淮北煤田构造特征和形成机制_方婷.pdf

第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY structural features; paleotectonic stress field ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 45 卷 淮北煤田位于华北板块东南缘、郯庐断裂左 侧，构成徐宿弧形推覆构造带的前缘及外缘带，该 区特殊的构造位置、构造形态以及丰富的煤炭资源 引起了广泛的关注，前人对徐宿地区推覆构造及其 弧形展布特征的研究较多[1-10]，对分布在该区的一 些煤矿的构造特征也进行了详细的分析[11-18]，取得 了丰富的成果。笔者拟通过对淮北煤田所属矿区或 井田进行构造解析，结合野外地质调查，对淮北煤 田的构造分区、构造期次及形成机制等方面进行研 究，以期对淮北煤田勘探开发提供基础地质资料。 1 地质概况 1.1 地层和煤层 淮北煤田地层自下而上包括太古界、上元古界 青白口系、南华系、震旦系，古生界寒武系、奥陶 系、石炭系、二叠系，中生界侏罗系、白垩系，新 生界古近系、新近系和第四系。石炭–二叠系是区内 含煤岩系，总厚度1.3 km，其中二叠系山西组和下 石盒子组为主要含煤层位，上石盒子组煤层局部可 采图 1。 图 1 淮北煤田地层层序及主要含煤地层综合柱状图 Fig.1 The comprehensive histogram of sequence and coal-bearing strata in Huaibei coalfield 1.2 区域构造 淮北煤田位于华北板块东南缘，东以郯庐断裂 与扬子板块相隔，西以夏邑断层为界与河南沉降带 为邻，北以丰沛断裂与丰沛隆起相接，南以太和 五河断裂为界与蚌埠隆起相邻。淮北煤田在加里东 运动以后，石炭–二叠纪及早三叠世地层连续沉积， 地层的原始厚度大。中、晚三叠世的印支事件，使 中国东部地区经历了华北与华南板块的碰撞–拼 贴，完成统一的中国古大陆，形成近 EW 向的特提 斯洋构造域。中侏罗世开始的燕山事件，库拉–太平 洋板块向西俯冲，形成 NNE 向太平洋构造体系。淮 北煤田及邻区由于受多期构造运动的叠加，近 EW 向大断裂和 NNE 向大断裂纵横交错，形成了网状断 图 2 淮北煤田构造纲要图 Fig.2 Structural outline map of Huaibei coalfield ChaoXing 第 3 期 方婷等 淮北煤田构造特征和形成机制 3 块构造，近 EW 向断裂有丰沛断层、宿北断层、板 桥–固镇断层、太和–五河断层等；NNE 向断裂有夏 邑断层、丰涡断层、固镇–长丰断层等图 2。 2 构造特征 2.1 构造分区 淮北煤田构造格局呈现南北分异、东西分带的 特征，以宿北断层为界分为南北两个构造区图 2。 北部构造区Ⅰ区处于徐宿弧形推覆构造主体部位， 萧县背斜及其以东地区为推覆上覆系统Ⅰ–1 区，萧 县背斜以西地区为逆冲推覆构造的下伏系统Ⅰ–2 区； 宿北断裂以南，板桥–固镇断裂以北为南部构造区 Ⅱ区，是第四系覆盖的全隐伏区，以西寺坡断层 为界，西寺坡逆冲断层及其以东地带Ⅱ–1 区，位 于徐宿弧形构造带东南末端，属逆冲推覆构造上覆 系统，西寺坡断层以西为外缘带Ⅱ–2 区，属推覆 体下伏系统。 2.2 划分依据及各区特征 宿北断裂位于淮北煤田中部，是区内最大的一 条 EW 向断裂带，具有正断层和左行走滑性质，是 南北两侧重要的地质和地貌分界线。淮北煤田是徐 宿弧形推覆构造带的主体部分，推覆构造由逆冲推 覆断层、上盘外来推覆体和下盘原地系统组成，推 覆体和下盘地层具有不同的构造样式和演化阶段， 因而将推覆体的前缘断层作为次级分区界线。 2.2.1 北区推覆体Ⅰ–1 区 构造线呈弧形展布，由北向南为 NE–SN–NW 向，向西弧形突出。