山東聊城煤田賦巖賦煤盆地構造特征

劉書鋒, 邵艷琴, 劉鑫冉, 孫思涵, 鄭德超, 司維兵, 戚樹林, 盧文東, 李曉波

(1. 山東省第一地質礦產勘查院,山東濟南250100; 2. 山東省地礦工程集團有限公司,山東濟南250014; 3. 山東商業職業技術學院,山東濟南250103; 4. 山東正元地質資源勘查有限責任公司,山東淄博255035)

0 引 言

山東石炭—二疊紀煤礦是華北型煤礦的組成部分,煤炭資源豐富。聊城盆地煤炭勘查工作起步較早、程度較低,2005年后經多次煤炭勘查初步證實,聊城煤田開發潛力巨大,具有不可多得的資源優勢和區位優勢,是山東較好的煤炭資源后備基地(劉玉強等,2004)。

晚古生代石炭—二疊紀聚煤期巖石地層及層序地層等基礎研究(張素梅等,2008;高麗麗,2012)為山東煤炭地質找礦與開發提供了較為充分可靠的地質依據,煤田地質勘查方法與技術手段近年來亦有了大幅度進步與提高。在系統整理和綜合研析聊城煤田地質資料、科研成果的基礎上,對山東聊城煤田賦巖賦煤盆地構造特征有了進一步認識。

1 構造特征

圖1 山東聊城煤田大地構造位置簡圖(據張增奇等,2014 修編)1-一級單元界線;2-二級單元界線;3-三級單元界線;4-四級單元界線;5-五級單元界線;6-斷裂及推測斷裂; 7-不整合界線;8-單元代號;9-研究區范圍F1-連云港—泗陽—嘉山斷裂;F2-五蓮斷裂;F3-牟平—即墨斷裂;F4-昌邑—大店斷裂;F5-安丘—莒縣斷裂;F6-鄌郚—葛溝斷裂;F7-齊河—廣饒斷裂;F8-聊城—蘭考斷裂Fig. 1 Geotectonic location diagram of Liaocheng coalfield in Shandong Province(modified from Zhang et al., 2014)

1.1 斷裂特征

1.1.1 齊(河)—廣(饒)斷裂 位于該盆地北緣(劉書鋒,2019;劉書鋒等,2020),為聊城煤田控盆構造之一,是聊城煤田北部邊界的分劃性斷裂(圖2)。該斷裂帶均被第四系覆蓋,其西端在茌平縣北與聊(城)—蘭(考)斷裂相交(劉書鋒等,2020),過濟陽區向東經廣南斷裂會合于沂沭斷裂帶,長約300 km,寬5～10 km,走向65°～80°,傾向北北西,傾角約60°,由近平行的數條斷裂構成階梯狀斷裂帶,在壽光一帶呈塹壘式結構。該斷裂顯示張性,因被其他方向的斷裂切截而走向不連續。

圖2 山東聊城煤田構造綱要簡圖(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)1-斷裂;2-背斜;3-聊城煤田范圍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)

石油勘探資料(王學潮等,2001)揭示,該斷裂總斷距在1 200～2 000 m之間,斷裂南北兩側新生界沉積厚度差異明顯。濟陽群僅分布于斷裂北側,南側新近系黃驊群明化鎮組角度不整合于下伏中生界。斷裂帶兩側古生界和中生界的物質組分及沉積特點較相似,且北部地層厚度略小于南部,斷裂帶兩側均缺失上白堊統和古新統,反映該斷裂在古新世中期之前可能不存在或活動不明顯(表1)。

表1 齊(河)—廣(饒)斷裂帶兩側地層對比

1.1.2 聊(城)—(蘭)考斷裂 北起山東聊城,向南經范縣、東明、鄄城西相交于新鄉—商丘斷裂,止于河南蘭考,走向北北東,傾向北西,傾角約60°,為一隱伏斷裂,是聊城煤田的西部分界性斷裂(張素梅等,2008)。該斷裂帶具有覆蓋層厚、構造帶寬、斷距大的構造特征,為西盤下降、東盤上升的正斷層。由重力、地震測深、大地電磁測深等獲得的資料表明:聊(城)—(蘭)考斷裂附近地殼厚度在30～36 km之間,為一條規模巨大的深大斷裂。

聊(城)—(蘭)考斷裂的土壤氣汞探測與研究結果(王學潮等,2001)(圖3)顯示,斷裂兩側氣汞含量背景值普遍較高,氣汞異常2處,走向皆與斷裂走向一致,異常區集中于1 250～1 300、1 200～1 400 m處,揭示有2條斷裂存在,表征有大量汞蒸氣沿構造向上擴散和運移,異常梯度變化特征嚴格受地質構造的控制。

