魯西南地區構造演化與煤變質規律

雷小喬， 周日平

(1.中國煤炭地質總局，北京 100038； 2.中煤地北京大地高科地質勘查有限公司，北京 100049)

魯西南地區位于華北地臺魯西古隆起西南角，區域構造屬華北板塊魯西臺背斜西南部。魯西南含煤區東、南、西、北分別由驛山斷裂、南華北北部斷裂東端—豐沛斷裂、聊-蘭斷裂和汶泗斷裂所圍限，東北部為隆起區，西部和南部為止于邊界斷裂的環隆起分布的隆凹相間塊段形成的坳陷區。煤變質規律呈現靠近隆起區的魯西南東北部以中低變質程度的氣煤為主，西部和南部則表現為由隆起到坳陷到邊界斷裂，煤變質程度逐步提高，以氣肥煤、肥煤、焦煤為主。東北部隆起區中低煤階煤的變質是深成變質為主，西部和南部高煤階煤的變質是深成變質疊加巖漿熱接觸變質和動力變質等其他多期次、多熱源的變質。中生代及新生代發生的華南板塊、太平洋板塊與華北板塊構造應力作用導致的環魯西古隆起斷裂的復活以及斷裂間塊體的隆起與坳陷則是煤變質發生的根本，因為斷裂發生處巖漿的噴發、華北東部克拉通破壞引起的塊體沉陷導致的地熱流的升高等，都是煤進一步變質的直接誘因。本文以基底構造為出發點，結合區域構造演化，分析了基底構造對魯西南地區煤變質格局的控制作用。

1 魯西南煤類分布與煤變質規律

魯西南地區煤形成于石炭-二疊紀、侏羅紀、新生代三個時期，其中以石炭-二疊紀太原組、山西組煤為主要，分布最廣并最具開采價值。區域內煤田主要有巨野煤田、濟寧煤田、兗州煤田、滕縣煤田、韓臺煤田、臨沂煤田等(圖1)。

1.1 魯西南煤類分布

魯西南地區中低變質以及中高變質煤層都有分布，主要為氣煤、氣肥煤、肥煤，其次為無煙煤和天然焦[1]，兗州煤田最低，藤縣煤田次之，巨野煤田最高，即圍繞東北部隆起向西、向南，煤變質逐漸增高，靠近斷裂處變質程度最高，不同變質程度煤區域內分布規律明顯。

圖1 魯西南煤田、煤類分布圖Figure 1 Southwestern Shandong coalfield, coal rank distribution

1.2 魯西南地區煤變質序次與變質規律

圖1所示是研究區現煤變質程度分布，煤變質程度是用鏡質組油浸反射率(Ro)作為變質指標測定的，某一時刻煤變質程度應是其以前所經歷各時期熱變質效應的積累，是地質歷史縱向演變過程在此靜態時間點的反映，而非動態的變化過程。石油地質界用于含油氣盆地地熱史研究分析的TTI法可以實現這一動態變化過程的恢復，其計算的時間溫度指數TTI值能夠反映變質過程中的指數變化。此方法如用于煤變質的測定，通過把TTI值轉換為Ro值就可以實現。這樣通過測定TTI值轉化而來的指示各地質時期煤變質程度的Ro值[2]，將煤的變質演化賦予隨時間變化的動態屬性，更好的探尋煤與構造期、與古地理相互作用與影響。

表1是姚多喜將魯西南地區TTI值換算為Ro值的山西組3號煤熱演化歷程表。由表中可以看出，現今的研究區山西組3號煤變質從兗州—滕北—滕南—濟寧唐口—濟寧許廠—巨野逐步遞增。三疊紀末期，各煤田Ro值處于0.527%～0.55%區間，煤變質程度基本接近，為長焰煤階段，說明此時的變質發生在板塊碰撞及其引起的板內變形以前的穩定期。差異化主要集中于三疊紀末期以后，即三疊紀末期到侏羅紀末期、侏羅紀末到古新世末、古新世末至現代三個階段，由表中可見，三疊紀末至侏羅紀末巨野煤田煤變質程度最高，說明擠壓斷裂作用引起的構造巖漿作用在巨野煤田最先發生；侏羅紀末到古新世末，滕南、濟寧變質最大，巨野次之，滕北、兗州變質最低，說明此時的拉伸作用引起的斷裂巖漿作用主要集中于研究區南部；古新世末至現代為研究區全面沉陷期，巨野煤田離轉化成的拉伸斷裂最近，受華北東部克拉通破壞及下地殼拆沉影響，地幔巖漿上涌，華北東部并研究區大幅度沉陷，煤變質增加值明顯，這是華北東部克拉通破壞引起的研究區熱流值增加所致，是地熱作用的結果。

