山东聊城煤田赋岩赋煤盆地构造特征

刘书锋, 邵艳琴, 刘鑫冉, 孙思涵, 郑德超, 司维兵, 戚树林, 卢文东, 李晓波

(1. 山东省第一地质矿产勘查院,山东济南250100; 2. 山东省地矿工程集团有限公司,山东济南250014; 3. 山东商业职业技术学院,山东济南250103; 4. 山东正元地质资源勘查有限责任公司,山东淄博255035)

0 引 言

山东石炭—二叠纪煤矿是华北型煤矿的组成部分,煤炭资源丰富。聊城盆地煤炭勘查工作起步较早、程度较低,2005年后经多次煤炭勘查初步证实,聊城煤田开发潜力巨大,具有不可多得的资源优势和区位优势,是山东较好的煤炭资源后备基地(刘玉强等,2004)。

晚古生代石炭—二叠纪聚煤期岩石地层及层序地层等基础研究(张素梅等,2008;高丽丽,2012)为山东煤炭地质找矿与开发提供了较为充分可靠的地质依据,煤田地质勘查方法与技术手段近年来亦有了大幅度进步与提高。在系统整理和综合研析聊城煤田地质资料、科研成果的基础上,对山东聊城煤田赋岩赋煤盆地构造特征有了进一步认识。

1 构造特征

图1 山东聊城煤田大地构造位置简图(据张增奇等,2014 修编)1-一级单元界线;2-二级单元界线;3-三级单元界线;4-四级单元界线;5-五级单元界线;6-断裂及推测断裂; 7-不整合界线;8-单元代号;9-研究区范围F1-连云港—泗阳—嘉山断裂;F2-五莲断裂;F3-牟平—即墨断裂;F4-昌邑—大店断裂;F5-安丘—莒县断裂;F6-鄌郚—葛沟断裂;F7-齐河—广饶断裂;F8-聊城—兰考断裂Fig. 1 Geotectonic location diagram of Liaocheng coalfield in Shandong Province(modified from Zhang et al., 2014)

1.1 断裂特征

1.1.1 齐(河)—广(饶)断裂 位于该盆地北缘(刘书锋,2019;刘书锋等,2020),为聊城煤田控盆构造之一,是聊城煤田北部边界的分划性断裂(图2)。该断裂带均被第四系覆盖,其西端在茌平县北与聊(城)—兰(考)断裂相交(刘书锋等,2020),过济阳区向东经广南断裂会合于沂沭断裂带,长约300 km,宽5～10 km,走向65°～80°,倾向北北西,倾角约60°,由近平行的数条断裂构成阶梯状断裂带,在寿光一带呈堑垒式结构。该断裂显示张性,因被其他方向的断裂切截而走向不连续。

图2 山东聊城煤田构造纲要简图(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)1-断裂;2-背斜;3-聊城煤田范围Fig. 2 Schematic diagram of Liaocheng coalfield structure in Shandong Province(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

石油勘探资料(王学潮等,2001)揭示,该断裂总断距在1 200～2 000 m之间,断裂南北两侧新生界沉积厚度差异明显。济阳群仅分布于断裂北侧,南侧新近系黄骅群明化镇组角度不整合于下伏中生界。断裂带两侧古生界和中生界的物质组分及沉积特点较相似,且北部地层厚度略小于南部,断裂带两侧均缺失上白垩统和古新统,反映该断裂在古新世中期之前可能不存在或活动不明显(表1)。

表1 齐(河)—广(饶)断裂带两侧地层对比

1.1.2 聊(城)—(兰)考断裂 北起山东聊城,向南经范县、东明、鄄城西相交于新乡—商丘断裂,止于河南兰考,走向北北东,倾向北西,倾角约60°,为一隐伏断裂,是聊城煤田的西部分界性断裂(张素梅等,2008)。该断裂带具有覆盖层厚、构造带宽、断距大的构造特征,为西盘下降、东盘上升的正断层。由重力、地震测深、大地电磁测深等获得的资料表明:聊(城)—(兰)考断裂附近地壳厚度在30～36 km之间,为一条规模巨大的深大断裂。