圖3 董口Ⅲ—Ⅲ′測線土壤氣汞異常圖(據山東省地質調查院,2007 修編)Fig. 3 Soil gas-mercury anomaly map of Dongkou survey line Ⅲ-Ⅲ ′(modified from Shandong Institute of Geological Survey, 2007)

氣氡探測與研究結果(王學潮等,2001)(圖4)表明,斷裂兩側氣氡含量背景值亦普遍較高,剖面上存在2個異常點(段),其走向均與斷裂走向一致,異常區分別位于500～550、1 570～1 700 m處,揭示有2條斷裂存在。

圖4 小屯—同堂Ⅲ—Ⅲ ′測線土壤氣氡異常圖(據山東省地質調查院,2007 修編)Fig. 4 Soil gas-radon anomaly map of Xiaotun-Tongtang survey line Ⅲ-Ⅲ ′(modified from Shandong Institute of Geological Survey, 2007)

結果顯示,氣汞異常和氣氡異常與聊(城)—(蘭)考斷裂套合較好,且由3～4條近平行斷裂所致,證明了隱伏斷裂帶(組)的存在,可成為利用綜合手段判測斷裂的地質案例。

1.1.3 汶泗斷裂 西起顏村鋪,東至泗水縣,長約116 km,走向270°,呈鋸齒狀,傾向南,傾角75°,斷距>4 km,經地面電法、地震、重力等工作(圖5)確定,由4條(局部表現為5條)近平行的階梯狀張性斷裂構成,斷裂帶寬度約5 km。該斷裂之西延即顏村鋪斷裂為聊城煤田的西南邊界分劃性斷裂。

圖5 汶泗斷裂帶物探成果綜合信息圖(據山東省地質調查院,2007 修編)(a) 視電阻率斷面圖;(b) 地震折射面及構造推斷剖面圖;(c) 電測深推斷地質剖面圖1-灰巖;2-前寒武紀基底巖系;3-奧陶系;4-前寒武系;5-斷裂 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 東阿斷裂 位于聊城煤田東部,北延與牛角店斷裂相交,全長約250 km,走向30°,傾向北西,傾角50°,斷距約2.5 km,為一正斷層,該斷裂為聊城煤田的東南邊界分劃性斷裂(圖6)。

圖6 聊城煤田地質構造剖面示意圖(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)1-第四—新近系;2-古近系;3-奧陶系;4-寒武系;5-斷裂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 牛角店斷裂(劉集斷裂) 位于聊城煤田東北邊緣,為聊城煤田北東邊界與黃河北煤田分劃性斷裂,走向北北西,傾向南西,傾角約70°,為一正斷層,航磁及布格重力等值線亦有明顯的反映。

2 地層及巖性特征

聊城煤田為全掩蓋式華北型煤田(李增學等,1995),基底為奧陶系馬家溝群,主要含煤巖系為古生界石炭—二疊系太原組、山西組,上覆地層為古生界二疊系石盒子群以及新生界古近系、新近系、第四系。

2.1 奧陶系馬家溝群

盆地內馬家溝群(O2-3M)厚度約840 m,巖石組合主要為灰巖(圖7)、白云巖。物性特征表現為“三高兩低”(視電阻率高、視密度高、聲波速度高、孔隙度低、自然放射性低),頂部風化時視電阻率、自然放射性、中子孔隙度曲線呈漸變型,極易區別于其他地層(圖8)。

圖7 奧陶紀石灰巖(據山東省第一地質礦產勘查院,2012)Fig. 7 Ordovician limestone(modified from No. 1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, 2012)

圖8 奧陶系馬家溝群及本溪組測井曲線物性特征(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)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—二疊系

2.2.1 本溪組 巖石組合為泥巖、粉砂巖,底部為湖田鐵鋁巖,厚約7 m,與下伏奧陶系馬家溝群呈平行不整合接觸。各層灰巖呈中高阻、低自然伽馬強度反映,下部的G層鋁土巖自然放射性很高(圖8)。

2.2.2 太原組 巖石組合為泥巖、粉砂巖、細砂巖,夾數層灰巖和煤層(煤線),為聊城煤田主要含煤巖系(張傳鳳等,2016),厚約146 m,見3層穩定石灰巖(圖9),分別為一灰、三灰、五灰,另有不穩定灰巖2～4層。五灰、徐灰厚度較大。徐灰下厚度最大,在1.80～6.15 m之間,含煤13層,其中,煤17(圖9)、煤18(圖10a)全區可采,煤13、煤16上大部可采,煤10、煤16下局部可采。煤17、煤18厚度較大,平均厚度分別為1.63、1.85 m,煤18局部見少量黃鐵礦薄膜、散晶狀黃鐵礦及黃鐵礦結核與團塊(圖10b)。太原組生物化石豐富(圖10c、d),與下伏本溪組呈整合接觸。

圖9 太原組主要煤巖特征之一(據山東省第一地質礦產勘查院,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

