中国的含煤岩系变形分区_曹代勇

第23卷第5期煤炭学报V ol.23N o.5 1998年10月JOURNAL OF CH INA COAL SOCIETY Oct.1998中国的含煤岩系变形分区曹代勇(中国矿业大学北京校区)景玉龙邱广忠张德民王永(中国煤田地质总局)摘要从煤炭资源评价和开发角度,提出煤系变形分区的概念,讨论了华北、华南、东北和西北等四大主要聚煤区煤系变形分区的基本特征.我国大陆范围内的煤系变形分区组合可分为两种基本类型:¹以稳定/地台0为基底的同心环带结构;º以构造活动带为基底的平行条带结构.受中国大陆岩石圈地球动力学格局控制,煤系变形分区的平面展布划分为东部北东向改造区、西部北西向改造区和中部过渡带.关键词煤系变形分区煤田构造改造板内变形中图分类号P542在适宜的古构造、古地理、古气候和古植物条件下发育起来的聚煤盆地,经历了地质演化历程中地壳运动和构造作用的改造,被分割为不同类型、不同面积的煤田或含煤区,充填于聚煤盆地中的含煤岩系,则发生不同程度的构造变形,形成现今千姿百态的煤田构造样式.中国煤田地质的一个显著特点,就是聚煤盆地构造类型的多样化、煤系后期改造明显、煤田构造样式丰富.我国煤田地质工作者很早就注意到构造作用对煤矿床形成和形变过程的全面控制,逐渐形成/构造控煤0的概念[1];70年代,煤田地质工作者应用地质力学理论,提出了构造体系控煤的观点[2]. 80年代以来,随着当代构造地质理论的发展和新技术手段的应用,相继对逆冲推覆、伸展滑覆、反转构造等煤系后期改造形式[3~7]进行了大量的研究./八五0期间开展的全国第三次煤田预测,系统总结了我国煤系的改造特征,在此基础上,本文从资源评价开发角度,提出/煤系变形分区0的概念.我国煤田地质工作者根据聚煤作用特点,划分出华北、东北、西北、华南、滇藏等五大聚煤区或六大聚煤区(包括沿海和台湾省)[8].在长期实践中形成的这一区划,同时也具有构造赋煤单元的涵义,反映了含煤岩系的改造(构造演化、赋存状况)特征,体现了大地构造格局对煤盆地形成和形变的一级控制.煤系变形分区则是在构造赋煤单元的框架内,着重从煤系改造角度所进行的二级划分,其依据主要包括:煤系具有相似的主体构造样式、经历了大致相同的构造演化历程、即同时代的煤系的赋存状况相似.变形分区的划分,在很大程度上决定了煤系开发利用的价值和难易程度,因而对我国煤炭资源开发的战略布局,具有重要的实际意义.1华北聚煤区煤系变形分区特征111大地构造背景及煤系发育华北聚煤区系指天山)兴蒙褶皱系阴山造山带以南、秦祁昆褶皱系秦岭)大别山造山带以北、贺兰山)六盘山以东的大华北和东北南部地区,与作为华北古大陆板块主体的华北地台的范围相当.本区煤炭资源十分丰富,占全国资源量的53%,煤炭产量居各聚煤区首位.区内广泛发育石炭-二叠纪煤系,收稿日期:1997-07-15450煤炭学报1998年第23卷其次为西部和北部的早、中侏罗世煤系,鄂尔多斯盆地的晚三叠世煤系和东部沿海的第三纪褐煤.华北地台经历了中奥陶世至早石炭世长期隆起剥蚀之后,再度沉降,发育统一的巨型克拉通内坳陷盆地,接受了稳定的晚古生代海陆交互相含煤岩系沉积[2].海西运动末期,天山)兴蒙褶皱系崛起,盆地基底抬升,海水由北向南逐渐退出,过渡为晚二叠世陆相盆地,晚古生代聚煤作用结束.华北古板块与华南古板块于中生代早期由东向西逐步完成全面碰撞对接,构成统一的中国大陆板块主体,晚古生代煤系由此开始改造分化过程.早、中侏罗世的古地形与今天相反,东高西低,以太古界陆核为基底的鄂尔多斯地块继承性地发育大型波状坳陷,以始生代裂陷槽为基底的燕辽地区则发育中、小型坳陷,接受了早、中侏罗世陆相含煤沉积.印支运动是中国大陆地质演化的重大转折,中国东部由此进入滨太平洋构造域的演化阶段[9],华北地台发生解体,相继经历了中生代板内挤压变形阶段和新生代活动大陆边缘伸展变形阶段.前一阶段,挤压变形强度由东向西递减,影响可达山西地块[10];新生代伸展变形则主要发育于太行山以东.