聊(城)—(兰)考断裂的土壤气汞探测与研究结果(王学潮等,2001)(图3)显示,断裂两侧气汞含量背景值普遍较高,气汞异常2处,走向皆与断裂走向一致,异常区集中于1 250～1 300、1 200～1 400 m处,揭示有2条断裂存在,表征有大量汞蒸气沿构造向上扩散和运移,异常梯度变化特征严格受地质构造的控制。

图3 董口Ⅲ—Ⅲ′测线土壤气汞异常图(据山东省地质调查院,2007 修编)Fig. 3 Soil gas-mercury anomaly map of Dongkou survey line Ⅲ-Ⅲ ′(modified from Shandong Institute of Geological Survey, 2007)

气氡探测与研究结果(王学潮等,2001)(图4)表明,断裂两侧气氡含量背景值亦普遍较高,剖面上存在2个异常点(段),其走向均与断裂走向一致,异常区分别位于500～550、1 570～1 700 m处,揭示有2条断裂存在。

图4 小屯—同堂Ⅲ—Ⅲ ′测线土壤气氡异常图(据山东省地质调查院,2007 修编)Fig. 4 Soil gas-radon anomaly map of Xiaotun-Tongtang survey line Ⅲ-Ⅲ ′(modified from Shandong Institute of Geological Survey, 2007)

结果显示,气汞异常和气氡异常与聊(城)—(兰)考断裂套合较好,且由3～4条近平行断裂所致,证明了隐伏断裂带(组)的存在,可成为利用综合手段判测断裂的地质案例。

1.1.3 汶泗断裂 西起颜村铺,东至泗水县,长约116 km,走向270°,呈锯齿状,倾向南,倾角75°,断距>4 km,经地面电法、地震、重力等工作(图5)确定,由4条(局部表现为5条)近平行的阶梯状张性断裂构成,断裂带宽度约5 km。该断裂之西延即颜村铺断裂为聊城煤田的西南边界分划性断裂。

图5 汶泗断裂带物探成果综合信息图(据山东省地质调查院,2007 修编)(a) 视电阻率断面图;(b) 地震折射面及构造推断剖面图;(c) 电测深推断地质剖面图1-灰岩;2-前寒武纪基底岩系;3-奥陶系;4-前寒武系;5-断裂 Fig. 5 Comprehensive map of geophysical exploration information in Wensi fault zone(modified from Shandong Institute of Geological Survey, 2007)(a) Apparent resistivity profile; (b) Seismic refraction surface and inferred tectonic profile; (c) Geological profile inferred by electrical sounding

1.1.4 东阿断裂 位于聊城煤田东部,北延与牛角店断裂相交,全长约250 km,走向30°,倾向北西,倾角50°,断距约2.5 km,为一正断层,该断裂为聊城煤田的东南边界分划性断裂(图6)。

图6 聊城煤田地质构造剖面示意图(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)1-第四—新近系;2-古近系;3-奥陶系;4-寒武系;5-断裂Fig. 6 Schematic diagram of the geological structural section of Liaocheng coalfield(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

1.1.5 牛角店断裂(刘集断裂) 位于聊城煤田东北边缘,为聊城煤田北东边界与黄河北煤田分划性断裂,走向北北西,倾向南西,倾角约70°,为一正断层,航磁及布格重力等值线亦有明显的反映。

2 地层及岩性特征

聊城煤田为全掩盖式华北型煤田(李增学等,1995),基底为奥陶系马家沟群,主要含煤岩系为古生界石炭—二叠系太原组、山西组,上覆地层为古生界二叠系石盒子群以及新生界古近系、新近系、第四系。

2.1 奥陶系马家沟群

盆地内马家沟群(O2-3M)厚度约840 m,岩石组合主要为灰岩(图7)、白云岩。物性特征表现为“三高两低”(视电阻率高、视密度高、声波速度高、孔隙度低、自然放射性低),顶部风化时视电阻率、自然放射性、中子孔隙度曲线呈渐变型,极易区别于其他地层(图8)。

图7 奥陶纪石灰岩(据山东省第一地质矿产勘查院,2012)Fig. 7 Ordovician limestone(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