圖10 太原組主要煤巖特征之二(據山東省第一地質礦產勘查院,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

物性特征按曲線特征分為下列3個物性標志段(圖11):①一灰段:呈高阻、高密度、高聲速、低孔隙度及層厚穩定特征,居該段中央位置,上有煤3,下有煤7,極易辨認,此外煤10頂板有一自然伽馬較高、異常為良好的物性標志;②三灰段:上有煤10,下有煤11,相間分布,視電阻率曲線呈“山”字形,視電阻率曲線和視密度曲線上煤13呈燕尾狀,為確定三灰段的物性標志;③五灰段:在視電阻率曲線上形成子母峰,高阻、高密度、高聲速、低自然放射性,厚度大而穩定,下有煤16、六灰、煤17、煤18,形成不同臺階形態,其中煤18頂底板自然伽馬強度曲線的低高臺階反映是確定煤18的標志。

圖11 太原組測井曲線物性特征(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)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)

圖12 山西組主要巖性特征(據山東省第一地質礦產勘查院,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

物性特征表現:以“三低一高”(視密度低、聲速低、自然放射性強度低、視電阻率高)的煤3為中心,中高阻、較高密度、較高聲速、較低自然放射性的中細砂巖及少量低阻泥巖對稱分布(宋雙,2017)。煤2、煤3在各曲線上反映明顯、界面清楚,是良好的測井標志層,底部海退沉積反粒序測井曲線的反映是劃分山西組與太原組界面的重要標志(圖13)。

圖13 二疊系測井曲線物性特征(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)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 巖石組合為雜色花斑泥巖(圖14a)、砂巖、雜色鋁土巖(圖14b)、灰黑泥巖,底部常以1層灰綠色含礫粗砂巖(“S砂巖”)(圖14c)與二疊系山西組分界,厚約216 m。物性特征表現為自然伽馬曲線平均幅值稍高于上覆侏羅系,底部呈較高視電阻率幅值(圖13)。

圖14 石盒子群主要巖性特征(據山東省第一地質礦產勘查院,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 侏羅系

該盆地主要發育侏羅系三臺組,厚約550 m。巖石組合為紅色砂巖、泥巖,砂巖內交錯層理發育并常夾紫色泥質斑塊,與上覆新近系界線清晰(圖15),角度不整合于下伏石盒子群。

圖15 新近系底界與下伏侏羅系之古風化殼(據山東省第一地質礦產勘查院,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

上部巖石組合為土黃及淺棕紅色泥巖、砂質泥巖、砂巖,下部巖石組合為灰綠、棕紅、灰綠色泥巖及灰白色細砂巖,厚度為400～900 m,屬河湖相、沖洪積相沉積,主要發育明化鎮組,在聊城煤田底部常以殘積層與下伏中生界或古生界不整合接觸(圖14),館陶組在聊城盆地發育厚度較小或缺失。

新近系根據物性特征可分為上下2段(圖16)。①上段:視電阻率曲線呈“弓”字形;視密度曲線在砂巖處幅值較大、泥巖處較小;底部厚砂巖視電阻率較高,自然伽馬強度較小,視密度較大,分界標志明顯。②下段:視電阻率曲線幅值低于上段,視密度小于上段,自然伽馬曲線幅值略高于上段;底部有明顯的自然伽馬低異常,構成界面幅差,易于區分。

圖16 新近—第四系測井曲線物性特征(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)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

盆地內全為第四系覆蓋,主要發育平原組,厚約110 m。上部以淺棕黃色粉砂質黏土為主,夾不等粒砂層;下部為灰黃色粉砂,夾薄層黏土,局部含礫石及鈣質結核,為河漫灘相、河床相沉積,與下伏新近系不整合接觸。

綜上所述,聊城煤田聚煤期為石炭—二疊紀,巖石類型以碎屑巖為主,其次為碳酸鹽巖、可燃有機巖(煤)。碎屑巖含量自下而上逐漸增加,石灰巖主要發育在太原組,煤層發育于太原組和山西組。粗碎屑含量由南向北、由西向東逐漸增加,石灰巖南部比北部厚,煤層中部厚,南北部薄(于學峰等,2015)。

3 構造盆地及聚煤演化

聊城盆地位于魯中隆起區內,為一系列與牽引“入”字形構造等有關的盆地,主要受北東、北西向斷裂和近東西向構造所控制。盆地呈長條形,剖面上呈箕形,與控制斷裂的規模密切相關,總體呈現“南超北斷”構造格局,即南部超覆于古生界之上,北部為斷裂接觸,盆地相應南淺北深。

