淮南煤田顧桂礦區走滑構造特征及成因演化研究

雷 振，許光泉，詹 潤

(1.安徽理工大學，安徽 淮南 232001； 2.安徽省煤田地質局勘查研究院，安徽 合肥 230088)

淮南煤田地處華北板塊東南緣，受煤田東側巨型郯廬走滑斷裂帶中生代活動影響，其內部發育了不同方位、不同規模與不同性質的走滑斷裂系統，其中一些大型走滑斷裂在宏觀上控制著煤田整體的構造格局與煤層展布[1-3]，而小型走滑斷層則是影響礦井水文、瓦斯、煤厚發育的重要因素[4-6]。

顧桂礦區位于淮南煤田中部陳橋背斜東翼與潘集背斜南翼銜接位置，煤田構造與地層走向在此位置發生了明顯的S形轉折，礦區內斷裂系統呈現X形共軛分布，在煤田范圍內表現為獨特而復雜的剪切構造變形特征[7]。這些剪切斷裂對煤礦安全和生產有著重要的影響，并導致該地區開采地質條件極為異常[8]，一直以來都是礦區研究的重點。隨著礦區開發程度與勘查深度的加大，其不僅是揭示礦區深部地下水流場、地應力場及地溫場變化的關鍵，也涉及到對整個煤田形成演化規律的認識。因此，需要對這些走滑構造系統有更深入的認識。目前對于顧桂礦區內走滑斷裂的研究有限，前人研究大多停留在對其幾何學描述和開采地質條件影響評價上，對構造帶本身的發育特點與成因機制尚未開展過系統而詳細的分析。本文在對區域地質規律研究的基礎上，利用煤礦最新生產地質資料，從構造解析與動態演化角度來認識此類構造的組成、形態、分類和空間組合關系、形成期次，探討其成因機制。

1 地質概況

顧桂礦區在構造位置上處于陳橋背斜S形轉折端部位，范圍涉及顧北煤礦、顧橋煤礦與張集煤礦，其東部通過顧北礦東邊界與潘集外圍深部分隔，西部以陳橋背斜東翼灰巖露頭線為界，北部以F86斷層及上石盒子組頂界地面投影線與潘集背斜南翼相鄰，南部通過阜風斷裂與南緣逆沖推覆構造帶分隔，總體呈現為走向南北、向東傾斜的單斜構造。

顧桂礦區內部主要發育NW向、NE向和EW向3組斷裂系統，其中NW向斷裂系統有F92斷層組、F104斷層組、F211斷層、F110斷層、F220斷層等；NE向斷層組有F97、F114、F203、F103等斷層；東西向斷裂系統包括F86、F87、F217、F221等斷層。其中NW向與NE向2組斷裂共同組成X形共軛狀。共軛構造體系基本被夾持在近EW向斷裂系統之間，其范圍與陳橋背斜南北向轉折段在橫向上基本保持一致，并且其發育程度自西向東有減弱趨勢，即靠近陳橋背斜轉折部位，共軛剪切變形十分明顯，遠離陳橋背斜轉折端則逐漸消失而變為煤田主體的近東西向擠壓構造。

顧桂礦區屬于新生界地層全覆蓋含煤區，據鉆孔與地震資料揭示地層由老到新發育有下古生界寒武—奧陶系，上古生界石炭系太原組、二疊系山西組、石盒子組、孫家溝組，三疊系石千峰組，新生界新近系—第四系，缺失古近系、白堊系、三疊系，自下而上可劃分出寒武系—奧陶系、石炭系—三疊系、新近系—第四系3個構造層，含煤地層地震反射層共識別出1煤、4煤、8、11-2、13-1等多個標志煤層段。

2 構造分區

根據全區構造發育特征與形態差異，可將顧桂礦區劃分為3個次級構造單元，分別是北部單斜構造帶、中部X形共軛剪切構造帶與南部單斜構造帶(圖1)。

圖1 顧桂礦區構造綱要

2.1 北部單斜構造帶

該帶位于F86斷層與F92斷層組之間，呈現為西窄東寬，西淺東深的喇叭狀。西側煤系地層呈南北向平直延伸，東側呈北東向彎曲分布，地層產狀較為平緩，一般5°～10°，呈現為向東緩傾呈單斜狀(圖2(a))。該構造帶內斷裂稀少，構造相對簡單，靠近陳橋—潘集背斜轉折過渡位置發育有小陳莊、董崗郢向斜、葉集背斜、胡橋子向斜等次級褶曲。這些褶曲與陳橋—潘集背斜軸呈夾角15°～20°相交，其軸面均向南傾，起伏幅度小，延伸距離短，形態寬緩，均向東傾伏，且多被近東西向斷層切割。

