高麗潔，田鵬飛，李金松

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 地質(zhì)勘測(cè)處，山西 大同 037003）

大同煤田位于山西省北部，其大地構(gòu)造位置屬華北斷塊內(nèi)二級(jí)構(gòu)造單元呂梁-太行斷塊中的云崗塊坳。煤田總體為一呈北東30°～50°走向的不對(duì)稱向斜盆地，東南邊緣陡、西北及中部寬緩。煤田東北部以青磁窯斷裂為界，東南部以口泉山脈煤系露頭為界，西南部至洪濤山背斜與寧武煤田相隔，西北部以董半川、西窯頭、左云縣城、云西堡、小破堡，下深澗、西村一帶煤系地層隱伏剝蝕邊界為界。主要控煤構(gòu)造為口泉斷裂帶和大同向斜。大同煤田為石炭-二疊、侏羅雙紀(jì)煤田。其中，石炭-二疊紀(jì)煤田面積1739 km2，侏羅紀(jì)煤田面積772 km2。

大同煤田在漫長(zhǎng)的地質(zhì)史中，大體經(jīng)歷了6個(gè)發(fā)展演化階段：①早中太古代沉積、構(gòu)造變動(dòng)、巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用階段；②晚太古代到晚元古代變質(zhì)、剝蝕階段；③早古生代海相碳酸鹽巖穩(wěn)定沉積、隆起剝蝕階段；④晚古生代海陸交互相穩(wěn)定沉積、構(gòu)造改造階段；⑤中生代內(nèi)陸盆地穩(wěn)定沉積、構(gòu)造改造階段；⑥新生代隆起剝蝕、伸展拉伸階段。

圖1 大同煤田構(gòu)造形態(tài)

1 太古代

在約31億a的中太古代時(shí)期，本區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定的淺海狀態(tài)，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，地殼持續(xù)下降接受沉積。在約28.5億a的晚太古代，華北地塊普遍經(jīng)歷了一次強(qiáng)烈地殼運(yùn)動(dòng)～阜平運(yùn)動(dòng)，地殼經(jīng)受了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和變質(zhì)作用，形成厚度很大、變質(zhì)很深、強(qiáng)烈褶皺的一套古老變質(zhì)巖系。

本區(qū)太古界地層集寧群下部主要為麻粒巖，原巖多是火成巖變質(zhì)而成，普遍遭受混合巖化作用，變質(zhì)較深，含較多石墨片巖、石墨片麻巖。構(gòu)造線方向多變，巖層中發(fā)育一系列卵形穹狀構(gòu)造；上部以片麻巖和斜長(zhǎng)角閃巖為主，有少量的麻粒巖、大理巖和石英巖，旋回比較明顯，原巖由砂質(zhì)泥質(zhì)巖、碳酸鹽巖等沉積巖組成，變質(zhì)程度一般為高角閃巖相-角閃巖相。構(gòu)造線近EW向。主要出露于青磁窯斷層以東、七峰山以南的口泉山脈東坡邊緣地帶，出露厚度大于900 m。受巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用的影響，太古界中未發(fā)現(xiàn)生物化石。

2 元古代

晚太古代阜平晚期運(yùn)動(dòng)使本區(qū)上升隆起，在約25～6億a間長(zhǎng)期遭受剝蝕。在此期間，山西省境內(nèi)發(fā)生過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，有從晚太古代延續(xù)至早元古代的五臺(tái)運(yùn)動(dòng)、中元古代的呂梁運(yùn)動(dòng)和晚元古代的晉寧運(yùn)動(dòng)，形成褶皺帶及山脈。

本區(qū)集寧群變質(zhì)巖系受到各期運(yùn)動(dòng)變質(zhì)作用的疊加與改造，發(fā)生混合巖化及退變質(zhì)作用，巖層中可見到呂梁期輝長(zhǎng)輝綠巖脈。元古代末，集寧群已形成穩(wěn)定的結(jié)晶基底，并經(jīng)長(zhǎng)期剝蝕夷平，成為華北地塊北部的一部分和區(qū)域沉積基底。

3 早古生代

早寒武世華北地塊開始緩慢下降，本區(qū)仍處于隆起狀態(tài)，地勢(shì)北高南低。直到中寒武世早期，地殼降至海平面以下，海水由南向北逐漸入侵，本區(qū)開始接受沉積，在集寧群基底上角度不整合地穩(wěn)定沉積了寒武系中統(tǒng)以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖毛莊組、徐莊組、張夏組地層，厚度達(dá)250～280 m。自張夏末期，山西省南部逐漸抬升，晚寒武世整個(gè)山西省古地理面貌轉(zhuǎn)變?yōu)槟细弑钡?。晚寒武世本區(qū)仍為海侵狀態(tài)，崮山-鳳山期繼續(xù)接受沉積，沉積物主要是厚層狀灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，厚度在140～210 m。