以逆冲断层为主，断面主要走 向 NE–SN–NW，倾向 E。发育褶皱样式为侏罗山式 隔档式褶皱，即背斜核部窄，向斜宽。由东向西 褶皱主要有时窑背斜、支河向斜、黄藏峪背斜、闸 河向斜和萧县背斜。背斜核部为寒武奥陶纪地 层，向斜核部为石炭–二叠纪煤系，但受构造控制， 煤矿规模不会太大，构造复杂。 闸河矿区位于萧县濉溪一带，位于淮北煤田 北区逆冲推覆构造的上覆系统，为一复式向斜构 造，东为皇藏峪复背斜，西为肖县复式背斜图 3。 闸河矿区的褶皱构造包括 NNE 向的黄藏峪背斜、闸 河向斜、萧县背斜、窦庄背斜以及 NWW 向的朱庄 背斜与张庄背斜和向斜，其中 NNE 向的闸河向斜为 一复式向斜构造，位于皇藏峪背斜和萧县背斜中 间，核部为石炭–二叠纪地层，翼部为奥陶寒武纪 地层，向斜中部被 NW 走向的断层平移。区内发育 NNE 向逆冲断层和 NWW 方向的正断层兼平移性 质2 种，NNE 向的逆冲断层主要发育在闸河向斜东 西两侧皇藏峪背斜和萧县背斜的两翼，与背斜枢纽 走向基本一致，断层倾向 SEE，构成叠瓦状组合形 式；NWW 向正断层主要发育在闸河向斜两翼，倾 向 NNE 或 SSW，构成地堑或地垒组合形式，并左 行或右行平移错开二叠纪煤系。 图 3 闸河矿区构造纲要图 Fig.3 Structural partition map of Huaibei coalfield 2.2.2 北区推覆体原地系统Ⅰ–2 区 构造线走向 NNE，断裂构造以正断层为主，褶 皱较为宽缓，如大吴集向斜等。石炭–二叠纪煤系埋 深较大，深部煤炭资源较为丰富。 睢萧矿位于北区逆冲推覆构造的下伏系统 ， 地层 总体走向 NNE，向 NW 倾斜。褶皱构造有 2 组，第 1 组褶皱枢纽为 NNE 向，该组褶皱多形成于燕山早 期，与徐宿弧形推覆构造同期或者稍早。第 2 组褶皱 枢纽走向 NNW，严格地受 NNE 向构造限制，其形 成时间比 NNE 向构造稍晚，应归属于燕山晚期。区 内断裂构造发育，主要分为 2 组，第 1 组以 NNE 走 向的正断层为主。第 2 组以 NW 向的逆断层为主， 如孟口断层、陈集断层等。还发育有 NNE 方向展布 的陷落柱，推测与该方向张性断裂有关，燕山晚期 NNE–SSW 方向挤压，形成 NNE 方向的张性断裂。 2.2.3 南区推覆体 Ⅱ–1 区 构造线走向 NNW，原本与Ⅰ–1 区推覆体连接 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 45 卷 在一起，位于受弧形推覆体南侧，在弧形构造形成 过程中，发生顺时针旋转，使其构造线转为 NNW， 后期受宿北断裂伸展、走滑影响，左行平移、下降 至现在位置。宿东向斜呈不对称向斜构造，轴向 NNW，轴面倾向 NE，向斜 SW 翼地层平缓，NE 翼 地层陡倾。向斜两翼发育 NW 向逆冲断层，断面走 向 NW，倾向 NE。背斜核部为寒武奥陶纪地层， 向斜核部为石炭–二叠纪煤系。 宿县矿位于宿北断裂以南第四纪覆盖区。矿区 内以西寺坡断层为界，断层上盘发育 NW 向褶皱和 逆断层，西寺坡断层下盘发育 NNE 向短轴褶皱。 2.2.4 南区推覆体原地系统Ⅱ–2 区 构造线以 NNE近 SN 为主，以正断层为主， 晚期伸展构造，分割成 EW 和 NNE 向断块构造格 局。褶皱多以开阔短轴褶皱为主，自东向西的褶皱 主要有宿南向斜、宿南背斜、南坪向斜、童亭背斜、 五沟向斜和涡阳向斜等。向斜较宽缓，核部为石炭– 二叠纪地层，煤炭资源丰富，但埋深较大。 临涣矿区位于南区逆冲推覆构造的下伏系统， 东西界线分别为南坪断层和丰涡断层，南北界线分 别为板桥固镇断层和宿北断层，主要发育轴向 NNE近 SN 向和 EW 向褶皱，自东向西依次为南 坪向斜、童亭背斜、五沟向斜和石弓背斜；近 EW 向的褶皱有临涣向斜等图 4。 