河南义马煤田逆冲推覆构造特征及其控煤作用

2014-04-20周晓刚朱炎铭姚能旺胡璐宇

中国煤炭 2014年12期

周晓刚朱炎铭姚能旺胡璐宇

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116）

逆冲推覆构造是一种倾角平缓、规模较大并作长距离推移的复杂逆掩断层，主要包括外来系统、断层面和原地系统三方面。断层面（滑动面）主要位于地层中不同层次的物性界面或软弱层位。到目前对逆冲推覆构造的探索研究已走过约170年。随着平衡剖面计算技术的应用和发展，对推覆构造的形成机制与演化有了更加深入的认识。这样就为正确认识区域地质构造、地壳结构和煤田构造成因机制及控煤作用等奠定了基础，并指导隐伏煤田等矿产资源的勘探开发，为社会带来了巨大的经济效益。

河南义马煤田主要位于义马向斜的轴部及北翼。近EW 向展布的F16逆冲推覆构造位于煤田的南部边界区域，该构造控制着煤田南部区域构造格局，煤田内5个主要矿井均受到该构造的影响，并在实际生产过程中十余次揭露该构造，严重影响了矿井开采规划，带来较严重的安全问题。前人曾对该区域的逆冲推覆构造有过研究，然而，对于以F16逆冲断层为主的逆冲推覆构造特征及控煤作用研究尚未做深入探讨。因此，本文拟对义马煤田南部F16逆冲推覆构造特征及其控煤作用进行研究，希望有助于煤矿的安全生产。

1 区域构造背景

义马煤田位于板内构造域（华北板块南部）的二级构造单元崤熊构造区西北端，总体构造为不对称向斜——义马向斜。研究区域地质剖面图见图1，该向斜北翼地层较缓，南翼地层较陡，甚至直立，在平面上，水平延伸长度达20km，向斜轴走向为近EW 向，向斜轴向东倾伏；两翼地层系由中、上元古界及寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系组成，核部为三叠系、侏罗系和白垩系地层，大部分被第四系地层覆盖。义马煤田主体位于义马向斜的北翼，呈现出单斜构造特征，次一级的褶皱发育较少，构造相对较简单；煤田南部边界直立或者倒转的老地层受到南部边界逆冲断裂构造的影响，多掩覆于新地层之上，次一级的断裂比较发育，构造相对比较复杂。在义马煤田内部未见岩浆岩的发育分布。

图1 研究区域地质剖面图

2 义马煤田构造规律分析

位于逆冲断层下盘的义马煤田构造整体相对较简单。义马煤田构造纲要图如图2所示，南部发育F16逆冲断裂及伴生断层；北部总体呈单斜构造特征，但发育数条近SN 向、NNE-NEE 向具有走滑性质的断裂构造，断裂构造主要特征见表1，这些断裂控制着煤田的基本构造格局。F16逆冲断层走向为近EW，倾向为近S，由南向北逆冲的断层，倾角表现出深部小，浅部大的特点，贯穿于整个义马煤田，在煤田东南部发育有平行展布伴生逆断层。

表1 煤田内主要断裂构造特征

义马煤田内F16断层控制着煤层发育的南部边界，而一系列大致平行、呈NNE 走向的正断层则控制了煤田煤层的赋存状态。断层间伴生组合关系比较明显，主要表现为大规模断层周围发育次一级断层，大多数伴生断层平行于主断层，极少数与主断层斜交，断层之间主要以地堑、地垒组合形式出现。义马煤田内井下小断层极为发育，运用统计学方法统计具有明显规律性。小断层具有明显的方向性，走向以NE向、NNE向为主；倾向以NW 向、NWW 向为主；落差主要小于5m；倾角较大，多以高角度正断层出现。义马煤田南部发育一条近EW 向斜构造，次一级的褶曲基本上不发育，仅在局部发育规模很小的宽缓褶皱，对煤层赋存状态的影响不大。

图2 义马煤田构造纲要图

3 逆冲推覆构造特征

3.1 几何学特征

逆冲推覆构造的几何特征分析是构造及其运动学和动力学机制研究的基础，对探讨其控煤作用有重要意义。义马煤田逆冲推覆构造主要发育于煤田的南部区域，大部分被第四系覆盖。煤田南部的F16逆冲断层是义马煤田逆冲推覆构造的主体，大概位置为南起硖石-南平泉断裂，北至煤田北部煤层露头处，甚至更远，在义马煤田内东西延长达20km，断层面总体走向为近EW，倾向为近SSE，倾角变化较大，在15°～70°之间，浅部最大可达70°，深部约为15°～35°，埋深越大，倾角越缓，直至近水平状；断层面呈台阶状展布，存在断坪和断坡，断坪位于南部，埋深较大，倾角较小，断坡位于北部，埋深较小，倾角较大；该断层垂直断距变化较大，一般为50～450m；此断层由北向南依次切割白垩系、上侏罗统、中侏罗统和三叠系。

