沁水盆地中北部石炭–二疊紀煤系構造演化特征

林中月，劉 亢，魏迎春

沁水盆地中北部石炭–二疊紀煤系構造演化特征

林中月1,2，劉 亢2,3，魏迎春3

(1. 中國煤炭地質總局，北京 100038；2. 中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039；3. 中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

沁水盆地煤及煤層氣開發主要集中在盆地兩翼及南部轉折端，而對盆地中北部煤系能源礦產及構造演化問題略顯不足。通過還原聚煤期古構造和沉積環境，結合構造應力場和沉降史恢復等手段，綜合分析沁水盆地中北部晚古生代煤系形成過程及多期構造運動對煤系礦產賦存的影響。認為：研究區石炭–二疊聚煤期以北東向沉積坳陷控制了現今盆地構造格局，整體沉積環境由海陸過渡相向陸相過渡；印支期，盆地接受快速沉降，在深成變質作用下，形成煤系氣；燕山期，盆地遭到擠壓破壞，北東向主體向斜形成，煤系抬升，同時受巖漿熱作用，煤化程度提高，向斜兩翼煤及煤系氣遭到剝蝕和散逸；喜馬拉雅期，盆地遭拉張作用疊加破壞，西北部發育大型裂陷和大量正斷層，煤系氣發生部分逸散，主要富集在研究區中東部。

煤系氣；構造演化；沉積坳陷；印支期；燕山期；喜馬拉雅期；沁水盆地中北部

我國煤炭行業發展須遵循“節約、清潔、安全”的戰略方針，走與環境相協調的綠色煤炭發展方向。綠色煤炭的方向之一，即由“煤炭礦產”發展為“煤系礦產”——包括煤系氣、鈾、油頁巖等能源礦產；煤系高嶺土、隱晶質石墨等非金屬礦產；鎵、鍺、鋰、稀土等金屬礦產。其中，對煤系氣的共同開采可提高煤系氣資源開發與利用率，實現合采首先需要研究其不同相態、不同巖性儲層的煤系[1-4]。沁水盆地蘊藏豐富的煤炭、煤層氣、頁巖氣、致密氣等煤系礦產資源，2017年8月，在沁水盆地中北部武鄉—榆社區塊，勘探預測頁巖氣、煤層氣資源總量5 455.51億m3，其中頁巖氣資源總量3 040.95億m3，為超大型氣田[5-6]。前人對盆地內煤層氣、頁巖氣、致密氣的構造演化地質分別開展了研究，但少有學者將煤系視為整體，從構造演化過程探討其對煤系礦產賦存的影響及煤系礦產的連續性與聚集潛力。因此，針對沁水盆地煤系構造演化過程展開討論，對研究盆內煤系礦產共生聯采具有重要的理論和現實意義。

沁水盆地煤系礦產勘探與開發受構造作用控制，不同規模尺度的擠壓推覆、拉張伸展構造組合樣式在盆地內廣泛發育[7-8]，目前，煤及煤層氣勘探開發主要集中在盆地主體向斜兩翼及南部轉折端淺部地區，本文以沁水盆地中北部為例，在結合前人對沁水盆地構造格局認識的基礎上，利用野外調查、二維地震、鉆探、煤礦揭露等數據，通過聚煤古構造和沉積環境恢復、構造應力場恢復、沉降史分析、綜合解釋等手段，分析晚古生代含煤地層的形成過程及多期構造運動對煤系能源礦產賦存的影響，探討沁水盆地中北部構造演化歷史。本文所述煤系能源礦產指石炭–二疊紀煤炭及該時代地層作為烴源巖或儲層的煤層氣、頁巖氣、致密氣資源。

1 地質背景

研究區為沁水盆地中北部，北為五臺山隆起，西南為霍山隆起，東為太行山隆起，南部為沁水盆地腹地，區內主要控制性構造除沁水復向斜本身外，包括東部的晉獲斷裂帶和西部的晉中裂陷盆地(圖1)。晉獲斷裂表現為擠壓性質，斷裂逆沖將晚古生代及更老的地層推至地表遭到剝蝕。晉中裂陷盆地作為汾渭裂陷帶的一部分控制了研究區西部構造格局，表現為疊瓦狀鏟式正斷層，尺度達到地殼底部，晚古生代煤系被巨厚新生代沉積物所覆蓋，晉中裂陷兩側拉張作用形成的塹壘形式正斷層組合在西山向斜和沁水向斜西翼北部密集分布，控制了煤及煤系氣資源的賦存。

