淮北煤田断裂构造系统及其形成演化机理

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淮北煤田特殊的构造位置使其在长期的地质演化过程中形成了现今复杂的断裂构造系统。本文以大量实际地质资料为依据,全面展示了该区断裂构造的发育特征、几何学特征、运动学特征;并从区域地质背景、构造应力场分布、断层活动性等方面,结合砂箱物理实验和数值模拟等技术手段,再现了淮北煤田断裂构造系统的形成演化过程,明确了各类断裂构造的形成演化机理;在全面认知断裂体系的基础上,从水文地质条件和现今地温场分布两方面,探讨断裂构造特性所决定的工程地质效应。取得的成果和认识主要包括以下几个方面:(1)全面展示了淮北煤田断裂构造的发育特征:淮北煤田断裂构造发育程度较高,断裂构造在空间上的展布主要分为5组,且以NE向和NNE向断裂最为发育;全区以高角度正断层发育为主,断层落差与其平面延展长度总体上呈正相关关系。(2)明确了各矿区断裂构造发育的差异性:各矿区断裂发育具有各自的特色,临涣、涡阳矿区构造变形强烈,区内正断层极为发育。涡阳矿区主要发育近南北向和近东西向两组张性断裂;临涣矿区几乎全部为高角度、高落差的NE向正断层;濉肖闸河和宿县矿区断层发育相对较弱,但发育大量徐宿弧推覆构造体系的逆断层。(3)对淮北煤田断裂体系进行分级,并划分构造单元,确定了该区南北分区、东西分带的基本构造格局。该区断裂构造形态复杂,将该区断裂构造样式归纳为伸展断裂、挤压断层、平移断层、和反转构造4大类,并建立了每一种构造样式的典型模式图。淮北煤田主导控煤构造样式为伸展构造;控陷断裂主要为高角度的平直断裂为主,旋转平面式或铲式主要分布于东部推覆构造区和局部构造复杂区;挤压型断裂以徐宿弧推覆构造为代表,尤以叠瓦式逆冲构造最具特色;徐宿推覆体前缘地带及其附近区域内,逆断层较发育,局部存在滑脱构造;平移断层主要包括EW向、NNE和NE向三组,且多为深大断裂;反转构造集中发育在徐宿弧推覆构造的前缘地带,以正反转断层为主。样式各异的断裂构造特征反映了该区构造应力作用的分期性、多向性和断裂演化的复杂性。(4)中生代以来郯庐断裂带大规模的走滑和拉伸运动对淮北煤田的构造演化起着重要的作用,主要分为四个影响阶段,分别为印支期(大别一苏鲁造山期)的左旋转换断层活动阶段、早燕山期末的大规模左行走滑阶段、晚燕山期的伸展阶段和新近纪以来的挤压阶段。此外,郯庐断裂带的走滑和大别一苏鲁造山运动是徐宿弧形推覆构造形成的主导因素。(5)淮北煤田构造是在其网格状破碎基底上发育而来的裂陷控煤构造,其形成和发展为受区域地质构造控制的板缘、板内构造变形。断裂构造体系极为复杂,区内主要经历了5个主要的构造变形期,分别为印支期、早燕山期、晚燕山期、华北期和喜山期。早期发生的构造在晚期再次活动,使其兼具晚期构造运动的特点;晚期构造的多次运动使其在切割关系上又显现出早期构造的特征。(6)区内活断层以规模较大的近东西向正断层为主,特别是以宿北断裂为代表的活断层,在第四纪乃至近期有过不同规模的升降和平移运动,且不排除其进一步活动的可能性。现代构造应力场分布很大程度上决定了断层的活动性和活动方式。(7)砂箱物理实验结果表明,徐宿弧形推覆构造是在主动力来自东部的挤压作用和基底收缩变形的条件下,受基底力学强度的分布不均和丰沛断裂、板桥固镇断裂的边界限制的影响,形成了沿滑动方向弯曲侧接的逆冲断裂组,造就了现今平面弧形和剖面叠瓦状的构造样式;临涣矿区断裂体系并非单纯的伸展构造或压剪构造,而是基底收缩斜向挤压作用下形成的压剪性断裂,后期拉张断陷形成。(8)构造应力场数值模拟结果表明,该区构造变形主要来源于水平应力的作用,构造应力场对构造格局的形成具有根本性的影响;研究区应力场特征表现出较大的分区性,应力分布受到断层和岩性的控制明显;平面与剖面应力场数值模拟的结合分析,不仅揭示了滑脱断层和拉张断陷盆地的应变机制,同时也反映了盆地沉积地层与基底同步挤压变形的特征。(9)断裂构造对区域水文地质条件和地下水的运移都有明显的控制作用。断裂构造的控水作用可分为断层阻水模式、断层导水模式和断层贮水模式,其分别表现为水文地质单元的划分界线、断层的导通作用和断层发育区的富水异常。(10)淮北煤田现今地温场主要受构造演化和区域地质背景的控制,而研究区内地温和热流的分布不均是由于地质构造格局对地温场的影响所致,以隔热断层、导水传热断层和叠瓦状逆冲推覆构造对地温场的影响最为突出。
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