雪峰山西側海相碳酸鹽巖沉積間斷古巖溶發(fā)育規(guī)律研究

張慶玉，梁 彬，陳宏峰，曹建文

(中國地質科學院 巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004)

影響碳酸鹽巖巖溶發(fā)育的因素有很多，如巖性、古氣候、古地貌、海平面的升降以及構造運動等[1-3]。其中，構造不整合面是其最主要的外因之一，其決定古遞降水流平衡面、地下水的深度及活動范圍。水動力場的大小對碳酸鹽巖巖溶發(fā)育起到了及其重要的作用[4]。多期構造運動和海平面的升降控制著不整合面的發(fā)育，不整合面的分布控制了巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育的范圍，雪峰山西側地區(qū)加里東期不整合面表現(xiàn)為寒武系牛蹄塘組與震旦系燈影組不整合及上寒武統(tǒng)與奧陶系之間的假整合。因此，深入研究雪峰山西側地區(qū)海相碳酸鹽巖沉積間斷古巖溶發(fā)育規(guī)律，對研究其儲層發(fā)育特征及確定有利區(qū)塊均具有重要的意義。

1 區(qū)域地質概況

黔中隆起及其周緣地區(qū)震旦系、寒武系、奧陶系及志留系均有沉積，且分布廣，主要為海相碳酸鹽巖及碎屑巖沉積[5-6]。雪峰山以其醒目的弧形斜貫湘中北地區(qū)，構造變形極為強烈。該區(qū)地層的接觸關系、構造形跡的物理性質和幾何性質、震旦系—寒武系及寒武系—奧陶系不整合面的發(fā)育等均有很好的顯示[7]。震旦紀開始，雪峰地區(qū)作為揚子地塊的東南大陸邊緣轉入新一輪拉張斷陷階段，早古生代時發(fā)育了一套以大陸斜坡相為主題的被動陸緣沉積，北東向至北北東向階梯式斷陷對這些沉積起著控制作用[8]。印支—燕山早期，揚子克拉通邊緣武陵—雪峰裂陷槽發(fā)生增生，來自東南方向的俯沖、碰撞使城步—松江一帶東側的巖石圈顯著增厚，這時雪峰山開始造山[9-10]。

2 巖溶儲層的控制因素

2.1 巖溶發(fā)育基本條件

巖石與水是巖溶發(fā)育基本的物質條件。具體而言，巖溶發(fā)育有4個基本條件[11]，即巖石的可溶性、巖石的透水性、水的侵蝕性和水的流動性。然而，巖溶發(fā)育是內、外營力共同作用的結果，區(qū)域自然環(huán)境如氣候、植被、土壤、地貌等對巖溶發(fā)育也有著明顯的影響。

2.2 巖石性質和結構

碳酸鹽巖的儲集性能與巖石性質和結構有關，如碳酸鹽巖的非均質性和各向異性，不同碳酸鹽巖的類型決定其溶蝕作用的能力。在控制與影響巖溶發(fā)育的各種因素中，巖石的礦物成分和結構是首要因素。一般地，巖溶發(fā)育的規(guī)模、巖溶化程度具有純碳酸鹽巖高于不純的碳酸鹽巖、灰?guī)r高于白云巖的規(guī)律。

調查表明，研究區(qū)內古生界及震旦系地層發(fā)育較為齊全，但總體而言出露面積較少，大部分被埋藏地下或者灌木覆蓋(圖1)。震旦系露頭在研究區(qū)零星分布，出露地層中陡山沱組巖性為含礫砂巖、板巖、粉砂巖，中部黑色頁巖、白云巖；燈影組巖性為淺灰色至灰白色白云巖，局部細晶白云巖、藻紋層白云巖，上段主要巖性為淺灰、灰色中厚層白云巖。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性上部為深灰色、黃灰色含砂質頁巖夾少量碳質頁巖；下部為碳質頁巖夾少量硅質巖；底部薄層磷塊巖、黑色石煤。

