褶皱构造是常见的地质构造类型之一[1-4]。在煤矿区，褶皱构造不仅对煤炭开采造成不同程度的影响，而且对瓦斯的富集具有一定的控制作用[5]。韩城矿区褶皱构造和断裂构造广泛发育，虽有对其某个井田褶皱构造发育规律的探讨[6-7]，但针对整个矿区褶皱构造的全面系统研究相对薄弱。笔者从几何学、运动学和动力学等视角对韩城矿区褶皱构造的展布规律及成因机制进行构造解析[8]，期望深化对矿区地质构造发育规律的认识，对煤矿安全高效生产有所裨益。
1 研究区构造背景
韩城矿区位于鄂尔多斯地块东南缘渭北石炭—二叠纪煤田东部。晚古生代以来，矿区依次形成太原组(C2-P1t)、山西组(P1-P2s)、下石盒子组(P2x)、上石盒子组(P2-P3sh)、孙家沟组(P3s)、刘家沟组(T1l)、和尚沟组(T1h)、二马营组(T2er)等地层，局部上覆新近系上新统和第四系地层。矿区主要含煤岩系为太原组和山西组,煤系基底为奥陶系石灰岩。
图1 下峪口井田7-7′平衡剖面(剖面位置如图2所示)
Fig.1 7-7′ balanced section of Xiayukou mine
韩城矿区的主体构造形态为走向NE，倾向NW，被褶皱与断裂复杂化的单斜构造。近东西走向的纵弯褶皱和逆断层主要发育在矿区中南部;矿区东南边浅部地层直立甚至倒转(图1)，并发育以F2为代表的大型逆断层，在其NW侧的矿区中深部，地层倾角迅速变缓至3°～8°;此外，矿区内广泛发育大量正断层及其组合，以F1为典型代表。矿区构造总的特点是东西分带、南北分区;南强北弱，东强西弱;边浅部复杂，中深部简单;北区层滑构造发育较多，南区褶皱断层构造占据主导;主要构造变形带集中在矿区东南边缘地带(图2)。
根据区域大地构造背景及其演化史分析[9]，韩城矿区所在区域在古生代—中生代主要受挤压构造体制控制，新生代以来主要受NW—SE向拉张应力作用，属伸展构造体制。其中，喜山期以前的挤压构造体制又可分为印支期的近南北向挤压和燕山期的NW向挤压两个阶段。
2 主要研究方法
笔者重点研究韩城矿区纵弯褶皱的展布规律及成因机制。对褶皱构造几何学特征及其展布规律的研究主要采用地质分析和趋势分析方法;对褶皱构造成因机制的研究，主要采用运动学和动力学解析法，即用平衡剖面法分析矿区褶皱构造的运动学特征，用古构造应力-应变场数值反演方法，揭示韩城矿区褶皱构造成因的动力学机理。
2.1 纵弯褶皱展布规律分析方法
位于太原组下段的11号煤层厚度较大，是韩城矿区的全区稳定可采煤层，将其作为纵弯褶皱地质分析和趋势分析的目标层。对褶皱几何学特征的地质分析主要依据11号煤层底板等高线图(图2)和矿区构造剖面图。
趋势分析是揭示褶皱构造发育规律行之有效的多元统计方法[10-12]，对11号煤层底板进行趋势分析可以分离出韩城矿区褶皱构造的区域性总体发育规律和局部性变化特征。遵循随机、均匀原则选定用于提取本次趋势分析原始数据的钻孔494个，并对原始数据进行了统一量纲变换。选用SPASS数理统计软件依次对11号煤层底板标高进行1～3次趋势分析，各次趋势面的拟合度及显著性检验结果见表1。其中，1次趋势面拟合度达到72.16%，可以反映矿区11号煤层底板标高的总体变化趋势;3次趋势面拟合度达到85.31%，达到了对11号煤层底板标高区域性规律和局部性变化的构造信息的最佳分离状态。因此，对于矿区内褶皱构造展布规律的分析主要依据1次和3次趋势分析结果。
表1 11号煤层底板趋势面拟合度及显著性
Table 1 Trend surface fitting degree and significance of No.11 coal seam floor
图2 韩城矿区11号煤层底板等高线及构造纲要
Fig.2 Structure outline map with floor contour line of No.11 coal seam in Hancheng mining area
2.2 纵弯褶皱运动学特征的平衡剖面分析方法
平衡剖面是指可以把剖面上的变形构造通过几何学原则全部复原成合理的未变形状态的剖面[13-15](图1)。
