淮南煤田顾桂矿区走滑构造特征及成因演化研究

雷 振，许光泉，詹 润

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

淮南煤田地处华北板块东南缘，受煤田东侧巨型郯庐走滑断裂带中生代活动影响，其内部发育了不同方位、不同规模与不同性质的走滑断裂系统，其中一些大型走滑断裂在宏观上控制着煤田整体的构造格局与煤层展布[1-3]，而小型走滑断层则是影响矿井水文、瓦斯、煤厚发育的重要因素[4-6]。

顾桂矿区位于淮南煤田中部陈桥背斜东翼与潘集背斜南翼衔接位置，煤田构造与地层走向在此位置发生了明显的S形转折，矿区内断裂系统呈现X形共轭分布，在煤田范围内表现为独特而复杂的剪切构造变形特征[7]。这些剪切断裂对煤矿安全和生产有着重要的影响，并导致该地区开采地质条件极为异常[8]，一直以来都是矿区研究的重点。随着矿区开发程度与勘查深度的加大，其不仅是揭示矿区深部地下水流场、地应力场及地温场变化的关键，也涉及到对整个煤田形成演化规律的认识。因此，需要对这些走滑构造系统有更深入的认识。目前对于顾桂矿区内走滑断裂的研究有限，前人研究大多停留在对其几何学描述和开采地质条件影响评价上，对构造带本身的发育特点与成因机制尚未开展过系统而详细的分析。本文在对区域地质规律研究的基础上，利用煤矿最新生产地质资料，从构造解析与动态演化角度来认识此类构造的组成、形态、分类和空间组合关系、形成期次，探讨其成因机制。

1 地质概况

顾桂矿区在构造位置上处于陈桥背斜S形转折端部位，范围涉及顾北煤矿、顾桥煤矿与张集煤矿，其东部通过顾北矿东边界与潘集外围深部分隔，西部以陈桥背斜东翼灰岩露头线为界，北部以F86断层及上石盒子组顶界地面投影线与潘集背斜南翼相邻，南部通过阜风断裂与南缘逆冲推覆构造带分隔，总体呈现为走向南北、向东倾斜的单斜构造。

顾桂矿区内部主要发育NW向、NE向和EW向3组断裂系统，其中NW向断裂系统有F92断层组、F104断层组、F211断层、F110断层、F220断层等；NE向断层组有F97、F114、F203、F103等断层；东西向断裂系统包括F86、F87、F217、F221等断层。其中NW向与NE向2组断裂共同组成X形共轭状。共轭构造体系基本被夹持在近EW向断裂系统之间，其范围与陈桥背斜南北向转折段在横向上基本保持一致，并且其发育程度自西向东有减弱趋势，即靠近陈桥背斜转折部位，共轭剪切变形十分明显，远离陈桥背斜转折端则逐渐消失而变为煤田主体的近东西向挤压构造。

顾桂矿区属于新生界地层全覆盖含煤区，据钻孔与地震资料揭示地层由老到新发育有下古生界寒武—奥陶系，上古生界石炭系太原组、二叠系山西组、石盒子组、孙家沟组，三叠系石千峰组，新生界新近系—第四系，缺失古近系、白垩系、三叠系，自下而上可划分出寒武系—奥陶系、石炭系—三叠系、新近系—第四系3个构造层，含煤地层地震反射层共识别出1煤、4煤、8、11-2、13-1等多个标志煤层段。

2 构造分区

根据全区构造发育特征与形态差异，可将顾桂矿区划分为3个次级构造单元，分别是北部单斜构造带、中部X形共轭剪切构造带与南部单斜构造带(图1)。

图1 顾桂矿区构造纲要

2.1 北部单斜构造带

该带位于F86断层与F92断层组之间，呈现为西窄东宽，西浅东深的喇叭状。西侧煤系地层呈南北向平直延伸，东侧呈北东向弯曲分布，地层产状较为平缓，一般5°～10°，呈现为向东缓倾呈单斜状(图2(a))。该构造带内断裂稀少，构造相对简单，靠近陈桥—潘集背斜转折过渡位置发育有小陈庄、董岗郢向斜、叶集背斜、胡桥子向斜等次级褶曲。这些褶曲与陈桥—潘集背斜轴呈夹角15°～20°相交，其轴面均向南倾，起伏幅度小，延伸距离短，形态宽缓，均向东倾伏，且多被近东西向断层切割。