2.3 沉積間斷對儲層的影響

地層剖面中的不整合面就是地質時期的古地表，不整合面以下一定深度范圍內就是當時表生環(huán)境中的溶蝕作用帶[12]。研究表明，碳酸鹽巖孔洞的發(fā)育往往與區(qū)域不整合面有關，是直接或間接地暴露在大氣水滲流或潛流狀態(tài)的結果。研究區(qū)震旦—寒武系及寒武—奧陶系的巖溶不整合面是一個構造薄弱面，在不整合面附近斷裂、裂縫發(fā)育，彼此連通較好，構成有利于巖溶水匯集運移的復合系統(tǒng)，正負向巖溶形態(tài)及巖溶構造發(fā)育，有利于巖溶儲集體的發(fā)育。

2.4 沉積間斷時間對古巖溶的控制作用

雪峰山西側地區(qū)經(jīng)歷了多期的構造運動，形成多個區(qū)域不整合面，不同時期不整合面沉積間斷時間控制了碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強度。前人研究認為，震旦系燈影組—寒武系、寒武系—奧陶系之間存在的沉積間斷相對較短，因而震旦系燈影組、寒武系碳酸鹽巖巖溶儲層的主要發(fā)育段被限制在巖溶作用所能影響的深度范圍內，古巖溶縫洞系統(tǒng)以溶蝕孔洞為主，縫洞系統(tǒng)連通性相對較差，野外調查未見大型的溶洞系統(tǒng)。

圖1 雪峰山西側地區(qū)調查點位置及寒武—震旦系分布示意Fig.1 Survey points and Cambrian-Sinian distribution, west of Xuefeng Mountain

3 巖溶發(fā)育特征研究

雪峰山西側地區(qū)從震旦紀—寒武紀再到奧陶紀，接受了幾千米深的淺海—濱海碳酸鹽巖沉積；中間又經(jīng)歷了不同時期的沉積間斷，碳酸鹽巖地層出露接受剝蝕與溶蝕，經(jīng)歷了多次的成巖后生作用的改造，使原生孔隙減少以至消失，次生孔隙增多。早古生代碳酸鹽巖儲集空間以次生溶蝕孔、洞、縫系統(tǒng)為主，巖溶縫洞系統(tǒng)的巖溶作用，是成巖后生作用的主要地質作用之一。通過對研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖古巖溶發(fā)育特征的調查，古巖溶縫洞系統(tǒng)主要發(fā)育位置位于不整合面以下0～15 m范圍內，而深度位于不整合面15 m以下時，古巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育則相對較弱。

3.1 震旦系—寒武系沉積間斷巖溶

雪峰山西側地區(qū)寒武系牛蹄塘組與震旦系燈影組沉積間斷面出露較少，該沉積間斷對同時期古巖溶發(fā)育的控制性作用以慈利大溪一處典型露頭剖面進行剖析。該露頭位于慈利大溪丘叢谷地、構造侵蝕谷地地貌位置。經(jīng)過野外觀察描述，該處沉積間斷接觸關系及巖溶發(fā)育特征見圖2所示。

燈影組—牛蹄塘組不整合接觸界限為一層石煤，上覆牛蹄塘組底部為棕黃至黑色薄層細砂、粉砂巖及碳質頁巖；燈影組頂部為一套薄層—中厚層白云巖、云灰?guī)r，傾向180°，傾角20°。界限東110°方向巖層底部云質灰?guī)r中，層間縫較發(fā)育，縫寬3～6 cm，縫中方解石半充填，局部可見瀝青條帶、瀝青塊；且發(fā)育不規(guī)則狀、橢圓狀、近圓狀及斑塊狀溶蝕孔，直徑4～5 cm，其近1/3體積被淺色方解石充填，其余為瀝青塊貼附于表面；垂直層面的微縫與層間縫相互切割，垂向連通性較好，有利于巖溶的發(fā)育。由于露頭有限和地形起伏不定，此沉積間斷面橫向展布呈現(xiàn)不穩(wěn)定態(tài)勢。

