Question

区域盆地构造演化与研究区煤炭资源赋存

Answer 1

综合盆地沉积记录、岩浆作用和构造变形方面的研究成果，鲁西 ( 南) 地块构造演化具有明显的序列性、阶段性和构造应力体制的交替性，可将研究区沉积 - 构造 - 岩浆演化历史划分为 11 个阶段 ( 山东煤田地质局，1993; 张锡明等 2007; 李三忠等，2005) ，每个阶段之间的构造性质和盆地格局不同，它们之间的转换勾画了区域构造动力体制和岩石圈深部热体制的演化。

( 1) 早古生代前含煤盆地基底形成阶段

聚煤前华北地区是我国形成较早的古隆起区，石炭 - 二叠纪含煤岩系是在华北寒武 -奥陶纪盆地地台基础上沉积的。华北盆地基底主要为太古宙、元古宙深变质岩组成的稳定地块。古元古代末的吕梁运动时期，华北北部边缘的阴山构造带已经出现，南缘的秦岭构造带也开始显现。吕梁运动界面之上相继沉积了长城系、蓟县系和青白口系等碎屑岩、泥质岩及硅镁质碳酸盐岩，这是基底之上的第一套盖层。震旦系属浅海相沉积，但华北一般都缺失该套地层。寒武系底部与青白口系间的沉积间表明华北主体部分在距今 7 亿年前后曾一度大规模隆起。

寒武系与奥陶系间多为整合接触，在全区均有沉积，厚 600 ～1500m，属浅海沉积，表明再度沉降接受沉积后华北古隆起区具有整体性和稳定性的特色。中奥陶世后由于加里东运动的影响，华北地区整体隆起，使上奥陶统至下石炭统缺失，华北地区经历了长期剥蚀、夷平和准平原化，为晚古生代含煤岩系的沉积创造了有利条件。本溪组广泛地平行不整合于中奥陶统马家沟组不同层位的灰岩侵蚀面上。该侵蚀面较平缓，总体呈准平原型岩溶地貌。

总之，早古生代华北盆地主压应力方向为南北向 ( 图 3. 8) ，盆地以垂直震荡运动为主。研究区及其外围与华北板块经历了共同的盆地构造演化历程。

图 3. 8 加里东 - 印支期南北向区域构造应力场分布示意图( 据山东煤田地质局，1993，修改)

( 2) 晚古生代 ( 晚石炭世—二叠纪) 盖层稳定发展阶段

晚古生代华北盆地继承了早古生代南北向主压应力的构造应力场 ( 图 3. 8) ，但盆地运动开始出现南北差异升降。晚石炭世早期 ( 本溪期) ，沉积盆地呈南 ( 盆地南缘呈现起伏不大的隆起区) 北高 ( 陆相沉积) 、东西相对低的古地理格架，海水主要由北东方向的辽宁、吉林和南部的安徽、河南及甘肃由北东、东、南东和北西方向侵入盆地，沉积了一套陆表海障壁 - 潟湖 - 滨外陆棚的海陆交互相含煤岩系。晚石炭世晚期 ( 太原期) 盆地持续下降，地形更趋平坦，沉积范围更宽广。但由于南北向挤压应力场的不均匀作用，使华北沉积盆地变为北高南低的单斜古地貌，海侵由北东、东南和北西方向侵入变为由南向北方向侵入。至早二叠世山西期，盆地的大部分地区平稳抬起为陆，南部少数地区仍间有海水侵入事件，盆地的总体古地理面貌与太原期相似，但盆地沉积环境已有显著不同，广泛发育河流 - 三角洲湖泊沉积体系，聚煤作用逐步南移。

总之，华北盆地古生代褶曲、断裂及岩浆活动都很微弱，处于稳定克拉通盆地演化阶段。研究区煤层在该时期经历了第一次稳定深埋和变质作用。根据淄博剖面资料，研究区煤系上覆下石盒子组、上石盒子组和石千峰组厚度在 980m 左右。

( 3) 晚三叠世整体抬升与挤压变形阶段 ( 240 ～ 200Ma)

二叠纪末华北板块与西伯利亚板块对接，三叠纪中晚期，扬子板块与华北板块拼合。印支运动使鲁西南地区整体抬升遭受剥蚀并发生挤压变形。

受到华南 - 华北地块沿秦岭 - 大别 - 苏鲁造山带碰撞的影响，在南北向主压应力场的作用下，鲁西 ( 南) 地块与华北地块其他地区一样，遭受挤压变形，形成近东西走向的宽缓褶皱，局部可见紧闭甚至倒转褶皱，但没有岩浆活动的报道。鲁西南地区当时可能为一个高原，没有晚三叠纪沉积，应处于强烈的剥蚀状态。这个时期郯庐断裂发生左旋剪切变形，变形时代在 210 ～214Ma ( Zhu G 等，2005) 。