图 4 临涣构造纲要图 Fig.4 Structural outline of Linhuan coalfield 童亭背斜为该区发育最完整的褶皱，主轴近 SN，南北两端分别向 SE 和 NW 扭曲，其枢纽分 别向 SE 和 NW 倾伏，背斜被一系列走向 NNE 和 NE 的正断层斜切成长条式的地堑和地垒相间的 构造块体。童亭背斜两翼发育石炭–二叠纪含煤地 层，沿着背斜四周有任楼矿、孙疃矿、童亭矿等， 为临涣矿区主要产煤区块。 各构造分区特征如表 1 所示。 表 1 淮北煤田构造分区主要构造特征简表 Table 1 The main tectonic characteristics in structural partition of Huaibei coalfield 一级 北区Ⅰ 南区Ⅱ 二级Ⅰ–1 Ⅰ–2 Ⅱ–1 Ⅱ–2 构造线弧形 NESNNNE NNW NNE近 SN 性质逆断层、正断层 正断层 逆断层、正断层正断层 褶皱 样式 线状褶皱 褶皱较 为宽缓 不对称褶皱 短轴褶皱 3 形成机制 通过对淮北煤田各矿区构造解析和区域地质 资料综合分析，笔者认为加里东事件后的漫长地 质历史中，该区构造变形微弱，连续沉积了上古 生界石炭系和二叠系含煤地层，印支事件、燕山 事件对该区影响较大，形成了现今淮北煤田的构 造格局。 3.1 近 EW 向构造 宿北断层是区内最大的 EW 向构造，为主干断面 向南倾斜的正断层， 该断层在安徽省内延长约 240 km， 宽 46 km， N 盘东段由古生代地层组成的线状褶皱， S 盘新近系厚度达 3 km。该断裂切割了轴向 NNE 的古生代褶皱的南端，控制了古近纪沉积，且沿断 裂有燕山期岩浆活动，表明该断裂可能形成于印支 期，在燕山期和喜山期具有强烈活动。此外，淮北 煤田的北界丰沛断层和南界板桥固镇断层走 向也是近 EW、倾向 S 或 N 的正断层。淮北煤田内 部也发育一系列近 EW 向的构造，如临涣向斜和袁 店向斜。推测上述 EW 向构造与宿北断层形成时代 相同，由于该区处于华北板块东南缘，和印支期华 北板块与扬子板块拼贴事件相关。 3.2 近 SNNE 向挤压构造 徐–宿逆冲推覆构造整体向西突出呈弧形展布， 由北向南走向为 NNE近 SN。据共轭节理数据分 析，恢复了推覆体露头的构造应力场表 2，结合研 究成果[5-6,9,16,18]，笔者认为形成徐–宿弧形推覆构造 是由 SEE 向 NWW 挤压的构造应力场导致，其形成 时代为燕山早期，与鄂霍茨克板块和伊佐奈岐板块 向西俯冲、挤压，造成中国大陆东部发生强烈的板 内变形，形成新华夏构造系，出现大规模的构造岩 浆活动[19]。 淮北煤田内部近 SNNNE 向挤压形成的构造 非常发育，控制着各矿区和矿井边界，直接影响煤 ChaoXing 第 3 期 方婷等 淮北煤田构造特征和形成机制 5 矿的开拓方式、产量和生产安全等，如轴向 NNE 的 闸河向斜两翼分布着闸河矿区各煤矿图 3， 睢萧矿 区的土楼断层即为刘桥矿的井田边界断层，临涣矿 区轴向近 SN 的童亭背斜和五沟向斜是该区主要煤 炭产地图 4， 涡阳矿区的涡阳向斜和花沟背斜控制 着淮北煤田西部煤矿分布。 表 2 徐宿弧形构造带应力场赤平投影图 Table 2 The stereograms of Huaibei coalfied 序号 观察点位置 共轭节理 地层及岩性 赤平投影图 主应力轴 1 宿县夹沟 3352′16.57″ 11716′30.18″ 128∠61 34∠71 寒武系 毛庄组灰岩 σ1258∠33 σ293∠56 σ3353∠7 2 宿县夹沟 3352′19.20″ 11716′46.44″ 128∠76 34∠82 寒武系 馒头组灰岩 σ1260∠16 σ296∠74 σ3315∠4 3 宿县夹沟 3352′16.61″ 11716′39.57″ 120∠71 34∠75 寒武系 毛庄组灰岩 σ1254∠23 σ282∠66 σ3345∠3 4 淮北蔡里 3351.749′ 11654.286′ 