圖2 顧桂轉折構造帶北部、中部、南部地質解釋剖面

2.2 中部X形共軛剪切構造帶

該帶位于F92斷層組至F216斷層組(F211、F216、F220、F217)之間，呈現為中間寬、兩端窄的紡錘狀。煤系整體呈南北向延伸，地層產狀較為平緩，總體向東傾斜。該帶斷裂極為發育，煤層破壞嚴重，是X形走滑構造體系的主體部位。區內主要發育NW向和NE向2組斷裂，其中NE向斷裂多被NW向斷裂切割，且一般延伸較短，顯示其形成于北西向斷層組之后或由其派生而成。

2.3 南部單斜構造帶

該帶位于F216斷層組與阜鳳斷裂帶之間，主體呈現為西北窄、東南寬，淺部窄、深部寬的漏斗狀。該構造帶斷裂相對較少，主要發育NW向、NWW向張扭性斷裂，局部發育NE向張扭性斷裂，向南逐漸變為以近東西向為主體的構造。

3 走滑斷裂特征

走滑構造是顧桂礦區最為常見的構造樣式，其對礦區的演化起著重要的作用。根據本區走滑斷裂走向與性質特點，可將區內走滑斷裂劃分為北東向與北西向張扭性斷層及北西向壓扭性斷層。

3.1 北東向張扭性斷裂

顧桂礦區發育大量的北東向中、小型斷層，規模較大者有F97、F95、F114、F203、F103、F115等斷層，其中F97、F95、F114、F203斷層向東南傾，F103、F115斷層向北東傾，傾角均在60°以上，2組對傾的走滑斷層帶組成了北東向的地塹—地壘構造帶，壘塹帶內在北東向與北西向斷層離散交匯處常形成局部的沉降中心(圖3)。平面上，這些北北東向斷層自北向南呈左階雁列式排列(圖1、圖3)，剖面上這些斷裂傾角一般都在70°以上，局部與北西向斷層組合為負花狀(圖4(a)、圖4(d))或X形(圖4(b))，呈現為明顯的右行張扭性斷層活動的特點。

圖3 顧桂礦區基巖面等高線

3.2 北西向張扭性斷裂

顧桂礦區內北西向張扭性斷層集中發育在中南部，如F104斷層、F109斷層、F110斷層組、F215斷層等。這些北西向斷裂基本都向西南傾，其西北側均垂直切入陳橋背斜軸部，東南延伸至礦區外圍深部。平面上，這些北西向斷層多左行錯開北東向斷層，并與其構成共軛走滑構造帶(圖1)。剖面上，北西向斷裂傾角多在70°以上，向上切穿所有煤系，向下切入奧陶系灰巖基底，局部具有負花狀或Y形特征(圖4(c)、4(d))。

圖4 北東向與北西向張扭性斷層剖面構造樣式

總體上看，這些北西向斷層自北向南構成階梯狀或地塹式組合，沿斷層帶走向發育多個呈北西向展布的次級褶曲。這些次級褶曲中既有古隆起，也有古洼陷，其延展方向與NW向斷層基本一致，主要呈串珠狀或雁列式斷續分布，最大高差可達328 m，自西北向東南褶曲規模有逐漸變大的趨勢(圖1和圖3)。從斷層組合關系上看，F92斷層組(F92、F92-2、F92-6)、F104斷層組(F104、F104-1、F105、FD108、F116)、F110斷層組均由數條斷層組合而形成右階雁列式或人字型，剖面上局部呈負花狀，指示其為左行張扭性活動特征。F211斷層組呈辮狀分布，其主斷層F211斷層與其次級斷層F216、F215、F220、F217、F109、F110等呈人字型相交，其銳夾角指示F211斷層也應為左行走滑活動(圖1和圖3)。值得注意的是，從平、剖面幾何學關系看，橫切陳橋背斜軸部的北西向張扭性斷裂常造成地層的左行或右行平移視錯覺，與礦區內部該組斷層的走滑活動方式存在明顯區別。

3.3 北西向壓扭性斷裂

顧桂礦區內北西向斷層大多表現為張扭性質，但局部也發育有F104(F104-1)、Fs69、FD16、F116(F116-3)等構成的北西向壓扭性斷層組(圖1)。平面上，這些北西向壓扭性斷裂基本都向南西傾，橫切陳橋背斜軸部，主要以平行式、入字型或右階雁列式斷續分布。在2條北西向壓扭性斷層疊置部位，可見地層受到明顯的擠壓作用而表現為雁列式褶曲狀(圖3)。剖面上，這些北西向壓扭性斷層較為陡立，傾角一般大于70°，向下切入太原組灰巖，向上部分斷層甚至切穿煤系基巖面進入松散層(F104，F104-1斷層)。在主壓扭斷裂(F104、F104-1)旁側，常派生有多條次級同傾斷層，并與北東向斷裂組合為似花狀或X形(十線、十南線)(圖5)，呈現出明顯的左行走滑擠壓構造特征。

