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华北石炭二叠纪含煤盆地是在早古生代克拉通盆地基础上发育的华力西期含煤盆地,经印支期后构造运动改造、解体、变形,形成鄂尔多斯、沁水、华北(狭义)石炭二叠纪含煤盆地(群)。
华北陆块是中国大陆最古老的地体,在38亿年以上的地质历史发展过程中,经历了陆核形成、陆块形成、陆缘发展和滨太平洋、新特提斯发展四个大阶段。
古、中太古代至新太古代早期是陆核形成时期,发育在辽宁鞍山的花岗质岩石,冀东的麻粒岩—花岗杂岩体等原始壳幔杂岩体,经迁西运动变质成为超基性、基性—中性麻粒岩,小块陆片增生,地壳增厚,原始陆核开始形成。阜平期,地壳分异成稳定的花岗片麻岩穹隆和活动的绿岩性质的盆地与岛弧带。阜平晚期构造运动强烈,海盆、海槽逐次封闭,穹隆发生褶皱、拼贴、垫托,穹隆扩大、联合、固结,第一次克拉通化完成。晚太古代早期至晚元古代早期是陆块形成时期。五台期地壳热流值下降,刚性程度增高,原始地壳向陆块转化,在华北陆核上发育的巨型盆地形成的五台群、中条群、双子山群具有绿岩带性质,五台运动使裂陷盆地封闭,是五台—吕梁阶段的第一次裂谷开合。滹沱期地壳活动性相对减弱,但在活动带裂谷再次发生,沿裂陷槽形成沉积盆地,华北陆块的滹沱群、嵩山群为巨厚的冒地槽沉积建造,吕梁运动滹沱海盆封闭,结束了裂谷第二次开合,地壳进一步刚性化,完成了第二次克拉通化。中元古代,华北陆块形成两个地堑海槽,一个是北东向的燕山-太行三向拗裂槽,另一个是西达兰州、西宁,东南至合肥,走向北北西的熊耳—西阳河三向拗裂槽,陆块北部边缘亦形成边缘活动型断陷盆地沉积。新元古代早期青白口纪,裂陷槽封闭进入了相对稳定的构造环境,地壳增厚,刚性增强,陆块形成,第三次克拉通化终止,华北陆块与塔里木陆块对接。
青白口纪末的晋宁运动是一次重大地质事件,秦岭—祁连海槽由南向北俯冲、消亡,华北陆块和扬子陆块碰撞、拼合,中国元古大陆形成。华北陆块北侧的裂谷系关闭,陆块中部抬升掀斜,燕山-太行、熊耳-西阳河拗裂槽闭合,构造反转,隆升剥蚀,海水仅在陆块南部徐淮及其以东地区分布。华北陆块是中国大陆最早形成的陆块,自太古宙陆核形成至元古宙形成陆块,在整个陆缘发展阶段华北陆块都是中国古陆的核心。
震旦纪至加里东期陆块处于构造稳定阶段,发育了震旦系至中奥陶统海相沉积建造,中奥陶世末至早石炭世陆块整体隆升,古陆遭受剥蚀夷平,为华力西后期晚石炭至晚二叠世含煤盆地的形成准备了先期构造条件。
震旦纪中国元古大陆裂解,秦岭-祁连海槽再次开裂,海水沟通,陆块南部徐淮一带发育了厚达3500~5000 m滨浅海沉积建造。震旦纪晚期,华北陆块整体隆升,沉积间断,在陆块南缘形成厚30~50 m冰碛岩沉积,陆块东缘形成碳酸盐岩—碎屑岩蒸发台地相沉积。
早古生代是华北克拉通坳陷盆地形成时期。早寒武世初期,隆升剥蚀的陆块南北边缘,北邻兴蒙海槽,南邻秦祁海槽,南北海槽强烈扩张,侧向挤压陆块挠曲变形,海水进侵,陆块整体沉降,形成巨型克拉通坳陷盆地。早古生代克拉通盆地稳定沉降,以披盖式滨浅海相碳酸盐岩沉积为主,至中奥陶世末盆地发生构造反转,陆块整体隆升,海水由东、西南方向退出,沉积终止。
