雷 振，許光泉，詹 潤

(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001； 2.安徽省煤田地質(zhì)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(cè)巨型郯廬走滑斷裂帶中生代活動影響，其內(nèi)部發(fā)育了不同方位、不同規(guī)模與不同性質(zhì)的走滑斷裂系統(tǒng)，其中一些大型走滑斷裂在宏觀上控制著煤田整體的構(gòu)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(fā)育的重要因素[4-6]。

顧桂礦區(qū)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(gòu)造與地層走向在此位置發(fā)生了明顯的S形轉(zhuǎn)折，礦區(qū)內(nèi)斷裂系統(tǒng)呈現(xiàn)X形共軛分布，在煤田范圍內(nèi)表現(xiàn)為獨(dú)特而復(fù)雜的剪切構(gòu)造變形特征[7]。這些剪切斷裂對煤礦安全和生產(chǎn)有著重要的影響，并導(dǎo)致該地區(qū)開采地質(zhì)條件極為異常[8]，一直以來都是礦區(qū)研究的重點(diǎn)。隨著礦區(qū)開發(fā)程度與勘查深度的加大，其不僅是揭示礦區(qū)深部地下水流場、地應(yīng)力場及地溫場變化的關(guān)鍵，也涉及到對整個煤田形成演化規(guī)律的認(rèn)識。因此，需要對這些走滑構(gòu)造系統(tǒng)有更深入的認(rèn)識。目前對于顧桂礦區(qū)內(nèi)走滑斷裂的研究有限，前人研究大多停留在對其幾何學(xué)描述和開采地質(zhì)條件影響評價(jià)上，對構(gòu)造帶本身的發(fā)育特點(diǎn)與成因機(jī)制尚未開展過系統(tǒng)而詳細(xì)的分析。本文在對區(qū)域地質(zhì)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，利用煤礦最新生產(chǎn)地質(zhì)資料，從構(gòu)造解析與動態(tài)演化角度來認(rèn)識此類構(gòu)造的組成、形態(tài)、分類和空間組合關(guān)系、形成期次，探討其成因機(jī)制。

1 地質(zhì)概況

顧桂礦區(qū)在構(gòu)造位置上處于陳橋背斜S形轉(zhuǎn)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?guī)r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(fēng)斷裂與南緣逆沖推覆構(gòu)造帶分隔，總體呈現(xiàn)為走向南北、向東傾斜的單斜構(gòu)造。

顧桂礦區(qū)內(nèi)部主要發(fā)育NW向、NE向和EW向3組斷裂系統(tǒng)，其中NW向斷裂系統(tǒng)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(tǒng)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(gòu)造體系基本被夾持在近EW向斷裂系統(tǒng)之間，其范圍與陳橋背斜南北向轉(zhuǎn)折段在橫向上基本保持一致，并且其發(fā)育程度自西向東有減弱趨勢，即靠近陳橋背斜轉(zhuǎn)折部位，共軛剪切變形十分明顯，遠(yuǎn)離陳橋背斜轉(zhuǎn)折端則逐漸消失而變?yōu)槊禾镏黧w的近東西向擠壓構(gòu)造。

顧桂礦區(qū)屬于新生界地層全覆蓋含煤區(qū)，據(jù)鉆孔與地震資料揭示地層由老到新發(fā)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(gòu)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(biāo)志煤層段。

2 構(gòu)造分區(qū)

根據(jù)全區(qū)構(gòu)造發(fā)育特征與形態(tài)差異，可將顧桂礦區(qū)劃分為3個次級構(gòu)造單元，分別是北部單斜構(gòu)造帶、中部X形共軛剪切構(gòu)造帶與南部單斜構(gòu)造帶(圖1)。

圖1 顧桂礦區(qū)構(gòu)造綱要

2.1 北部單斜構(gòu)造帶

該帶位于F86斷層與F92斷層組之間，呈現(xiàn)為西窄東寬，西淺東深的喇叭狀。西側(cè)煤系地層呈南北向平直延伸，東側(cè)呈北東向彎曲分布，地層產(chǎn)狀較為平緩，一般5°～10°，呈現(xiàn)為向東緩傾呈單斜狀(圖2(a))。該構(gòu)造帶內(nèi)斷裂稀少，構(gòu)造相對簡單，靠近陳橋—潘集背斜轉(zhuǎn)折過渡位置發(fā)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(tài)寬緩，均向東傾伏，且多被近東西向斷層切割。

圖2 顧桂轉(zhuǎn)折構(gòu)造帶北部、中部、南部地質(zhì)解釋剖面

2.2 中部X形共軛剪切構(gòu)造帶

該帶位于F92斷層組至F216斷層組(F211、F216、F220、F217)之間，呈現(xiàn)為中間寬、兩端窄的紡錘狀。煤系整體呈南北向延伸，地層產(chǎn)狀較為平緩，總體向東傾斜。該帶斷裂極為發(fā)育，煤層破壞嚴(yán)重，是X形走滑構(gòu)造體系的主體部位。區(qū)內(nèi)主要發(fā)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(gòu)造帶

