碳酸鹽巖裂縫與巖溶的關系分析

包 亮

（長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢430100）

1 碳酸鹽巖古巖溶作用的分類

對古巖溶進行地質(zhì)學分類，將其分為沉積古巖溶，局部古巖溶和區(qū)域古巖溶。沉積古巖溶是指碳酸鹽巖臺地高沉積物因高沉積速率加積出露水面遭到大氣水作用發(fā)育的巖溶；局部古巖溶是由于同沉積期的構(gòu)造運動，使碳酸鹽巖臺地的一部分暴露發(fā)育的巖溶；區(qū)域古巖溶的形成與重要的海平面的升降或構(gòu)造運動造成的大面積暴露有關，常常是地層學中主要的不整合面，這類巖溶發(fā)育的范圍和深度一般比局部巖溶要大。

按成因?qū)艓r溶進行分類，將古巖溶分為三種類型，即沉積巖溶或?qū)娱g巖溶，風化殼巖溶或暴露巖溶，縫洞巖溶或埋藏巖溶。沉積巖溶或?qū)娱g巖溶系指同生期或成巖早期，碳酸鹽沉積物短暫的暴露于地表接受大氣淡水滲入淋濾所發(fā)育的巖溶，有人將其稱為早表生期巖溶；風化殼巖溶或暴露巖溶是指碳酸鹽巖因構(gòu)造抬升長期暴露于地表，大氣水滲入循環(huán)其中，伴隨風化殼形成而發(fā)育的巖溶，有些學者將其稱為晚表生期巖溶，也有人將其稱為侵蝕期巖溶、侵蝕面巖溶或不整合面巖溶；縫洞巖溶或埋藏巖溶是指碳酸鹽巖深埋地腹后，由于上覆地層在壓實過程中不斷排出的酸性壓釋水運移其中所產(chǎn)生的巖溶。

根據(jù)巖溶作用的形成機理和先后順序、持續(xù)時間、特征、影響因素以及與儲集空間的關系，將古巖溶劃分為同生-準同生期巖溶，表生期巖溶，埋藏期巖溶和褶皺期巖溶四種類型。同生-準同生期巖溶，該期巖溶的巖溶作用發(fā)生于沉積物形成之后不久，沉積物尚未完全脫離其沉積環(huán)境，成巖階段屬于同生-準生期，由于其巖溶作用形成于沉積階段的暴露期巖溶在地層中以小規(guī)模層狀和透鏡狀出現(xiàn)；表生期巖溶是指由于海平面的相對下降及區(qū)域構(gòu)造運動抬升，造成下伏碳酸鹽巖地層隆升暴露，形成表生成巖環(huán)境，而使碳酸鹽巖地層遭受長期廣泛的風化剝蝕和淋濾作用形成的巖溶，該期巖溶的成巖階段屬于表生期，有人將其稱為表生巖溶；埋藏期巖溶是指碳酸鹽巖在中-深埋藏階段，主要與有機質(zhì)成巖作用相聯(lián)系的溶蝕作用現(xiàn)象及過程；褶皺期巖溶是指碳酸鹽巖在褶皺過程中伴生發(fā)育的巖溶，即受構(gòu)造運動影響碳酸鹽巖中產(chǎn)生大量的斷層、裂縫，致使大氣淡水滲入巖層，從而引起巖溶作用發(fā)生。

目前古巖溶分類也極不統(tǒng)一，我認為將碳酸鹽巖古巖溶劃分為三大類型比較合理，即同生期溶巖、表生期巖溶、埋藏期巖溶，并分別于同生成巖階段（大氣淡水環(huán)境），表生成巖階段（表生環(huán)境）和早-晚成巖階段（埋藏環(huán)境）對應。

2 裂縫與巖溶的關系

2.1 構(gòu)造裂縫與巖溶作用的關系

早期斷裂帶控制了后期沿斷裂帶巖溶的發(fā)育：斷裂增加了地表水和地下水與碳酸鹽巖的接觸面積和溶蝕范圍，有利于促進碳酸鹽巖的溶蝕作用的進行。地表水沿斷裂形成的裂縫下滲作用，通過斷裂控制了斷裂帶巖溶的發(fā)育。

斷裂帶是裂縫與巖溶發(fā)育的地帶：通過前人研究，在斷裂帶或斷裂附近的鉆井多出現(xiàn)放空、漏失，巖芯上溶蝕縫也發(fā)育。野外考察發(fā)現(xiàn)斷層泥和滑動擦痕的大裂縫在塔里木北緣野外露頭區(qū)普遍存在，并且縫內(nèi)充填物為方解石、碳質(zhì)和泥質(zhì)，裂縫充填物疏松。應用在鉆井過程中，就會發(fā)生泥漿漏失、鉆時加快等現(xiàn)象。

