瓦斯地质课程教学第三章

瓦斯地质学第三章 瓦斯赋存构造逐级控制理论第一节地球的内部结构和板块构造学说第二节中国古板块的划分第三节中国区域构造及其演化第四节板块构造与中国煤层瓦斯赋存分布第五节平顶山矿区瓦斯赋存构造逐级控制特征第三章 瓦斯赋存构造逐级控制理论第一节地球的内部结构和板块构造学说第二节中国古板块的划分第三节中国区域构造及其演化第四节板块构造与中国煤层瓦斯赋存分布第五节平顶山矿区瓦斯赋存构造逐级控制特征第三章 瓦斯赋存构造逐级控制理论一、地球的内部结构1地震波是震源(大小为几公里到上百公里，深100～750km)或人工爆炸(如核爆炸)产生的弹性波，主要有体波和面波两大类。体波：纵波，横波。①纵波（P波,PrimaryPulse,PushWaves）弹性体内质点的振动方向与波的前进方向平行，当波传播时，物体发生膨胀与收缩。如弹簧振子产生的振动波。第一节地球的内部结构和板块构造学说②横波（S波，SecondaryPulse，ShearWaves）弹性体内质点的振动方向与波的前进方向垂直，当波传播时，物体发生剪切变形。

传播速度：Vp>Vs，液体不传播S波。地球内部有三大圈层：地壳、地幔、地核。岩石圈：地球最外层平均厚度约100千米的带有弹性的坚硬岩石,由地壳和上地幔顶部组成,岩石圈下面是软流圈。世界六大板块分布与地震带图板块边界未定板块边界板块运动方向二、板块构造学说简介1板块构造学说是指研究地球岩石圈板块的成因、运动、演化、物质组成、构造组合、分布和相互关系以及地球动力学等问题的一个新兴学科。其认为，整个地球的岩石圈被分解为若干巨大的刚性板块（构造单元）——岩石圈板块，各板块均衡地位于塑性软流圈之上并在地球表面进行着大规模的转动。各板块之间或相互离散、或相互汇聚、或相互平移，从而引起地球上的地震、火山爆发和构造运动。1968年，法国地质学家X.LePichon将岩石圈划分为六大板块——欧亚板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块、太平洋板块和南极洲板块。2板块构造学说发展历程：二、板块构造学说简介①1912年德国地球物理学家魏格纳（A.L.Wegener）首先提出大陆漂移说。他根据大西洋两岸特别是非洲和南美洲海岸轮廓非常相似等资料，从地球物理、地质、古生物和古气候等方面进行论证，认为地壳的硅铝层是漂浮于硅镁层之上的，并设想全世界的大陆在古生代石炭纪之前是一块庞大的陆地（称“联合大陆”），其周围是辽阔的海洋。之后特别是中生代末期，该大陆在天体引潮力和地球自转离心力作用下而分裂成几块，在硅镁层上分离漂移，逐渐形成地球上现代的大陆大洋分布状况。2板块构造学说发展历程：二、板块构造学说简介②海底扩张说：美国地质学家Hess认为，大洋地壳上有一个分裂带（表现为洋中脊），是大洋地壳的产生地。洋中脊下的高温上升流使洋中脊保持隆起并有地幔物质不断侵入，遇水作用冷却后蛇纹石化而形成新的大洋地壳，而先存的洋壳因此不断向外扩张推移，至海沟、岛弧一线受阻于大陆而俯冲下沉、融熔于地幔，从而达到新生和消亡的消长平衡，遂使洋底地壳在2亿~3亿年间更新一次。地幔对流与海底扩张2板块构造学说发展历程：二、板块构造学说简介③转换断层理论：1965年加拿大地球物理学家J.T.Wilson，指出活动带网络把地球表层划分为若干刚性板块。转换断层是岩石圈板块的守恒型边界，是岩石圈板块在地球表面运动的轨迹。转换断层在洋底均呈线状分布，长数百至数千千米，它们不仅使两侧洋底有很大高差，而且平移错断了洋底的重力和磁异常条带。1967~1968年期间，地质学家将转换断层概念外延至球面上并定量地论述了板块运动,证明岩石圈板块运动具有球面刚体转动性质,确立板块构造学说基本原理。