早奧陶世本區(qū)繼承和發(fā)展了晚寒武世的古地理面貌，南部不斷抬升，咸化海范圍不斷北進(jìn)縮小，本區(qū)變?yōu)楸敝胁可?、西南部的淺陸表海環(huán)境，沉積了竹葉狀灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖及白云巖的冶里組地層，厚30～65 m。亮甲山期，海水進(jìn)一步咸化，水中氧化鎂濃度及PH值增高，沉積了含大量燧石結(jié)核或條帶的白云巖，厚度達(dá)100 m。中奧陶世，本區(qū)仍有碳酸鹽巖沉積，中部可見下、上馬家溝組，厚度較小。從亮甲山后期本區(qū)開始逐漸上升，到上馬家溝后期停止沉積，全區(qū)未見峰峰組地層。峰峰期后，加里東期的晉冀魯豫運(yùn)動(dòng)使整個(gè)華北地塊抬升為陸，結(jié)束了早古生代的沉積，本區(qū)北部上升幅度大于南部。從中奧陶世末至中石炭世初，本區(qū)長(zhǎng)期遭受剝蝕，且北部剝蝕程度更為強(qiáng)烈。

本區(qū)寒武系地層賦存范圍廣泛，全區(qū)穩(wěn)定賦存，由北向南逐漸完整、厚度逐漸增大，主要出露于口泉山脈邊緣及青磁窯斷層?xùn)|側(cè)。下奧陶統(tǒng)冶里組賦存于狼兒溝以南的廣大區(qū)域，亮甲山組賦存于塔山以南的煤田中南部，地層厚度由北向南逐漸增大，主要出露于拖皮溝以南的口泉山脈東南邊緣。

三葉蟲從徐莊期開始在本區(qū)出現(xiàn)，張夏期達(dá)到繁盛高峰，一直延續(xù)至寒武紀(jì)末。早奧陶世，本區(qū)三葉蟲大衰，筆石動(dòng)物得到大發(fā)展，亮甲山期頭足類的角石及碗足類的正形貝較為繁盛。

4 晚古生代

中奧陶世末至中石炭世初，經(jīng)過約1.4億a的長(zhǎng)期剝蝕，本區(qū)同華北地塊其它區(qū)域一樣，地形平坦，趨于準(zhǔn)平原化。中石炭世早期，華北地塊開始緩慢下降，但下降幅度不大，海水逐漸侵入，本區(qū)形成一個(gè)大范圍的澙湖-潮坪環(huán)境，殘積的大量鐵鋁物質(zhì)帶入海水，本溪期不連續(xù)地沉積了一套海陸交互相的含煤的鋁鐵建造，厚度45 m左右。該建造底部為鋁土質(zhì)泥巖、山西式鐵礦，中部發(fā)育一層2～5 m的灰?guī)r，上部為粉、細(xì)砂巖夾帶泥巖。晚石炭世初，受陰山古陸相對(duì)隆起的影響，本區(qū)地殼略有上升，北部略高于南部，海水逐漸南移，形成濱海平原環(huán)境。此時(shí)氣候濕潤(rùn)，森林茂密，一直到早二疊世山西期，連續(xù)沉積了濱海相的石炭-二疊系太原組、山西組含煤建造，太原組厚度在58～110 m，山西組厚34～68 m。

早二疊世下石盒子時(shí)期，本區(qū)更加遠(yuǎn)離海洋，變?yōu)樯角皼_積平原，曲流河發(fā)育，植物仍很繁盛，但已遠(yuǎn)不及山西期，沉積物主要是石英砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚80～140 m。晚二疊世本區(qū)基本保持北高南低的古地理面貌，仍是曲流河發(fā)育的沖積平原，但氣候逐漸趨于干旱炎熱，植物由繁盛逐漸衰減，直至難于生存，沉積了上石盒子組、石千峰組地層，沉積物主要為含礫砂巖及砂、泥巖，顏色由黃、綠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽?、紅，上石盒子組厚125～279 m，石千峰組厚度在100 m以下。二疊紀(jì)末受海西運(yùn)動(dòng)影響，本區(qū)整體上升，氣候火熱干燥，不再沉積，開始了新的剝蝕，使已沉積的石炭二疊系地層不同程度遭受剝蝕，且北部剝蝕更為強(qiáng)烈。

