韩城矿区南部断层构造特征及控煤意义

2022-09-14范玉海

地下水 2022年4期

范玉海

(1.中煤航测遥感局煤航地质勘查院，陕西西安 710054；2.榆林学院，陕西榆林 719000)

0 引言

鄂尔多斯盆地是发育于华北克拉通稳定基础上的一个多旋回复合型盆地，构造上处于中国沉积盆地分布的中带，是我国煤炭、石油和天然气勘探的重点和最具勘探潜力的盆地之一，内部构造活动比较微弱[1-8]。韩城矿区地处鄂尔多斯盆地南缘渭北断隆铜川-韩城断褶带东部边缘，可采煤层资源丰度为800～900万 t/km2，煤炭资源储量较大，且中、深部区煤层气资源前景可观[9-14]。

长期以来，众多地质学者对渭北煤田构造变形特征及其动力学机制进行了研究[15-19]，认为三叠纪-侏罗纪时期华南、华北板块碰撞后，研究区进入陆内造山变形体制[20-24]，由南向北推挤作用形成了近东西向展布的前展式逆冲挤压构造系(图1)。对于盆地东缘NNE向～近SN向构造带，研究认为其造成含煤岩系普遍向西缓倾，并在单斜面上发育同向展布的舒缓波状起伏，由东向西，构造应力迅速衰减，构造变形强度逐渐变小，地层渐趋水平，仅发育规模较小的NEE向展布的小规模张性断层，在中深部赋煤区未见近南北向挤压构造的报道[25-30]。

作者通过详细地表观测，在韩城矿区南部地表处发现一条轴向近南北向的背斜构造。利用二维地震勘探发现凡穿越地表背斜所在位置的地震测线，经钻孔精确标定的时间剖面上煤层反射波均被明显错断，断点编联结果为一呈近南北向展布控制延伸长度约10 km的逆冲断层(图1中的F2)，并在该断层旁侧伴生数条性质相同但规模较小的次级断层。地表观测所获的浅表层构造与二维地震工作揭露的深层构造形态剖面上不一致。该构造变形特征如何？对煤层现今空间赋存状况影响程度如何？如何指导下一步煤地质勘查工作？对地表精细观测的基础上，利用二维地震勘探技术，辅以钻探工程验证，对F2隐伏断层构造特征进行讨论，对上述问题的解决具有重大意义。

图1 研究区断裂系统分布示意图

1 F2隐伏断层构造特征

1.1 浅表层构造变形特征

研究区位于渭北台塬与陕北黄土高原衔接部位，地表以分布三叠系下、中统为特征，中部、南部基岩多沿沟出露，露头条件一般；北部山区，基岩大面积出露，露头条件好。

通过地表多条路线详细构造观测与断点编联，填绘出一条轴向近南北向，轴迹略向东突出的背斜构造。背斜轴区内延伸长度13.5 km，背斜核部及两翼由三叠系中、下统组成。东翼岩层产状64°～109°∠15°～35°，西翼岩层产状243°～306°∠6°～14°，转折端呈圆弧状，两翼明显不对称，东翼陡，西翼缓。利用野外大量产状观测统计数据，采用赤平投影技术对该背斜构造进行了褶皱要素解析，解析结果为翼间角为139°～159°，属平缓褶皱；枢纽总体向南缓倾伏(局部北倾)，倾伏角0°～8°，归属水平褶皱；轴面略向西倾斜(262°～283°)，轴面倾角为68°～84°，属歪斜褶皱(表1)。

表1 浅表层背斜构造变形特征统计表

背斜地表出露情况分南、中、北段阐述如下：

南段在爱帖村北沟和红花沟出露条件较好。爱帖村北沟出露段背斜核部及两翼由三叠系下统和尚沟组下部棕红色薄～中层状砂质泥岩夹紫红色中厚层状钙质粉-细砂岩、泥灰岩组成(图2a)。东翼岩层优选产状109°∠15°，西翼岩层优选产状269°∠6°，翼间角159°，枢纽向南缓倾伏，产状193°∠2°，轴面向西陡倾，产状283°∠82°；红花沟出露段背斜核部及两翼由三叠系下统和尚沟组下部鲜棕红色薄～中层状砂质泥岩组成(图2b)，东翼岩层优选产状64°∠19°，西翼岩层优选产状306°∠14°，翼间角152°，枢纽向北缓倾伏，产状0°∠8°，轴面向西陡倾，产状270°∠84°。