因海底扩张，仅断层的bc段是反向错动(这称为“转换断层”)，而ab和cd段则同向移动，地震就发生在转换断层bc段上，而很少发生在ab和cd段。三、板块构造的基本特征（1）海底分裂带上的现象在海底分裂带上，洋壳下的岩浆涌出，在海底构成海岭，也叫做中脊。（2）转换断层当海底分裂向两侧移动的时候，由于板块在一个球面上移动，速度不可能是一致的，于是在大致垂直于分裂带的方向上产生许多近于平行的平移断层。但这种平移断层不是简单的水平错动，而是一面向两侧分裂，一面发生水平错动。转换断层错动的距离，常常是数十至数百千米，有时达1000多千米。（3）俯冲带当洋壳板块向两侧移动，遇着大陆板块彼此相碰的时候，洋壳板块由于岩石密度较大，位置也低，便俯冲于大陆板块之下。俯冲部分的板块叫做俯冲带。俯冲带向下进入到地幔，到了一定深度，即由地幔熔融同化，以致消失，所以也叫做消失带或消亡带（Subductionzone）。由于毕鸟夫通过地震在这个带上作了较详细的研究，因而也称它为毕鸟夫带（Benioffzone）。（4）深海沟在俯冲带上，两个板块之间生成一个深海沟，平行于板块的边界，多是位于俯冲板块的一侧，延长很远。（5）混杂沉积由于两个板块相向移动，彼此前缘相撞，而使不同性质、不同时代的岩石沉积在一起，构成的一种混合沉积称为混杂沉积。（6）地缝合线两个板块相向移动，彼此接触的地方就是一个缝合线。当海洋板块遇到大陆板块时，前缘俯冲于地面以下，而在俯冲带上产生海沟，缝合线就看不出。两个大陆板块相遇，接触线出露地表，受到强烈变形，构成山脉，就叫做地缝合线。（7）火山岛弧在仰冲板块的一侧，距深海沟中心线150~200km产生火山带，常呈弧形分布。最初是海下喷发，后来是陆上喷发，构成火山岛，所以称火山岛弧。四、板块构造与岩浆作用1.思考题：岩浆作用与煤与瓦斯突出的关系？2.定义：岩浆作用：地质学家把岩浆的形成(熔融)、运移和冷凝的整个过程中，岩浆自身的变化以及对周围岩石影响的全部地质过程叫做岩浆作用。岩浆作用方式：一种是岩浆从深部上升到达地壳随即冷凝结晶，这一过程称为侵入作用，冷凝结晶形成的岩石称为侵入岩。另一种方式是岩浆溢出地面，甚至喷射到天空或水体(海底喷发)称为火山作用，流出地面的岩浆冷却凝结后叫做火山岩或喷出岩。广泛分布于大陆地壳中的花岗岩岩基可以作为岩浆侵入的代表；而分布在大洋中脊的玄武岩和火山岛带的中酸性为主喷出岩则是火山作用的代表。喷出岩与火山灰侵入岩环太平洋活动火山链分布图太平洋板块欧亚板块美洲板块第一节地球的内部结构和板块构造学说第二节中国古板块的划分第三节中国区域构造及其演化第四节板块构造与中国煤层瓦斯赋存分布第五节平顶山矿区瓦斯赋存构造逐级控制特征第三章 瓦斯赋存构造逐级控制理论一基本概念1地台platform又称陆台（platform）,指地壳上稳定的、形成后未再遭受褶皱变形的地区。地台以具有双层结构为特征，即：上部为未经变形、大体保持水平产状的浅海相或陆相沉积盖层；下部则是已经强烈变形和变质的前寒武纪结晶基底。2地槽geosyncline又称地向斜。长期持续沉降并接受巨厚沉积的带状地壳活动构造单元。3地块landmass是具有一定综合结构形态、属于一定构造体系的地质块体。4深断裂deepfracture

又称深大断裂。裴伟（l945）提出。指一种规模大、切割深、活动时间长的断裂带。