圖5 北西向壓扭性斷層剖面構造樣式

通過對礦區不同走滑斷裂系統構造特征的解析可以看出，該區主要由NW向左行走滑斷裂系統和NE向右行走滑斷裂系統組成，2組斷層之間夾角為80°～90°，剪切旋向相反，平面上相互切割呈菱形狀，具有共軛走滑構造的特征。從斷裂規模上看，NW向斷裂斷距一般都大于50 m，為礦井內主體構造，而NE向斷裂斷距相對較小，且多被北西向斷層左行錯開或限制在其間，顯示為北西向斷裂的次級伴生或派生斷裂特征。從斷裂組合與性質上看，NW向斷裂系統既有張扭性斷層，也有壓扭性斷層，其走滑方向均為左行平移，NE向斷裂系統基本都為右行張扭性斷層。受2組斷裂的活動控制，研究區內共發育有NW與NE向展布的2個地塹—地壘帶，在2組斷裂走滑匯聚部位常形成局部沉降中心，而在走滑離散部位則會形成地壘或局部擠壓褶曲(圖3)。

4 顧桂礦區走滑構造成因與演化

4.1 走滑構造成因機制

在剪切、伸展與擠壓動力背景下均可形成走滑構造(圖6)，但三者存在本質的區別。剪切動力學背景下σ1與σ3一般近于水平，而σ2近于直立。在此應力背景下，主走滑斷裂會發生明顯的左行或右行平移活動，在其旁側還會伴生形成次級褶皺、逆沖斷層及大量剪節理或平移斷層(圖6(a))，并且當平移斷層具有斜向運動分量時，會造成相對下降盤上出現盆地，稱為走滑盆地。壓扭性動力學背景下形成的走滑斷裂一般較為陡立，剖面上具有花狀、X形或Y形構造樣式。

圖6 不同應力背景下形成的走滑斷層及旁側構造平面對比

伸展背景下動力學狀態為最大主應力(σ1)直立或近直立，中間主應力(σ2)和最小主應力(σ3)水平或近水平。如果伸展應力方向(σ3)與先存基底斷裂斜交，基底斷裂則會發生斜向拉張活動而表現為伸展走滑活動(圖6(b))，在此過程中形成的走滑斷裂產狀一般受先存斷裂控制。

擠壓背景下σ1與σ2近水平，而σ3近直立，其形成的橫向走滑斷裂一般與擠壓速度差有關，也被稱之為撕裂斷裂。其走滑方向取決于擠壓塊體的速度，因而既可以是左行平移，也可以是右行平移，而且不被單一的背斜或向斜所控制(圖6(c))。另一類擠壓背景下形成的橫向斷裂與褶皺變形有關，其成因是在垂直縮短方向出現的局部拉張(如褶皺樞紐彎曲)所導致，主要表現為正斷層性質，一般局限于單個背斜與向斜，常造成地層左行與右行錯移假象，與橫向走滑斷裂成因機制存在本質區別。

4.2 顧桂礦區走滑構造形成演化

顧桂礦區是淮南煤田內走滑構造發育最為顯著的地區之一，其內不同方位擠壓、伸展與走滑構造相互、疊加并存，顯示其形成于不同構造期次與應力場背景之下。根據區域構造演化規律，結合礦區走滑構造發育規律，其成因演化可劃分為3個主要階段。

(1)中晚三疊世(T2+3)：印支期NW向橫斷層形成階段。晚石炭世至早三疊世期間，淮南煤田主要表現為穩定的聚煤盆地和克拉通內陸相坳陷沉積特征，其間主要以區域性垂直升降運動為主[9]。印支期，在華北與揚子克拉通匯聚作用下，形成了自大別山腹地向華北克拉通內部的強大推擠力，并在淮南煤田內部形成了大量的NWW向逆沖斷裂與縱彎褶皺[10]。規模較大的褶皺有陳橋背斜、謝橋—古溝向斜、潘集背斜等，其中陳橋背斜隆起幅度最大，并造成其上煤系遭受嚴重剝蝕，使得深部灰巖層抬升至基巖面位置。在陳橋背斜褶皺過程中，位于其東側樞紐彎曲部位的顧桂礦區，由于處于垂直縮短方向，在該處形成了局部拉張應力狀態，從而會形成大量垂直地層走向的NW向橫切正斷層，如F104、F109、F215斷層等。這些斷層一般延伸較短，大多只局限在陳橋背斜轉折端附近，受其活動影響，在灰巖露頭區常見地層被其左行或右行錯移假象(斷層效應)。因此，該時期形成的NW向斷層主要表現為橫切正斷層性質，而非走滑斷層。值得注意的是，在該類斷層形成之后，由于其走向垂直于區域擠壓方向，很容易被利用反轉為逆斷層活動。顧桂礦區內部NW向斷層大多向西南傾，旁側出現了許多NW向次級小褶曲，其成因可能源于此。

