為侏羅系延安組，其賦煤區受構造演化影響較大。在煤田地質資料的基礎上，應用構造地質學、沉積學理論，從構造演化、構造形變及構造控煤作用等角度，分析總結永隴礦區東部構造演化過程，以期明確構造演化對礦區東部邊緣賦煤區煤層底板高差的影響。

1 區域地質特征

1.1 構造

永隴礦區位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓折帶北緣。鄂爾多斯盆地在晚三疊世從華北地臺分離出來，形成一個獨立的構造單元。渭北撓褶帶屬盆地Ⅰ級構造單元，以蒿店—御駕宮大斷裂為界，以南稱銅川凸起，以北稱廟彬凹陷，屬盆地Ⅱ級構造單元(圖1)。廟彬凹陷又以構造特征及煤層發育程度的差別，進一步分為彬長坳陷與麟游折帶，屬盆地Ⅲ級構造單元，其界線東以太峪背斜為界，向西至閣頭寺、兩亭背斜一線。

圖1 永隴礦區構造位置簡圖

1.2 地層

永隴礦區地層區劃屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區，依據地質填圖、鉆孔揭露并參考以往資料，礦區地層由老至新有：三疊系中統銅川組(T2t)、三疊系上統延長組(T3y)、侏羅系下統富縣組(J1f)、侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、環河組(K1h)、羅漢洞組(K1lh)，新近系(N)及第四系(Q)。侏羅系中統延安組(J2y)為含煤地層，礦區自下而上發育三段，即延安組第一段、第二段和第三段。延安組第一段和第二段為其主要含煤地層，延安組第三段受到后期的沖刷剝蝕作用，殘留地層已無可采煤層存留，自下而上依次為3#煤～1#煤。

2 主要構造形跡

永隴礦區東部主要的斷裂和褶皺形成于印支—燕山期的構造運動，受力方向以南北向為主，形成一系列的褶皺、斷裂構造形態，主要呈北東向或近東西向展布。永隴礦區東部發育的斷裂主要是丈八—元朝斷裂，對區內影響較大的斷裂主要有草碧—圣人橋斷裂、彬縣—宮莊斷裂。研究區內褶曲較為發育，中部由南至北主要有：閣頭寺背斜、兩亭背斜、太賢—丈八溝向斜、左家溝—桑坪背斜、天堂—石家莊向斜、陽坡—春臺塬背斜；東部由南至北有：瑤遠背斜、太裕背斜、邵寨背斜等，如圖2所示。

2.1 斷裂構造

草碧—圣人橋斷裂：該斷裂為逆沖推覆構造[1]，主要分布于千陽縣草碧鎮—麟游縣兩亭—淳化縣圣人橋一線。該斷裂涉及加里東構造層和燕山層，是劃分渭北西部和北部鄂爾多斯地塊的邊界斷裂[2]，是華北地塊南緣燕山期構造活動帶與穩定地塊的分界線[3]，斷裂以南的華北板塊南緣卷入秦嶺燕山期陸內造山過程，斷裂以北活動相對較弱，主要表現為北東向沖斷和褶皺系統。

彬縣—宮莊斷裂：該斷裂為逆沖推覆構造，燕山期來自古太平洋動力系統的北西—南東向應力的作用[4]，造成了該斷裂的形成。

圖2 研究區及周邊構造綱要圖

丈八—元朝斷裂：根據丈八井田勘探報告，該斷層傾向北北東，正斷層，傾角50°，落差100～200 m[5]。

據韓家井田元朝村附近的鉆孔KT5314揭露情況：①巖層、煤層的破碎(圖3)；②地層有重復跡象(圖4)，推測該斷層應該延伸至韓家井田元朝村附近。

圖3 韓家井田煤層、巖層的破碎

圖4 韓家井田延安組三段地層的重復出現

2.2 褶曲

閣頭寺背斜：位于郭家河煤礦南部，為閣頭寺—硯汪臺北斜西段。軸部出露中侏羅統安定組，白堊統宜君組平行不整合于其上，向西傾伏。軸向呈北東東—近東西向延伸至礦區以外，北翼傾角變化大，東部3°～4°，中部10°；南翼傾角5°～16°。

兩亭背斜：位于研究區南緣，為一寬緩箱狀背斜。地表見于西川溝、折靈溝，向西延伸至兩亭，為大灣嶺—兩亭北斜向東延伸部分，軸向北東。軸部出露下白堊統宜君組(西川溝)及洛河組(南莊)，向西傾伏，北翼傾向330°～350°，傾角10°～15°，最大可達25°；南翼傾向150°～170°，傾角5°～8°，呈兩翼不對稱的較寬緩背斜，其南翼寬緩而北翼較陡。

太賢—丈八溝向斜：位于郭家河煤礦中部，南翼地層的傾角為4°～10°，北翼地層傾角為3°～5°，兩翼呈不對稱，較為寬緩。軸向近東西，軸部較為平緩，在太賢以西地區，軸部收縮并呈北東向，在太賢以東地區，軸向轉為東西向，最終向東部古河道尖滅。