它一般延伸长达几百千米到上千千米；宽几千米到几十千米，因而常常构成一个断裂带第二节中国古板块的划分二中国板块构造的轮廓中国主要山脉和山峰中国大地构造分区略图第一节地球的内部结构和板块构造学说第二节中国古板块的划分第三节中国区域构造及其演化第四节板块构造与中国煤层瓦斯赋存分布第五节平顶山矿区瓦斯赋存构造逐级控制特征第三章 瓦斯赋存构造逐级控制理论一、中国大地构造分区二、中国四大构造域特征古亚洲构造域主要形成于晋宁—印支期，属古板块活动范畴；特提斯构造域包括主要形成于华力西期的古特提斯和主要形成演化于燕山期与喜马拉雅期的新特提斯，为现代板块构造活动的产物古华夏构造域主要形成于晋宁—印支期，属古板块活动范畴滨太平洋构造域生成于中、新生代，为现代板块构造活动的产物图3-23中国构造区划略图三、中国主要深断裂系统及其特征古亚洲型断裂系统特提斯型断裂系统华夏－滨太平洋型断裂系统贺兰－康滇型断裂系统图3-25中国主要断裂分布略图四、中国大陆中新生代动力学背景（一）中国大陆地貌特征（二）中国大陆活动构造与地震特征（三）中国大陆构造应力场、现代地壳运动（四）中国大陆新生代盆地特征图3-26中国大陆北纬30°附近地势剖面图（据叶定衡等，2002）（《中国大陆岩石圈物质组成及演化》邱瑞照等著地质出版社）图3-27中国及邻区现代应力场1～4——活动断块边界及其运动矢量及速度，nm/a；1－分离边界；2－俯冲边界；3－碰撞边界；4－走滑转换边界；5－亚板块、板块相对运动矢量；6－板内地堑、裂谷；7－板块的绝对运动和亚板块、块体相对欧亚（西伯利亚）的运动矢量及速度，nm/a；8－亚板块、块体边界；9－最大主压应力轴迹线；10－最小主应力（张性）轴迹线图3-29中国重力梯度带与强地震分布示意图第一节地球的内部结构和板块构造学说第二节中国古板块的划分第三节中国区域构造及其演化第四节板块构造与中国煤层瓦斯赋存分布第五节平顶山矿区瓦斯赋存构造逐级控制特征第三章 瓦斯赋存构造逐级控制理论一、板块构造与中国煤矿地质构造特征（一）华北地区（二）华南地区（三）西北地区（四）东北地区第四节板块构造与中国煤层瓦斯赋存分布（一）华北地区范围：华北地区北起阴山、燕山、长白山；南抵秦岭、伏牛山、大别山、张八岭；西起贺兰山、六盘山；东临黄海、渤海特征：华北地区自石炭二叠纪含煤地层形成以来，印支期主要受西伯利亚板块由北向南和扬子地块由南向北推挤作用，形成近东西向的宽缓褶皱和断裂，但不剧烈。燕山早、中期受太平洋库拉板块俯冲碰撞作用，活动剧烈，形成一系列北北东、北东向的大规模隆起和拗陷，伴随剧烈的岩浆活动，如太行山隆起、贺兰山隆起、鄂尔多斯盆地拗陷、沁水盆地拗陷等。因此，华北地区煤层主要发育近东西向、北北东向、北东向的褶皱和断裂及其叠加和复合构造。一、板块构造与中国煤矿地质构造特征中国主要山脉和山峰西伯利亚板块印度板块菲律宾海板块太平洋板块华南板块华北板块塔里木板块准噶尔-兴安活动带中国大陆板块构造控制的区域瓦斯地质规律研究藏滇板块(二）华南地区范围：秦岭、大别山以南，横断山脉以东，南到国界线，东到台湾海峡的这个东南部地区。特征：华南地区地质构造比华北地区复杂，北面受华北板块的碰撞挤压，西面受藏滇板块的推挤，南面受印支板块的作用，东面受太平洋菲律宾板块长时期的碰撞挤压作用。华南板块既发育有近东西向构造，又发育有北西向构造和北北东向、北东、北东东向构造，使华南地区煤层构造破坏严重，构造极为复杂，煤层厚度变化大，构造煤发育。以北北东向至北东东向构造作用影响最剧烈，形成规模最大。如贯穿中国大陆东部的贺兰山—龙门山、大兴安岭—太行山—武陵山两条近南北向构造带；另有沿福建—浙江沿海分布的北东向—北北东向展布的岩浆岩带，使那里煤层岩浆热变质作用为高阶无烟煤，主要受控于中、新生代以来太平洋菲律宾板块对中国大陆东部的俯冲碰撞作用。一、板块构造与中国煤矿地质构造特征中国主要山脉和山峰(三）西北地区范围：东界贺兰山、六盘山，南界昆仑山、秦岭，西界和北界国界线。特征：中国大陆西部受印度板块由南向北挤压、西伯利亚板块相对阻挡，地壳大幅度隆起。从新疆天山山脉到内蒙古中部的阴山山脉，山体表现为东西向延展；盆地表现为压陷盆地；煤田地质构造主要表现为压性、压扭性断裂和褶皱，多为逆冲推覆构造。塔里木盆地、准噶尔盆地的下、中侏罗统煤层抬起，大面积煤层距地表很浅，处于风氧化带内。