圖1 沁水盆地中北部構造綱要

研究區及周緣賦存的地層有太古界，元古界，古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生代三疊系及新生代新近系、第四系。缺失奧陶系上統、志留系、泥盆系、石炭系下統、侏羅系、白堊系。盆地中部出露主要為三疊系和新生界地層，其中在部分塹壘結構中保留有少量侏羅紀地層，向斜東西兩翼有石炭–二疊系含煤地層出露。沁水盆地石炭–二疊系是在奧陶系古風化殼之上發育的一套海陸交互相至濱海瀉湖沼澤相含煤建造，在其中的本溪組、太原組、山西組和下石盒子組底部發育大量暗色泥頁巖、砂質泥巖和煤層，是煤與煤系氣資源賦存的主要層位[9-12]，含煤地層總厚度186.5 m，其中太原組平均厚度為70.0 m，煤層厚度平均6.36 m，山西組平均厚度52.3 m，煤層厚度平均4.3 m。

2 聚煤期古地理古構造環境

對研究區鉆孔、露頭、煤礦等48組地層數據分析，統計目標地層厚度、礫巖厚度及層數、煤及炭質泥巖厚度、砂巖厚度及比例、灰巖厚度及比例、泥巖厚度及比例等。恢復研究區該地層沉積時代的隆起、凹陷和盆地輪廓，以及物源方向、海河湖等沉積相分布等聚煤期古地理和古構造特征。

2.1 煤系礦產沉積基底特征

本區基底為太古界及元古界的變質巖，根據磁場異常分析，本區存在3個異常構造帶，反應出前寒武構造格局為：北部離石–太原–陽泉異常帶，是沁水古基底與北部阜平穩定基底的構造過渡帶；東側為左權–長治古裂陷異常帶；西南方為中條古構造異常帶，中間為沁水古陸基底。在加里東階段，整個華北不存在加里東褶皺，早古生代地層沉積具有明顯的繼承性，中奧陶世之后華北地層整體抬升，經過100 Ma的風化夷平，形成相對穩定的盆內構造，為晚古生代大規模的煤炭聚集提供極好的環境[13-14]。

2.2 本溪期古構造古地理格局

晚石炭世本溪期，沁水盆地構造格局以陽泉—榆次一帶NE向沉積坳陷為主，海侵從東北部順該坳陷進入盆地，該時期沉積地層最大厚度61 m，是盆地和周邊地區的最大沉積厚度，同時南部長治—晉城一帶地層變薄，存在NNE向的隆起構造。該時期的沉積環境以東北部的碳酸鹽陸棚相向西南潟湖和潮坪相逐漸過渡為特征，有利于煤及炭質泥巖的發育，但沉積時間短，不利于大規模聚煤作用發生。本溪期的NE向構造沉積環境奠定了該地區晚古生代古構造形跡以NE向分布格局的基礎(圖2a)。

2.3 太原期古構造古地理格局

太原期古構造格局繼承了本溪期，地勢北高南低，以NE向坳陷為主，沉積中心為陽泉–左權–霍州一帶，最大厚度138.5 m，即現今沁水盆地中部及北部一帶，反映沉積盆地有向南遷移的趨勢，研究區總體隆起與坳陷幅度很小，沉積環境以碳酸鹽陸棚、潟湖、潮坪、三角洲平原為主，整個區域處于下降沉積的過程，有利于聚煤作用的發生。同時，由于北部陰山古隆起的幅度和范圍不斷擴大并向南推進，陸相沉積環境開始向南過渡，沁水盆地以北忻州–朔州–大同一線逐漸過渡為三角洲與河流相沉積環境，由海相向陸相沉積環境轉變的區域構造條件已逐步形成(圖2b)。

