大同C-P煤盆地構(gòu)造形式及成因分析

李亞奎，陳繼福*，趙 亮，安律寧，董廣銘

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

大同煤田位于山西省最北部、大同市的西南部，其總體形態(tài)為軸向呈北東—南西向的橢圓形，東北部以青磁窯斷層為界，東南部以口泉大斷裂為界，西南部以洪濤山為界，西部以自然邊界為界，煤田總體構(gòu)造為一個不對稱復(fù)式向斜盆地[1]。盆地內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造是嚴(yán)重危害煤礦正常生產(chǎn)的地質(zhì)因素，也會造成煤炭資源的浪費(fèi)。地質(zhì)構(gòu)造的空間分布、規(guī)模級別、力學(xué)性質(zhì)等數(shù)據(jù)是制定生產(chǎn)計劃的重要依據(jù)。地質(zhì)構(gòu)造對礦井開拓布署與煤炭生產(chǎn)有直接的影響，查清其分布與性質(zhì)是地質(zhì)勘探的重要任務(wù)之一。現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)要求對礦井構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測，以保證采掘生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1 大同石炭-二疊紀(jì)煤盆地構(gòu)造輪廓

按不同區(qū)域出現(xiàn)的特征，大同C-P 煤盆地有3 種構(gòu)造[2]。

1.1 東南邊緣構(gòu)造帶

大同煤田東南邊緣，在七峰山、雷公山一帶，發(fā)育有一系列的逆斷層，從南到北有鵝毛口斷層、白洞斷層、口泉斷層、煤峪口斷層、拖皮溝斷層、王家園斷層、青磁窯斷層等斷層，其走向大多呈NE或NNE向。北部斷層傾角較陡，如青磁窯斷層，傾角最大接近80°；南部斷層傾角變小，如鵝毛口逆掩斷層，傾角變?yōu)?0°。所有斷層落差較大，最大近500～600 m。

1.2 內(nèi)部盆地構(gòu)造

從云崗—興旺莊—南信莊—常流水—懷仁縣的樓子溝一線，呈現(xiàn)的是一個軸向反S 形的盆地構(gòu)造，也就是所謂的大同向斜盆地。盆地內(nèi)的地層產(chǎn)狀平緩，沿走向變化比較大，傾角一般在4°～8°左右，最大可達(dá)10°。

煤田內(nèi)部盆地發(fā)育的斷層大多為正斷層。北部的口泉一帶比較少，中部的常流水—鵝毛口溝一帶較為發(fā)育。主要斷層組呈梯式構(gòu)造和地塹的組合形式。從東到西發(fā)育的斷層主要有窯子頭、王卞莊、東山頭、廟兒溝和馮家窯斷層，相繼往西南側(cè)下陷。上述斷層落差在40～150 m 左右，沿走向延伸程度在3 000～5 000 m 左右。各斷層經(jīng)常出現(xiàn)有高大的懸崖，明顯地現(xiàn)露出80°～75°的斷層傾角。煤田內(nèi)部盆地占煤田的大部分，其主要特征是以開闊的褶皺為主。

至于南部煤田的構(gòu)造，與煤田北部情況大致相近，但因黃土覆蓋較多，且未進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)測量，詳細(xì)情況還有待今后補(bǔ)充。

1.3 西北邊緣構(gòu)造預(yù)測

大同煤田的西北邊緣尚未確定，主要由于高山鎮(zhèn)、左云以北全為黃土覆蓋。推測為一個巨大斷裂帶，即滴水巖斷裂，此斷裂帶的走向大致與牛心山山脈平行。秦墨堂（1983）、王鐘堂（1957）均認(rèn)為滴水巖斷裂一帶是煤田的西北部邊界。

2 大同C-P煤田構(gòu)造特征

大同C-P 煤田斷裂構(gòu)造包括節(jié)理和斷層。本區(qū)主要節(jié)理有六組：NE 向、NNE 向、NW 向、NNW 向、EW 向和SN 向。主要斷層包括煤田東緣的逆斷層及煤田內(nèi)部的斷層。

2.1 煤田東南邊緣的山前斷裂

從北到南，煤田東南邊緣有4個山前斷裂。

2.1.1 青磁窯斷層

該斷層沿煤田北東邊緣展布，分布于夏莊—竹林寺—青磁窯一線，地表延伸達(dá)15 km 以上，斷層北端被平整的上白堊統(tǒng)助馬堡組所覆蓋(如圖1)，南端為第四系所覆蓋。斷層走向345°～330°，傾角為60°～80°，斷層面E 傾，上盤主要為集寧群變質(zhì)巖，僅在煤田北緣的夏莊一帶殘留有較大厚度的中寒武統(tǒng)毛莊組和徐莊組，其產(chǎn)狀為260°∠70°～80°，在斷層附近地層直立。

圖1 青磁窯村南青磁窯斷層剖面示意圖

下盤地層從南至北依次為毛莊組、徐莊組、本溪組、太原組、大同組和云崗組。其走向與斷層走向大體一致，由遠(yuǎn)離斷層至斷層面附近，傾角由緩變陡、直立，甚至倒轉(zhuǎn)。在斷層帶中普遍見到透鏡狀斷層角礫巖、碎裂巖等。