一、板块构造与中国煤矿地质构造特征中国主要山脉和山峰西伯利亚板块印度板块菲律宾海板块太平洋板块华南板块华北板块塔里木板块准噶尔-兴安活动带中国大陆板块构造控制的区域瓦斯地质规律研究藏滇板块(四）东北地区范围：主要包括黑龙江、吉林和辽宁省一部分，构造演化归属于天山—兴安活动带。特征：该活动带是古生代西伯利亚、塔里木—华北两大陆缘带及其间的古亚洲洋封闭后的遗迹。位于东段的东北黑、吉、辽三省地区，自印支运动以来受西伯利亚板块自北而南和太平洋板块自南东向北西的双向挤压，呈现着东西向构造与北东、北北东向构造相互复合的格局。燕山期以来，主要表现为大兴安岭隆起、松辽盆地拗陷大范围的岩浆喷发等活动，晚侏罗—早白垩统煤系地层以火山碎屑岩沉积为主。一、板块构造与中国煤矿地质构造特征中国主要山脉和山峰西伯利亚板块印度板块菲律宾海板块太平洋板块华南板块华北板块塔里木板块准噶尔-兴安活动带中国大陆板块构造控制的区域瓦斯地质规律研究藏滇板块华北地区瓦斯赋存构造控制①普遍沉积了中国较老的石炭二叠系含煤地层，以中高变质烟煤、无烟煤为主，煤层瓦斯生成条件比较优越，是我国高瓦斯矿井、矿区主要分布区。二、板块构造与中国煤层瓦斯赋存特征②自石炭一二叠系含煤地层形成以来，印支期主要受西伯利亚板块由北向南和扬子地块由南向北推挤作用，形成近东西向的宽缓褶皱和断裂，但不剧烈。燕山早、中期受太平洋库拉板块俯冲碰撞作用，活动剧烈，形成一系列北北东、北东向的大规模隆起和拗陷，伴随剧烈的岩浆活动。如太行山隆起、贺兰山隆起，鄂尔多斯盆地拗陷、沁水盆地拗陷等。因此华北地区煤层主要发育近东西向、北北东向、北东向的褶皱和断裂及其叠加和复合构造。⑨⑩①⑧北京成都广州0300600900km456789123①④⑦⑩⑤③⑥②上海⑨13

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③在北缘，受西伯利亚板块碰撞对接的影响存在着东西向的阴山、燕辽挤压、剪切带（天山-兴安活动带），控制着阴山燕辽高突矿井、矿区的分布。在南缘，受扬子板块俯冲碰撞对接的影响，存在着秦岭造山带北缘逆冲推覆构造系挤压、剪切带，控制着华北板块南缘淮南、平顶山、宜洛、义马到甘肃靖远高突矿井、矿区的分布。④在中部，因燕山期受太平洋库拉板块碰撞挤压作用，形成北北东至北东向展布的太行山挤压剪切构造带，控制着焦作、鹤壁、安阳、邯郸等高突矿区、矿井的分布。1－侏罗、白垩纪盆地；2－上侏罗统火山岩；3－变质岩；4－走滑断层、冲断层；5－古生代地层褶皱轴；6－变质岩中倒转褶皱轴；7－地体运动方向；8－古地磁样品取样位置Ⅰ－大别山造山带；Ⅱ－张八岭群之韧性冲断岩席；Ⅲ－徐淮潜造山带；Ⅳ－泰山；Ⅴ－苏北－胶南造山带⑤在沿郯庐断裂带西侧受扬子板块向华北板块俯冲碰撞作用，形成徐淮前陆褶皱冲断带，在弧顶南北两翼挤压剪切带分别控制着皖北宿县、临涣和淮北高突矿区、矿井的分布。华北地区三叠系分布情况（据杨起等）渤海天津北京涿州涞源平鲁五寨忻县兴县太原晋中阳泉石家庄高邑柳林左权邯郸临西4济南大宁临汾沁源长治侯马晋城济源三门峡洛阳郑州临汝许昌太康6401271149013.72039150021072573300221923580350033013692283626802500200015001000500095522203000225010607505601866475220240015010004080Km等值线边界断裂500⑥在华北地区的东部，印支期开始受太平洋库拉板块俯冲碰撞较早，如鲁西断隆缺失三叠系地层沉积，使得二叠系的煤层瓦斯保存条件变差。煤层瓦斯风化带垂深普遍在600m以上，目前90%以上的矿井仍为低瓦斯矿井。①华南地区主要受扬子准地台和南华活动带构造演化的控制。华南地区四周都受到强挤压剪切作用，尤其是中、新生代以来长时期受到太平洋菲律宾板块由南东向北西方向的推挤作用，构造表现为大规模的逆冲推覆和岩浆作用。