因此，從三疊紀末到現代，從兗州-滕北-滕南-濟寧-巨野煤田煤變質呈現逐步增加的規律性變化，即環繞兗州的西、南方向，研究區煤變質在逐漸升高，在聊蘭斷裂帶附近達到最高。

2 魯西南地區基底構造、板內變形與煤變質

魯西南在石炭-二疊紀煤系形成后，共經歷了三個構造發展階段，即石炭-二疊紀成煤后至三疊紀末期的穩定期、三疊紀末期至侏羅紀末期擠壓隆起期、侏羅紀末期開始直至現在的伸展構造期。侏羅紀末期開始的伸展斷裂期包括侏羅紀末期到古新世末的伸展斷裂期和古新世末至現代全面沉陷時期。期間經歷了擠壓到伸展的構造轉化，即晚侏羅世末到早白堊世，隨著西太平洋被動大陸邊緣轉化為活動大陸邊緣，原有擠壓斷裂轉化為拉伸斷裂，從此區域內以拉伸斷裂及其巖漿噴發為主。三個階段分別對應不同的古構造和古地理環境，與華北煤變質階段相對應，即穩定期的深成變質、斷裂發生期的區域巖漿熱變質和全面沉陷期熱流值增加導致的熱變質，這三階段對煤變質的影響在表1的山西組3號煤熱演化歷程表中都有所反映。

表1 魯西南地區山西組3號煤熱演化歷程表

上述成煤后構造演化的階段性對煤變質的影響解決的是煤在時間維度的變化，而區域內煤變質的橫向分布差異及規律則是成煤前基底構造的再活動來控制，因為煤層作為蓋層的一部份是依托基底而存在，基底的堅硬軟弱、高低起伏以及舊有斷裂對后期的成煤古地理以及構造演變過程中的斷裂構造的發展都具有直接的控制性影響。因此，基底構造對賦煤構造格局及煤變質分布規律具有控制性作用。煤的變質是在基底構造控制下經受不同構造階段應力作用而成。

2.1 魯西南地區基底構造

2.1.1 魯西南地區古陸核組成及特征

研究區東、西邊界分別被郯廬斷裂帶與聊蘭斷裂帶所圍限，這兩條斷裂帶屬華北次一級磁異常分區——濟寧古陸核區域的邊界斷裂，是華北地臺古中元古代斷裂，屬結晶基底斷裂，是地臺內部薄弱地帶遇應力作用的結果，古陸核垂向生長的特性形成了其固有的穩定性。圖2為白瑾等在華北磁性界面等深圖劃分出的濟寧古陸核深層磁性界面等深線圖[3]，不同形態等深線分別代表不同的地形與地形走向，圖中可見，濟寧古陸核成穹窿狀分布，中心圈閉線代表的穹窿最高處是從濟寧西南部一直延伸到濟南南部，且方向有分散狀，表示古陸核在晚太古代拼接時的復雜性，古陸核碰撞時的旋轉以及旋轉產生的韌性剪切帶圍繞古陸核呈弧形分布，碰撞、剪切的結果形成邊緣走向的不同，東部、西部邊緣走向為北東向，北部、南部邊緣走向為北西向或近東西向。

圖2 魯西磁性界面等深度圖和濟寧古陸核分布圖Figure 2 Western Shandong magnetic interface isobath and Jining paleo-continental nuclear distribution

2.1.2 魯西南地區古中元古代的破裂與煤變質格局

古元古代引張應力作用下的拉伸破裂是華北區新太古代晚期第一次克拉通化之后的韌性破裂，此破裂為多處且不連續的發生，中元古代的破裂是克拉通固結之后的破裂，為線性斷裂，線性斷裂的發生形成區域內塊斷分割的構造格局。

