大同煤田区域地质发展演化简史

高丽洁，田鹏飞，李金松

（大同煤矿集团有限责任公司 地质勘测处，山西 大同 037003）

大同煤田位于山西省北部，其大地构造位置属华北断块内二级构造单元吕梁-太行断块中的云岗块坳。煤田总体为一呈北东30°～50°走向的不对称向斜盆地，东南边缘陡、西北及中部宽缓。煤田东北部以青磁窑断裂为界，东南部以口泉山脉煤系露头为界，西南部至洪涛山背斜与宁武煤田相隔，西北部以董半川、西窑头、左云县城、云西堡、小破堡，下深涧、西村一带煤系地层隐伏剥蚀边界为界。主要控煤构造为口泉断裂带和大同向斜。大同煤田为石炭-二叠、侏罗双纪煤田。其中，石炭-二叠纪煤田面积1739 km2，侏罗纪煤田面积772 km2。

大同煤田在漫长的地质史中，大体经历了6个发展演化阶段：①早中太古代沉积、构造变动、岩浆活动和变质作用阶段；②晚太古代到晚元古代变质、剥蚀阶段；③早古生代海相碳酸盐岩稳定沉积、隆起剥蚀阶段；④晚古生代海陆交互相稳定沉积、构造改造阶段；⑤中生代内陆盆地稳定沉积、构造改造阶段；⑥新生代隆起剥蚀、伸展拉伸阶段。

图1 大同煤田构造形态

1 太古代

在约31亿a的中太古代时期，本区处于相对稳定的浅海状态，在相当长的时期内，地壳持续下降接受沉积。在约28.5亿a的晚太古代，华北地块普遍经历了一次强烈地壳运动～阜平运动，地壳经受了强烈的构造运动和变质作用，形成厚度很大、变质很深、强烈褶皱的一套古老变质岩系。

本区太古界地层集宁群下部主要为麻粒岩，原岩多是火成岩变质而成，普遍遭受混合岩化作用，变质较深，含较多石墨片岩、石墨片麻岩。构造线方向多变，岩层中发育一系列卵形穹状构造；上部以片麻岩和斜长角闪岩为主，有少量的麻粒岩、大理岩和石英岩，旋回比较明显，原岩由砂质泥质岩、碳酸盐岩等沉积岩组成，变质程度一般为高角闪岩相-角闪岩相。构造线近EW向。主要出露于青磁窑断层以东、七峰山以南的口泉山脉东坡边缘地带，出露厚度大于900 m。受岩浆活动和变质作用的影响，太古界中未发现生物化石。

2 元古代

晚太古代阜平晚期运动使本区上升隆起，在约25～6亿a间长期遭受剥蚀。在此期间，山西省境内发生过多期构造运动，有从晚太古代延续至早元古代的五台运动、中元古代的吕梁运动和晚元古代的晋宁运动，形成褶皱带及山脉。

本区集宁群变质岩系受到各期运动变质作用的叠加与改造，发生混合岩化及退变质作用，岩层中可见到吕梁期辉长辉绿岩脉。元古代末，集宁群已形成稳定的结晶基底，并经长期剥蚀夷平，成为华北地块北部的一部分和区域沉积基底。

3 早古生代

早寒武世华北地块开始缓慢下降，本区仍处于隆起状态，地势北高南低。直到中寒武世早期，地壳降至海平面以下，海水由南向北逐渐入侵，本区开始接受沉积，在集宁群基底上角度不整合地稳定沉积了寒武系中统以灰岩为主的碳酸盐岩毛庄组、徐庄组、张夏组地层，厚度达250～280 m。自张夏末期，山西省南部逐渐抬升，晚寒武世整个山西省古地理面貌转变为南高北低。晚寒武世本区仍为海侵状态，崮山-凤山期继续接受沉积，沉积物主要是厚层状灰岩夹竹叶状灰岩、泥质条带灰岩，厚度在140～210 m。

早奥陶世本区继承和发展了晚寒武世的古地理面貌，南部不断抬升，咸化海范围不断北进缩小，本区变为北中部深、西南部的浅陆表海环境，沉积了竹叶状灰岩、钙质泥岩及白云岩的冶里组地层，厚30～65 m。亮甲山期，海水进一步咸化，水中氧化镁浓度及PH值增高，沉积了含大量燧石结核或条带的白云岩，厚度达100 m。中奥陶世，本区仍有碳酸盐岩沉积，中部可见下、上马家沟组，厚度较小。从亮甲山后期本区开始逐渐上升，到上马家沟后期停止沉积，全区未见峰峰组地层。峰峰期后，加里东期的晋冀鲁豫运动使整个华北地块抬升为陆，结束了早古生代的沉积，本区北部上升幅度大于南部。从中奥陶世末至中石炭世初，本区长期遭受剥蚀，且北部剥蚀程度更为强烈。