(a.爱帖村北沟和尚沟组下部砂质泥岩夹钙质粉-细砂；b.红花沟和尚沟组下部砂质泥岩；c.刘家庄南沟尚沟组中部灰质砂质泥岩；d.刺沟和尚沟组上部灰质砂质泥岩及二马营组下部中细粒砂岩；e.刺沟和尚沟组上部灰质砂质泥岩及二马营组下部中细粒砂岩；f.北沟二马营组下部中细粒砂岩)图2 背斜地表出露段岩性特征

中段在刘家庄南沟、刺沟等沟谷出露。刘家庄南沟出露段背斜核部及两翼由三叠系下统和尚沟组中部鲜棕红色(含灰绿色还原斑)薄～中层状灰质砂质泥岩夹灰白色泥质粉砂质灰岩组成(图2c)。东翼岩层优选产状101°∠25°，西翼岩层优选产状286°∠7°，翼间角148°，枢纽近水平，倾伏向12°，倾伏角小于1°，轴面向西陡倾，产状282°∠76°。刺沟出露段背斜核部及两翼由三叠系下统和尚沟组上部鲜棕红色薄～中层状灰质砂质泥岩夹灰绿色中层状细砂岩和三叠系中统二马营组底部灰绿色厚层-块状中细粒砂岩组成(图2d，e)。东翼岩层优选产状85°∠20°，西翼岩层优选产状255°∠7°，翼间角153°，枢纽向南缓倾伏，产状172°∠1°，轴面向西陡倾，产状262°∠78°。

北段北沟背斜核部及两翼由三叠系中统二马营组下部灰绿色厚层-块状中细粒砂岩及灰紫色中层状砂质泥岩组成(图2f)。东翼岩层优选产状88°∠35°，西翼岩层优选产状243°∠6°，翼间角139°，枢纽略向南倾，产状175°∠2°，轴面向西陡倾，产状264°∠68°。

可以看出，该背斜形态沿褶轴方向具明显的规律性变化。由南向北东翼产状逐渐增大，翼间角逐渐减小，背斜弯曲程度逐渐增大，轴面向西倾斜程度和背斜歪斜程度逐渐增大，背斜规模也不断增强和扩展。

1.2 深层构造变形特征

1.2.1 二维地震工作野外施工方法及可靠性评价

深层构造由二维地震工作揭露。本区浅、表层地震地质条件复杂，但深层地震地质条件好，如采用适当的施工参数，就可获取良好的地震资料。通过充分的野外试验工作，野外施工具体采用如下参数。

采用Aries高分辨率数字地震仪，采样间隔1 ms，记录长度2 s，全频段接收，前放增益为24 dB，记录格式为sgy。接收因素为5个60 Hz检波器串联，点式组合，施工过程要求检波器插直、插实。在不同地震条件景观区采用了不同的激发因素：(1)黄土梁及半坡等黄土覆盖厚或较厚地段采用3井线性组合，较湿红土中激发(井深约3～12 m)，药量采用1 kg/井，炮井组合距5 m；(2)半坡及沟谷等黄土覆盖较薄或基岩出露地段采用3井线性组合，基岩面激发(井深约0.8～3 m)，药量采用1 kg/井，炮井组合距3～5 m。观测系统采用中点放炮，160道或144道接收，10 m道距，20 m炮点距，40次或36次叠加。

该构造由南向北依次由DL23、D12及D4三条地震直测线控制。通过静校正、压制折射多次波与规则线性干扰、振幅处理、反褶积、速度分析、剩余静校正、去噪及偏移等关键处理技术，获得3条Ⅰ类时间剖面。各条时间剖面均在地表背斜出露地段发现断点，5号煤层反射波(T5)同相轴被明显错断，均为A级(可靠级)。各断点形态特征相似，性质相同，相邻断点落差接近或有规律变化，故将三个断点组合成一个断层，断层控制程度为A级(可靠级)。