3.1 盆地演化

3.1.1 中生代盆地形成及演化 加里東運動后,華北陸塊形成了一個穩定、基底相對平坦的內陸海沉積盆地,繼早古生代華北地臺穩定的海相碳酸鹽沉積后,在南北向強烈擠壓的海西運動作用下,東西縱張、地臺活化,原始石炭—二疊系聚煤盆地形成,后歷經3次構造運動改造,形成不同的賦煤構造,控制了聊城盆地的地層沉積。

(1)早-中三疊世。該階段區內繼承了二疊系石盒子群的沉積格局,形成了一套淺湖相-濱湖相沉積的雜色泥巖與砂巖、雜色鋁土巖、灰黑泥巖,底部為灰綠色含礫粗砂巖。

(2)侏羅紀。該階段以淄博群沉積為主,沂沭斷裂帶和聊(城)—蘭(考)斷裂帶發生左行平移運動,形成侏羅紀盆地,主要為三臺組;巖性以河流相細砂巖為主,由于氣候干燥,色調以紫紅色為主。

3.1.2 新生代盆地形成及演化 盆地內主要沉積了古近系濟陽群、新近系黃驊群和第四系。①盆前階段:前古近紀區域性隆起和沉降階段;②強烈裂陷階段:受巖石圈減薄作用再次加強影響,地幔上隆,盆地受斷裂控制開始形成并迅速擴展,沉積了厚度巨大的濟陽群;③拗陷階段:在拗陷、披蓋階段黃驊群得以沉積;④第四紀活動階段:盆地繼續活動,地表總體上以沉降為主,發育厚度較大的第四系。

3.2 盆地特征

盆地呈長條形,規模較大,主要控制斷裂為北東向聊(城)—蘭(考)斷裂、牛角店斷裂和齊(河)—廣(饒)斷裂。該盆地是新生代的新生裂谷型盆地,是華北裂陷帶盆地的組成部分,疊加在古近紀以前的各種構造上,下陷強烈,新生代沉積厚度達1 000 m以上。

3.3 盆地類型

根據石炭—二疊紀含礦建造保存形式,魯西地塊內的賦巖賦煤構造可概括為箕斗型和塹壘型兩大類(劉書鋒等,2013)。

箕斗型賦煤盆地構造(程三友等,2020)的基本特點是含煤建造一側有斷裂存在,含煤建造呈單斜產出,形成箕斗型盆地,該類型盆地可分為反傾向盆地和同傾向盆地2個亞型,聊城煤田屬于同傾向盆地。同傾向盆地指含礦建造賦存于斷裂下盤,其傾向與斷裂傾向一致,如聊城煤田、黃河北煤田、章丘煤田、淄博煤田,皆分布于齊(河)—廣(饒)斷裂南側(圖17),屬華北型石炭—二疊紀含煤建造,傾向北,傾角5°～15°,與齊(河)—廣(饒)斷裂傾向一致。

圖17 魯西北、魯中箕斗型(同傾向盆地)賦煤構造示意圖(據山東省第一地質礦產勘查院,2012修編)1-平面斷裂位置;2-剖面斷裂位置;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

山東地區區域構造具有明顯的斷塊性質,煤系地層在后期改造中主要被各巨大斷裂分割為不同地質塊體,華北坳陷區在聊(城)—(蘭)考斷裂和齊(河)—廣(饒)斷裂雙重控制下整體下沉,石炭—二疊系沉降至-2 000 m以下或更深,魯中隆起區相對上升,僅局部地區相對沉降,石炭—二疊系含煤建造隨之抬升,同時促成了煤層層位北低南高、成煤期北早南晚的特點,且呈東西成帶、南北分異現象(朱裕振等,2020)。

4 結 論

(1)賦煤盆地構造空間位置是煤礦存在的先決條件,聊考—齊廣巨大斷裂作為區域分劃性斷裂是聊城盆地重要構造分區的邊界,控制和限制其他構造的同時亦控制了該盆地的沉積、巖漿、變質等活動,致使聊城盆地總體呈“南超北斷”的構造格局,盆地相應南淺北深。

(2)含煤沉積建造發育齊全的凹陷盆地是煤礦形成的決定性因素,聊城盆地石炭—二疊系海陸交互相碎屑巖-碳酸鹽巖沉積建造是華北型煤田形成的決定性控制因素。

(3)含煤沉積建造的形成受控于下古生界基底巖系及華北石炭—二疊系箕斗型同傾向盆地;沉積建造及其煤層的保存則受控于后期構造運動對含煤建造和煤層的改造,使其下潛埋藏得以保存(聊城煤田等),或使其隆升抬升暴露遭受剝蝕、部分保存或全部被剝蝕殆盡。

(4)通過分析研究標志層特征和間距、鉆孔測井資料、煤層本身的厚度和結構特征等,進一步厘定了煤巖層劃分問題。

(5)今后的煤炭地質勘查工作過程中應綜合勘查評價等方法手段,既要“烏金”(煤)發光又要“百花”(鋰、鍺、鎵等)齊放。