313∠75 27∠88 寒武系 凤山组灰岩 σ178∠10 σ2304∠74 σ3170∠10 5 淮北蔡里 3354.37′ 11650.472′ 313∠70 35∠80 奥陶系 萧县组灰岩 σ1264∠7 σ2116∠82 σ3354∠4 3.3 NNE向正断层 NNE 向正断层是淮北煤田各井田主要构造 样式，控制各个井田边界和采区划分，据统计孙 疃煤矿落差≥5 m 的断层 346 条， 其中正断层 344 条，95以上的断层走向为 NNENE[18]，刘桥 矿区和临涣矿区也是以 NNE 走向的正断层为主 图 4。 淮北煤田发育的 NNE 向正断层， 与中国大陆 东部发育一系列 NNE 向正断层应为同期产物。 燕 山 晚 期 中 国 大 陆 区 域 构 造 变 形 以 形 成 轴 向 NWW 的宽缓褶皱、NWW 向逆断层、NEE 向正 断层、NE 或 NW 向走滑断层为主要特征，构造应力场 以NNESSW向近水平缩短作用和NWWSEE向的 水平伸展作用为主要特征[19]。根据共轭节理和断 层擦痕的数据分析，表明该区存在一期 NNE SSW 的挤压构造应力场表 3。 表 3 淮北煤田构造应力轴赤平投影图 Table 3 The stereograms of Huaibei coalfield 序号 观察点位置 共轭节理 地层及岩性 赤平投影图 主应力轴 1 宿县夹沟 3356′12.26″ 11706′31.43″ 共轭节理 348∠90 47∠90 寒武系 炒米店组灰岩 σ118∠0 σ2直立 σ3287∠0 2 符离集蔡山 3346.938′ 11648.748′ 共轭节理 95∠76 135∠84 燕山期 闪长玢岩 σ1203∠11 σ266∠74 σ329510∠ 3 淮北蔡里 3350.933′ 11654.165′ 共轭节理 76∠60 133∠61 寒武系 张夏组灰岩 σ1194∠1 σ2102∠57 σ3285∠32 4 淮北蔡里 3355.373′ 11653.145′ 共轭节理 160∠70 65∠68 奥陶系 马家沟组灰岩 σ1202∠1 σ2110∠60 σ3293∠30 5 淮北蔡里 3355.373′ 11653.145′ 断层137∠80 擦痕 SW∠56 左行平移-逆断层 奥陶系 马家沟组灰岩 σ1193∠48 σ256∠35 σ3310∠22 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 45 卷 4 结 论 a. 宿北断裂是淮北煤田中规模最大的EW向断 层，将淮北煤田划分为南、北两个构造分区，北区 以逆冲断层为主，发育侏罗山式长轴褶皱；南区以 正断层和开阔短轴褶皱为主，向斜较宽缓，核部为 石炭–二叠纪地层，煤炭资源丰富，但埋深较大。 b. 据推覆体的前缘断层对淮北煤田南、北构造 分区进行二级分区，萧县背斜及其以东地区为北区 推覆上覆系统，萧县背斜以西地区属推覆构造的下 伏系统；南区以西寺坡断层为界，该断层以东地区 位于徐宿弧形构造带东南末端，属逆冲推覆构造上 覆系统，西寺坡断层以西地区为推覆体下伏系统。 c. 自石炭–二叠纪含煤地层沉积后，淮北煤田 至少经历 3 期较大构造事件，即印支期近 SN 方向 的挤压形成近 EW 向断裂构造；燕山早期 NWW SEE 方向强烈挤压作用形成徐宿弧形构造；燕山晚 期 NNESSW 方向挤压和 NWWSEE 向的水平伸 展作用，形成煤田内大量 NNESSW 方向正断层。 致谢感谢安徽恒源煤电股份有限公司段中稳 高级工程师、吴素珍高级工程师和胡荣杰工程师给 予矿区资料查阅和野外工作提供便利条件。 参考文献 [1] 堃李自， 周朝根. 安徽的推覆构造[J]. 中国区域地质， 19862， 133–140. 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