华北陆块在早古生代发育有北华北、南华北和贺兰山三个坳陷(原型)。北华北坳陷位于陆块的中、北部,面积85.5×104 km2,古地貌呈西高东低、北隆南坳。东带为郯庐、五荣断裂与郑州—沈阳一线之间,构造走向北北东、北东;中带至太行山之间,构造亦为北东走向;太行山以西的西带构造走向近南北。南华北坳陷位于陆块南部,南与秦岭海槽相连,东至郯庐断裂,西至宝鸡,北以洛阳—铜川一线与北华北盆地为界,面积达13.8×104km2。南华北盆地位于秦岭海槽与北华北克拉通坳陷之间,呈一南倾斜坡,沉积厚度较大,为陆缘海碳酸盐岩夹碎屑岩沉积,盆地西部晚奥陶世仍有沉积。华北陆块西部贺兰山拗拉槽是早古生代秦祁海槽洋盆形成时裂谷向东伸至华北陆块的一支,早寒武—早奥陶世是华北西部陆缘海盆的一部分,中奥陶世转化为拗拉槽,顶部有晚奥陶世沉积,泥盆纪发育有前陆盆地陆相粗碎屑岩沉积,从而结束了拗拉槽的发育。华北陆块西南缘,在晚奥陶至早志留世还发育有近东西向与俯冲带平行的渭北西段弧后前陆盆地。
早古生代中期,中、晚奥陶世华北陆块与扬子陆块碰撞、对接,形成中国古大陆。晚古生代,地球动力机制变化,随着陆块北缘向兴蒙海槽俯冲消减,中国古大陆与西伯利亚陆块距离缩短,至晚泥盆世对接,早石炭世拼接基本完成,兴蒙海槽消亡,但碰撞带仅是低幅度翘隆,伴存有残留海。晚石炭世—二叠纪南北挤压加强,局部残留海消失,强烈的火山喷发和岩浆侵位将南北陆块焊接一体,对接带褶皱隆起。华北陆块南缘与北缘有所不同,经过早古生代晚期陆块碰撞及叠覆造山,晚泥盆世古特提斯强烈扩张,祁连—秦岭造山带自西向东裂陷,形成楔状陆间裂谷海槽,至晚古生代末期延迟到中三叠世自东而西逐渐完成南北板块的对接。
加里东运动使华北陆块整体隆升,遭受长期剥蚀夷平,除陆块北缘、西南缘及零星地区为前奥陶系外,陆块大部分为中奥陶统碳酸盐岩地层,形成西北高、东南低的平缓单倾古地貌,成为晚古生代沉积盆地的基底。晚石炭世本溪期至二叠纪石盒子期继承了早古生代沉积坳陷,形成北华北、南华北和贺兰山三个坳陷中心,至晚二叠世晚期海水退出,逐步转化为统一的陆内克拉通坳陷盆地。华北陆块在二叠纪末至中三叠世与华南板块对接形成中国古大陆之前,一直处于北半球中低纬度区。晚石炭世华北陆块位于热带—亚热带干旱—潮湿交替气候区,热带暖湿气候有利于植物繁衍生殖。早二叠世陆块位于亚热带气候区,气候温暖多雨,植物为华夏植物群。晚二叠世华北陆块转为亚热带干旱气候,海水退出变为内陆环境,气候干旱炎热,不利于植物生长。整个石炭二叠纪华北陆块所处的古地理位置和古气候条件有利于植物生长,为含煤盆地准备了成煤有机物质物源条件。
北华北坳陷位于陆块中、北部,面积达73.3×104km2。晚石炭世本溪期,呈西高东低古地貌,由海相、海陆交替相、陆相含煤碎屑岩沉积组成海进至海退沉积旋回,北粗南细、北薄南厚,沉积厚229~826 m。盆内构造呈近东西向隆坳相间展布,自北而南为承德、定边、韩城隆起,保定坳陷,离石-德州隆起,长治-济宁坳陷。晚石炭世本溪期,盆地开始沉降,古地势西高东低,东部海水自北东方向侵入逐步南侵,西部祁连海槽海水自西而东侵入定边—环县南北一线,中部呈现南北向隆起。本溪组为滨浅海砂泥岩、灰岩和薄煤层,厚20~40 m,与下伏地层呈平行不整合接触。沉积中心位于本溪一带,厚度大于200 m,西部厚20~50 m。盆地北部沉积厚、粒度粗,煤层发育,局部可采;南部沉积薄,粒度细,仅有煤线。