1.2.2 深层构造变形特征

断点组合结果表明，研究区西部沿背斜出露地段，在深层表现为一走向近一致的逆冲断层(带)。断层走向为NNW，控制的延展长度约10.20 km。断面倾向西，倾角29°～37°，地震测线控制的铅直地层断距190～260 m，水平位移量212～425 m，具明显的逆冲特征。

DL23号地震测线时间剖面反映，断面视倾角23°，5号煤层反射波垂向落差190 m，重复带宽度511 m(图3)，测线与断层走向夹角为34°，换算后的断面倾角37°，铅直地层断距190 m，水平位移量285 m；D12号地震测线时间剖面反映，断面视倾角27°，5号煤层反射波垂向落差220 m，重复带宽度389 m(图4)，测线与断层走向夹角为53°，换算后的断面倾角32°，铅直地层断距220 m，水平位移量311 m；D4号地震测线时间剖面反映，断面视倾角22°，5号煤层反射波垂向落差260 m，重复带宽度572 m(图5)，测线与断层走向夹角为48°，换算后的断面倾角29°，铅直地层断距260 m，水平位移量425 m。可以看出，由南向北断层倾角逐渐变小，垂直断距和水平断距逐渐增大。根据断层沿走向发育趋势，向北应继续延伸，进入北邻的象山煤矿中深部资源续接区，向南断层变形强度逐渐减小，断层走向逐渐向西偏转，与合阳北中深部阿池背斜相接，继而被阿池背斜构造所替代。

图3 F2隐伏逆冲断层(南段)在DL23号地震测线时间剖面上的反映

图4 F2隐伏逆冲断层(南段)在D12号地震测线时间剖面上的反映

图5 F2隐伏逆冲断层(北段)在D4号地震测线时间剖面上的反映

1.2.3 钻探工程验证

二维地震时间剖面构造解释得到部分钻探工程(LT4-31、LT12-23)验证(图4、图5)。LT4-31孔位于隐伏逆冲断层(F2)北段D4号地震测线上，钻孔穿越煤层重复带，揭露2套含煤岩系。断层破碎带铅直厚度约为35 m，由上盘马家沟组灰岩及下盘下石盒子组泥岩共同组成(图6a，b)。LT12-23孔在含煤岩系上覆的孙家沟组二段钻遇该断层，造成组内部分砂、泥岩段重复。揭露厚度(199.58 m)比邻近钻孔揭露的正常厚度(160 m)增加约40 m。断层破碎带铅直厚度约5 m，断于该段泥岩中，表现为明显的挤压揉皱变形特征(图6c，d)。LT4-31揭露隐伏逆冲断层深于LT12-23孔，前者铅直地层厚度(35 m)明显大于后者(5 m)，表明该逆冲断层沿断坡的位移由下而上逐渐减小，而上覆地层被迫产生褶皱作用以适应下伏逆冲断层造成地层水平方向的缩短，并与下伏逆冲作用(近)同步协调发展。

(a. LT4-31石盒子组泥岩(1 076～1 094 m)；b. LT4-31马家沟组灰岩(1 226～1 232 m)；c.LT12-23孙家沟组泥岩(1 126.43～1 129.80 m)；d.LT12-23孙家沟组泥岩(1 129.8～1 131 m))图6 钻孔揭露F2断层通过处岩心照片

2 表层背斜与深层断裂耦合关系

2.1 空间组合关系

地表出露的背斜构造与隐伏逆冲断层空间上密切相关，共同组成下断上褶、下冲上弯的构造组合型式，并得到钻探工程的验证(图4)。垂向上，浅表层的无根背斜构造位于逆冲断层的上方，背斜构造卷入的地层为石盒子组上部及其以上地层，逆冲断层发育于石盒子组和含煤岩系及其基底，沿断坡的位移逐渐减小，以至停止于石盒子组内。平面上，二者分布关系密切，背斜轴位于上、下盘煤层重复带内或其以西，且由南向北，随着表层背斜构造和隐伏逆冲断层变形强度的同步增强，背斜轴由西向东不断偏移，逐步向断层终端靠拢。

