斷裂及成巖作用對塔中奧陶系巖溶發育影響

方秀澤 范柱國

摘 ? ? ?要： 為明確塔中西部奧陶系鷹山組巖溶發育特征及沉積機理，通過巖心、薄片、野外露頭和成像測井等資料的分析，識別了研究區主要的儲集類型，鏡下薄片觀察出晶間孔、粒間孔、粒內溶孔、微裂縫等儲集類型，發現了構造裂縫、縫合線、溶洞、針狀和層狀溶孔等接觸類型。分析了斷裂裂縫以及沉積微相對巖溶發育的影響，斷層和斷陷是溶洞崩塌最直接的產物，綜合分析建立了鷹山組巖溶發育模型。該模型表明塔中鷹山組上部主要發育兩套廣泛分布的巖溶層，分別受頂部不整合和潛水面的控制。不整合面附近的大型溶洞被破壞充填嚴重，其下覆地層內的縫洞體系距不整合面較近，缺乏蓋層，不能很好地儲存油氣。而潛水面附近產生的溶洞被角礫巖充填后，其洞底多被塊狀泥砂充填，形成對下覆地層發育的串珠狀溶洞以及縫洞體形成良好的蓋層，更易形成油氣藏。對巖溶發育進一步認識能為水平井軌跡調整以及提高水平井儲層鉆遇率提供指導。

關 ?鍵 ?詞：奧陶系;碳酸鹽巖;巖溶作用;巖溶模式

中圖分類號：P542 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）05-0914-05

Abstract： In order to clarify the karst development characteristics and sedimentary mechanism of the Ordovician Yingshan formation in the central and western Tarim basin， the main reservoir types in the study area were identified through the analysis of core， thin section， field outcrop and imaging logging data. Under the microscope， the reservoir types such as intercrystalline pore， intercrystalline pore， intragranular solution pore and microfracture were observed in thin section， and the connection types of structural fracture， suture， karst cave， needle like and layered solution pore were found. The influence of fracture and sedimentary microfacies on karst development was analyzed. Fault and fault depression are the most direct products of karst cave collapse. The karst development model of Yingshan formation was established by comprehensive analysis. The model showed that there were two sets of widely distributed karst layers in the upper part of Yingshan formation， which were controlled by the top unconformity and the water table. The large-scale karst caves near the unconformity surface were seriously damaged and filled， and the fracture cave system in the underlying strata was close to the unconformity surface， the lack of cap rock could not store oil and gas. After the karst cave near the water table was filled by breccia， the bottom of the cave was mostly filled by massive mud sand， forming a good cap layer for the beaded karst cave and fracture cave body developed in the underlying strata， which was more likely to form oil and gas reservoir. Further understanding of karst development can provide guidance for the adjustment of horizontal well trajectory and the improvement of drilling rate of horizontal well reservoir.

Key words： Ordovician; Carbonate rock; Karstification; Karst model

斷層和裂縫也是促進巖溶發育的重要因素，尤其是在臺地內部原始滲透性極差的沉積體中，對巖溶作用的促進至關重要[1]。溝通至深部的斷層本身就是大氣淡水的良好通道，促使大氣淡水從地表經由斷層向更深部的地層滲透溶蝕，裂縫通常發育在斷層附近和斷層的伴生背斜頂部[2]。前人研究發現，背斜的頂部通常發育與層面近垂直的張性裂縫和高角度的剪性裂縫，褶皺的底部則通常發育與層面近平行的張性裂縫和少量中等角度的剪性裂縫[3-4]。在逆沖斷層附近通常也是高角度裂縫發育的有利場所，統計表明，逆沖斷層的上盤裂縫密度大于下盤，且離斷面越近的地層裂縫密度越大[5]。塔中地區東部巖溶區逆沖斷裂帶密集發育，在斷層面附近和斷隆背斜上部都是潛在較好的裂縫發育區，這些斷層及裂縫的發育大大促進了大氣淡水從地表向地層中滲透作用，進而對巖溶的深度和廣度起到積極的影響[6-7]。塔中地區取芯井能夠取得鷹山組的巖心不多，且有的破碎嚴重，但是通過對這些巖心的觀察，可以看到研究區目的層段的裂縫非常發育，且種類多樣[8]。