本区寒武系地层赋存范围广泛，全区稳定赋存，由北向南逐渐完整、厚度逐渐增大，主要出露于口泉山脉边缘及青磁窑断层东侧。下奥陶统冶里组赋存于狼儿沟以南的广大区域，亮甲山组赋存于塔山以南的煤田中南部，地层厚度由北向南逐渐增大，主要出露于拖皮沟以南的口泉山脉东南边缘。

三叶虫从徐庄期开始在本区出现，张夏期达到繁盛高峰，一直延续至寒武纪末。早奥陶世，本区三叶虫大衰，笔石动物得到大发展，亮甲山期头足类的角石及碗足类的正形贝较为繁盛。

4 晚古生代

中奥陶世末至中石炭世初，经过约1.4亿a的长期剥蚀，本区同华北地块其它区域一样，地形平坦，趋于准平原化。中石炭世早期，华北地块开始缓慢下降，但下降幅度不大，海水逐渐侵入，本区形成一个大范围的澙湖-潮坪环境，残积的大量铁铝物质带入海水，本溪期不连续地沉积了一套海陆交互相的含煤的铝铁建造，厚度45 m左右。该建造底部为铝土质泥岩、山西式铁矿，中部发育一层2～5 m的灰岩，上部为粉、细砂岩夹带泥岩。晚石炭世初，受阴山古陆相对隆起的影响，本区地壳略有上升，北部略高于南部，海水逐渐南移，形成滨海平原环境。此时气候湿润，森林茂密，一直到早二叠世山西期，连续沉积了滨海相的石炭-二叠系太原组、山西组含煤建造，太原组厚度在58～110 m，山西组厚34～68 m。

早二叠世下石盒子时期，本区更加远离海洋，变为山前冲积平原，曲流河发育，植物仍很繁盛，但已远不及山西期，沉积物主要是石英砂岩、砂质泥岩，厚80～140 m。晚二叠世本区基本保持北高南低的古地理面貌，仍是曲流河发育的冲积平原，但气候逐渐趋于干旱炎热，植物由繁盛逐渐衰减，直至难于生存，沉积了上石盒子组、石千峰组地层，沉积物主要为含砾砂岩及砂、泥岩，颜色由黄、绿逐渐转变为紫、红，上石盒子组厚125～279 m，石千峰组厚度在100 m以下。二叠纪末受海西运动影响，本区整体上升，气候火热干燥，不再沉积，开始了新的剥蚀，使已沉积的石炭二叠系地层不同程度遭受剥蚀，且北部剥蚀更为强烈。

石炭系本溪组在本区内除甘庄以北一带外均有赋存，太原组在十里河以南地区广泛、稳定赋存。二叠系山西组赋存在狼儿沟-旧高山以南的煤田中部和南部，中部厚，南北薄，逐渐尖灭，中部厚度可达120 m以上。下、上石盒子组赋存于七峰山以南的广大地区，石千峰组仅赋存在青阳湾南部香炉山顶部至沙河一线以南的地区。本溪组、太原组、山西组主要出露于煤田东南边缘口泉山脉东南侧，下、上石盒子组出露于珍珠沟以南至鹅毛口的沿山地带，石千峰组出露于全羊头-羊圈沟一带。

本溪期的海洋无脊椎动物以腕足类及筳类为主，化石丰富。从晚石炭世太原期开始本区沼泽遍布，气候湿润，植物得到进一步发展，植物群主要为鳞木属、楔叶真蕨和种子蕨等，一直延续至晚二叠世上石盒子期。石千峰期，气候更加炎热干燥，已不利于植物生长，地层中未发现植物化石。

5 中生代

本区缺失三叠系地层，未沉积的可能性较大。三叠纪末期印支运动导致本区北中部下降形成盆地。直到早侏罗世末期，本区气候温暖潮湿，曲流河、湖泊发育，在北中部盆地中沉积了砂砾岩及杂色砂泥岩的永定庄组地层，厚度在100～200 m。永定庄组沉积前，印支运动使本区地壳断裂，形成岩浆入侵通道，基性岩浆顺石炭系煤层以岩床、岩脉的形式产出，形成煌斑岩，侵入范围几乎涵盖本区整个石炭系地层赋存范围，局部甚至喷出与永定庄组呈不整合接触。

中侏罗世大同期，气候更为湿热，植物繁茂，经永定庄组沉积填平补齐，地形更为平缓，地壳整体仍保持下降态势，曲流河、泥炭沼泽及淡水湖泊更替发育，沉积范围较永定庄组进一步扩大，在盆地中沉积了一套砂、泥岩及煤的大同组陆相含煤地层，厚度较大，约180～220m。中侏罗世云岗期，燕山早期运动日趋强烈，地壳运动差异加强，本区南部抬升，不再沉积转为剥蚀；北部河流坡降加大，气候逐渐转为干旱，降水量减少，曲流河变成了季节性的辫状河，在盆地中沉积了由灰、灰绿到紫红色的砂、泥岩，厚度较大，最大可达250 m。晚侏罗世是燕山运动强烈活动期。本区先期受SENW向挤压，在煤田东南部形成NE向压性口泉逆冲、逆掩断裂及大同煤田的主向斜及其次级褶曲。后期又转变为NEE-SWW向的挤压，形成NNW向的青磁窑逆冲断裂，同时伴有岩浆侵入和喷发。侵入岩主要以岩墙形式产出的辉绿岩及辉绿玢岩，岩墙切穿白垩系以下各时代地层，部分区域喷出地表，形成玄武岩。