中生代以来中国西部板块运动的影响仅限于聚煤区西缘和南缘.112煤系变形的基本特征及变形分区华北地台被构造活动带所环绕,受基底性质、周缘活动带和区域力源的控制,含煤岩系变形存在较大差异,具明显的变形分区特征,总体呈不对称的环带结构,变形性质和变形强度由边缘向内部递变.可分为强挤压的外环带、弱挤压的中环带和伸展变形的内环区.外环带由地台北缘挤压变形带、地台西缘挤压变形带、地台南缘挤压变形带和东南缘徐淮弧形推覆带所构成.外环带煤田构造复杂、变形强烈,构造样式以逆冲断层和推覆为主,组成了长达3000km 的华北聚煤区周缘逆冲推覆构造带[11].煤田逆冲推覆构造多与外侧造山带深层次的推覆构造有关,共同组成指向地台内部的楔形逆冲系.反映了周缘造山带对板内构造变形的影响.中环带包括华北北部京唐地区诸煤田、鄂尔多斯盆地和山西地块,以及华北南部豫淮含煤区.该带以弱挤压变形为特征,构造样式差异较大.北中环与西中环以褶皱变形为主,煤系连续性较好,尤其是西中环鄂尔多斯煤盆地主体部分的晚古生代煤系和早、中侏罗世煤系保存完整,褶皱宽缓、断裂稀少,总体为向西缓倾的单斜[12],构造简单.而南中环豫淮含煤区则在宽缓褶皱基础上,叠加发育了滑、推覆构造[4,13].内环区指太行山以东、郯庐断裂以西的华北平原区和鲁西地区,以新生代伸展构造格局为特征.华北平原主体部分属于渤海湾裂陷盆地范畴,煤系深埋于北北东向展布的中生代末至早第三纪断陷之中.鲁西地区晚古生代煤系呈条带状保存于北西西向地堑盆地之中,控煤构造样式以正断层为主.2华南聚煤区煤系变形分区特征211大地构造背景及煤系发育华南聚煤区范围由秦岭)大别山以南、龙门山)大雪山以东,至东南沿海.晚二叠世煤系全区发育,其次为晚三叠世煤系,第三纪煤系则局限于西南部滇东一带,煤炭资源量约占全国的6%.华南聚煤区与华南古大陆板块范围相当,其基底由扬子地台、华南加里东褶皱系和印支)南海地台拼合而成.晚古生代,扬子地台主体为陆表浅海-近海环境,海水进退转换期间发育较稳定的海陆交互相含煤岩系;华南褶皱系则在泥盆纪至早二叠纪裂陷基底上叠加了大型复杂坳陷盆地,煤系沉积-构造分异作用明显.华南晚三叠世煤系分为东南部湘赣粤残余海湾-山间盆地和西部四川大型内陆盆地等两个分离的沉积区.燕山运动以来,华南聚煤区东南部卷入环太平洋活动大陆边缘构造域,东南沿海中生代闽浙火山岩带是亚洲大陆东缘燕山造山带的一部分,反映了太平洋板块与亚洲板块的强烈作用,由此产生的北西-南东向挤压应力向大陆内部传递,使印支旋回中的褶皱-推覆变形进一步加强,并以深层次拆离控制下的广泛的浅层逆冲-推覆作用为特征.212 煤系变形基本特征及变形分区华南古板块处于特提斯构造域与环太平洋构造域的交汇部位,盖层构造变形比较复杂,扬子地台与华南褶皱系基底结构性质的不同,导致煤系后期变形呈现较大差异.与华北地台相似,扬子地台煤系变形具有近似同心环带结构的基本特点;但该地台以晋宁期变质岩系为基底,固结程度较华北地台差,故煤系变形强度相对较大,塑性变形特征较明显,以挤压构造样式为主.上扬子四川盆地变质基底发育完整,构成扬子地台盖层变形分带的稳定核心,川中地区以宽缓的穹隆构造、短轴状褶皱变形和断层稀疏为特征[14].由此向周边,煤系变形强度递增.由于区域构造格局和地球动力学环境的差异,变形环带北西侧窄、东南侧宽,呈不对称的闭合环带结构.沿反时针方向,分别由扬子地台北缘逆冲带、川西龙门山逆冲带、滇东压扭褶皱带和雪峰山褶皱逆冲推覆带所组成.华南褶皱系的基底为前泥盆纪浅变质岩系,其构造活动性大于扬子地台;晚古生代以来,经历多次挤压与拉张等不同构造机制的交替作用,煤系变形十分复杂.闽、湘、赣地区以/红绸舞状褶皱0的形象比喻而著称.煤田推覆和滑覆构造全面发育,几乎没有强弱应变的环境之分,并以构造叠加为特色;煤田滑脱构造分类中最复杂的两类)))滑褶推复杂叠加型和滑推多次复杂叠加型滑脱构造)))均发育于华南褶皱系范围内[5].就整个华南聚煤区而言,构造变形强度和岩浆活动强度均有由板内向板缘递增的趋势,煤田构造格局明显受区域性隆起和坳陷的控制.