石炭系本溪組在本區(qū)內(nèi)除甘莊以北一帶外均有賦存，太原組在十里河以南地區(qū)廣泛、穩(wěn)定賦存。二疊系山西組賦存在狼兒溝-舊高山以南的煤田中部和南部，中部厚，南北薄，逐漸尖滅，中部厚度可達(dá)120 m以上。下、上石盒子組賦存于七峰山以南的廣大地區(qū)，石千峰組僅賦存在青陽(yáng)灣南部香爐山頂部至沙河一線以南的地區(qū)。本溪組、太原組、山西組主要出露于煤田東南邊緣口泉山脈東南側(cè)，下、上石盒子組出露于珍珠溝以南至鵝毛口的沿山地帶，石千峰組出露于全羊頭-羊圈溝一帶。

本溪期的海洋無脊椎動(dòng)物以腕足類及筳類為主，化石豐富。從晚石炭世太原期開始本區(qū)沼澤遍布，氣候濕潤(rùn)，植物得到進(jìn)一步發(fā)展，植物群主要為鱗木屬、楔葉真蕨和種子蕨等，一直延續(xù)至晚二疊世上石盒子期。石千峰期，氣候更加炎熱干燥，已不利于植物生長(zhǎng)，地層中未發(fā)現(xiàn)植物化石。

5 中生代

本區(qū)缺失三疊系地層，未沉積的可能性較大。三疊紀(jì)末期印支運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致本區(qū)北中部下降形成盆地。直到早侏羅世末期，本區(qū)氣候溫暖潮濕，曲流河、湖泊發(fā)育，在北中部盆地中沉積了砂礫巖及雜色砂泥巖的永定莊組地層，厚度在100～200 m。永定莊組沉積前，印支運(yùn)動(dòng)使本區(qū)地殼斷裂，形成巖漿入侵通道，基性巖漿順石炭系煤層以巖床、巖脈的形式產(chǎn)出，形成煌斑巖，侵入范圍幾乎涵蓋本區(qū)整個(gè)石炭系地層賦存范圍，局部甚至噴出與永定莊組呈不整合接觸。

中侏羅世大同期，氣候更為濕熱，植物繁茂，經(jīng)永定莊組沉積填平補(bǔ)齊，地形更為平緩，地殼整體仍保持下降態(tài)勢(shì)，曲流河、泥炭沼澤及淡水湖泊更替發(fā)育，沉積范圍較永定莊組進(jìn)一步擴(kuò)大，在盆地中沉積了一套砂、泥巖及煤的大同組陸相含煤地層，厚度較大，約180～220m。中侏羅世云崗期，燕山早期運(yùn)動(dòng)日趨強(qiáng)烈，地殼運(yùn)動(dòng)差異加強(qiáng)，本區(qū)南部抬升，不再沉積轉(zhuǎn)為剝蝕；北部河流坡降加大，氣候逐漸轉(zhuǎn)為干旱，降水量減少，曲流河變成了季節(jié)性的辮狀河，在盆地中沉積了由灰、灰綠到紫紅色的砂、泥巖，厚度較大，最大可達(dá)250 m。晚侏羅世是燕山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈活動(dòng)期。本區(qū)先期受SENW向擠壓，在煤田東南部形成NE向壓性口泉逆沖、逆掩斷裂及大同煤田的主向斜及其次級(jí)褶曲。后期又轉(zhuǎn)變?yōu)镹EE-SWW向的擠壓，形成NNW向的青磁窯逆沖斷裂，同時(shí)伴有巖漿侵入和噴發(fā)。侵入巖主要以巖墻形式產(chǎn)出的輝綠巖及輝綠玢巖，巖墻切穿白堊系以下各時(shí)代地層，部分區(qū)域噴出地表，形成玄武巖。

早白堊世早期，燕山運(yùn)動(dòng)進(jìn)入中期，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)仍很強(qiáng)烈。經(jīng)燕山早-中期運(yùn)動(dòng)改造，基本形成了現(xiàn)今的大同煤田范圍及輪廓，古地形轉(zhuǎn)變?yōu)槟细弑钡?、東高西低，之后構(gòu)造運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。早白堊世晚期，在本區(qū)西北部及其外圍區(qū)域構(gòu)成了呂梁斷塊山區(qū)的山前傾斜平原，沉積了一套具有磨拉石特征的山前沖積扇礫巖和砂巖，以及湖泊相泥巖、灰?guī)r等相間的左云組，厚度從數(shù)10～500 m以上。晚白堊世本區(qū)大部繼續(xù)遭受剝蝕，西北部及其外圍區(qū)域高差逐漸縮小，曲流河和湖泊發(fā)育，沉積了紅色泥巖和灰白、灰黃色砂巖互層的助馬堡組，厚度較大，在左云一帶可達(dá)700 m以上。晚白堊世末，燕山晚期運(yùn)動(dòng)使本區(qū)抬升，全區(qū)遭受剝蝕。