图2 顾桂转折构造带北部、中部、南部地质解释剖面

2.2 中部X形共轭剪切构造带

该带位于F92断层组至F216断层组(F211、F216、F220、F217)之间，呈现为中间宽、两端窄的纺锤状。煤系整体呈南北向延伸，地层产状较为平缓，总体向东倾斜。该带断裂极为发育，煤层破坏严重，是X形走滑构造体系的主体部位。区内主要发育NW向和NE向2组断裂，其中NE向断裂多被NW向断裂切割，且一般延伸较短，显示其形成于北西向断层组之后或由其派生而成。

2.3 南部单斜构造带

该带位于F216断层组与阜凤断裂带之间，主体呈现为西北窄、东南宽，浅部窄、深部宽的漏斗状。该构造带断裂相对较少，主要发育NW向、NWW向张扭性断裂，局部发育NE向张扭性断裂，向南逐渐变为以近东西向为主体的构造。

3 走滑断裂特征

走滑构造是顾桂矿区最为常见的构造样式，其对矿区的演化起着重要的作用。根据本区走滑断裂走向与性质特点，可将区内走滑断裂划分为北东向与北西向张扭性断层及北西向压扭性断层。

3.1 北东向张扭性断裂

顾桂矿区发育大量的北东向中、小型断层，规模较大者有F97、F95、F114、F203、F103、F115等断层，其中F97、F95、F114、F203断层向东南倾，F103、F115断层向北东倾，倾角均在60°以上，2组对倾的走滑断层带组成了北东向的地堑—地垒构造带，垒堑带内在北东向与北西向断层离散交汇处常形成局部的沉降中心(图3)。平面上，这些北北东向断层自北向南呈左阶雁列式排列(图1、图3)，剖面上这些断裂倾角一般都在70°以上，局部与北西向断层组合为负花状(图4(a)、图4(d))或X形(图4(b))，呈现为明显的右行张扭性断层活动的特点。

图3 顾桂矿区基岩面等高线

3.2 北西向张扭性断裂

顾桂矿区内北西向张扭性断层集中发育在中南部，如F104断层、F109断层、F110断层组、F215断层等。这些北西向断裂基本都向西南倾，其西北侧均垂直切入陈桥背斜轴部，东南延伸至矿区外围深部。平面上，这些北西向断层多左行错开北东向断层，并与其构成共轭走滑构造带(图1)。剖面上，北西向断裂倾角多在70°以上，向上切穿所有煤系，向下切入奥陶系灰岩基底，局部具有负花状或Y形特征(图4(c)、4(d))。

图4 北东向与北西向张扭性断层剖面构造样式

总体上看，这些北西向断层自北向南构成阶梯状或地堑式组合，沿断层带走向发育多个呈北西向展布的次级褶曲。这些次级褶曲中既有古隆起，也有古洼陷，其延展方向与NW向断层基本一致，主要呈串珠状或雁列式断续分布，最大高差可达328 m，自西北向东南褶曲规模有逐渐变大的趋势(图1和图3)。从断层组合关系上看，F92断层组(F92、F92-2、F92-6)、F104断层组(F104、F104-1、F105、FD108、F116)、F110断层组均由数条断层组合而形成右阶雁列式或人字型，剖面上局部呈负花状，指示其为左行张扭性活动特征。F211断层组呈辫状分布，其主断层F211断层与其次级断层F216、F215、F220、F217、F109、F110等呈人字型相交，其锐夹角指示F211断层也应为左行走滑活动(图1和图3)。值得注意的是，从平、剖面几何学关系看，横切陈桥背斜轴部的北西向张扭性断裂常造成地层的左行或右行平移视错觉，与矿区内部该组断层的走滑活动方式存在明显区别。

3.3 北西向压扭性断裂

顾桂矿区内北西向断层大多表现为张扭性质，但局部也发育有F104(F104-1)、Fs69、FD16、F116(F116-3)等构成的北西向压扭性断层组(图1)。平面上，这些北西向压扭性断裂基本都向南西倾，横切陈桥背斜轴部，主要以平行式、入字型或右阶雁列式断续分布。在2条北西向压扭性断层叠置部位，可见地层受到明显的挤压作用而表现为雁列式褶曲状(图3)。剖面上，这些北西向压扭性断层较为陡立，倾角一般大于70°，向下切入太原组灰岩，向上部分断层甚至切穿煤系基岩面进入松散层(F104，F104-1断层)。在主压扭断裂(F104、F104-1)旁侧，常派生有多条次级同倾断层，并与北东向断裂组合为似花状或X形(十线、十南线)(图5)，呈现出明显的左行走滑挤压构造特征。