魯西南含煤區地處濟寧古陸核西南部，西部、南部邊界的聊-蘭斷裂、豐沛斷裂為古斷裂，北部、東部的驛山斷裂、汶泗斷裂應是構造運動過程中起調節作用的轉換斷裂，但其整體格局仍受古陸核控制，研究區“棋盤”狀復式塹壘構造受這些斷裂所圍限。區域內自北而南的東西向的汶泗、鄆城、鳧山及韓臺斷層, 自西而東聊城、田橋、巨野、嘉祥、孫氏店、濟寧、嶧山等斷層也應具有與邊界斷裂同樣的成生性，均為次一級古斷裂或軟弱破裂帶的復活，斷塊間地塹與地壘是擠壓或拉伸應力作用時起伏調整的結果，由此形成了魯西南部、北部“兩塹一壘”的地塹和“三壘兩塹”的中間及兩邊為地壘、間夾地塹的構造(圖3)。位于南、北兩側的EW向地塹含煤建造保存較好,如汶上-寧陽、滕縣、魚臺等煤田，位于中部的地壘含煤建造保存不完整,只是在與SN向地塹疊加地段如濟寧凹陷、巨野凹陷保存較好,形成濟寧、巨野煤田;在與SN向地壘疊加地帶如菏澤隆起、兗州凸起含煤建造大部分遭剝蝕,僅在背斜翼部、向斜軸部有保存,如位于兗州凸起的兗州煤田。

圖3 魯西南塹壘控煤構造示意圖Figure 3 A schematic diagram of graben-horst coal control structures in southwestern Shandong

2.2 魯西南顯生宙構造演變與煤變質

2.2.1 晚古生代成煤與晚三疊世前的深成變質

早古生代的寒武紀及早、中奧陶世，魯西南地區隨華北板塊同步緩慢沉降并接受以濱淺海相碳酸鹽巖為主的沉積，晚奧陶世泥盆紀到中石炭世抬升，中石炭世開始受古亞洲板塊與華北板塊的碰撞影響，華北板塊北部隆升，華北板塊從北到南翹翹板式不斷推進，華北區大面積海陸交互相煤系形成，但基底的隆起與坳陷處仍在影響著煤層的均勻沉積，隆起區沒有煤層沉積，坳陷區則因水深過度而煤層難以形成，由此形成了研究區成煤古地理的差異和厚度不同的魯西南煤系地層的沉積。煤系形成后，印支運動發生前，研究區沉積持續，煤的深成變質占據主導地位。

2.2.2 中新生代擠壓、拉伸應力的轉化與煤的熱變質

晚三疊世末期，隨著揚子板塊向北俯沖-碰撞以及西太平洋板塊被動邊緣的持續推進，華北大面積隆起，擠壓推覆構造此起彼伏，原有基底斷裂復活，華北板塊出現東高西低的東西分異格局，環古陸核魯西弧形構造系統發育[5]，魯西南區為南部EW向、西部NE向推覆構造及NE向和WN向走滑調整斷裂發育，晚侏羅世-早白堊世達到隆起頂峰。隨著西太平洋板塊板緣構造由被動轉化為活動，并且向華北板塊俯沖，原有擠壓斷裂轉換為伸展斷裂，巖漿噴發，煤系巖漿熱接觸變質占主導。隨著俯沖作用的持續以及印度板塊在南部的推擠，華北東部地幔隆升，巖石圈減薄，下地殼拆沉，華北東部克拉通發生破壞，研究區古陸核西部區域地殼全面沉陷，地熱梯度升高，西部、南部區域沿邊界斷裂拉伸下陷，受巖石圈減薄及地熱值升高的影響，邊界斷裂處煤變質進一步提高。

3 魯西南地區構造演化與煤變質規律

華北板塊在經歷了石炭-二疊紀煤系沉積、晚三疊世末期以及早中侏羅世擠壓隆升后，晚侏羅世-早白堊世在西太平洋板塊活化俯沖后，華北東部區域即開始了拉伸斷裂、全面沉陷、地殼減薄、巖漿噴發以及地熱梯度顯著增強的地質歷史時期，巖漿的噴發以及地熱梯度的增強使得煤變質進一步加深，而組成原地臺基底的古陸核和原始斷裂，在經受擠壓和拉伸應力作用時繼承性活動，對研究區煤變質構造格局具有控制意義。魯西南石炭-二疊紀煤由東北部到南部、到西部逐漸增大的變質即是沿古陸核中心到邊部到深大斷裂帶處的由淺到深的變質，由穩定陸核到構造活動帶的變質。因為活動帶作為原地臺的構造薄弱帶，具有更強的活動性，是巖漿多發帶，而且在遇拉伸應力作用時沉陷更深，是煤變質的巖漿接觸變質、動力變質、深成變質以及地熱升高影響的變質的集中地帶，因此，基底構造和成煤后構造演化構成了魯西南煤變質的兩個方面，但基底構造更具有控制意義。