笔者结合研究区实际地质情况，根据地层标志层长度守恒原理进行平衡剖面制作和解释。选取剖面时遵循以下原则:① 剖面线垂直于构造带走向;② 剖面能够反映矿区晚古生代以来的构造演化;③ 剖面尽可能穿过研究区主要井田的构造带，有利于对比分析不同剖面的构造变形状况;④ 尽可能选取原有的勘探线剖面图。根据剖面选取原则，在矿区东南部(象山井田19—19′勘探线)、西南部(薛峰井田13—13′勘探线)、东北偏西部(桑树坪井田7—7′勘探线)、东北偏东部(下峪口井田12—12′勘探线)各选取了有代表性的NW走向地质剖面，用于制作平衡剖面，研究矿区在SE—NW方向上的运动学特征;在矿区东南边缘附近选取了走向剖面(Ⅰ—Ⅰ′)进行平衡剖面恢复，以反映矿区在近南北方向上的运动学特征。平衡剖面具体位置如图2所示。
2.3 纵弯褶皱的动力学分析方法
计算机数值反演是研究古构造应力场的主要方法[16-18]。笔者运用ANSYS软件中的二维平面模型对韩城矿区印支期和燕山期的古构造应力-应变场进行反演，是为了从动力学角度合理解释矿区纵弯褶皱的几何学和运动学特征，进而揭示矿区纵弯褶皱的形成机理。根据区域大地构造背景及研究区的大地构造位置，区内褶皱、断层、共轭剪节理的空间分布规律，以及研究区内构造发育特征的时空差异，建立了研究区二维地质模型，确定了模型约束条件和受力方式。为了消除边界效应，将研究区外围区域面积进行适当的放大。为了便于施加均布荷载，将模型的边界设置为矩形(图3)。印支期古构造应力场反演模型的网格划分及约束加载方式如图3(a)所示，模型北边界固定，西边界约束X方向位移，东边界为自由边界，在南部边界施加40 MPa的均布荷载，挤压应力方位8°。图3(b)表示燕山期古构造应力场反演模型的网格划分及约束加载方式，模型NW边界施加全约束，SE边界施加65 MPa均布挤压载荷，挤压应力方位为307°，SW边界约束X方向的位移，NE边界约束Y方向的位移。
图3 模型网格划分及约束加载
Fig.3 Model mesh generation and constraint loading of Indosinian and Yanshan stage
3 研究结果及讨论
3.1 纵弯褶皱的几何学特征及其展布规律
(1)褶皱的空间分布与波幅变化
由图2可见，区内褶皱构造的分布存在南北差异，褶皱构造主要发育在南区和北区的东南边浅部，且南区褶皱构造的规模和延伸长度均大于北区。在韩城矿区单斜走向剖面(图4)上，韩城矿区南北两区褶皱构造均为直立宽缓褶皱，但北区褶皱波幅一般在20 m左右，表现为微波状起伏，而南区褶皱波幅一般在100 m左右。
(2)褶皱构造的分级
11号煤层底板标高的1次趋势面图(图5(a))显示，韩城矿区主体构造形态为走向NE，倾向NW的单斜;次级褶皱构造为近东西走向的复式背向斜，南区为复式背斜，北区为复式向斜(图5(b));在复式背向斜的基础上发育更次一级褶皱构造(图5(c))。
(3)褶皱构造的轴向
韩城矿区褶皱构造轴向的优势方位为近东西向和NW向。其中，南区褶皱的轴向以近东西向为主，延伸长度较大，近平行排列;北区褶皱的轴向以NW向为主，延伸长度较小，在3次趋势面剩余图上，NW向褶皱与NE向褶皱横跨叠加(图5(c))。
3.2 褶皱构造的运动学特征
从褶皱构造的几何学特征可见，矿区纵弯褶皱的轴向和幅度存在明显的差异，这说明矿区纵弯褶皱是不同时期不同方向不同强度水平挤压收缩运动的结果。
根据区域大地构造背景，韩城矿区所在区域在印支期受到近南北向挤压。Ⅰ—Ⅰ剖面(图4)反映印支期矿区地层受近南北向挤压应力后出现的收缩变形。通过平衡剖面分析，得到矿区地层在南北方向上的收缩率为1.4%，其中，南区地层的收缩率为1.842%，北区地层的收缩率为0.914%。
燕山期韩城矿区所在区域受到自SE向NW方向的挤压应力。对上述4条剖面进行平衡剖面制作，分别计算出其在燕山期地层的收缩量及收缩率，详见表2。
根据平衡剖面分析，韩城矿区具有以下运动学特征:① 印支期发生由南向北的水平挤压运动，地层在南北方向上收缩变形，收缩率表现为南区大北区小。因而，南区形成近东西走向的波幅较大的褶皱，北区形成相对平缓的波状弯曲(图3)。整个矿区印支期的挤压收缩变形呈现出“南强北弱”的特点。② 燕山期发生由SE向NW的水平挤压运动，地层在NW—SE方向上收缩变形，收缩率表现出东部大西部小、北区大南区小的特点;东北边浅部地层直立甚至倒转(图2)，整个矿区燕山期水平运动呈现“东强西弱、北强南弱”的特点。③ 比较印支期和燕山期的地层收缩率以及两期挤压收缩运动所产生的褶皱级次和规模可见，燕山期水平挤压强度明显高于印支期，该期水平挤压运动造就了韩城矿区目前地质构造的基本面貌，两期水平挤压运动呈现出“先弱后强、两期复合”的特点。