图8 奥陶系马家沟群及本溪组测井曲线物性特征(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)Fig. 8 Physical property of logging curves of the Ordovician Majiagou Group and Benxi Formation (modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

2.2 石炭—二叠系

2.2.1 本溪组 岩石组合为泥岩、粉砂岩,底部为湖田铁铝岩,厚约7 m,与下伏奥陶系马家沟群呈平行不整合接触。各层灰岩呈中高阻、低自然伽马强度反映,下部的G层铝土岩自然放射性很高(图8)。

2.2.2 太原组 岩石组合为泥岩、粉砂岩、细砂岩,夹数层灰岩和煤层(煤线),为聊城煤田主要含煤岩系(张传凤等,2016),厚约146 m,见3层稳定石灰岩(图9),分别为一灰、三灰、五灰,另有不稳定灰岩2～4层。五灰、徐灰厚度较大。徐灰下厚度最大,在1.80～6.15 m之间,含煤13层,其中,煤17(图9)、煤18(图10a)全区可采,煤13、煤16上大部可采,煤10、煤16下局部可采。煤17、煤18厚度较大,平均厚度分别为1.63、1.85 m,煤18局部见少量黄铁矿薄膜、散晶状黄铁矿及黄铁矿结核与团块(图10b)。太原组生物化石丰富(图10c、d),与下伏本溪组呈整合接触。

图9 太原组主要煤岩特征之一(据山东省第一地质矿产勘查院,2012)Fig. 9 Main coal rock characteristics of the Taiyuan Formation(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)(a) Bioclastic limestone from the first limestone section; (b) Bioclastic limestone from the third limestone section; (c) Bioclastic limestone from the fifth limestone section; (d) Coal from the seventeenth coal bed

图10 太原组主要煤岩特征之二(据山东省第一地质矿产勘查院,2012)Fig. 10 Main coal rock characteristics of the Taiyuan Formation (modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)(a) Coal from the eigthteenth coal bed; (b) Parting pyrite of the eithteenth coal bed; (c) Fossil of the Taiyuan Formation mudstone; (d) Plant fossil of the Taiyuan Formation mudstone

物性特征按曲线特征分为下列3个物性标志段(图11):①一灰段:呈高阻、高密度、高声速、低孔隙度及层厚稳定特征,居该段中央位置,上有煤3,下有煤7,极易辨认,此外煤10顶板有一自然伽马较高、异常为良好的物性标志;②三灰段:上有煤10,下有煤11,相间分布,视电阻率曲线呈“山”字形,视电阻率曲线和视密度曲线上煤13呈燕尾状,为确定三灰段的物性标志;③五灰段:在视电阻率曲线上形成子母峰,高阻、高密度、高声速、低自然放射性,厚度大而稳定,下有煤16、六灰、煤17、煤18,形成不同台阶形态,其中煤18顶底板自然伽马强度曲线的低高台阶反映是确定煤18的标志。

图11 太原组测井曲线物性特征(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)Fig. 11 Physical property of logging curves of the Taiyuan Formation(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

图12 山西组主要岩性特征(据山东省第一地质矿产勘查院,2012)Fig. 12 Main lithological characteristics of the Shanxi Formation(after No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)(a) Grayish white medium-grained sandstone (the three sandstones from the roof of the third coal bed); (b) Ferrite nodules of argillaceous siltstone

物性特征表现:以“三低一高”(视密度低、声速低、自然放射性强度低、视电阻率高)的煤3为中心,中高阻、较高密度、较高声速、较低自然放射性的中细砂岩及少量低阻泥岩对称分布(宋双,2017)。煤2、煤3在各曲线上反映明显、界面清楚,是良好的测井标志层,底部海退沉积反粒序测井曲线的反映是划分山西组与太原组界面的重要标志(图13)。

图13 二叠系测井曲线物性特征(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)Fig. 13 Physical property of Permian logging curves(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

2.2.4 石盒子群 岩石组合为杂色花斑泥岩(图14a)、砂岩、杂色铝土岩(图14b)、灰黑泥岩,底部常以1层灰绿色含砾粗砂岩(“S砂岩”)(图14c)与二叠系山西组分界,厚约216 m。物性特征表现为自然伽马曲线平均幅值稍高于上覆侏罗系,底部呈较高视电阻率幅值(图13)。