由东南沿海中生代闽浙火山岩带向西北扬子地台,一系列北东-北北东向大型隆起和坳陷相间排列:闽西南)粤东坳陷、武夷山隆起、浙西)赣东坳陷、武功)云开隆起、赣中)湘南坳陷、九岭隆起、湘中坳陷、至扬子地台东南缘的雪峰隆起.上述隆起多与深层次拆离作用有关,晚古生代煤系保存在基底隆起之间的坳陷之中,逆冲推覆与滑覆由隆起指向坳陷,北东-北北东向展布的条带状变形分区规律性明显.3 西北聚煤区煤系变形分区特征西北聚煤区指贺兰山)六盘山以西、昆仑)秦岭以北的广大地区.本区以早、中侏罗世煤系为主体,其次在塔里木地台北部库车坳陷发育有晚三叠世煤系,石炭-二叠纪煤系零星分布于祁连山区,本区煤炭资源占全国资源总量的33%.西北聚煤区面积大,跨越天山)兴蒙褶皱系、塔里木地台、秦祁昆褶皱系等不同的一级大地构造单元,聚煤作用和煤系的后期改造各具特色.311 天山)兴蒙褶皱系及其中间地块煤系变形特征和变形分区近年来西北地区大地构造研究进展表明,天山)兴蒙褶皱系内的准噶尔盆地和吐哈盆地等中、新生代盆地具有前寒武系结晶基底,可能是早古生代从哈萨克斯坦古板块分裂至古天山洋中的微大陆(地体),于海西期完成陆-陆碰撞,进入板内构造演化阶段.夹持于天山褶皱带与阿尔泰褶皱带和额尔齐斯褶皱带之间的准噶尔盆地,规模大、地台性质较显著.以该盆地为核心,早、中侏罗世煤系的后期变形呈现有规律的递变.盆地南侧天山褶皱带和盆地北侧阿尔泰褶皱带和额尔齐斯褶皱带内的含煤盆地多以海西期褶皱为基底,原形盆地属山间断陷型,是褶皱带后造山期伸展[15]的产物.成盆后期的构造反转,产生由盆缘指向盆内的逆冲断裂,盆地呈狭长带状,与造山带走向一致.准噶尔盆地的早、中侏罗世煤系变形则具有/地台型0规律,变形分区为近似同心的环带结构,由盆缘向盆内,变形强度递减.准噶尔盆地西北缘、南缘和东北缘均被中、新生代逆冲褶皱带所围绕,形成一条强挤压变形环带,中生代煤系不同程度地受指向盆内的逆冲推覆和褶皱变形451第5期 曹代勇等:中国的含煤岩系变形分区452煤炭学报1998年第23卷改造.盆地中部的基本构造格局是在缓波状起伏基础上的断块组合,主体构造线方向为近东西向(北东东向和北西西向),张性和压性断裂并存,中生代煤系构造变形较微弱.312塔里木地台煤系变形基本特征及变形分区塔里木盆地作为以地台为基底的上叠盆地,中生代煤系变形的基本特征与华北、扬子地台上的晚古生代煤系和准噶尔盆地的中生代煤系相似,总的规律是地台边缘为较复杂的挤压变形带,地台内部构造简单.含煤盆地的变形规律是/陡边平底0,即边缘存在着逆冲挤压变形,造成煤系地层直立或者倒转,向盆内短距离内即过渡为舒缓波状起伏或地层近水平的断块组合.根据有限的煤田资料,塔里木地台早、中侏罗世煤系变形分区可划分出地台北缘逆冲断裂带、地台南缘与西南缘逆冲断裂带、地台东南缘阿尔金走滑断裂带(以块断为特征).地台内部仅塔北坳陷罗布泊预测区保存大面积连续的早、中侏罗世煤系,但埋深均超过2000m,据石油勘探资料,后期改造较轻微.4东北聚煤区煤系变形分区特征411大地构造背景及煤系发育东北聚煤区指北纬40b以北、东经110b以东的我国东北和内蒙东部.本区煤炭资源量约占全国的8%,以晚侏罗至早白垩世内陆含煤碎屑沉积而著称,东部的三江)穆棱河地区则发育了中国唯一的晚中生代近海型煤系,早第三纪煤系主要充填于沿北北东向展布的小型断陷盆地中.东北聚煤区以兴蒙褶皱系及其中间地块为基底,印支运动以后卷入滨太平洋活动大陆边缘,燕山运动早、中期以在区域挤压应力场控制下形成北北东-南南西走向的压性构造形迹为特征,中生代晚期,中国东部大地构造演化进入东亚大陆边缘裂解阶段,早期北西-南东向挤压应力场逐步被拉张应力场所取代.李思田等(1988)认为,东北亚晚中生代断陷盆地系是晚侏罗至早白垩世期间区域应力场由左行压剪转化为右行张剪过程中裂陷作用的产物[16].在东北聚煤区,以晚侏罗世早、中期兴安岭群(含义县组)火山岩系的形成是裂陷作用的第一阶段,以充填晚侏罗至下白世煤系为代表的大量中、小型断陷盆地形成是裂陷作用的第二阶段.