侏羅系永定莊組、大同組、云崗組主要賦存于本區(qū)北部及中部，向南逐漸變薄尖滅，中部零星存在于山頂上，主要出露于尖口山、石門、鵝毛口一帶的溝谷及煤田東南部邊緣口泉斷裂帶。白堊系左云組、助馬堡組主要賦存在本區(qū)的西北部及其外圍地區(qū)，總體為西北厚、東南薄，主要出露于尖口山、舊高山、甘莊一線侏羅系煤田的西北部邊緣。

早中侏羅世本區(qū)植物繁盛、種類繁多，其中以真蕨類蕨科、蘇鐵類、銀杏類為主，河湖中發(fā)育著雙殼類。白堊紀(jì)時(shí)，區(qū)內(nèi)氣候濕熱，生物種類甚多，主要有葉肢介、雙殼類、介形類、腕足類、爬行類以及輪藻等動(dòng)植物，其中以介形類最為發(fā)育。晚白堊世，爬行類動(dòng)物繁盛，助馬堡組地層中含有豐富的恐龍化石。

6 新生代

燕山晚期運(yùn)動(dòng)使本區(qū)抬升后，早第三紀(jì)本區(qū)繼續(xù)遭受剝蝕、夷平，區(qū)內(nèi)未見早第三系沉積。晚第三紀(jì)上新世，本區(qū)氣候炎熱，在西北部的溝谷、溝幫等低凹處零星沉積了靜樂組紅色粘土，厚5～15 m。第四紀(jì)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)活動(dòng)頻繁，本區(qū)地殼間歇性的持續(xù)上升，在低凹的溝谷中堆積了各時(shí)代風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物。更新世以來大量黃土被風(fēng)從西北方向吹來，堆積于不同高度的山間低洼帶和溝谷中，同時(shí)受水流作用被再搬運(yùn)，形成了本區(qū)地表覆蓋區(qū)域最為廣泛的黃土層，厚度從數(shù)米到100多米。晚第三紀(jì)在本區(qū)外圍區(qū)域，有巖漿噴出地表，形成玄武巖。

進(jìn)入新生代以來，本區(qū)受喜馬拉雅NW-SE方向伸展運(yùn)動(dòng)控制，在煤田東南部邊緣沿燕山期形成的大斷裂逐漸拉伸張裂，在本區(qū)東部形成斷陷盆地，且邊裂、邊陷、邊接受沉積，從晚第三紀(jì)上新世開始到第四系，沉積了巨厚層的第四系黃土。晚更新世時(shí)，也有火山活動(dòng)，在本區(qū)東北外圍地區(qū)形成了著名的大同火山群。

第四紀(jì)以來本區(qū)多次發(fā)生地震，表明新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)還在繼續(xù)進(jìn)行。

7 成煤環(huán)境及聚煤特征

7.1 石炭-二疊紀(jì)

本區(qū)從晚石炭世太原期開始，出現(xiàn)北部逐漸抬升的趨勢(shì)，形成北高南低的古地理面貌，海水不斷南移，并向南退出，這一趨勢(shì)與面貌幾乎貫穿整個(gè)晚古生代。沉積環(huán)境從潟湖-潮坪開始，變?yōu)槿侵奁皆?、濱海山前平原，再發(fā)展成濱海平原，最后為山前沖積平原，為一典型的海退系列，一直保持到早二疊世山西期。平原中的河流，總體是由北向南流，碎屑物質(zhì)來源于北部地區(qū)，碎屑粒度呈現(xiàn)北粗南細(xì)，沉積厚度是南厚北薄。在此期間氣候濕潤(rùn)，雨量充沛，森林茂密，連續(xù)沉積了濱海相的石炭-二疊系含煤建造。直到晚二疊世氣候變得火熱干燥，植物難于生存，結(jié)束了煤系地層的沉積。

7.2 侏羅紀(jì)

中侏羅世大同期，地形平坦，氣候溫暖濕潤(rùn)，植物繁盛，本區(qū)沉積了大同組含煤巖系。大同組為陸相沉積，主要的沉積環(huán)境為河流、湖泊三角洲、湖泊以及沼澤。按巖性巖相組合及煤層特征，自下而上可分為三個(gè)旋回，三個(gè)旋回均為河流-濱湖三角洲沉積相組合。下部旋回以河流相為主，煤層分叉合并頻繁；中部旋回以濱湖三角洲及湖灘相為主，煤層穩(wěn)定性較好，多為單一煤層，基本上無分叉合并現(xiàn)象或簡(jiǎn)單的分叉合并；上部旋回主要為濱湖三角洲相，煤層有分叉合并現(xiàn)象。砂體分析和古流向結(jié)果表明，古水流方向?yàn)楸睎|-南西向。