形成一系列北北东—北东向展布的逆冲推覆构造和沿福建—浙江沿海分布的北东向—北北东向展布的岩浆岩带。地质构造极其复杂，煤层不稳定，煤层结构破坏严重，构造煤极为发育。⑦⑦⑦⑦⑦⑦⑦⑦②②②②②②⑥⑥③④⑤⑤⑧藏滇板块印支板块华北板块古太平洋板块④①①①①③④②①陆块；②褶皱带；③盆地；④烈陷带；⑤逆冲推覆带；⑥断裂带；⑦板块或块体相对运动方向华南地区瓦斯赋存构造控制②华南地区煤层煤化程度高，多为无烟煤和高变质烟煤，在闽、浙、粤东沿海一带，主要为高阶无烟煤。华南地区除高阶无烟煤矿井之外，80%以上的矿井为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。①主要受塔里木准地台和天山、准噶尔活动带构造演化的控制。中国大陆西部受印度板块由南向北挤压、西伯利亚板块相对阻挡，地壳大幅度隆起。从新疆天山山脉到内蒙古中部的阴山山脉，山体表现为东西向延展。盆地表现为压陷盆地，煤田地质构造主要表现为压性、压扭性断裂和褶皱，多为逆冲推覆构造。西北地区瓦斯赋存构造控制100°额济纳旗乌鲁木齐准噶尔盆地天山阿尔泰山0300km塔里木盆地西昆仑山东昆仑山兰州银川西宁90°80°70°80°90°100°40°50°100°②塔里木盆地，准噶尔盆地向东到内蒙中部，都沉积了中国煤炭资源量最大的早、中侏罗世的煤层。由于受印度板块由南向北推挤和西伯利亚板块阻挡南北挤压作用，盆地大范围的抬升，煤层距地表浅，并受到风化剥蚀作用，目前80%以上的矿井为低瓦斯矿井。但是深部高瓦斯矿井将逐渐增加，局部地带也将会有煤与瓦斯突出危险。①主要受天山——兴安活动带和滨太平洋构造域构造演化的控制。位于东段的东北黑、吉、辽三省地区，自印支运动以来受西伯利亚板块自北而南和太平洋板块自南东向北西的双向挤压，呈现着东西向构造与北东、北北东向构造相互复合的格局。燕山期以来，主要表现为大兴安岭隆起、松辽盆地拗陷，大范围的岩浆喷发等活动，晚侏罗—早白垩统煤系地层以火山碎屑岩沉积为主。东北地区瓦斯赋存构造控制中国及临区大地构造及动力学略图1.近代海洋俯冲-碰撞带；2.大陆碰撞-逆冲断裂带；3.大型走滑断裂带；4.大型断裂带；5.推测及隐伏断裂带；6.大洋中脊；7.大洋伸展裂谷；8.大洋海岭；9.边缘海伸展盆地；10.陆内伸展裂谷；11.中生代以来块体相对运移方向10060708090110120130140150160塔里木地块606050东欧地块40乌兹别克斯坦地块伊朗地块3020100-10100102030405060708090100110120130140150160青藏地块扬子地块印支地块华夏地块南海华北地块东海日本海苏禄海苏拉威西海斑达海太平洋板块兴蒙地块西伯利亚地块西西伯利亚地块哈萨克地块卡洛林海盆菲律宾板块鄂霍次克海阿拉伯地块非洲板块印度板块3610711481259澳大利亚板块②沉积于大兴安岭东侧的早、中侏罗世的煤层，煤化程度低，以褐煤为主，并遭受风化剥蚀作用，90%以上的矿井为低瓦斯。沉积于松辽盆地以东，黑龙江鸡西、双鸭山、鹤岗，吉林辽源、通化，辽宁阜新等矿区的晚侏罗—早白垩世的煤层松辽盆地的晚侏罗-早白垩世的煤层，由于受大范围岩浆活动的作用，煤化程度增高，多为中高变质烟煤，加上煤系地层普遍沉积厚层火山凝灰岩和火山碎屑岩，透气性低，对煤层瓦斯保存具有封盖作用，因此多为高瓦斯突出矿井、矿区分布。抚顺矿区早第三系抚顺组煤层也为高瓦斯突出煤层。三、板块构造与中国煤与瓦斯突出动力灾害（一）中国煤与瓦斯突出动力灾害特征1、中国是世界上煤与瓦斯突出动力灾害最严重的国家2、含有高能瓦斯的构造煤是煤与瓦斯突出发生的基础3、煤与瓦斯突出发生在构造挤压剪切破坏带（二）板块构造对构造挤压、剪切带的控制1.华北地区萨彦-额尔古纳断褶系吉黑断褶带断褶