本区由西向东可划分为大兴安岭西坡盆地群、松辽盆地群和东部盆地群等三大盆地群.412煤系变形基本特征及变形分区东北聚煤区煤盆地的直接基底多数是具脆性变形行为的火山岩系,煤系所经历的后期改造主要是控煤断裂的继承性活动,以断裂断块运动为特征,构造样式以由铲式正断层控制的箕状断陷和堑垒组合为主.板缘构造活动的影响东强西弱,由西向东,大兴安岭西坡盆地群、松辽盆地群和东部盆地群等三大盆地群中,煤系的改造具逐步增强的趋势.东带北部的三江)穆棱河盆地群中出现向北西扩展逆冲断层和轴面南东倾的斜歪褶皱等挤压构造样式,松辽盆地以东沿依兰)伊通断裂带和抚顺)密山断裂带发育的早第三系拉分裂陷盆地多数亦在晚喜山期发生正反转[6],而西带(大兴安岭以西)海拉尔盆地群和霍林河)二连盆地群仍保存了成盆期的伸展构造格局.5结论和讨论中国大陆由众多稳定地块和活动带镶嵌而成,具有显著的非均匀性.从煤盆地的后期改造和煤系赋存条件角度,可分出两大类基本赋煤大地构造单元:(1)克拉通或类克拉通(地台或古大陆板块主体部分),具稳定的结晶基底,发育巨型或大型波状坳陷,聚煤作用稳定连续;煤系的后期改造弱至中等,以具环带结构的变形分区为特征,变形强度由边缘向盆内递减,主体部分煤系保存完好,往往形成具有工业价值的大型和特大型煤田,如华北鄂尔多斯盆地和华南四川盆地等.(2)构造活动带,即地槽、地洼或大陆边缘,煤系基底活动性大,煤盆地以带状坳陷(晚古生代至早中生代)和断陷(中、新生代)为主,沉积-构造分异明显,聚煤作用规模和强度差别较大,煤系的后期改造通常较强烈,以平行条带结构的变形分区为特征,变形强度具有明显的方向性,如华南聚煤区东部.中国大陆自晚古生代以来,相继经历了古亚洲地球动力学体系、太平洋地球动力学体系和特提斯地球动力学体系的作用.大陆构造演化的非均匀性和多旋回性,导致煤系变形分区呈现复杂而又有序的总体面貌.与中国大陆岩石圈结构构造基本格局相似[17],煤系变形分区组合可分为三大区域:(1)大兴安岭)太行山)武陵山以东,煤系后期改造显著且多样化,秦岭)大别山以南以挤压背景为主,华北和东北则以伸展背景为主.煤系变形分区以北东-北北东向展布、平行排列的条带结构组合为基本格局,变形幅度和强度由东向西递减.(2)贺兰山)龙门山以西,煤田构造格局以挤压体制为特色,煤系变形分区组合呈北西-北西西-北北西弧形展布,变形强度向北递减.煤系变形分区组合由滇藏聚煤区的平行条带结构转换为西北聚煤区多中心的环带结构.(3)大兴安岭)太行山)武陵山与贺兰山)龙门山之间的南北向过渡带,地壳结构稳定,煤盆地演化以继承性为特征,鄂尔多斯盆地和四川盆地煤系变形分区具有典型的/地台型0同心环带结构.煤炭是我国的第一能源,我国煤炭资源成矿期多、煤系分布面积广、煤田勘探程度高,为其他矿种所少见,且煤系主要分布于板内.因此,划分煤系变形分区、总结煤系变形基本规律,不仅对于煤炭资源评价和开发具有战略指导意义,而且也不失为研究我国板内构造变形的一个良好窗口.参考文献1 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马杏垣主编.中国岩石圈动力学纲要.北京:地质出版社,1987作者简介曹代勇,男,教授.1990年于中国矿业大学北京研究生部获博士学位,现从事煤田和油气地质的教学和科研工作.出版5华北南部逆冲推覆伸展滑覆和重力滑动构造6和5沁水煤田东部构造特征研究6等专著3部,发表学术论文40余篇.北京市海淀区中国矿业大学北京校区,邮政编码:100083.453第5期 曹代勇等:中国的含煤岩系变形分区454煤炭学报1998年第23卷ZONING OF DEFORMATIO N OF CO AL MEASURES IN CHINACao Daiyong(Beij ing Camp us,China Univ ersity of M ining and Technology)Jing Yulong Qiu Guang zhong Zhang Dem in Wang Yong(China National Ad ministr ation of Coal Geology)Abstract A concept of