(2)晚侏羅世至早白堊世(J3—K1初期)：燕山運動早期壓扭性活動階段。晚侏羅世至早白堊世初期(燕山運動B幕)，華北東部動力學體制再次發生轉變，區域應力場由早期的南北向擠壓轉變為NWW-SEE向壓扭性應力特征[11-13]。在此應力作用下，早期形成的NW向橫斷層很容易被利用轉變為左行壓扭性活動。與此同時，這些北西向壓扭性斷層還會以平行式、右階雁列式向東南繼續擴展(F92斷層組、F104斷層組、F110斷層組)，剖面上則會形成X形、Y形、正花狀等走滑構造現象，在北西向斷層旁側則派生出新生的NE向R′剪切、NWW向剪切、NW向P剪切等次級走滑斷層(圖6(a))。從該區斷裂發育特征看，NW向與NE向斷層并不具有伴生性，NE向斷層常被NW向斷層組限制或切割，符合壓扭性斷裂派生機制。因而，顧桂礦區內發育的NE向右行走滑斷層應起源于本期構造活動，由于區域擠壓應力與NE向斷層近于垂直，NE向斷層組主要表現為右行壓扭性活動，礦區共軛狀菱形構造格局也在此階段形成雛形。

(3)早白堊世(K1)—古近紀(E)：燕山晚期至喜山期伸展改造階段。早白堊世至古近紀期間，由于太平洋板塊俯沖方式的改變，區域上主要承受NNE-SSW或近NS向伸展作用，并發育有大量的近東西向正斷層、斷陷盆地與巖漿活動[14-17]。在此階段，顧桂礦區內NW左行壓扭性斷層在區域應力場作用下發生左行張扭性活動，NE向右行壓扭性斷層則轉變為右行張扭性活動。平面上，NW向與NE向2組斷層繼續以右階和左階雁列式擴展，一些NW向斷層走向自西向東逐漸變為近EW向，在2組走滑斷層交匯處常形成地塹式沉降帶(圖3)。剖面上，早期形成的逆斷層和正花狀構造則被改造為正斷層和負花狀構造。值得注意的是，從剖面構造樣式看，該期構造活動并沒有將前期NW向擠壓或壓扭性構造特征完全改造，局部一些NW大型斷裂及旁側(圖3和圖5)仍保留了早期擠壓的形跡，說明該期構造應力強度并沒有早期擠壓強度大。

新近紀以來，區域上主要以均勻式熱沉降為主，礦區內部新構造活動偏弱，除F104、F104-1斷層向上切穿古近系外，其他斷層均不再活動，礦區構造構造形態基本定型。

5 結論

(1)顧桂礦區內主要發育有NW向、NE向和EW向3組斷層系統，其中NW向與NE向斷層系統共同組成X形共軛狀，呈現出明顯的走滑構造特征，共軛剪切構造帶分布范圍限于陳橋背斜東翼轉折端附近及EW向斷層系統之間，其發育程度自西向東有逐漸減弱的趨勢。

(2)從礦區內走滑構造平、剖面構造特征可以看出，NE向斷層多表現為右行張扭性活動特征，平面上以左階雁列式排列，剖面上具有X形、負花狀、Y形構造特征；NW向斷層多表現為左行張扭性活動特點，局部為左行壓扭性特征，平面上該組斷層主要以右階雁列式或入字型排列組合，剖面上具有似花狀或X形構造特征。受走滑拉張與走滑擠壓共同作用，2組走滑斷裂交匯部位常形成局部古隆起或古洼陷。

(3)通過對顧桂礦區內走滑斷裂特征的詳細分析，結合區域構造背景，該區走滑斷裂系統成因演化可以劃分為印支期NW向橫斷層形成階段、燕山運動早期NE向與NW向壓扭性活動階段、燕山晚期至喜山期伸展改造3個主要階段。各階段期間，NE向與NW向斷層既有繼承性，也有新生性。