此外，還發(fā)育一些幾乎垂直主斷層走向的小型次級張性斷層。主斷層兩側(cè)的水平牽引，NNE 向的小型反沖斷層、層間小柔皺等現(xiàn)象，反映了該逆沖斷層同時具有左旋平移特征。青磁窯村以南，主斷層內(nèi)發(fā)育有1 個長9 000 m、寬350 m 的斷夾塊，其內(nèi)由產(chǎn)狀陡傾的中上寒武統(tǒng)石灰?guī)r組成。斷夾塊東側(cè)斷層面較陡，產(chǎn)狀67°∠73°；西側(cè)斷層面較緩，產(chǎn)狀75°∠50°。以此推算，該斷夾塊可能延深為450 m。

2.1.2 王家園—狼兒溝逆沖斷層

發(fā)育于王家園—狼兒溝一帶，在地表延伸長度達(dá)6 000 m。斷層走向SN-NE，傾向E，傾角約80°（如圖2）。

圖2 狼兒溝南王家園—狼兒狗斷層剖面示意圖

2.1.3 白洞逆沖斷層(F5)

斷層沿白洞—塔山一線分布，北起白洞，經(jīng)綿羊溝，南抵楊家窯，全長7 km 左右。斷層走向SN，傾向E，傾角40°～70°（如圖3）。

圖3 綿羊溝北側(cè)白洞斷層剖面示意圖

2.1.4 鵝毛口輾掩斷層

該斷層北起陳家峪，南至石井北，出露長度300 m左右，呈NE向。

斷層面在東部下盤的集寧群和奧陶系及本溪組部位傾向E，斷層面的西部，則向W傾。因此，在剖面上呈現(xiàn)出斷層面先切割層面，后順層滑動的斷坡、斷坪的階梯狀形態(tài)(如圖4)。

圖4 鵝毛口溝北岸逆沖推覆構(gòu)造剖面圖

一般傾角平緩，為6°～12°，斷層的南北兩端傾角變大，可達(dá)40°，斷距為350～400 m。如在小磨溝北，斷層產(chǎn)狀為310°∠40°(如圖5)。

圖5 小磨村溝北鵝毛口斷層剖面圖

斷層破碎帶寬度為10～100 cm。破碎帶由一系列的斷層巖所組成，特點(diǎn)是在斷層帶兩側(cè)的灰、灰黑色的砂巖、泥巖經(jīng)構(gòu)造作用后形成了透鏡狀、鱗片狀的灰色和褐色的砂質(zhì)、泥質(zhì)及鈣質(zhì)斷層泥，厚3～10 cm，其排列方向與斷層面大體平行。斷層帶內(nèi)片理發(fā)育，片理方向亦與斷層面平行。在斷層面上盤，有兩個支斷層，均為逆沖斷層，傾向東，落差約110 m。上盤地層局部還有倒轉(zhuǎn)的背、向斜。這是由于在主斷層的侵位過程中，巖席體的巖層發(fā)生層間滑動和強(qiáng)烈彎曲，背斜的西翼被后期的另一組逆沖斷層切割，缺失了中、上寒武統(tǒng)，致使核部的片麻巖與奧陶系灰?guī)r呈斷層接觸。南北兩端的巖席體，即石井、小磨溝等處，除局部倒轉(zhuǎn)外，大部分呈直立狀態(tài)。

主斷層的下盤地層，構(gòu)造形變?nèi)?，除局部發(fā)育有一組晚期逆沖斷層外，大部分巖層產(chǎn)狀近于水平或者是與區(qū)域正常產(chǎn)狀相吻合。晚期的逆沖斷層，切割和破壞了主斷層的連續(xù)性和完整性，并把主斷層的東部抬高了數(shù)十米，造成主斷層的傾向發(fā)生局部改變。

2.2 煤田內(nèi)部的斷層

煤田內(nèi)部己發(fā)現(xiàn)的斷層，大多數(shù)為高角度的正斷層，走向?yàn)镹E-NNE 向、NW 向和EW-NWW 向，大部分落差小于25 m，最大80 m，見表1～表3。斷層發(fā)育特征如圖6。

表1 大同煤田塔山井田斷層統(tǒng)計

表2 王坪井田斷層統(tǒng)計

表3 小峪－王坪－樓子溝勘探區(qū)斷層統(tǒng)計

圖6 煤田內(nèi)部斷層特征曲線

3 大同C-P煤盆地構(gòu)造形式及形成原因

中生代末期，發(fā)生了為期很長的燕山運(yùn)動，大同石炭-二疊紀(jì)煤盆地現(xiàn)今的主要構(gòu)造形跡大都形成于這一地質(zhì)時期[3]。