dividing the deformation of coal measures in China into zones is given from the v iew point of evaluation and ex ploitation of coal resources.The basic characteristics of deformation of coal measures in four coal accumulation areas,namely in North China,South China,Northeast China and North-w est China is discussed.T he deformation zones of coal measures in the m ainland fall into tw o basic types,¹the concentric ring structures based on a stable basement of platform;ºthe parallel strip structures based on the tectonic active belts.Controlled by the geo-dynamic framew ork of the continental lithosphere,the plane distribution of the deformation in China can be divided into three parts:the NE-SW trending reformation zone of the eastern part,the NW-SE trending reformation zone of the western part,and the stable zone of middle transitional part.Keywords coal measures,deformation zoning,coal field structure,reformation,intraplate deformation简评5复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学6一书该书是作者将自己数十年来在岩石力学方面的科研工作成果的基础上撰写而成的专著.主要内容是复杂地质或工程条件下地下工程开挖支护稳定性的理论研究与工程应用问题.该书重点研究的复杂条件,其一是指具有断续性节理的较硬岩类;其二是指具有流变特性的较软岩类.这些条件下的开挖支护问题都是地下工程中难度很大且尚无专论的课题.值得指出,对前者,作者是通过模型试验取得基本规律,在理论研究后提出了几种适于断续节理岩体的先进分析方法,并给出了工程应用实例,还得到了验证;对后者,作者系统地提出了软岩巷道变形的力学机制、支护对策及优化设计途径与方法.这些内容已分别在国际知名刊物上发表过.这是该书最具有创意和特色的部分之一.因为目前国内外尚未有如此系统而全面(包括试验、分析方法及工程应用)地研讨这一类问题的著作.该书的第二个主要创新点,是指出了复杂地质条件下大型地下工程施工是与施工过程密切相关的,并提出了新的学科方向,即/岩体动态施工力学0及其基本原理;同时进一步运用先进的数学方法(如动态规划、人工智能)作为分析工具,形成了一个较完整的方法系统;还结合重大地下工程实例做了应用分析.结果显示,用它已得到十分显著的经济和安全效益.这在国际上具有首创意义,并有重大的实用意义.书中还提出了一系列不同力学模型的二维和三维位移观测反分析方法和应用实例,理论和实际结合紧密.在锚固机理研究方面,提出了一种适用于软岩支护的新的倾斜交叉锚固方法,经试验和应用证明能有效地提高围岩强度并控制其变形量;在巷道支护设计方面,提出了施工监控与反馈设计方法等.这也是一个突出的创新点.上述几方面的成果都已达到国际领先的水平.(中国工程院院士:刘天泉)。