1 ?裂縫與巖溶關系

碳酸鹽巖鏡下薄片的觀察可以更加細致地分析研究裂縫發育的特征，圖1為塔中奧陶系目的層段取芯井的巖心制作的薄片，通過薄片觀察，可以進一步研究該地區裂縫的發育情況。照片A-D都有明顯的構造裂縫發育，其中照片A中發育兩期構造縫，一期被亮晶方解石完全充填，并被另一期未被充填的構造縫切割;照片B發育兩條近似平行的未被充填的構造縫，縫寬較小;照片C隱藻灰巖中可見少量細小的自生適應，可見一條被方解石充填的裂縫和兩條未被完全充填的裂縫，縫寬約為0.02 mm;照片D有一條較寬的構造縫發育，該構造縫被亮晶方解石及瀝青質充填，里邊可見微小溶孔;照片E發育有壓溶縫和構造微裂縫，壓溶縫部分被充填;照片F發育有數條壓溶縫，壓溶縫充填有部分泥質、白云石和少量鐵質，此外還有構造縫沿溶蝕縫發育，構造縫充填微量泥質，屬于有效縫;照片G也發育有構造微縫和壓溶縫，其中構造微縫有2組，切穿壓溶縫，壓溶縫被泥質充填，為無效縫;照片H發育壓溶縫，被泥質和瀝青質充填;照片I為鋸齒狀的縫合線，縫面彎曲。

通過上面巖心照片以及鏡下薄片的分析可以看出盆內構造裂縫和非構造裂縫都很發育，其中非構造裂縫主要分為三類：縫合線、成巖收縮縫、風化裂縫。縫合線主要是巖石受擠壓作用壓溶形成，多被不易溶解的泥質、有機質殘留物等充填，幾乎沒有儲集意義，但少數開啟的縫合線能成為次要的儲集空間;成巖收縮縫是在成巖早期巖石脫水收縮形成，發育規模小，但如果后期溶蝕作用強烈的話，容易形成溶蝕縫洞，可以成為很好的儲滲空間。風化裂縫主要位于奧陶系風化剝蝕面附近，是在加里東運動后，塔中地區隆升，灰巖長期暴露遭受風化剝蝕的結果，巖石破裂，裂縫發育，但不規則，當發育密集時發生角礫化。裂縫內充填方解石和泥質，對于未完全充填的裂縫可以成為很好的儲層。

通過統計分析裂縫縫的走向，經處理統計得到裂縫走向主要以北東30°～75°為主，與北東向古地應力方向一致，裂縫走向與斷裂走向有很大的相關性。在巖溶體系的刻畫過程中發現，鷹山組巖溶儲層以裂縫和溶孔復合相的孔滲性最好，且多有油氣顯示。塔中地區鷹山組發育南西-北東向走滑斷裂，與之伴生的裂縫成為鷹山組巖溶儲層中重要的流體通道。

對于塔中地區斷裂和裂縫，大量學者做過研究表明裂縫是巖溶作用發生和演化的必要條件。因為斷裂活動時期，斷層上下兩盤相互錯動，造成了巖層的張裂、破碎，使得斷裂帶內的孔隙度和滲透率產生不同程度的增大變化，這不僅是地下流體的有利運移通道，也是有其運移的主要通道。特別是在斷裂交匯處，巖溶作用形成的儲集層物性更好。深大斷裂一方面可以作為深部熱液上涌的通道，另一方面斷裂聯通地表，加大表生巖溶作用改造的深度。特別是沿著走滑斷裂產生的裂縫，容易形成裂縫-孔洞復合型的儲層。

2 ?成巖作用對巖溶發育的影響

在大量巖石薄片和陰極發光薄片觀察的基礎上進行分析歸納發現，鷹山組儲層受成巖作用改造作用明顯。除了鷹山組主要的表生成巖作用之外，還有海水膠結作用和埋藏膠結作用對儲集空間的改造作用[9-10]。

2.1 ?海水成巖作用

從碳酸鹽巖顆粒的分布特征來看，顆粒間的接觸關系以點接觸或不接觸的漂浮狀態出現，顆粒間的膠結物呈放射狀出現。盡管經歷了長時間的演化，顆粒間的接觸關系變化不大，因此認為膠結物形成的時間較早，為早期海水膠結成因（圖2 A）。同時，塔中地區鷹山組陰極發光薄片顯示膠結物與顆粒相比，發光現象極弱甚至不發光。一般情況下，由于淺海環境中碳酸鹽巖為高Sr低Mn的特征且沉積水體的氧化性較強，因此在早期海水環境中形成的膠結物具有極弱的陰極發光性甚至不發光，相比顆粒，膠結物的陰極發光更弱（圖2B）。