圖2 沁水盆地北部晚石炭世—早二疊世聚煤古構造地理環境

2.4 山西期古構造古地理格局

早二疊世山西期盆地以北的陰山古陸持續隆起，并繼續向南推進，陸相沉積范圍進一步擴大。研究區及周邊存在太原—祁縣、左權—長治兩處NE向沉積坳陷和臨汾—霍州NE向隆起，地層厚度為40~60 m，厚度差已沒有前兩期明顯，沉積相以潟湖、潮坪、三角洲前緣、三角洲平原為主，是北東向構造格局下相對穩定的聚煤沉積環境(圖2c)。

早二疊世末海水全部退出，結束了海陸交互沉積，僅在下石盒子組底部發育煤線，進入中二疊世，開始了純陸相沉積，聚煤作用也由此而告終。

3 古構造應力場分析

研究區內各時代地層中節理廣泛發育，且多以共軛剪節理形式出現，甚至同一觀測點出現多組節理共存、相互切割的現象。根據區內小構造發育的特征，通過野外構造數據采集，確定了以共軛剪節理統計為主，縱彎小褶皺、小斷層分析為輔的方法模擬古構造應力場。共完成46組共軛剪節理的應力狀態數據統計，8個地區的縱彎小褶皺、斷層分析，可將研究區自中生代以來所經歷的古構造應力場分為3個期次。

第一期構造應力場在本區內最為發育，主壓應力為SEE—NWW向，統計平均值為120°∠10°，發生于燕山期的中晚期(圖3a)。在本期NWW—SEE向的擠壓應力下，沁水坳陷形成NNE向緩和開闊的沁水復向斜，局部地區褶皺較緊閉。研究區東側的晉獲斷裂帶在燕山期活化，由西向東逆沖變形，使研究區東部地層翹起，遭受強烈的抬升剝蝕。該期應力場造成沁水盆地中北部石炭–二疊煤系形成以來最明顯的一次構造擠壓變形，形成NNE向壓性構造和NW向、NEE向共軛剪切構造，由此奠定了研究區構造的基本格架。

第二期最大擠壓應力方向為NNE—SSW向，統計平均方位28°∠7°，發生于新生代早期(圖3b)。在NNE—SSW向擠壓應力作用下，沿最小應力方向發生應力松弛，導致清交斷層等新生代正斷層的產生，形成晉中裂陷的雛形。該期應力場對研究區的影響沒有第一期構造應力場強烈，但擠壓應力作用使研究區繼燕山期后持續抬升遭受剝蝕，普遍缺失白堊系、古近系。

圖3 沁水盆地中北部古構造應力場最大主壓應力軸跡線

第三期應力場主要以NNW—SSE向伸展作用為主，并輔以NEE—SWW向的擠壓，最大擠壓應力平均方位為73°∠11°，發生于喜馬拉雅期(圖3c)。在此之前，沁水盆地中北部與整個山西斷塊一起處于隆升遭受剝蝕的狀態。中新世至上新世，由于受西太平洋板塊俯沖、中國西南部印度板塊和歐亞板塊碰撞作用的共同影響，形成了山西地塹系。研究區西北部的晉中裂陷形成于此次拉張應力，導致研究區西北部NE—NEE向的高角度正斷層密集發育，形成了研究區現今的構造格局。

4 沉降史分析

在研究區選取12個鉆孔數據，采用回剝分析法，劃分5個地區進行沉降史模擬研究，恢復盆地中北部沉降過程(圖4)。地層年齡依據2015年發布的國際年代地層表。因晚古生代以來本區古水深變化較小，未在模擬中計算。剝蝕量的恢復采用區域地質綜合分析法，根據本區地層殘余厚度及地表出露情況，結合鄰區地層厚度進行分析，估算被剝蝕的地層厚度。

①段 晚石炭世—中二疊世，曲線下降，斜率較小。研究區沉降速率緩慢，沉降量不斷加大，本溪組、太原組、山西組煤系發育并被沉降埋藏。

圖4 沁水盆地中北部沉降曲線綜合模式

②段 晚二疊世—早三疊世，曲線下降，斜率較大。本區受印支運動影響不大，以快速、大幅度繼承性沉降為主，煤系埋深不斷增加。

③段 中三疊世至晚三疊世，曲線下降。中三疊世開始，沁水坳陷東部逐漸抬起，西部緩慢沉降。晚三疊世沉降速率減緩，為燕山運動做準備。

④段 侏羅紀—白堊紀，曲線上升。在燕山運動SEE—NWW向強烈的擠壓下，研究區全面隆起遭受剝蝕，改造了煤系賦存狀況。東部地層抬升剝蝕幅度大于1 000 m，普遍缺失侏羅系、白堊系，僅在本區西北部有少量中侏羅統出露。