图5 北西向压扭性断层剖面构造样式

通过对矿区不同走滑断裂系统构造特征的解析可以看出，该区主要由NW向左行走滑断裂系统和NE向右行走滑断裂系统组成，2组断层之间夹角为80°～90°，剪切旋向相反，平面上相互切割呈菱形状，具有共轭走滑构造的特征。从断裂规模上看，NW向断裂断距一般都大于50 m，为矿井内主体构造，而NE向断裂断距相对较小，且多被北西向断层左行错开或限制在其间，显示为北西向断裂的次级伴生或派生断裂特征。从断裂组合与性质上看，NW向断裂系统既有张扭性断层，也有压扭性断层，其走滑方向均为左行平移，NE向断裂系统基本都为右行张扭性断层。受2组断裂的活动控制，研究区内共发育有NW与NE向展布的2个地堑—地垒带，在2组断裂走滑汇聚部位常形成局部沉降中心，而在走滑离散部位则会形成地垒或局部挤压褶曲(图3)。

4 顾桂矿区走滑构造成因与演化

4.1 走滑构造成因机制

在剪切、伸展与挤压动力背景下均可形成走滑构造(图6)，但三者存在本质的区别。剪切动力学背景下σ1与σ3一般近于水平，而σ2近于直立。在此应力背景下，主走滑断裂会发生明显的左行或右行平移活动，在其旁侧还会伴生形成次级褶皱、逆冲断层及大量剪节理或平移断层(图6(a))，并且当平移断层具有斜向运动分量时，会造成相对下降盘上出现盆地，称为走滑盆地。压扭性动力学背景下形成的走滑断裂一般较为陡立，剖面上具有花状、X形或Y形构造样式。

图6 不同应力背景下形成的走滑断层及旁侧构造平面对比

伸展背景下动力学状态为最大主应力(σ1)直立或近直立，中间主应力(σ2)和最小主应力(σ3)水平或近水平。如果伸展应力方向(σ3)与先存基底断裂斜交，基底断裂则会发生斜向拉张活动而表现为伸展走滑活动(图6(b))，在此过程中形成的走滑断裂产状一般受先存断裂控制。

挤压背景下σ1与σ2近水平，而σ3近直立，其形成的横向走滑断裂一般与挤压速度差有关，也被称之为撕裂断裂。其走滑方向取决于挤压块体的速度，因而既可以是左行平移，也可以是右行平移，而且不被单一的背斜或向斜所控制(图6(c))。另一类挤压背景下形成的横向断裂与褶皱变形有关，其成因是在垂直缩短方向出现的局部拉张(如褶皱枢纽弯曲)所导致，主要表现为正断层性质，一般局限于单个背斜与向斜，常造成地层左行与右行错移假象，与横向走滑断裂成因机制存在本质区别。

4.2 顾桂矿区走滑构造形成演化

顾桂矿区是淮南煤田内走滑构造发育最为显著的地区之一，其内不同方位挤压、伸展与走滑构造相互、叠加并存，显示其形成于不同构造期次与应力场背景之下。根据区域构造演化规律，结合矿区走滑构造发育规律，其成因演化可划分为3个主要阶段。

(1)中晚三叠世(T2+3)：印支期NW向横断层形成阶段。晚石炭世至早三叠世期间，淮南煤田主要表现为稳定的聚煤盆地和克拉通内陆相坳陷沉积特征，其间主要以区域性垂直升降运动为主[9]。印支期，在华北与扬子克拉通汇聚作用下，形成了自大别山腹地向华北克拉通内部的强大推挤力，并在淮南煤田内部形成了大量的NWW向逆冲断裂与纵弯褶皱[10]。规模较大的褶皱有陈桥背斜、谢桥—古沟向斜、潘集背斜等，其中陈桥背斜隆起幅度最大，并造成其上煤系遭受严重剥蚀，使得深部灰岩层抬升至基岩面位置。在陈桥背斜褶皱过程中，位于其东侧枢纽弯曲部位的顾桂矿区，由于处于垂直缩短方向，在该处形成了局部拉张应力状态，从而会形成大量垂直地层走向的NW向横切正断层，如F104、F109、F215断层等。这些断层一般延伸较短，大多只局限在陈桥背斜转折端附近，受其活动影响，在灰岩露头区常见地层被其左行或右行错移假象(断层效应)。因此，该时期形成的NW向断层主要表现为横切正断层性质，而非走滑断层。值得注意的是，在该类断层形成之后，由于其走向垂直于区域挤压方向，很容易被利用反转为逆断层活动。顾桂矿区内部NW向断层大多向西南倾，旁侧出现了许多NW向次级小褶曲，其成因可能源于此。