印支期 ( 三叠纪) 是我国华北地区构造应力场转化期。印支期前，主压应力场近南北向 ( 图 3. 8) ，近东西向断层活动，在鲁西 ( 南) 还形成了一些与之近垂直的南北向断层，当时可能存在由北向南的幔流，故而东西向断层一般是向南倾的。印支后期主压应力变为北北西、北西方向 ( 图 3. 9) 。以昌邑大店断层为代表的北北东向断层强烈左行走滑，与其相关，原有的或后出现的北西、北东、近东西向断层也有不同程度的活动，当时地形与古生代不同，受扬子板块由南向北的挤压，华北地区南高北低，印支末期山东省几乎都受不同程度的剥蚀。

研究区及其外围在该时期主要处于整体隆升、均衡剥蚀阶段。

( 4) 早、中侏罗世弱伸展作用 ( 190 ± 10Ma) ———燕山运动第一幕

这是一个构造活动相对平静的时期，为燕山运动第一幕。继三叠纪碰撞造山之后，岩石圈发生拆离 ( 李曙光等，2001) ，大陆岩石圈内部应力场发生调整，华北地块整体处于弱伸展构造环境，鲁西 ( 南) 地块中的北西向断裂发生拉张，郯庐断裂带各主干断裂均已出现并发生纵张活动，在断裂带北部坊子一带及鲁中隆起区北部沿章丘至淄博等近东西向断陷地带发育坊子组沉积。闪长岩类杂岩侵入其中，成为这次岩石圈伸展作用的重要记录。该阶段是中国东部中生代大地构造演化历史的重要过渡时期，不仅传承了特提斯构造体制向太平洋构造体制的转换，同时成为两个构造体制转换的重要分界。

图 3. 9 印支期晚期北北西向区域构造应力场分布示意图Fig. 3. 9 Map showing the NNW tectonic stress field of during late Indosinian epoch in research area

鲁西南地区可能继续延伸了晚三叠世整体处于隆起剥蚀的古地貌，据现有地质资料揭示，研究区及外围没有早、中侏罗世沉积。

根据区域钻探、地震揭露的地质资料，研究区及其外围三叠纪—早中侏罗世一直处于隆起剥蚀阶段。该时期剥蚀的地层主要是上二叠统石千峰组，均匀剥蚀厚度在 300m左右。

( 5) 中、晚侏罗世挤压变形与地壳增厚作用阶段 ( 170 ～ 135Ma)

自中侏罗世晚期开始，中国东部构造体制发生了重要转折，古太平洋板块向亚洲大陆俯冲，使东亚陆缘构造性质发生重大变化，从被动陆缘转换为主动陆缘，区域构造应力场也由南北向变为南东东 - 北西西向 ( 图 3. 10) 。受到这一板块动力学体系的影响，华北地块东部地区受到强烈的陆内挤压变形，多幕式的挤压事件使鲁西 ( 南) 地块基底和沉积盖层发生不同程度的逆冲 - 褶皱变形，形成北北东至北东向紧闭 - 宽缓褶皱和逆冲推覆构造。

该时期地块东部边界的郯庐断裂发生左旋走滑活动，由其导生的北北西向与北北东向两组扭裂面利用已有断层又不同程度发展，特别是北西向断层有明显活动，山东省各区以隆升为主，但鲁西南地区相对下降，接受蒙阴山组 ( J3) 沉积，末期在鲁东沿着北东、北北东断层有岩浆侵入。鲁西南地区上侏罗统蒙阴山组分布明显受断层控制，主要分布于嘉祥断层以西 ( 图 3. 11) 。济宁凹陷侏罗系残余地层厚度变化在 0 ～ 1100m 之间，平均608m。侏罗纪地层残余厚度最小值出现在济宁凹陷东北和东南，为 0m; 侏罗纪残余地层厚度最大值出现在 YZ - 1 井，钻遇侏罗系 1146m，未钻穿。济宁凹陷侏罗系厚度总体由东北、东南向西、西南方向增厚。根据区域侏罗系残余地层厚度变化规律，推测预测区侏罗系总体由东南向西北厚度变大，变化在 200 ～1000m 之间。