图4 韩城矿区Ⅰ—Ⅰ′剖面图(剖面位置如图2所示)
Fig.4 Ⅰ—Ⅰ′section in Hancheng mining area
图5 11号煤层底板趋势分析结果
Fig.5 Trend analysis results of No.11 coal seam floor
表2 代表性剖面收缩量及收缩率对比
Table 2 Variety of shrinkage rate in different areas
3.3 褶皱构造形成与演化的动力学机理
(1)区域大地构造背景及古构造应力场演化。
韩城矿区自石炭—二叠纪含煤岩系形成以来主要经历了3期古构造应力场:海西—印支期(以下简称印支期)、燕山期和喜山期。印支期的古构造应力场继承了海西期的特点，但强度增大，矿区所在区域受到来自于秦岭海槽的最终封闭和华南陆块的向北推挤作用，区域古构造应力场以近南北向挤压为特点，韩城矿区石炭—二叠纪含煤岩系受到首次改造;燕山期矿区所在区域受到来自古太平洋方向由SE向NW方向的挤压力作用，构造变形主要表现为东南部抬升，西北部沉降，石炭—二叠纪煤系煤层受到更为强烈的改造，形成了韩城矿区煤田构造的基本面貌;在新太平洋地球动力学体系影响下，矿区所在区域在喜山期受到向SE方向的拉张构造应力作用，在韩城矿区广泛发育伸展构造。
王双明等[5]在野外系统收集了韩城矿区各类节理5 000余条，结合区域应力特征进行野外分期配套，并在室内采用求解主应力状态的应用程序，由计算机自动恢复了各节理点应力状态，得到印支期最大主压应力σ1的方位为8°～188°，最小主压应力轴σ3的方位为100°～280°;燕山期最大主压应力方位是127°～307°，最小主应力方位是38°～218°。
(2)印支期的古构造应力-应变场。
对古构造应力场进行数值反演的结果表明，印支期韩城矿区的挤压应力呈近东西向带状分布(图6(a))，南区挤压应力最大，由南向北逐渐减小。地层挤压收缩变形由南向北呈带状分布，南部乔子玄区位移量达到最大，向北逐步减小，位移的变化呈现出南区大北区小的特征(图6(b))，符合印支期地层收缩率南大北小的特点;矿区XY平面剪应力值由北向南逐渐减小(图6(c))，因而，层间滑动主要发育在北区。
图6 主应力、位移矢量及平面剪应力分布
Fig.6 Distribution of principal stress,displacement vector and plane shear stress during Indosinian and Yanshanian
(3)燕山期的古构造应力-应变场。
燕山期韩城矿区的挤压应力呈NE向带状分布，下峪口井田应力最大，由SE向NW逐渐减小(图6(d));地层向NW方向挤压收缩，位移量由SE向NW逐步减小(图6(e))，符合燕山期地层收缩率东部大西部小、北区大南区小的特点;矿区XY平面剪应力最大值出现在北区，呈大面积分布(图6(f))，这是北区出现大量层滑构造及构造煤的动力学原因。
3.4 讨 论
(1)对区内主要构造形迹的分期配套。
对构造形迹进行分期主要依据地质构造之间的切割、限制和改造关系。韩城矿区既发育挤压收缩构造，也发育拉张伸展构造。区内逆断层和褶皱往往受到正断层的切割，而正断层的发育又受到东南边浅部NE走向F2逆断层的限制;F1断裂带具有明显的压扭性特征，曾经是在NW向挤压应力作用下形成的NE走向逆断层，在后期拉张应力作用下，断层性质发生改变而成为张性正断层。上述实例证明，区内挤压收缩构造的形成先于拉张伸展构造。挤压收缩构造的优势走向方位分为近东西向和NE向两组。矿区南部近东西走向的逆断层和褶皱在东段大多发生向北偏转，这说明在近东西走向的构造形成后，受到了后续NE向构造的改造，因此，近东西向的挤压收缩构造形成在前，NE走向的挤压收缩构造形成在后。