2.2 耦合关系分析

二者变形特征、运动方向及各自变形强度同步变化，指示了其具统一的应力场环境和内在成生联系，为二者耦合关系提供了佐证。浅部无根背斜两翼产状东陡西缓，指示地层受由西向东的推压作用；沿褶皱轴部由南向北背斜弯曲程度、歪斜程度及背斜规模明显增大，反映构造主压应力由南向北逐渐增强。深部断层断面西倾东冲，同样指示由西向东的逆冲挤压运动学特征；水平位移量由南向北逐渐增大，也同样反映了构造主压应力由南向北逐渐增强。褶皱倒向与逆冲方向的一致性，以及变形强度的共同衰减或增强，证明了二者是不同空间层次的地层体在统一的挤压应力场环境下同期或近同期发生的构造响应。浅表层无根褶皱实际上是因下伏地层水平位移垂向叠置，而产生塑性收缩的地质表现。

区内地层以砂、泥岩互层为主，成层性好，旋回频繁，层间包含众多构造软弱面，这就为隐伏逆冲构造控制下的表层无根褶皱发育提供了良好的物质基础。断层上盘由西向东沿断坡爬升，并沿着断坡的位移逐渐消失，致使上覆层段以背斜构造样式进行调整，以适应下伏地层水平方向上的收缩和垂向的差异升降。可以看出上部背斜构造的形成和发展，受控于下伏的逆冲推覆构造作用。关于逆冲推覆构造作用控制下的褶皱发育，早在上世纪八十年代W.R.Jamison，根据断层与褶皱的空间组合关系，提出断弯褶皱作用、断展褶皱作用及断滑褶皱作用三种模式。研究区表层褶皱作用与断坡关系密切，褶皱形成于断层终端，而且是断坡形成的同时或近于同时发生的，属断展褶皱作用(图7)。

图7 隐伏反冲构造及其控制的上覆背斜构造在横剖面上的组合示意图

3 构造成因与构造预测

研究区含煤岩系与上覆地层整合接触，隐伏逆冲断层及其上覆背斜构造卷入的最新地层为三叠系，表明该构造形成于三叠纪后。以往研究成果表明，自三叠纪后，研究区经历了印支、燕山及喜山三期构造运动，主压应力方向分别为NS、NWW及NE兼右旋剪切，并分别产生近EW逆冲挤压构造系、NNE～NS褶皱-推覆挤压构造系、NEE伸展断陷构造系32-41。可见不同期次构造作用在区内产生不同方向、不同性质的构造组合形迹和构造样式(图1)，隐伏逆冲断层(F2)为燕山期北西西向挤压应力条件下的产物。

燕山期构造应力来自盆地周缘，指向盆地内部的区域性挤压隆升构造系(叠瓦式逆冲推覆构造和倒转-平卧复杂褶皱)在盆地边部形成(多被后期汾渭地堑系所破坏，仅在地堑边部部分残留)。隐伏逆冲断层(F2)断面西倾，指示由西向东挤压和运动指向，与盆地边部逆冲断层由东向西的主运动方向相反，且规模级次小于边部逆冲断层。其形成机制应是燕山期盆地内部因阻抗来自东侧的挤压应力，而产生的反向逆冲作用和构造变形响应，具明显的反冲断层性质(图7)。

逆冲断层(F2)水平位移量沿走向由南向北逐渐增加，推测该隐伏逆冲断层向北应延伸至象山煤矿中深部。根据断层发育的一般规律，随着构造应力的持续作用，一方面该断裂本身不断发展，另一方面在该断层旁侧，尤其是前展方向(西侧)可能产生近同期、低序次、小规模同向、同性质断层，这一点也被钻探工程所揭露。隐伏逆冲断层及其表层无根背斜北强南弱的构造变形特征，与盆地边部同期褶皱-推覆挤压隆升幅度和北强南弱的地层变形强度的特征一致，共同反映了燕山期构造应力北强南弱的特征。由此推测，北侧的韩城矿区内，同期、同向、同性质更大规模和更高级次逆冲构造是可能存在的。