(2)晚侏罗世至早白垩世(J3—K1初期)：燕山运动早期压扭性活动阶段。晚侏罗世至早白垩世初期(燕山运动B幕)，华北东部动力学体制再次发生转变，区域应力场由早期的南北向挤压转变为NWW-SEE向压扭性应力特征[11-13]。在此应力作用下，早期形成的NW向横断层很容易被利用转变为左行压扭性活动。与此同时，这些北西向压扭性断层还会以平行式、右阶雁列式向东南继续扩展(F92断层组、F104断层组、F110断层组)，剖面上则会形成X形、Y形、正花状等走滑构造现象，在北西向断层旁侧则派生出新生的NE向R′剪切、NWW向剪切、NW向P剪切等次级走滑断层(图6(a))。从该区断裂发育特征看，NW向与NE向断层并不具有伴生性，NE向断层常被NW向断层组限制或切割，符合压扭性断裂派生机制。因而，顾桂矿区内发育的NE向右行走滑断层应起源于本期构造活动，由于区域挤压应力与NE向断层近于垂直，NE向断层组主要表现为右行压扭性活动，矿区共轭状菱形构造格局也在此阶段形成雏形。

(3)早白垩世(K1)—古近纪(E)：燕山晚期至喜山期伸展改造阶段。早白垩世至古近纪期间，由于太平洋板块俯冲方式的改变，区域上主要承受NNE-SSW或近NS向伸展作用，并发育有大量的近东西向正断层、断陷盆地与岩浆活动[14-17]。在此阶段，顾桂矿区内NW左行压扭性断层在区域应力场作用下发生左行张扭性活动，NE向右行压扭性断层则转变为右行张扭性活动。平面上，NW向与NE向2组断层继续以右阶和左阶雁列式扩展，一些NW向断层走向自西向东逐渐变为近EW向，在2组走滑断层交汇处常形成地堑式沉降带(图3)。剖面上，早期形成的逆断层和正花状构造则被改造为正断层和负花状构造。值得注意的是，从剖面构造样式看，该期构造活动并没有将前期NW向挤压或压扭性构造特征完全改造，局部一些NW大型断裂及旁侧(图3和图5)仍保留了早期挤压的形迹，说明该期构造应力强度并没有早期挤压强度大。

新近纪以来，区域上主要以均匀式热沉降为主，矿区内部新构造活动偏弱，除F104、F104-1断层向上切穿古近系外，其他断层均不再活动，矿区构造构造形态基本定型。

5 结论

(1)顾桂矿区内主要发育有NW向、NE向和EW向3组断层系统，其中NW向与NE向断层系统共同组成X形共轭状，呈现出明显的走滑构造特征，共轭剪切构造带分布范围限于陈桥背斜东翼转折端附近及EW向断层系统之间，其发育程度自西向东有逐渐减弱的趋势。

(2)从矿区内走滑构造平、剖面构造特征可以看出，NE向断层多表现为右行张扭性活动特征，平面上以左阶雁列式排列，剖面上具有X形、负花状、Y形构造特征；NW向断层多表现为左行张扭性活动特点，局部为左行压扭性特征，平面上该组断层主要以右阶雁列式或入字型排列组合，剖面上具有似花状或X形构造特征。受走滑拉张与走滑挤压共同作用，2组走滑断裂交汇部位常形成局部古隆起或古洼陷。

(3)通过对顾桂矿区内走滑断裂特征的详细分析，结合区域构造背景，该区走滑断裂系统成因演化可以划分为印支期NW向横断层形成阶段、燕山运动早期NE向与NW向压扭性活动阶段、燕山晚期至喜山期伸展改造3个主要阶段。各阶段期间，NE向与NW向断层既有继承性，也有新生性。