左家溝—桑坪背斜：位于郭家河煤礦北部，據鉆孔揭露情況來看，西部中侏羅統直羅組超覆在三疊系之上，東部中侏羅統安定組超覆于三疊系之上。北翼傾角4°～5°，南翼傾角3°～5°軸部起伏，呈短軸背斜。

太裕背斜：東起彬縣太裕鎮，軸部為三疊系，為一寬緩箱狀背斜，軸向北東東，經底店、太陽寺區至大灣傾沒，進而向西延伸可與陽坡—春臺塬背斜相接，研究區內軸長約13 km。地表出露于太峪與拜家河之間，出露地層為下白堊統洛河組、侏羅系中統安定組及三疊系銅川組，向西傾伏。北翼傾向330°～350°，傾角8°～12°；南翼傾向60°～80°，傾角5°～8°。呈兩翼不對稱的較寬緩背斜，其北翼較陡而南翼寬緩。

邵寨背斜：位于研究區北部外圍，為隱伏構造，近北東走向，兩翼傾角小，僅4°～10°，屬成煤后期構造。軸部走向在西南的甘肅邵寨存在起伏抬高，至東北部大佛寺一帶軸部傾伏。

遙遠背斜：區域內遙遠背斜，東起永壽縣底角溝、平遙煤礦北。軸部為三疊系，向西延伸與閣頭寺背斜相接，軸部為延安組。研究區內為其北翼，最大傾角10°。

3 構造演化特征

3.1 印支期

華北地臺印支期地應力場的主應力方向為近似南北走向，磁北方向較東偏30°左右，據此恢復當時的主應力方向較東偏30°左右。受這一應力作用的影響，晚三疊世末印支構造運動晚期鄂爾多斯西緣發生弱褶皺，斷裂作用并不明顯[6]。弱褶皺作用使得永隴礦區西部上三疊統與上覆侏羅系之間形成微角度不整合接觸關系，造成了區內前侏羅系坳隆不平的古地貌特征。受近似南北應力方向的作用，研究區內此時形成的小褶皺大多近似東西走向。

3.2 燕山期

燕山期，受太平洋板塊向亞洲大陸俯沖的影響，伸展—擠壓作用交替演化[7]。早侏羅世至中侏羅世早期(燕山第一亞構造層，表1)研究區處于弱引張應力環境[8]，以伸展坳陷作用為主，區內地層整體發生沉降，形成了聚煤的坳陷地貌，促進了富縣組及延安組的沉積。至中侏羅世延安組末期，來自華南板塊與華北板塊中間的秦嶺造山帶的擠壓作用造成了鄂爾多斯盆地南北區域不均衡的抬升運動，中部及北部所受影響極小，盆地南部地殼抬升幅度和影響范圍較大，這一點研究區內直羅組與延安組的不整合接觸關系及局部延安組三段頂部殘存的紫紅色泥巖可以給予證明。擠壓作用致使研究區內的褶皺生成，后期伴有逆沖斷裂作用[9]，應力方向為近南北走向，受該應力方向的影響，研究區內的褶皺、斷裂大多為近似東西走向，區內的褶皺也大多在這一時期初具規模，丈八—元朝斷裂此時為逆斷層。擠壓抬升作用及后期直羅組底部的沖刷作用致使研究區內不但延安組四段、五段的沉積缺失，而且三段也在較大范圍內保存不全，更有很多區域無二段、一段或富縣組沉積，直羅組直接與延安組一段、富縣組或銅川組接觸，形成了直羅組與延安組、富縣組或銅川組明顯的不整合接觸關系。擠壓抬升、沖刷剝蝕的作用，最終使得研究區內的煤層沉積區域幾何形態初步形成。

中侏羅世—早白堊世燕山期，鄂爾多斯盆地全面進入強烈的擠壓成盆環境，地殼上部受到南北向擠壓應力作用，以褶皺和脆性斷裂釋放南北向的擠壓應力。由于在圣人橋斷裂帶的遮擋作用下，向北的應力沒有越過圣人橋斷裂[10]，故此這一應力作用對研究區內影響有限。另外，在二疊紀到侏羅紀時期，在西太平洋古陸與古亞洲大陸之間存在一個古洋盆，該古洋盆與特提斯相通，到三疊紀中晚期，由于印支運動的作用，使得古洋盆開始消減，到晚侏羅世—早白堊世時期(燕山第三亞構造層，表1)，古亞洲大陸與西太平洋古陸間接觸封閉并強烈碰撞[11]，應力方向為北西—南東向，受此應力的遠程效應影響，研究區內地殼再次抬升(研究區內沉積的安定組深紫色泥巖及洛河組的棕紅色砂巖可以較好的證明此時構造事件的強烈(圖5))，地層遭受風化剝蝕，區內褶曲、斷裂不同程度向北東方向扭轉，走向基本定形。