地质构造是构造应力作用的结果，不同方向、不同性质的构造应力可以产生与之相对应的地质构造，所以，古构造应力-应变场特征是对区内主要构造形迹进行分期配套的又一重要依据。根据研究区中生代以来区域古构造应力-应变场的演化历史，结合上述地质构造之间相互关系，将矿区构造形成过程划分为3个构造成生期。晚三叠世印支期为第一构造生成期，在近南北向挤压的古构造应力场作用下，形成走向与最大主应力σ1的方向垂直的近东西向延伸的纵弯褶皱和逆断层，同时还形成由NE走向和NW走向剪裂面构成的平面共轭剪节理系，两组剪节理的锐夹角平分线与σ1的方向平行(图7(a));从侏罗纪～早白垩世的燕山期是第二构造生成期，最大主应力σ1的方向为SE—NW向，所以形成NE向纵弯褶皱、逆断层和由近东西走向和近南北走向剪裂面构成的平面共轭剪节理系(图7(b));晚白垩世～新生代的喜山期是第三构造生成期，构造应力场以向SE方向拉张为特征，因而主要形成与最小主应力σ3方向垂直的NE走向的正断层，同时，在前两期形成的构造剪裂面发生不同程度的张裂，导致不同走向的伸展构造大量出现(图7(c))。
图7 构造应力场和主要构造形迹的分期配套
Fig.7 Tectonic stress fields with corresponding combination types of main structural features
(2)构造成因与演化模式。
印支运动是韩城矿区晚古生代含煤岩系形成后经历的首次较强烈的水平挤压运动，来自南方的构造挤压应力使矿区地层表现为由南向北的挤压收缩，形成上述第1构造成生期的构造组合(图8(a))。因为挤压应力由南向北逐步衰减，所以，在矿区南部近东西走向的背、向斜相间展布，褶皱构造的规模较大;在北区褶皱构造规模较小，表现为微波状起伏(图4)。
图8 构造成因模式示意
Fig.8 Structural genetic models during Indosinian and Yanshanian
燕山运动是韩城矿区晚古生代含煤岩系形成后经历的最为强烈的水平挤压运动，在由SE向NW的挤压应力作用下，在矿区形成上述第2构造成生期的构造组合(图8(b))。韩城矿区目前的主体构造形态虽然表现为单斜构造(图5(a))，但矿区东南边浅部地层直立甚至倒转，从更大范围分析，该单斜构造是形成于燕山期的NE向韩城倒转背斜的NW翼，由于后期受到构造破坏及剥蚀，背斜形态被破坏，表现为现今的单斜构造(图9)。
此外，由于来自SE方向的构造挤压应力东强西弱、北强南弱，所以在构造挤压应力较强的矿区东北部形成了走向NE的纵弯褶皱(图5(c))。因为印支期和燕山期水平挤压应力的方向不同，所以韩城矿区内的纵弯褶皱形成跨叠型复合效应，尤其在北区最为明显。背斜与向斜复合使背斜形态弱化，导致背、向斜枢纽的起伏;背斜与背斜复合，使煤层底板标高进一步升高，形成局部穹隆;向斜与向斜复合，使煤层底板标高进一步降低，形成小型构造盆地(图5(c))。
喜山期矿区受到向SE方向拉张应力作用，区内广泛发育伸展构造，既对前期形成的构造产生切割破坏，又导致部分逆断层发生构造反转变为正断层。
图9 燕山-喜山期构造演化示意
Fig.9 Structural evolution sketch map during Yanshan-Himalayan stage
4 结 论
(1)韩城矿区一级纵弯褶皱是NE向韩城倒转背斜的NW翼，因受后期破坏，目前表现为倾向NW向的单斜构造;2级纵弯褶皱轴向近于东西，南部为复式背斜，北部为复式向斜;3级纵弯褶皱在南区表现为近东西向规模较大的背向斜，在北区表现为微波状起伏。
(2)韩城矿区在印支期发生由南向北的水平挤压收缩运动，收缩率呈现南大北小的特点;燕山期发生由SE向NW的水平挤压收缩运动，收缩率呈现北大南小、东大西小的特点;燕山期向NW方向的水平收缩率大于印支期由南向北的收缩率。
(3)印支期韩城矿区受到来自秦岭构造带由南向北的水平挤压构造应力，形成近东西向的纵弯褶皱;燕山期受到来自SE方向的水平挤压构造应力，形成NE向的纵弯褶皱。两期褶皱构造在北区形成较明显的横跨叠加复合效应，平面剪应力集中，造成层滑构造和构造煤的广泛发育。
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