晚石炭世太原期,陆块北缘残留海逐渐消亡,阴山古陆不断隆升,东南方向侵进的海水与祁连海槽侵入的海水汇聚形成广阔的陆表海,除北缘隆起带外,陆块内部仅有公卡汉隆起及黄陵隆起等中、西部一带未接受沉积,整个陆块沉积了碳酸盐岩台地相、三角洲—潟湖潮坪相暗色砂泥岩、灰岩和煤层,厚60~150 m。沉积中心位于东南兖州一带,厚187~198 m。太原期古地理呈现海域为主,北陆南海格局,气候温热潮湿,植物极为繁茂,充沛物源来自北部,沿海岸线沉积相带由西北至东南方向展布,地壳频繁升降,海水时进时退,形成潮汐滩、潮坪,形成有利于成煤的海滩沼泽相沉积。在离石-德州隆起以北(北纬38°线)煤层发育,含煤10余层,厚10~30 m。
二叠纪时期,北华北坳陷古地理面貌继承了石炭纪的基本特征,北缘古陆是物源区,古地势北高南低,自北而南发育的曲流河汇入滨海或海湾,形成由西北至东南方向展布的沉积相带。早二叠世山西期,由于西伯利亚板块向南推挤加强,盆地抬升掀斜,海水时进时退,向东南方向退缩,冲积相带仅发育在北缘古陆的南坡,盆地大部为三角洲相,沉积了三角洲平原相、河漫沼泽相、三角洲前缘相深灰色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩夹炭质泥岩和煤层,含菱铁矿结核及植物化石,厚40~80 m,沉积厚度为北厚南薄、东厚西薄,单层煤厚大于3 m,最厚达10 m,自北而南逐渐变薄。下石盒子期盆地继续隆升,海水退缩至东南隅,冲积相带向南推进,三角洲相带南移,盆地大部转为陆相沉积为主,沉积了黄绿、灰绿色砂泥岩,夹有不可采煤层,厚90~216 m,盆地中、西部碎屑沉积中火山碎屑增多。晚二叠世上石盒子期,由于陆块受南北板块对接的影响,北、南缘古陆隆升剥蚀加强,除短暂海泛在局部形成海陆交替相沉积外,盆地大部为陆内干旱环境的冲积相带,沉积了浅棕、灰黄色中、细砂岩,棕红、黄绿、灰色泥岩夹薄煤层或煤线,其上为铝土或铝土质泥岩,厚100~200 m,呈现北粗南细,北部火山碎屑物质增多。石千峰期,古特提斯关闭,南北向挤压加强,盆地整体隆升,海水完全退出,盆地以陆相沉积为主,古地势保持了北高南低特征,温暖潮湿气候转为炎热干旱,形成以陆内河流相沉积为主的红色碎屑岩夹石膏及淡水灰岩,厚150~300 m。沉积中心位于偃师一带,厚达350~420 m,盆地南缘可能有短暂海侵。
晚古生代中晚期,华北陆块受南、北板块的推挤形成南北双向挤压应力,陆块整体沉陷形成大型克拉通坳陷,受隆升掀斜作用形成北高南低、西高东低古地貌和东西向隆坳相间的古构造,海水逐渐南退,海相沉积不断缩小,自北而南海相—海陆交替相—陆相沉积相带不断变迁,最终以陆相替代海相沉积。沉积物源来自北缘古陆,形成沉积颗粒北粗南细,沉积厚度北厚南薄,含煤地层北多厚、南少薄的特征。北华北盆地南部徐州—焦作一线在晚古生代为一东西向水下低隆起,而后转化为一条近东西向的同生正断层(北纬35°线),形成南、北华北盆地的分界线。