2.2 ?埋藏成巖作用

除了奧陶世末期的抬升剝蝕作用外，塔中地區鷹山組碳酸鹽巖大部分時間都受埋藏成巖作用的影響，使儲集空間發生改造[11]。

壓實作用：縫合線是壓實作用的產物和直接證據，在大量巖心和薄片中均可觀察到。縫合線是巖石隨著埋深的加深，受其上覆沉積物負荷作用，在壓力和孔隙流體的共同作用下，巖石本身易溶的礦物顆粒發生的溶解現象。被溶解的物質隨流體流走或者沉淀于其他顆粒表面，于是形成鋸齒狀的縫合線構造。一般縫合線的鋸齒尖端指向受力方向，鋸齒的高低反映壓溶的程度。巖心上觀察到的縫合線多數呈水平狀分布，特別是在巖性界面處更為發育，基本與巖性界面平行（圖3A），是上覆地層壓實壓溶作用的產物。網狀交錯的縫合線發育相對比較密集，彼此交錯形成網狀，在巖心和薄片上均有體現（圖3 B、3C），說明縫合線是伴隨著構造裂縫而產生，與巖石剪應力壓實壓溶有關。塔中地區鷹山組地層中，在巖石薄片上可以看到縫合線局部有黑色瀝青質物質的存在（圖3 D），說明在烴類運移的過程中，縫合線作為有效的運輸通道。

膠結作用：塔中地區鷹山組碳酸鹽巖受奧陶紀末期表生巖溶作用形成的溶洞溶孔在后期埋藏過程中逐漸被方解石充填且包括多期方解石膠結物。通過溶洞內方解石陰極發光薄片的觀察和分析發現，可以將塔中地區鷹山組溶孔中的充填方解石劃分為四期（圖4）。

第一期（C1）具有暗紅色陰極發光特征，主要為放射狀或針狀的方解石膠結物。第二期（C2）具有亮紅色邊緣的極弱陰極發光特征，為細粒亮晶方解石膠結物。第三期（C3）與第二期（C2）膠結物相比晶粒變粗，也是具有亮紅色邊緣的極弱陰極發光特征。第四期（C4）為亮紅色極強的陰極發光特征，充填于溶孔的殘余空間內，為邊界清晰的粗晶方解石膠結物。

埋藏白云巖化作用：白云巖化是塔中地區鷹山組碳酸鹽巖中普遍存在的成巖現象之一，特別是在鷹山組鷹三段、鷹四段中。巖心上，鷹山組白云巖成斑塊狀出現，多成深灰色或灰色（圖5 A），薄片中可以看到斑狀白云巖晶體與縫合線的關系密切，常見與縫合線半生的結晶程度較高、晶型完整的白云石晶體（圖5 B、圖5C），這種密切關系從一定程度上說明，白云化作用可能與埋藏過程中縫合線的發育有關。

3 ?鷹山組巖溶發育模式

3.1 ?Loucks巖溶發育模式理論

Loucks建立的表生巖溶環境下的洞穴發育以及洞穴在埋藏環境中的演變模式具有較好的代表性，他提出了與形成溶洞的巖石物理性質無關的溶洞體系，主要由巖溶通道和溶洞崩塌再沉積、埋藏、膠結形成的儲層體系。認為這種儲層的孔隙網絡并非一個單獨的溶洞形成的孔隙，而是與巖溶作用相關的溶蝕孔隙和溶洞崩塌形成的巖溶角礫間孔隙、裂縫等共同組成的孔隙網絡[12]。

近地表潛流帶或滲流帶溶解是巖溶通道形成的初期形式。巖石的層理面或裂縫被地下水充注，會進一步溶蝕形成落水洞。5～10 mm直徑的裂隙被認為是有效的通道。達到這一直徑的溶縫，流體速度增加，就能夠運送沉積物。如果不能達到這一直徑，這樣的溶縫就會慢慢關閉、廢棄。流體流速增加，就能夠向更深的巖層滲透，保持化學物質的活躍性，促進溶蝕通道的進一步發育。在裂縫密度小的情況下，會發育縱向溶縫，橫向連通性受制約。

當區域水位下降時，潛水面也會隨之下降，這樣原來的潛流帶的巖層就會下降到滲流帶，滲流帶的流體又進一步溶蝕形成巖溶通道和縱向溶蝕谷。這些都變成了連接地表和潛流帶的沉積物運輸通道。先前的潛流帶在滲流帶進一步溶蝕形成溶洞、或崩塌的溶洞頂、溶洞壁。有時候潛流帶的巖溶通道被廢棄。在實際觀察中看到過滲流帶里發育的縱向的巖溶煙囪聯通了廢棄的潛流帶巖溶通道。也有地下水位上升的情況，這樣先前的潛流帶被廢棄，在更淺的地方發育新的潛流帶，疊加在舊的之上。原先的滲流帶就會變成新的潛流帶進一步溶蝕。地層中，潛水面會不斷地上升和下降，潛水面的下降會造成巖溶通道的聯通。