⑤段 新生代，曲線上升。受NNE—SSW向擠壓應力作用，研究區繼燕山期后仍處于隆升剝蝕狀態，表現為多旋回的抬升改造，普遍缺失白堊系和古近系。

⑥段 新近紀，曲線下降。喜馬拉雅運動NNW—SSE向拉張使研究區轉為沉降狀態，完成了沁水盆地中北部現今構造格局。受西北部晉中裂陷的影響，研究區西北部沉降量大，覆蓋了較厚的第四系。

5 聚煤期后盆地構造演化模式

5.1 晚古生代煤系氣賦存階段

海西期，整個華北開始接受沉積，晚石炭世—早二疊世，本區在海水進退過程中形成了太原組和山西組。印支運動期間，中國的南北板塊進行拼接，研究區遭受南北向弱擠壓，但在研究區內部含煤地層東西向構造痕跡較少，研究區繼承性沉降，早期以快速、大幅度沉降為特點，沉降速率平均達115 m/Ma。晚期，沉降速率降至18 m/Ma，但總沉降量近3 000 m，使煤系埋深不斷增加，隨著壓力和溫度的提高，煤的變質程度增加，同時也為煤系氣形成提供了必要條件。

5.2 中生代構造成盆階段

燕山運動早期，構造運動強度相對較弱，盆地內部水平擠壓和垂向抬升幅度小，向斜核部仍沉積了部分侏羅紀地層，所以該時期研究區為中心接受沉積，兩側隆升剝蝕的狀態，剝蝕由盆地兩側向中心遞減。由于基底在水平上的不均一性，燕山運動造成的NWW—SEE向擠壓在沁水盆地以復式向斜表現，在沁水盆地西北部發育次級向斜，軸部中心在清徐—交城以西一帶，向斜的一部分為現今西山向斜的雛形(圖5a)，剖面位置如圖1所示。

燕山運動后期，構造活動劇烈，地層垂向變動強度增大，全區整體處于隆起抬升狀態，普遍缺失J3—K的地層[15]。盆地東側太行山強烈隆起，在盆地東翼逆沖性質的晉獲斷裂將元古代地層推至古生代之上，受其影響，武鄉南、榆社東南地區抬升速度和剝蝕量都大于其他地區。同時，西北部祁縣一帶巖漿巖活動劇烈，并在狐偃山噴出地表，西山次級向斜抬升幅度大于沁水盆地主體部分，并在清徐東一帶含煤地層被抬升至地表遭到剝蝕，沁水盆地構造形態基本形成(圖5b)。

SEE—NWW向的擠壓應力在華北中部地區普遍存在，是晚古生代煤系形成以來所經歷的最明顯的一次構造擠壓變形。首先，本期次全區剝蝕幅度平均800 m，東部超過1 000 m，導致煤系抬升埋藏變淺，煤的深成變質環境發生了變化，同時由于巖漿活動作用，全區大部分煤系疊加了區域巖漿熱變質作用，有機質熱演化程度提高，煤級達到貧煤、無煙煤；另外，向斜兩翼的構造應力集中區改變了煤系的構造賦存狀態，導致煤系被抬升剝蝕，煤系氣從露頭和斷裂處散逸。

5.3 新生代疊加破壞階段

新生代早期，區域應力場以NNE—SSW向擠壓為主，在沁水盆地西北側體現為NWW—SEE向拉張環境，發育大量正斷層，西山向斜與沁水主向斜仍為一體相連，整個沁水盆地處于抬升狀態，該期地層無沉積，侏羅紀地層幾乎完全剝蝕[16-17]，僅在西北側部分塹壘結構中殘留(圖5c)。