图 3. 10 燕山期构造应力场分布示意图

蒙阴山组分布特征说明，晚侏罗世研究区及其外围发生了受南北向断层控制的差异升降，与此同时，这种差异升降又对下伏石炭 - 二叠纪煤系地层造成二次剥蚀———差异剥蚀作用，即煤系地层在沉降的地方作为侏罗系沉积的盆地基底、相对抬升的地方作为侏罗系沉积的剥蚀物源区。研究区及其外围二叠纪煤系残留地层厚度如图 3. 12 所示。

由图 3. 12 可以看出，晚二叠世残余地层厚度也受断层控制，在西部菏泽凸起，受田桥断层控制，残余地层厚度表现为由西向东增加，变化在 0 ～ 360m 之间，地层残余厚度最大值出现在 Y32 和 P119 井附近，达442m。在东部济宁凹陷和成武 - 滕州凹陷西部，受嘉祥断层和孙氏店断层控制，残余地层厚度表现为由东向西增加，一般变化在 0 ～ 240m之间，地层残余厚度最大值出现在成武 - 滕州凹陷 J6 -3 井附近，达 427m。根据区域晚二叠世残余地层厚度变化规律，预测区上、下石河子组地层残余厚度总体呈由东向西厚度变大，推测变化在 80 ～160m 之间。

图 3. 11 预测区及其外围上侏罗统残余地层厚度等值线

图 3. 12 预测区及其外围上二叠统 ( 上、下石盒子组) 残余地层厚度等值线

( 6) 早白垩世岩石圈拆沉、大陆裂谷与地壳伸展作用阶段 ( 135 ～ 110Ma)

自早白垩世早期，中国东部构造体制又一次发生重大转折，构造演化进入到以大陆地壳伸展和大陆裂谷占主导的阶段，表现为广泛发育的伸展构造、断陷盆地、异常活跃的双峰式火山活动等，郯庐断裂巨型古裂谷系在此阶段形成和发育 ( 许志琴等，1982) 。这些现象反映了中国东部构造体制从中晚侏罗世以陆内挤压变形和地壳增厚作用为主转变为早白垩世以地壳引张伸展作用和岩石圈减薄为主，这种转换主要的深部原因可能与增厚的大陆岩石圈发生突发性拆沉有关 ( 吴福元等，1999，2000) 。在这种构造背景下，鲁西地块同心环状分布形式的断裂构造正与这个时期的岩石圈拆沉和地幔上隆密切相关，即北西向陡倾基底韧性剪切带切割了深部华北地幔亚热柱向外拆离的地幔岩，导致其减压释荷形成深熔岩浆 ( 牛树银等，2004) ; 岩浆上侵使得变质基底隆升、周缘盖层拆离滑脱，形成典型的鲁西幔枝构造，在顶部则发育一系列明显的拆离掀斜断块。

( 7) 早白垩世末期挤压变形与盆地反转事件 ( 100 ± 10Ma)

这是一期区域性的挤压事件，使早期形成的断陷盆地发生构造反转，地层褶皱或翘倾，上、下白垩统之间形成平行或角度不整合。这种现象在鲁西 ( 南) 不明显，在鲁东的胶莱盆地有明显的记录。郯庐断裂发生左行走滑活动 ( 朱光等，2002，2004) 。

( 8) 晚白垩世区域隆升阶段 ( 80 ～ 60Ma)

经过早白垩世末期的区域性挤压变形，晚白垩世地壳构造演化发生了明显的分异。这个时期，鲁西地块东界的郯庐断裂发生右行走滑活动 ( 张岳桥等，2004) ，鲁西地块进一步隆升。

图 3. 13 预测区及其外围新近纪残余地层厚度等值线

( 9) 古近纪整体隆升和新近纪区域伸展 - 差异升降断陷盆地演化阶段

白垩纪末，随着太平洋板块向 NNW 方向挤压作用增强，研究区整体表现为北西 - 南东方向区域构造应力场 ( 图 3. 15) ，郯庐断裂带再次发生左旋走滑作用，鲁西受挤压隆起初步形成现今地貌景观，并使鲁西南研究区缺失古近系。

新近系，随着印度板块向欧亚板块北北东西挤压应力的增强和太平洋俯冲带的东移，在热沉降和重力均衡作用下，研究区出现差异升降运动，研究区新近纪地层主要分布于嘉祥断层以西地区，济宁凹陷继续处于剥蚀状态 ( 图 3. 13) 。

( 10) 第四纪区域整体拗陷沉积阶段

鲁西南普遍发育第四纪沉积 ( 图 3. 14) 。

图 3. 14 研究区第四纪残余地层厚度等值线

图 3. 15 研究区喜马拉雅运动期构造应力场