南华北坳陷位于华北陆块东南部,北以徐州-焦作东西向隆起(北纬35°线断裂)为界,南邻秦岭海槽,西至伏牛古陆,东至郯庐断裂,面积11.5×104km2。南华北盆地处于华北克拉通坳陷与秦岭海槽过渡带,基底为南倾缓坡,盆地的形成和演化与华北盆地相一致。晚石炭世,盆地沉陷,海水由东南侵入,北部为徐州—焦作低隆起,其南形成海槽,沉积了铁铝质泥岩、砂泥岩,厚2~20 m。海水向西南扩展,在温暖潮湿气候下形成碳酸盐岩台地、海湾潟湖相灰岩、砂岩、灰质泥岩夹薄煤层或煤线沉积,厚82~160 m。石炭纪末海水向东南方向退出。早二叠世山西期,海水向东南退至淮南一带,气候温暖潮湿,植物繁茂,形成滨海平原、三角洲相泥炭沼泽沉积,沉积了深灰色泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩、细砂岩和煤层,厚66~133 m,含煤2~3层,厚4~9 m,东厚西薄呈东西向展布。二叠纪石盒子期,海水逐渐退出,以河湖相沉积为主,古地势西高东低,形成自西北向东南的辫状河,沼泽发育,气候温暖潮湿,植物繁茂,植物化石丰富,沉积了砂泥岩含煤建造,沉积厚400~600 m。由于差异升降,中晚期有海水侵入,有硅质海绵夹层,在古陆北缘发育有水下扇粗碎屑沉积。东部含煤较好,淮南含煤3~30余层,可采煤厚14.45 m;西部含煤较差,宜阳、洛阳含煤1~3层,仅局部可采。受古特提斯关闭的影响,南、北华北盆地一体隆升,自上石盒子晚期转为陆内沉积。晚二叠世石千峰期沉积为近海河流相、三角洲相、湖泊相砂岩、泥质岩、淡水灰岩夹石膏层,局部有海相夹层,厚150~600 m,沉积中心位于韩城—铜川一带,厚350~550 m。
贺兰山坳陷位于华北陆块西部,阿拉善隆起地块的东缘。早石炭世,海水沿早古生代拗拉槽的轴部由南而北侵入,沉积了厚度较薄,仅200 m的碳酸盐岩及膏盐层,受基底断裂的影响,发育了与轴向平行的条带状隆起和坳陷。晚石炭世早期海侵高潮期,海域向北、向东扩展,沉积厚度较大。断陷内的深坳海侵早,地层发育全,沉积厚度大,细碎屑岩发育,为厚度较大的页岩、粉砂岩与页岩互层,含煤性差,煤层薄而分散。断陷内隆起海侵晚,缺失地层多,海相层数与厚度减少,岩性变粗并有红色夹层。晚石炭世晚期,贺兰山坳陷与华北盆地相连,海域沟通,直至二叠纪晚期。
华北陆块石炭二叠纪早期是西高东低向东倾斜,本溪期海水来自东北,向南扩展至豫西,本溪组在鄂尔多斯西缘及华北陆块南缘缺失。中期转为北高南低向南倾斜,太原—山西期陆表海开阔,范围最广,海水向南退缩。后期陆块整体抬升由海转陆,下、上石盒子期过渡为陆相沉积。
华北石炭二叠纪含煤盆地(原型)范围广阔,西以阿拉善隆起地块为界,东至胶辽隆起,北为华北陆块北缘隆起带南界,南为华北古元古代裂谷带北界,面积达110×104km2。鄂尔多斯中部隆起以西称西缘带,郯城-庐江断裂带以东称东缘带,华北北缘带南(北纬40°左右)至中元古代裂谷带北(北纬35°左右)称中腹带,其北为北缘带,其南为南缘带,在盆地的不同部位含煤岩系的发育和沉积岩相带的展布都有所不同。
华北石炭二叠纪含煤盆地沉积岩相主要为滨(浅)海相、海陆交替相和陆相。盆地中腹南带及盆地南缘太原组和山西组为碎屑滨岸相带,如海滩、障壁岛潟湖、海湾、潮坪、沼泽等。盆地中腹南带太原组、山西组和盆地南缘下、上石盒子组为三角洲相,三角洲平原、三角洲前缘相等。盆地中腹北带太原组、山西组为湖泊—曲流河相,如曲流河道、决口扇、泛滥盆地、湖泊、沼泽等。盆地北缘太原组、山西组为冲积扇—辫状河相等。当海侵作用强时聚煤作用差,海侵作用弱时聚煤作用好,一般以三角洲过渡相为好。