义马煤田内共有44个钻孔揭露了地层重复现象，主要表现为三叠系叠置于侏罗系之上，个别钻孔出现中侏罗统义马组叠置于马凹组之上。这一现象指示了F16逆冲推覆构造的外来岩系主要由来自断裂南部的三叠系构成，东部局部地区亦有侏罗系地层一起卷入形成外来推覆体，中部局部地区有白垩系地层被卷入成为外来系统的组成部分；原地系统则为煤田内广泛发育的侏罗系地层。外来系统受推覆构造影响较大，在断裂面附近地层强烈褶皱乃至倒转，对煤系地层的破坏较大；原地系统在临近断层面位置受到明显的拖曳作用，断层下盘及以北的岩体受到不均匀的地应力作用，发育次一级断层。

3.2 运动学分析

义马煤田逆冲推覆构造呈向NNE-近N 方向突出的弧形，根据Elliott的弓箭法则判定，该逆冲推覆构造总体运动方向为自南向北运动。在剖面上，断层面向S或SSE 倾斜，上盘向北逆冲，并且煤田内矿井在开采过程中揭露F16逆冲断层的外来系统挤压作用强烈，煤层产状变化较大，原地系统变形较小，表明F16逆冲断层的下盘为被动盘，上盘为主动盘，也就是说断层是在自南向北逆冲挤压运动中形成的。

根据秦岭造山带北缘逆冲推覆构造带总体变形特征以及F16逆冲断层及其周围伴生断层的空间组合关系，发现F16及伴生F16-1逆冲断层形成于南部硖石-南平泉逆冲断层之后，硖石-南平泉逆冲断层在平面上位于F16逆冲断层的南部，空间上平行展布于F16逆冲断层的上盘岩体中，由此可以推断，整个逆冲推覆构造是由南向北呈前展式扩展。

义马煤田自南向北运动形成的逆冲推覆构造是侏罗系煤系地层自形成开始经历了多期构造运动叠加之后的结果。燕山运动Ⅰ-Ⅲ幕挤压应力作用对义马地区影响较小，义马地区表现出整体沉降，在沉降过程中该地区接受了煤系地层的沉积；燕山运动Ⅳ-Ⅴ幕近SN-NNE向挤压应力场，在义马地区影响较大，义马煤田南部主体构造格架就是在此期运动中形成的。

在F16逆冲断层以下发育有三叠系、侏罗系和白垩系，F16逆冲断层切割白垩系及之前的地层。结合义马煤田经历的构造运动和F16逆冲断层所切割的地层可以看出，从燕山运动开始，特别是白垩纪的燕山运动Ⅳ-Ⅴ幕，因受到近SN-NNE向挤压应力场的作用，义马向斜在此期间形成，之后在褶皱的基础之上，进一步发生弯曲或倒转，并在倒转翼发育F16逆冲推覆构造，而在主断层南部发育了一系列次级逆断层。通过以上构造演化背景的分析，可以估算出F16逆冲断层形成于燕山运动Ⅳ-Ⅴ幕（白垩纪末期）。

3.3 动力学分析

结合区域大地构造演化背景可知，燕山运动Ⅳ-Ⅴ幕随着华北板块与扬子古板块进一步碰撞挤压，扬子古板块全面而强烈地向华北板块俯冲，同时由于板块碰撞带内近EW 向秦岭造山带的影响，秦岭造山带前缘（华北板块南缘）义马煤田地区受到强烈的挤压应力场作用。挤压应力方向为近SN-NNE 向，强烈的挤压应力作用造成该地区近EW 向的褶皱挤压作用进一步增强，使得义马向斜南翼地层直立甚至倒转，同时造成义马向斜的南翼地层发育逆冲推覆构造。

对野外实测的共轭剪节理产状进行恢复，得到其原始产状，作共轭X 节理的赤平投影图，见图3，可以看出主应力轴的方位，NNE向为该区域构造最大主应力方向，并且主要为挤压应力性质。以F16逆冲断层为主滑面的逆冲推覆构造是在近SNNNE向挤压应力场作用下形成的，总体来说义马煤田逆冲推覆构造的动力来源是扬子古板块与华北板块的碰撞相互挤压作用。