在Loucks的巖溶模式中，不僅強調了裂縫對地下流體的疏導作用，同時他更強調了溶洞崩塌產生的裂縫具有不可忽略的地位。他認為洞頂和洞壁受上覆巖層的重力，有溶孔的地方會形成拉張的穹頂和剪切力的最大受力區。隨著溶洞的崩塌，這些應力會釋放出來。潛流帶，地下水對于洞壁承擔了一定的浮力，當潛流帶變成滲流帶，這一部分支撐力消失從而使洞壁崩塌。洞頂和洞壁的崩塌的直接產物是巖溶角礫。

斷層和斷陷是溶洞崩塌最直接的產物，崩塌之后斷裂帶的延伸范圍要比之前廣得多。隨著崩塌溶洞的埋藏和壓實，原來的大角礫和大孔隙進一步變為小粒屑和小孔隙，機械壓實還會造成粒屑之間的化學膠結，充填顆粒間的孔隙。隨著埋藏的加深，洞穴周圍的裂縫會進一步發育，這樣原來的溶洞體系又轉變成裂縫發育層覆蓋的溶洞角礫巖層。洞頂應力釋放產生具有裂縫的碎屑顆粒，這種碎裂巖層發散的范圍比較大，不僅容易識別，還為滲流帶的流體提供通道。

3.2 ?塔中奧陶系巖溶模式

對于質純層厚且原始滲透性較差的碳酸鹽巖，溶蝕作用的發生受斷裂和裂縫的主要控制。特別是在垂直滲流帶中，高角度的裂縫多發生沿著裂縫面的擴溶現象。地下溶蝕性流體運動形式也受控于裂縫的產狀，多以近垂直的方向流動，隨著溶蝕作用的持續進行使裂縫溶蝕程度增強，甚至可以形成溶洞，在致密高阻層段中，特別是以發育臺內潟湖、臺內洼地相為主的地層中，一般溶蝕成洞的概率相對較低，非均質性強，方向性強，一旦形成溶洞，往往洞的規模較大，且通過成像測井分析可以刻畫洞內充填的序列特征。白云巖的溶蝕是鷹山組下部地層鷹三段、鷹四段中的主要溶蝕形式，盡管鉆井揭示的鷹山組下部地層有限，通過薄片觀察發現，質純的白云巖具有孔滲性好的基質特征，溶蝕作用主要表現為掩飾格架間空隙或晶間空隙的擴散溶蝕作用，且產生的孔隙度較大，整體溶蝕程度高，成洞的概率較高，巖心上揭示的白云巖的溶洞規模相對較小。深部白云巖的溶蝕受巖石溫度、壓力效應的影響高于方解石。

鷹山組巖溶儲層的發育受構造變形與溶蝕作用多種因素的影響，與所處的古地貌具有一定的聯系，位于構造軸部的區域例如塔中10號斷裂帶上，巖溶作用強烈，裂縫發育，溶蝕作用強，巖溶形成的儲集體抗變形的能力比較差，沿著裂縫帶易發育儲集空間，是巖溶儲層呈現分帶的特征。不整合、巖溶古地貌、沉積相、三級層序及斷裂對塔中地區鷹山組巖溶儲層發育的均有不同程度的控制作用。建立鷹山組巖溶儲層的發育模式，認為鷹山組沉積晚期，開闊臺地相的顆粒灰巖為巖溶儲層的發育提供了物質基礎。大型溶洞的發育受鷹山組頂部不整合的影響最為明顯。在層序內部，巖溶的發育具有一定的選擇性。臺內洼地或灘間海相的泥晶灰巖在鷹山組巖溶體系中充當隔層作用，改變地下水體的流動方向。當有裂縫發育時，水體通過裂縫溝通向下滲透，造成巖溶體系的縱向發育。通過地震屬性的分析刻畫，對鷹山組有利儲層的分布預測，對于塔中地區鷹山組巖溶儲層的勘探具有重要的參考意義。

4 ?結 論

（1）從巖溶儲層發育模式可以看出塔中鷹山組上部主要發育兩套廣泛分布的巖溶層，分別受頂部不整合和潛水面的控制;表層水沿斷裂（走滑斷裂）流入深部地層，形成串珠狀巖溶，沿斷裂周圍發育的裂縫局部溶解形成縫洞網，也是良好的儲層;與不整合以及潛水面斷層接觸的主要由顆粒灰巖構成的相對易溶的巖層，容易受到地層水的溶解，形成局部范圍內的順層巖溶。

（2）Locks的巖溶模式忽略了原始沉積物特征、構造及斷裂活動等因素的影響作用。在塔里木盆地這種多期構造運動疊加、斷裂及其伴生了裂縫體系極其豐富的背景下，巖溶模式的建立應綜合考慮多種因素的疊加作用。與前人的巖溶模式圖相比，該巖溶模式結合塔里木盆地特點，強調了斷裂以及原始沉積物質對于巖溶發育的重要作用。

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