盆地北缘带(华北陆块北缘带)主要含煤岩系为本溪组、太原组和山西组。太原组为主要含煤地层,次为山西组。本溪组以陆相沉积为主,为含煤碎屑沉积,下部缺少铁铝层。太原组以陆相含煤粗碎屑沉积为主,厚度变化大、数十米至350 m,无海相夹层。山西组以洪-冲积相碎屑沉积为主,厚度变化大,聚煤作用弱,一般无稳定可采煤层。
盆地中腹带(鄂尔多斯、沁水、北华北盆地)含煤岩系发育齐全,本溪组局部有缺失,太原组、山西组及下、上石盒子组均较发育,厚400~800 m。本溪组为一套海陆交替相含煤沉积,与下伏中奥陶统呈平行不整合接触。下部为沉积式铁矿、铝土矿及粘土岩,上部含煤碎屑岩夹碳酸盐岩沉积,为砂页岩夹灰岩及煤线,局部有可采煤层。太原组为一套海陆交替相含煤沉积,厚20~600 m。在盆地中腹带的北部为滨海平原沉积环境,以陆相为主的海陆交替相碎屑岩、碳酸盐岩含煤沉积。碎屑岩类较北缘带减少,粒度变细,圆度变好,砾石变少,出现灰岩,厚度稳定,聚煤作用强,煤层厚度小于北缘带大于南部,厚40~137 m。盆地中腹带的南部,为海陆交替相沉积,以碳酸盐岩、泥质岩为主,碎屑岩为次,聚煤作用较北部弱,煤层厚度变薄,厚70~120 m。山西组仍为海陆交替相含煤沉积,陆相沉积范围比太原组更大,聚煤作用以盆地中腹北带为好。盆地中腹北带为滨海平原沉积环境,陆相碎屑岩为主的海陆交替相含煤沉积,是整个盆地煤层发育最好的地区。盆地中腹南带为海陆交替相含煤沉积,以三角洲相为主,边缘地带仍为陆相含煤沉积。岩性为细碎屑岩、泥质岩,夹碳酸盐岩。碎屑岩比北部变细,成熟度高,海相以页岩为主,向南海相层增多。盆地中腹南带也是山西组聚煤丰富区。下石盒子组为一套陆相粗碎屑岩沉积,沉积范围与山西组相近,岩性组合特征及含煤特征有较大差异。在华北盆地中腹带,为一套黄绿夹紫红、杂色碎屑岩陆相沉积,局部含薄层煤或煤线,不具工业价值。如北部本溪一带为一套细粒砂岩、粉砂质页岩、粉砂岩,厚度200~250 m。唐山、淄博下部为粗粒砂岩夹粉砂岩、泥岩,不稳定煤线或薄煤,上部为中粗粒砂岩夹紫红色砂岩、泥岩,顶部有铝土质泥岩,厚150~270 m。南部太原组下段为黄绿色中粗粒砂岩夹砂质页岩、炭质泥岩和煤线,厚97 m。上段黄绿色中细粒砂岩、砂质页岩、页岩,厚72 m。沁水、峰峰及江苏大屯,为中细粒砂岩及粉砂岩、页岩,夹有铝土质泥岩,厚140 m。在鄂尔多斯地区为砂岩、砂质泥岩、泥岩、夹薄煤层或煤线,厚100~150 m。上石盒子组在华北盆地广泛分布,沉积范围与下石盒子组大体一致,盆地中腹带为一套不含煤的紫色陆相碎屑岩。
盆地南缘带(南华北盆地)除本溪组缺失外,其它含煤岩系发育齐全。太原组以海相为主,含可采薄煤层;山西组为海陆交替相沉积,是南缘带北部的主要含煤层。上、下石盒子组为以陆相为主的近海砂泥质含煤沉积,是南缘带主要含煤层,两淮地区最好。太原组盆地南缘带是以浅海相为主的海陆交替相含煤沉积,为碳酸盐岩、泥岩、细砂岩、粉砂岩,含可采薄煤层。在南部(禹县—淮南一带)缺失太原组下部地层,底部有铝土质岩层,厚度小,聚煤弱,仅有煤线。