圖5 聚煤期后沁水盆構造演化過程示意

喜馬拉雅運動在印度板塊對歐亞板塊的強烈碰撞的背景環境下，NEE—SWW向的強擠壓在華北地區表現為NNW—SSE向拉張，形成斜貫整個華北的汾渭地塹系。研究區內，SW向擠壓與北向阻撓的疊加，南北向表現為順時針的剪切作用，東西向表現為拉張。在清徐—交城一帶拉張作用最為強烈，并沿早期發育的正斷層繼續形成規模尺度巨大的犁狀正斷層組合，地塹內快速沉積巨厚N—Q地層，形成晉中新裂陷盆地。此時，西山向斜從沁水盆地主向斜分割出去，沁水盆地北部的現今構造格局形成(圖5d)。本階段是對沁水盆地的構造疊加破壞階段，大部分煤系繼續抬升，裂陷盆地內則被巨厚新生代地層覆蓋，同時西北部地區發育的大量正斷層破壞了煤系氣的賦存條件，煤系氣有利聚集區轉移至沁縣—武鄉—榆社一帶。

6 結論

a.沁水盆地中北部石炭–二疊紀聚煤期以NE向沉積坳陷為主的古構造環境奠定了現今構造格局基礎。其中，本溪期在祁縣–榆次–陽泉一帶、太原期在武鄉–左權一帶、山西期在祁縣–太原和長治–左權一帶發育沉積坳陷，整體沉積環境由海陸過渡相向陸相過渡。

b. 印支運動期間，盆地接受沉降，煤系受構造運動破壞較小，在深成變質作用下煤變質程度提高，煤系氣資源生成并賦存于煤系中。

c.燕山運動期間，盆地遭到SEE—NWW向擠壓破壞，NE向向斜形成，煤系抬升，同時受到巖漿熱接觸作用，煤化程度提高，向斜兩翼煤及煤系氣資源遭到剝蝕或散逸。

d.喜馬拉雅運動期間，盆地遭到疊加破壞，NWW—SEE向拉張作用由東向西增強，盆地西北部發育大型裂陷盆地和大量正斷層，煤系氣資源主要在研究區中東部聚集。

e.沁縣–武鄉–榆社一帶在石炭–二疊紀聚煤期泥頁巖廣泛發育，泥頁巖累計厚度大，全區發育穩定；在印支期該區沉降埋深加大，煤變質程度高，形成煤系氣；在燕山期、喜馬拉雅期該區遭受擠壓拉伸破壞影響較小，是煤系氣資源的有利區。

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Characteristics of tectonic evolution of Carboniferous-Permian coal measures in the north-central Qinshui basin

LIN Zhongyue1,2, LIU Kang2,3, WEI Yingchun3

(1. China National Administration of Coal Geology, Beijing 100038, China; 2. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China; 3.College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

By restoring the paleo-tectonic and sedimentary environment of coal accumulation period, combining with the tectonic stress field and subsidence history, the formation process of Late Paleozoic coal measures in the North-central Qinshui basin and the influence of multi-stage tectonic movement on the occurrence of coal measures minerals were comprehensively analyzed. It is considered that during the C-P coal-accumulating period, the NE-trending sedimentary depression controlled the present tectonic framework of the basin. During Indosinian period, the basin underwent rapid subsidence and formed coal measures gas under the action of deep metamorphism. During Yanshanian period, the basin was destroyed by compression, the NE-trending main syncline formed, and the coal measures strata were uplifted. At the same time, due to magmatic heat, the degree of coalification increased, and the coal and coal measures gas on both sides of syncline were dissipated due to denudation. During Himalayan period, the basin was destroyed by the superimposition of tension. Large-scale rifts and a large number of normal faults developed in the northwest of the basin. Coal measures gas was partially evaporated and mainly enriched in the middle and eastern part of the study area.

coal series gas; tectonic evolution; sedimetary depression; Indosinian period; Yanshanian period; Himalayan period; the middle and the north of Qinshui basin

P618.11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.014

1001-1986(2020)02-0085-07

2019-08-20；

2019-11-23

國家自然科學基金項目(41972174)

National Natural Science Foundation of China(41972174)

林中月，1982年生，男，內蒙赤峰人，博士，高級工程師，從事煤田地質科技工作.E-mail：linyue_1982@163.com

林中月，劉亢，魏迎春. 沁水盆地中北部石炭–二疊紀煤系構造演化特征[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：85–91.

LIN Zhongyue，LIU Kang，WEI Yingchun.Characteristics of tectonic evolution of Carboniferous-Permian coal measures in the north-central Qinshui basin[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：85–91.

(責任編輯 范章群)