早白垩世早期，燕山运动进入中期，构造运动仍很强烈。经燕山早-中期运动改造，基本形成了现今的大同煤田范围及轮廓，古地形转变为南高北低、东高西低，之后构造运动趋于稳定。早白垩世晚期，在本区西北部及其外围区域构成了吕梁断块山区的山前倾斜平原，沉积了一套具有磨拉石特征的山前冲积扇砾岩和砂岩，以及湖泊相泥岩、灰岩等相间的左云组，厚度从数10～500 m以上。晚白垩世本区大部继续遭受剥蚀，西北部及其外围区域高差逐渐缩小，曲流河和湖泊发育，沉积了红色泥岩和灰白、灰黄色砂岩互层的助马堡组，厚度较大，在左云一带可达700 m以上。晚白垩世末，燕山晚期运动使本区抬升，全区遭受剥蚀。

侏罗系永定庄组、大同组、云岗组主要赋存于本区北部及中部，向南逐渐变薄尖灭，中部零星存在于山顶上，主要出露于尖口山、石门、鹅毛口一带的沟谷及煤田东南部边缘口泉断裂带。白垩系左云组、助马堡组主要赋存在本区的西北部及其外围地区，总体为西北厚、东南薄，主要出露于尖口山、旧高山、甘庄一线侏罗系煤田的西北部边缘。

早中侏罗世本区植物繁盛、种类繁多，其中以真蕨类蕨科、苏铁类、银杏类为主，河湖中发育着双壳类。白垩纪时，区内气候湿热，生物种类甚多，主要有叶肢介、双壳类、介形类、腕足类、爬行类以及轮藻等动植物，其中以介形类最为发育。晚白垩世，爬行类动物繁盛，助马堡组地层中含有丰富的恐龙化石。

6 新生代

燕山晚期运动使本区抬升后，早第三纪本区继续遭受剥蚀、夷平，区内未见早第三系沉积。晚第三纪上新世，本区气候炎热，在西北部的沟谷、沟帮等低凹处零星沉积了静乐组红色粘土，厚5～15 m。第四纪喜马拉雅运动活动频繁，本区地壳间歇性的持续上升，在低凹的沟谷中堆积了各时代风化剥蚀产物。更新世以来大量黄土被风从西北方向吹来，堆积于不同高度的山间低洼带和沟谷中，同时受水流作用被再搬运，形成了本区地表覆盖区域最为广泛的黄土层，厚度从数米到100多米。晚第三纪在本区外围区域，有岩浆喷出地表，形成玄武岩。

进入新生代以来，本区受喜马拉雅NW-SE方向伸展运动控制，在煤田东南部边缘沿燕山期形成的大断裂逐渐拉伸张裂，在本区东部形成断陷盆地，且边裂、边陷、边接受沉积，从晚第三纪上新世开始到第四系，沉积了巨厚层的第四系黄土。晚更新世时，也有火山活动，在本区东北外围地区形成了著名的大同火山群。

第四纪以来本区多次发生地震，表明新构造运动还在继续进行。

7 成煤环境及聚煤特征

7.1 石炭-二叠纪

本区从晚石炭世太原期开始，出现北部逐渐抬升的趋势，形成北高南低的古地理面貌，海水不断南移，并向南退出，这一趋势与面貌几乎贯穿整个晚古生代。沉积环境从潟湖-潮坪开始，变为三角洲平原、滨海山前平原，再发展成滨海平原，最后为山前冲积平原，为一典型的海退系列，一直保持到早二叠世山西期。平原中的河流，总体是由北向南流，碎屑物质来源于北部地区，碎屑粒度呈现北粗南细，沉积厚度是南厚北薄。在此期间气候湿润，雨量充沛，森林茂密，连续沉积了滨海相的石炭-二叠系含煤建造。直到晚二叠世气候变得火热干燥，植物难于生存，结束了煤系地层的沉积。

7.2 侏罗纪

中侏罗世大同期，地形平坦，气候温暖湿润，植物繁盛，本区沉积了大同组含煤岩系。大同组为陆相沉积，主要的沉积环境为河流、湖泊三角洲、湖泊以及沼泽。按岩性岩相组合及煤层特征，自下而上可分为三个旋回，三个旋回均为河流-滨湖三角洲沉积相组合。下部旋回以河流相为主，煤层分叉合并频繁；中部旋回以滨湖三角洲及湖滩相为主，煤层稳定性较好，多为单一煤层，基本上无分叉合并现象或简单的分叉合并；上部旋回主要为滨湖三角洲相，煤层有分叉合并现象。砂体分析和古流向结果表明，古水流方向为北东-南西向。