山西组下部以浅海碳酸盐岩、泥质岩沉积为主,夹粉砂岩及薄煤层;上部以水下三角洲和滨岸带泥质岩、细碎屑岩沉积为主夹煤层。下石盒子组为一套陆相含煤地层,中细粒砂岩、粉砂岩、泥岩、铝土质泥岩及煤层,厚120~200 m。下石盒子组为南缘带的主要含煤岩系,煤层层数多,分布集中,平顶山、两淮地区最好,煤层主要在中、上部,含煤4~13层,可采煤1~8层,厚1~17 m。由西向东、由北而南含煤层数、煤层厚度明显递增,确山—淮南一带最好。上石盒子组在南缘带为陆相含煤碎屑岩,与下石盒子组连续沉积,与上覆石千峰组平顶山砂岩整合接触,厚296~890 m,含煤5~25层,1~5层可采,煤层厚1.82~15.9 m,平顶山—淮南一带含煤最好,富煤带与下石盒子组一致,自北而南含煤层数、可采层数、煤层厚度明显递增。
华北盆地西缘带(贺兰山坳陷带)主要含煤地层为太原组、山西组,厚2500 m。本溪组在西缘带缺失。太原组为海陆交替相含煤沉积,为页岩、炭质页岩、砂质页岩、砂岩夹灰岩、泥灰岩、粘土岩、油页岩及煤层。两个沉积凹陷含煤条件好,如贺兰山带北部含煤17层,厚20.57 m,中部含煤8~18层,厚12 m,南部含煤6~8层,厚5 m。石嘴山—银洞沟一带北部含煤7层,厚14 m,中部含煤7层,厚8.91 m,南部含煤厚22.38 m。鄂尔多斯地区北部太原组厚115 m,含煤4层,厚5.85 m,南部厚39 m,含煤3~5层,厚5.85 m。在石板沟以南至平凉、宝鸡一线太原组缺失。早二叠世早期,由于海水西退,山西组在西缘带的沉积特征与盆地中腹地带趋于一致,在鄂尔多斯麟游一带缺失。鄂尔多斯西缘的山西组为陆相含煤碎屑岩、泥质岩,由中粗粒砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成三个岩性段,厚40~100 m。沉积中心位于乌海—韦州,北段厚25~158 m,含煤1~5层,煤层厚2.17~15.95 m,南段厚62~126 m,含煤5~18层,煤层厚7.47 m。向南至平凉一带含煤差,地层厚70~80 m,含煤3~5层,煤层厚1.6~4.22 m。向东至鄂尔多斯中央隆起带钻井见数层薄煤层,单层厚小于1 m。下石盒子组沉积范围与山西组相近,但含煤条件变差。
华北盆地东缘带(胶辽隆起带)含煤地层为本溪组、太原组及山西组,厚1500 m。本溪组主要分布于辽东隆起,为一套海陆交替相含煤沉积,底部为页岩夹铝土矿,下部为砂岩、页岩,炭质页岩夹灰岩,薄煤层,上部为砂岩、页岩、灰岩夹煤线或薄煤层,厚34~276 m。浑江地区含煤性较好,含煤3~4层,厚10 m。太原组为一套海陆交替相含煤沉积,浑江地区为砂岩、砂质页岩夹层,厚21.2~112.6 m,含煤4~5层,厚8 m。长白一带颗粒变粗有含砾粗砂岩,厚86~112.6 m。太子河流域为砂岩、泥岩与粉砂岩夹灰岩,厚100~135 m,含两层可采煤。红阳、本溪地区煤层厚3.5 m,最厚10 m。复州湾为页岩、粉砂岩夹灰岩、煤层,含煤差。山西组为陆相为主的海陆交替相含煤沉积,太子河流域为细砂岩、泥质岩,本溪地区发现海相层,厚13.7~67.6 m,由北而南沉积颗粒由粗变细,由薄变厚。
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