图14 石盒子群主要岩性特征(据山东省第一地质矿产勘查院,2012)Fig. 14 Main lithological characteristics of the Shihezi Group (after No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)(a) Variegated mudstone; (b) Argillaceous ferric bauxite (Layer A); (c) Gray-green gravelly coarse sandstone (“sandstone S” at the bottom of the Shihezi Group)

2.3 侏罗系

该盆地主要发育侏罗系三台组,厚约550 m。岩石组合为红色砂岩、泥岩,砂岩内交错层理发育并常夹紫色泥质斑块,与上覆新近系界线清晰(图15),角度不整合于下伏石盒子群。

图15 新近系底界与下伏侏罗系之古风化壳(据山东省第一地质矿产勘查院,2012)Fig. 15 Paleoweathering crust of Neogene bottom boundary and underlying Jurassic strata(after No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

2.4 新近系

上部岩石组合为土黄及浅棕红色泥岩、砂质泥岩、砂岩,下部岩石组合为灰绿、棕红、灰绿色泥岩及灰白色细砂岩,厚度为400～900 m,属河湖相、冲洪积相沉积,主要发育明化镇组,在聊城煤田底部常以残积层与下伏中生界或古生界不整合接触(图14),馆陶组在聊城盆地发育厚度较小或缺失。

新近系根据物性特征可分为上下2段(图16)。①上段:视电阻率曲线呈“弓”字形;视密度曲线在砂岩处幅值较大、泥岩处较小;底部厚砂岩视电阻率较高,自然伽马强度较小,视密度较大,分界标志明显。②下段:视电阻率曲线幅值低于上段,视密度小于上段,自然伽马曲线幅值略高于上段;底部有明显的自然伽马低异常,构成界面幅差,易于区分。

图16 新近—第四系测井曲线物性特征(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)Fig. 16 Physical property of Neogene andQuaternary logging curves(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

2.5 第四系

盆地内全为第四系覆盖,主要发育平原组,厚约110 m。上部以浅棕黄色粉砂质黏土为主,夹不等粒砂层;下部为灰黄色粉砂,夹薄层黏土,局部含砾石及钙质结核,为河漫滩相、河床相沉积,与下伏新近系不整合接触。

综上所述,聊城煤田聚煤期为石炭—二叠纪,岩石类型以碎屑岩为主,其次为碳酸盐岩、可燃有机岩(煤)。碎屑岩含量自下而上逐渐增加,石灰岩主要发育在太原组,煤层发育于太原组和山西组。粗碎屑含量由南向北、由西向东逐渐增加,石灰岩南部比北部厚,煤层中部厚,南北部薄(于学峰等,2015)。

3 构造盆地及聚煤演化

聊城盆地位于鲁中隆起区内,为一系列与牵引“入”字形构造等有关的盆地,主要受北东、北西向断裂和近东西向构造所控制。盆地呈长条形,剖面上呈箕形,与控制断裂的规模密切相关,总体呈现“南超北断”构造格局,即南部超覆于古生界之上,北部为断裂接触,盆地相应南浅北深。

3.1 盆地演化

3.1.1 中生代盆地形成及演化 加里东运动后,华北陆块形成了一个稳定、基底相对平坦的内陆海沉积盆地,继早古生代华北地台稳定的海相碳酸盐沉积后,在南北向强烈挤压的海西运动作用下,东西纵张、地台活化,原始石炭—二叠系聚煤盆地形成,后历经3次构造运动改造,形成不同的赋煤构造,控制了聊城盆地的地层沉积。

(1)早-中三叠世。该阶段区内继承了二叠系石盒子群的沉积格局,形成了一套浅湖相-滨湖相沉积的杂色泥岩与砂岩、杂色铝土岩、灰黑泥岩,底部为灰绿色含砾粗砂岩。

(2)侏罗纪。该阶段以淄博群沉积为主,沂沭断裂带和聊(城)—兰(考)断裂带发生左行平移运动,形成侏罗纪盆地,主要为三台组;岩性以河流相细砂岩为主,由于气候干燥,色调以紫红色为主。