侏羅紀(jì)與白堊紀(jì)之間為燕山運(yùn)動的主要序幕，這一幕是影響山西境內(nèi)最廣泛、最強(qiáng)烈的一次構(gòu)造運(yùn)動。在晉西北地區(qū)的恒（山）五（臺）一帶（包括大同平原），受太平洋板塊向西擠壓，大同煤盆地遭受很大的東側(cè)壓力。研究表明，燕山早中期有兩次不同方向的擠壓應(yīng)力，其構(gòu)造特征是：先期的NW-SE向擠壓，在煤田東部形成NE向的壓性構(gòu)造。在煤田西北邊緣形成滴水巖大斷裂。盆地內(nèi)部產(chǎn)生了一些規(guī)模大小不等的斷層。后期的NEE-SWW 向擠壓，形成了NNW 向的青磁窯逆沖斷裂，并伴隨有同一時期的巖漿侵入與噴發(fā)。由節(jié)理統(tǒng)計的赤平投影極密點(diǎn)，恢復(fù)兩期構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力優(yōu)選方位為130°和87°。這與斷裂帶構(gòu)造巖的顯微構(gòu)造、巖組分析及磁性組分析所恢復(fù)的兩期構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向是一致的。兩期構(gòu)造應(yīng)力場應(yīng)力分析如圖7、圖8。

圖7 大同煤田燕山早期構(gòu)造應(yīng)力分析圖

圖8 大同煤田燕山中期構(gòu)造應(yīng)力分析圖

喜馬拉雅期，由于華北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的北東向壓扭性斷裂發(fā)生力學(xué)性質(zhì)的變化，其構(gòu)造形跡的NE 向張性構(gòu)造，包括NE 向張性斷裂和NE 向斷陷盆地。并且斷陷盆地的邊界斷裂繼承了中生代斷裂，但顯示了反向發(fā)展的特點(diǎn)，即由燕山期的壓性變?yōu)橄柴R拉雅期的拉伸。例如：大同煤田的東緣斷裂，在燕山期為口泉逆沖、逆掩斷裂；喜馬拉雅期則改造為張性口泉深大斷裂。煤田內(nèi)部斷裂也有壓性、張性的轉(zhuǎn)換。目前，煤田內(nèi)的斷層絕大多數(shù)為正斷層，究其原因主要是擠壓后的拉伸所導(dǎo)。喜馬拉雅期應(yīng)力分析如圖9。

圖9 大同喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力分析

綜觀本區(qū)整個地質(zhì)歷史時期的構(gòu)造發(fā)展、演化，是建造與改造，形成與形變，由量變積累到質(zhì)變飛躍的多次交替變化。從以上構(gòu)造應(yīng)力分析可知，煤田的構(gòu)造形跡主要形成于燕山期和喜馬拉雅期。

4 后期構(gòu)造對大同石炭-二疊紀(jì)煤層的改造和破壞

后期構(gòu)造變動對大同石炭-二疊紀(jì)煤盆地的破壞作用造成了重要影響，沿著口泉山脈的東部邊緣出現(xiàn)了一些陡峻的斷層[4]，對整個煤礦開采帶來一定的困難，盆地內(nèi)部存在一些大小不等的斷層，給采煤工作帶來一定的危害性。

4.1 斷層對煤層的影響

大同石炭-二疊紀(jì)煤盆地內(nèi)斷層對煤層的破壞作用明顯，有些地段斷層密集，形成斷層帶，對煤層厚度、頂?shù)装鍘r層完整性有很重要的影響。如塔山井田內(nèi)的F1394 斷層在1106 孔內(nèi)3-5 煤層中，煤層厚度由正常情況下15～20 m，斷裂面變薄為7.69 m。F1388 斷層在1004 孔內(nèi)3～5 號煤層中，殘留僅5.72 m，且頂、底板巖石破碎，1005 號孔內(nèi)，由于受F1392斷層的破壞，使得孔內(nèi)2 號煤層缺失，1308 號鉆孔3～5號煤層斷裂重復(fù)。

4.2 煌斑巖侵入影響

（1）對煤層變質(zhì)程度及煤質(zhì)的影響?；桶邘r巖床侵入對煤層的影響是多方面的[5]，主要表現(xiàn)為：煤層受熱烘烤變質(zhì)，灰分增加，煤質(zhì)變差；使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，甚至使可采煤層變的不可采。

（2）對煤層的影響。受侵入體帶來的高熱影響，使得局部煤層由氣煤變質(zhì)貧煤和無煙煤，甚至有然焦產(chǎn)生，改變了原有煤層的經(jīng)濟(jì)價值，煤層有益厚度變小，儲量減少。

（3）對礦井安全生產(chǎn)的影響。在接觸帶附近，煤層瓦斯含量增大，在煤礦開采過程中，很容易引起瓦斯集聚超限，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。

5 結(jié)語

大同C-P 煤盆地構(gòu)造形式的形成主要受控于燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動，兩期運(yùn)動動力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，也促使煤田內(nèi)部絕大多數(shù)斷裂構(gòu)造發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，即由早期形成的壓扭性斷裂轉(zhuǎn)換為張性斷裂，斷裂構(gòu)造的產(chǎn)生為煤礦的正常生產(chǎn)造成了比較大的困難，也帶來了嚴(yán)重的安全隱患。