圖5 侏羅系安定組深紫色泥巖和白堊系洛河組棕紅色中粒砂巖

早白堊世末至晚白堊世(燕山第四亞構造層，表1)，屬鄂爾多斯盆地消亡并進入后期改造時期，盆地整體抬升[12]，渭北隆起開始發育，研究區全面隆升，不但晚白堊統地層沉積缺失，而且下白堊統地層也不同程度遭受到風化剝蝕。

3.3 喜山期

始新世開始，主要受印度次大陸向歐亞板塊下俯沖作用，青藏高原地塊向北東推擠，應力作用于鄂爾多斯地塊時，由西而東發展，由于受到來自東部地塊的對抗，致使渭河盆地裂陷，應力分解向南、向北作用。向北作用致使渭北隆起并向北西方向旋轉走滑，受此影響，黃隴侏羅紀煤田北部幾個礦區褶皺和斷裂由近東西向轉變為北北東、北東向，永隴礦區東部接近渭北隆起邊緣，也不同程度受到影響，丈八—元朝斷裂最終轉變為北北東向，礦區邊緣的太峪背斜走向也最終轉變為北東東向。向南作用致使秦嶺抬升并向南東方向旋轉走滑(從寶雞到藍田的秦嶺山脈南東走向最為明顯)。于此同時的伸展、斷陷作用導致了渭北隆起邊部出現斷塊翹傾的特征[12]。受其影響，丈八—元朝斷裂由逆斷層變為正斷層;礦區東南部邊緣出現翹傾，接受后期強烈風化剝蝕。據研究區東南部地層出露圖(圖6)來看，礦區東部由北西向東南出露地層依次變深，最深處可見奧陶紀地層，這說明了礦區東南部曾經遭受了強烈的沖刷剝蝕，從而印證了礦區東南部喜山期翹傾的特征。

4 構造演化對東部煤層底板高差影響

據煤田地質資料顯示，永隴礦區東部邊緣存在煤層底板高差大的情況，尤其是韓家井田(圖7)，鉆孔揭露數據顯示：韓家井田西部的ZK6116號鉆孔3煤底板高程為287.87 m，而東部的ZK0908鉆孔3煤底板高程為1 064.38 m(圖8)，兩者之間相差了776.51 m。現依據構造演化及井田東部賦煤特征，對這一現象分析如下。

表1 鄂爾多斯盆地及其周緣構造演化及構造層序表

圖6 研究區東南部地層出露圖

圖7 永隴礦區煤炭資源勘查程度分布圖

圖8 韓家井田東西部3煤賦煤情況示意圖

晚三疊世末，弱褶皺作用造成了區內坳隆不平的基底，該基底控制了富縣組和延安組的沉積，通常隆起部位沉積薄或缺失，坳陷部位沉積厚。早侏羅世至中侏羅世早期，以伸展凹陷作用為主，這為井田內延安組的沉積創造了條件，井田的東部與西部沉積了厚度相當的煤層，據鉆探揭露東西部均有厚煤層沉積。至中侏羅世延安組末期，由于擠壓隆升作用，導致了井田內太裕背斜的隆升，井田東部由于地處太裕背斜附近，隆升幅度較大，直接造成了井田內東西部地形高差變大。東部地層的隆升縱向上導致了韓家井田東部與西部煤層底板形成較大的高差，同時也致使上部地層易遭受沖刷剝蝕而不斷變薄(韓家井田東部的鉆孔ZK0910洛河組直接覆于三疊系之上)；在橫向上則導致了隆起區域的抬升邊緣由于邊界的剝蝕而不斷后退。至晚白堊世，由于韓家井田東部地處黃隴侏羅紀煤田的東南部邊緣，且距離渭北隆起東南部邊緣較近，受這一時期的渭北隆起邊部抬升早、中部抬升晚特點的影響，遭受沖刷剝蝕的時間較長，地層變薄或缺失可能性變大(韓家井田東部的鉆孔ZK0910環河組缺失)。至喜山期，由于伸展、斷陷的作用致使礦區東南部邊緣出現翹傾，受其影響韓家井田東部與西部底板高差再次加大，東部賦煤區再次遭受強烈沖刷、剝蝕，最終導致了現今東西部賦煤區底板高差的結果及東部目前獨立的兩塊賦煤區。

礦區東部邊緣的崔木煤礦及碾子溝煤礦整合區煤層底板高差大的原因和韓家井田東西部賦煤區煤層底板高差大的原因基本一致。

5 結論

(1)印支晚期的弱褶皺作用，應力方向近似南北，造成了區內近似東西的小褶皺形成；燕山期伸展—擠壓作用交替進行，伸展作用促進地層的沉降，擠壓作用造成地層隆升、褶曲及斷裂形成，受近南北走向擠壓應力的作用，區內褶皺大多近東西走向，斷裂多為逆斷層；喜山期的伸展、斷陷作用，促使研究區內的構造形態最終成形，東南部地層在前期抬升的基礎上發生翹傾。

(2)燕山期的擠壓抬升作用疊加喜山期的斷陷翹傾作用，最終導致了礦區東部邊緣賦煤區煤層底板高差大的結果。