3.1.2 新生代盆地形成及演化 盆地内主要沉积了古近系济阳群、新近系黄骅群和第四系。①盆前阶段:前古近纪区域性隆起和沉降阶段;②强烈裂陷阶段:受岩石圈减薄作用再次加强影响,地幔上隆,盆地受断裂控制开始形成并迅速扩展,沉积了厚度巨大的济阳群;③拗陷阶段:在拗陷、披盖阶段黄骅群得以沉积;④第四纪活动阶段:盆地继续活动,地表总体上以沉降为主,发育厚度较大的第四系。

3.2 盆地特征

盆地呈长条形,规模较大,主要控制断裂为北东向聊(城)—兰(考)断裂、牛角店断裂和齐(河)—广(饶)断裂。该盆地是新生代的新生裂谷型盆地,是华北裂陷带盆地的组成部分,叠加在古近纪以前的各种构造上,下陷强烈,新生代沉积厚度达1 000 m以上。

3.3 盆地类型

根据石炭—二叠纪含矿建造保存形式,鲁西地块内的赋岩赋煤构造可概括为箕斗型和堑垒型两大类(刘书锋等,2013)。

箕斗型赋煤盆地构造(程三友等,2020)的基本特点是含煤建造一侧有断裂存在,含煤建造呈单斜产出,形成箕斗型盆地,该类型盆地可分为反倾向盆地和同倾向盆地2个亚型,聊城煤田属于同倾向盆地。同倾向盆地指含矿建造赋存于断裂下盘,其倾向与断裂倾向一致,如聊城煤田、黄河北煤田、章丘煤田、淄博煤田,皆分布于齐(河)—广(饶)断裂南侧(图17),属华北型石炭—二叠纪含煤建造,倾向北,倾角5°～15°,与齐(河)—广(饶)断裂倾向一致。

图17 鲁西北、鲁中箕斗型(同倾向盆地)赋煤构造示意图(据山东省第一地质矿产勘查院,2012修编)1-平面断裂位置;2-剖面断裂位置;3-聊城煤田Fig. 17 Schematic diagram of skip-like (syn-dip basin) coal bearing structure in northwestern and central Shandong(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2002)

3.4 聚煤演化

山东地区区域构造具有明显的断块性质,煤系地层在后期改造中主要被各巨大断裂分割为不同地质块体,华北坳陷区在聊(城)—(兰)考断裂和齐(河)—广(饶)断裂双重控制下整体下沉,石炭—二叠系沉降至-2 000 m以下或更深,鲁中隆起区相对上升,仅局部地区相对沉降,石炭—二叠系含煤建造随之抬升,同时促成了煤层层位北低南高、成煤期北早南晚的特点,且呈东西成带、南北分异现象(朱裕振等,2020)。

4 结 论

(1)赋煤盆地构造空间位置是煤矿存在的先决条件,聊考—齐广巨大断裂作为区域分划性断裂是聊城盆地重要构造分区的边界,控制和限制其他构造的同时亦控制了该盆地的沉积、岩浆、变质等活动,致使聊城盆地总体呈“南超北断”的构造格局,盆地相应南浅北深。

(2)含煤沉积建造发育齐全的凹陷盆地是煤矿形成的决定性因素,聊城盆地石炭—二叠系海陆交互相碎屑岩-碳酸盐岩沉积建造是华北型煤田形成的决定性控制因素。

(3)含煤沉积建造的形成受控于下古生界基底岩系及华北石炭—二叠系箕斗型同倾向盆地;沉积建造及其煤层的保存则受控于后期构造运动对含煤建造和煤层的改造,使其下潜埋藏得以保存(聊城煤田等),或使其隆升抬升暴露遭受剥蚀、部分保存或全部被剥蚀殆尽。

(4)通过分析研究标志层特征和间距、钻孔测井资料、煤层本身的厚度和结构特征等,进一步厘定了煤岩层划分问题。

(5)今后的煤炭地质勘查工作过程中应综合勘查评价等方法手段,既要“乌金”(煤)发光又要“百花”(锂、锗、镓等)齐放。