該帶位于F216斷層組與阜鳳斷裂帶之間，主體呈現(xiàn)為西北窄、東南寬，淺部窄、深部寬的漏斗狀。該構(gòu)造帶斷裂相對較少，主要發(fā)育NW向、NWW向張扭性斷裂，局部發(fā)育NE向張扭性斷裂，向南逐漸變?yōu)橐越鼥|西向?yàn)橹黧w的構(gòu)造。

3 走滑斷裂特征

走滑構(gòu)造是顧桂礦區(qū)最為常見的構(gòu)造樣式，其對礦區(qū)的演化起著重要的作用。根據(jù)本區(qū)走滑斷裂走向與性質(zhì)特點(diǎn)，可將區(qū)內(nèi)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(qū)發(fā)育大量的北東向中、小型斷層，規(guī)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，F(xiàn)103、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(gòu)造帶，壘塹帶內(nèi)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(fù)花狀(圖4(a)、圖4(d))或X形(圖4(b))，呈現(xiàn)為明顯的右行張扭性斷層活動的特點(diǎn)。

圖3 顧桂礦區(qū)基巖面等高線

3.2 北西向張扭性斷裂

顧桂礦區(qū)內(nèi)北西向張扭性斷層集中發(fā)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(cè)均垂直切入陳橋背斜軸部，東南延伸至礦區(qū)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(gòu)成共軛走滑構(gòu)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?guī)r基底，局部具有負(fù)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(gòu)造樣式

總體上看，這些北西向斷層自北向南構(gòu)成階梯狀或地塹式組合，沿?cái)鄬訋ё呦虬l(fā)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(xù)分布，最大高差可達(dá)328 m，自西北向東南褶曲規(guī)模有逐漸變大的趨勢(圖1和圖3)。從斷層組合關(guān)系上看，F(xiàn)92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(shù)條斷層組合而形成右階雁列式或人字型，剖面上局部呈負(fù)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(yīng)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(xué)關(guān)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(qū)內(nèi)部該組斷層的走滑活動方式存在明顯區(qū)別。

3.3 北西向壓扭性斷裂

顧桂礦區(qū)內(nèi)北西向斷層大多表現(xiàn)為張扭性質(zhì)，但局部也發(fā)育有F104(F104-1)、Fs69、FD16、F116(F116-3)等構(gòu)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(xù)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(xiàn)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?guī)r，向上部分?jǐn)鄬由踔燎写┟合祷鶐r面進(jìn)入松散層(F104，F(xiàn)104-1斷層)。在主壓扭斷裂(F104、F104-1)旁側(cè)，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(xiàn)出明顯的左行走滑擠壓構(gòu)造特征。

圖5 北西向壓扭性斷層剖面構(gòu)造樣式

通過對礦區(qū)不同走滑斷裂系統(tǒng)構(gòu)造特征的解析可以看出，該區(qū)主要由NW向左行走滑斷裂系統(tǒng)和NE向右行走滑斷裂系統(tǒng)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(gòu)造的特征。從斷裂規(guī)模上看，NW向斷裂斷距一般都大于50 m，為礦井內(nèi)主體構(gòu)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(zhì)上看，NW向斷裂系統(tǒng)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(tǒng)基本都為右行張扭性斷層。受2組斷裂的活動控制，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)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(qū)走滑構(gòu)造成因與演化

4.1 走滑構(gòu)造成因機(jī)制

在剪切、伸展與擠壓動力背景下均可形成走滑構(gòu)造(圖6)，但三者存在本質(zhì)的區(qū)別。剪切動力學(xué)背景下σ1與σ3一般近于水平，而σ2近于直立。在此應(yīng)力背景下，主走滑斷裂會發(fā)生明顯的左行或右行平移活動，在其旁側(cè)還會伴生形成次級褶皺、逆沖斷層及大量剪節(jié)理或平移斷層(圖6(a))，并且當(dāng)平移斷層具有斜向運(yùn)動分量時(shí)，會造成相對下降盤上出現(xiàn)盆地，稱為走滑盆地。壓扭性動力學(xué)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(gòu)造樣式。

圖6 不同應(yīng)力背景下形成的走滑斷層及旁側(cè)構(gòu)造平面對比

伸展背景下動力學(xué)狀態(tài)為最大主應(yīng)力(σ1)直立或近直立，中間主應(yīng)力(σ2)和最小主應(yīng)力(σ3)水平或近水平。如果伸展應(yīng)力方向(σ3)與先存基底斷裂斜交，基底斷裂則會發(fā)生斜向拉張活動而表現(xiàn)為伸展走滑活動(圖6(b))，在此過程中形成的走滑斷裂產(chǎn)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(guān)，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(guān)，其成因是在垂直縮短方向出現(xiàn)的局部拉張(如褶皺樞紐彎曲)所導(dǎo)致，主要表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)，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(jī)制存在本質(zhì)區(qū)別。