褶皺構(gòu)造是巖溶發(fā)育的有利區(qū)帶：在背斜構(gòu)造的軸部,由于受強烈擠壓應力的影響,在形成背斜的同時,會在平行背斜的走向產(chǎn)生一系列斷裂和張性節(jié)理,為巖溶發(fā)育提供了地下水必要的導流通道。特別是在兩組或多組斷裂的交匯處,縫洞更發(fā)育。巖溶縫洞的分布一般由古構(gòu)造的軸部向兩翼逐漸變?nèi)?背斜構(gòu)造的軸部以溶洞為主的縫洞儲集體,向兩翼逐漸變?yōu)橐粤芽p為主的縫洞性儲集體和僅以少量裂縫為主的孔縫性儲集體,儲集性能則相應的由好變差。在褶皺構(gòu)造中往往伴隨發(fā)育與褶皺軸線平行的壓性斷裂構(gòu)造,在其局部應力場的作用下,向斜構(gòu)造的壓性斷裂其上部繼續(xù)受壓,而下部轉(zhuǎn)為拉張,且產(chǎn)生放射狀裂隙,同時在后期反轉(zhuǎn)應力作用下,部分壓性斷層發(fā)生反轉(zhuǎn),這些構(gòu)造斷裂有利于地下水的富集、徑流和巖溶的發(fā)育。

溶蝕作用與斷裂走向的一致性：受控于斷裂帶的構(gòu)造裂縫在平面上沿斷裂走向發(fā)育，發(fā)育的洞穴具明顯的方向性,常與斷裂走向一致。且?guī)r溶作用在縱向上的特征表現(xiàn)出,溶蝕孔洞沿著早期形成的裂縫發(fā)育的特點從而可以改善碳酸鹽巖儲層的儲集物性。在多組斷裂的交匯部位，也容易形成大型洞穴；早期斷裂構(gòu)造控制深部洞穴的發(fā)育，構(gòu)造軸部或沿斷裂走向亦有利于形成巖溶洞穴。

2.2 非構(gòu)造裂縫加速巖溶作用的發(fā)生

成巖作用導致的裂縫，指的是沉積物在成巖過程當中，由壓實和失水作用而形成的裂縫。它往往單個產(chǎn)出并成層分布，這種裂縫已知在最小厚度層內(nèi)較發(fā)育，但是張開度較小；相反，在厚層碳酸鹽巖中這些裂縫較稀少，而張開度大。因此，在厚度較小的地層中成巖裂縫強度較高，但由于開度較小，水流運動的可能性很低；反之，在厚層鹽酸鹽巖成巖裂縫中水更易運動。

縫合線是一種特殊的裂縫構(gòu)造。在深埋藏條件下，巖石在上覆沉積物負荷作用下，由于壓力和孔隙流體的作用，在應力點上促使巖石礦物顆粒產(chǎn)生選擇性溶解，溶解的物質(zhì)或沉淀于應力較小的顆粒表面或遷移到系統(tǒng)之外，從而形成齒狀或港灣狀鑲嵌穿插的縫合線構(gòu)造。縫合線是壓實與壓溶共同作用的產(chǎn)物，其指狀尖端指示受力方向，幅度的高低則反映壓實壓溶的程度。由于溶解被帶走的組分以碳酸鈣為主，因此它的表面往往存在著一些泥質(zhì)、炭質(zhì)等不溶雜質(zhì)，并富集固體有機質(zhì)。

縫合線就其延伸方向與巖層的相關性可分為水平、垂直及傾斜縫合線3種類型。將這3種縫合線均歸為非構(gòu)造裂縫，從成因上看是有差別的。水平縫合線是巖層負荷壓實壓溶的產(chǎn)物；垂直縫合線源于水平擠壓應力作用；傾斜縫合線與剪切縫的方向一致，可能為剪切應力的產(chǎn)物。根據(jù)后兩者的切割、限制關系等可確定水平縫合線形成時間早，傾斜和垂直縫合線形成的時間晚。同時也可分析構(gòu)造形成世代、疊加關系及應力場變化等問題。因此認為傾斜和垂直縫合線應該是構(gòu)造裂縫的一種特殊形式。

3 小結(jié)

巖溶作用是淋濾、侵蝕、崩塌、搬運和再沉積的結(jié)果。可溶物質(zhì)進入地下水，不僅通過化學溶解，而且有機械沖刷，重力崩塌過程，而物質(zhì)的被搬出，不僅只限于擴散流（滲流、細流），而且有一定數(shù)量的管道流（地下河洞流系統(tǒng)）。控制巖溶發(fā)育的主要條件就是運移于可溶巖層中的水流環(huán)境即水文地質(zhì)環(huán)境。

［1］Brita R,Graham W,Radu G,Agim M,Atilla A.Evolution of Fractureand faultcontrolled fluid pathways in carbonates of the Albanides fold-thrust belt[J].AAPGBulletin,2006,90(8)：1227-1249.

［2］Fambrough J.D.and Newhouse,D.P.A Comparison of Short-Core and Long-Core Acid Flow Testing for Matrix Acidizing Design[C]//SPE 26186 presented at the SPE Gas Technology Symposium,Calgary,Alberta,Canada,June 2830,1993.

［3］楊明慧,田雨東.縫合線的分形結(jié)構(gòu)[J].世界地理,1999(11)：29-31.

［4］Hove,A.,J.K.Ringen,and P.A.Visualization of Laboratory Core Floods with t he Aid of Computerized Tomography of X-Rays[C]//SPE 13654presented at Soc.Pet.Eng.California Regional Meeting,Bakersfield,CA,Mar.27-29,1985.