圖2 雪峰山西側慈利大溪震旦系—寒武系沉積間斷面巖溶發(fā)育特征Fig.2 Karst generation in Sinian-Cambrian sedimentary hiatus, Daxi village, Cili County, west of Xuefeng Mountain

另外，于走馬鎮(zhèn)至鶴峰沿途公路(S341省道)約29 km處出露一處燈影組—牛蹄塘組假整合接觸地層，牛蹄塘組上部植被覆蓋，下部燈影組巖性以白云巖為主，發(fā)育少量溶蝕孔洞，及不規(guī)則溶蝕裂縫，方解石充填。

3.2 寒武系—奧陶系沉積間斷巖溶

雪峰山西側地區(qū)下奧陶統(tǒng)桐梓組—紅花園組與上寒武統(tǒng)后壩組的不整合接觸沉積間斷面出露較為零星。根據(jù)野外調查，重慶酉陽縣黃家堡村附近出露一處該不整合接觸沉積間斷面，該沉積間斷對上寒武統(tǒng)后壩組的巖溶作用具有一定的影響。調查點地貌位置為溶蝕丘叢谷地，構造侵蝕谷地。露頭調查顯示，后壩組頂部巖性為灰質白云巖、泥質白云巖組合，在假整合面以下幾米范圍內溶蝕孔較為發(fā)育，溶孔直徑2～10 mm，部分為方解石半充填—全充填。該處露頭接觸關系及巖溶發(fā)育特征見圖3所示。

從圖3中可見，紅花園組—后壩組沉積接觸面附近沉積了一層中—薄層狀泥質巖，往上沉積薄層狀泥灰?guī)r及中薄層狀灰色泥質灰?guī)r、深灰色厚層狀灰質白云巖，上部沉積了灰黑色中厚層狀云質、泥質灰?guī)r。沉積間斷面下部附近沉積了一套厚層狀深灰色灰?guī)r，該段地層溶蝕孔、小溶洞比較發(fā)育，方解石充填—半充填，直徑一般在2～5 mm，具順層發(fā)育特征，部分未充填；其下部為中厚層狀淺灰色白云質灰?guī)r，發(fā)育少量溶蝕孔。

據(jù)野外巖溶地質調查，在沿河官周地區(qū)附近，出露一處寒武—奧陶系沉積間斷面，受沉積間斷的影響，下伏地層寒武系于接觸面以下十余米范圍內溶蝕孔洞較為發(fā)育，溶蝕裂縫具有明顯的后期擴溶現(xiàn)象，而由于受到后期充填作用的影響，連通性一般。另外在湖北來鳳縣至咸豐國道旁也發(fā)現(xiàn)一處奧陶—寒武系沉積間斷面露頭，該處溶蝕孔、洞、縫均較發(fā)育，縫寬1～5 mm，孔直徑2～20 mm不等，局部網(wǎng)狀縫發(fā)育，大多被方解石充填。

圖3 雪峰山西側酉陽地區(qū) 寒武系—奧陶系沉積間斷面巖溶發(fā)育特征Fig.3 Karst generation in Cambrian-Ordovician sedimentary hiatus, Youyang County, west of Xuefeng Mountain

4 結論

雪峰山西側震旦系燈影組、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖的古巖溶作用主要是與沉積間斷面有關的古表生期巖溶作用，由于燈影組—寒武系、寒武—奧陶系之間存在的沉積間斷時間相對較短，使震旦系燈影組、寒武系碳酸鹽巖巖溶儲層的主要發(fā)育段有很大的限制性，巖溶發(fā)育深度相對較淺；古巖溶縫洞系統(tǒng)以溶蝕孔洞為主，由于后期的充填作用，縫洞系統(tǒng)連通性相對較差。深入研究雪峰山西側地區(qū)海相碳酸鹽巖沉積間斷古巖溶發(fā)育規(guī)律，對研究其儲層發(fā)育特征及確定有利區(qū)塊具有重要的意義。

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