4.2 顧桂礦區(qū)走滑構(gòu)造形成演化

顧桂礦區(qū)是淮南煤田內(nèi)走滑構(gòu)造發(fā)育最為顯著的地區(qū)之一，其內(nèi)不同方位擠壓、伸展與走滑構(gòu)造相互、疊加并存，顯示其形成于不同構(gòu)造期次與應(yīng)力場背景之下。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造演化規(guī)律，結(jié)合礦區(qū)走滑構(gòu)造發(fā)育規(guī)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(xiàn)為穩(wěn)定的聚煤盆地和克拉通內(nèi)陸相坳陷沉積特征，其間主要以區(qū)域性垂直升降運(yùn)動為主[9]。印支期，在華北與揚(yáng)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(nèi)部的強(qiáng)大推擠力，并在淮南煤田內(nèi)部形成了大量的NWW向逆沖斷裂與縱彎褶皺[10]。規(guī)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(yán)重剝蝕，使得深部灰?guī)r層抬升至基巖面位置。在陳橋背斜褶皺過程中，位于其東側(cè)樞紐彎曲部位的顧桂礦區(qū)，由于處于垂直縮短方向，在該處形成了局部拉張應(yīng)力狀態(tài)，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(zhuǎn)折端附近，受其活動影響，在灰?guī)r露頭區(qū)常見地層被其左行或右行錯移假象(斷層效應(yīng))。因此，該時(shí)期形成的NW向斷層主要表現(xiàn)為橫切正斷層性質(zhì)，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(qū)域擠壓方向，很容易被利用反轉(zhuǎn)為逆斷層活動。顧桂礦區(qū)內(nèi)部NW向斷層大多向西南傾，旁側(cè)出現(xiàn)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(yùn)動早期壓扭性活動階段。晚侏羅世至早白堊世初期(燕山運(yùn)動B幕)，華北東部動力學(xué)體制再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，區(qū)域應(yīng)力場由早期的南北向擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW-SEE向壓扭性應(yīng)力特征[11-13]。在此應(yīng)力作用下，早期形成的NW向橫斷層很容易被利用轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮袎号ば曰顒?。與此同時(shí)，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(xù)擴(kuò)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(gòu)造現(xiàn)象，在北西向斷層旁側(cè)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(qū)斷裂發(fā)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(jī)制。因而，顧桂礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的NE向右行走滑斷層應(yīng)起源于本期構(gòu)造活動，由于區(qū)域擠壓應(yīng)力與NE向斷層近于垂直，NE向斷層組主要表現(xiàn)為右行壓扭性活動，礦區(qū)共軛狀菱形構(gòu)造格局也在此階段形成雛形。

(3)早白堊世(K1)—古近紀(jì)(E)：燕山晚期至喜山期伸展改造階段。早白堊世至古近紀(jì)期間，由于太平洋板塊俯沖方式的改變，區(qū)域上主要承受NNE-SSW或近NS向伸展作用，并發(fā)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(qū)內(nèi)NW左行壓扭性斷層在區(qū)域應(yīng)力場作用下發(fā)生左行張扭性活動，NE向右行壓扭性斷層則轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚袕埮ば曰顒?。平面上，NW向與NE向2組斷層繼續(xù)以右階和左階雁列式擴(kuò)展，一些NW向斷層走向自西向東逐漸變?yōu)榻麰W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(gòu)造則被改造為正斷層和負(fù)花狀構(gòu)造。值得注意的是，從剖面構(gòu)造樣式看，該期構(gòu)造活動并沒有將前期NW向擠壓或壓扭性構(gòu)造特征完全改造，局部一些NW大型斷裂及旁側(cè)(圖3和圖5)仍保留了早期擠壓的形跡，說明該期構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度并沒有早期擠壓強(qiáng)度大。

新近紀(jì)以來，區(qū)域上主要以均勻式熱沉降為主，礦區(qū)內(nèi)部新構(gòu)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(qū)構(gòu)造構(gòu)造形態(tài)基本定型。

5 結(jié)論

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

(2)從礦區(qū)內(nèi)走滑構(gòu)造平、剖面構(gòu)造特征可以看出，NE向斷層多表現(xiàn)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(fù)花狀、Y形構(gòu)造特征；NW向斷層多表現(xiàn)為左行張扭性活動特點(diǎn)，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(gòu)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(qū)內(nèi)走滑斷裂特征的詳細(xì)分析，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，該區(qū)走滑斷裂系統(tǒng)成因演化可以劃分為印支期NW向橫斷層形成階段、燕山運(yùn)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。