鄂爾多斯盆地中、南部古巖溶發(fā)育差異性分析

蘇中堂陳洪德趙俊興李 潔許 強高 星

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；2.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；3.長慶油田公司第二采氣廠，陜西 榆林 719000）

鄂爾多斯盆地中、南部古巖溶發(fā)育差異性分析

蘇中堂1，2陳洪德1，2趙俊興1，2李 潔2許 強2高 星3

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川 成都 610059；2.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；3.長慶油田公司第二采氣廠，陜西 榆林 719000）

鄂爾多斯盆地加里東期古巖溶作用改造的碳酸鹽巖是古巖溶型氣田勘探開發(fā)的有利層位，盆地中部已取得成功，盆地南部雖有優(yōu)裕的碳酸鹽巖，但尚未取得突破性進展。分析比較盆地中部、南部古巖溶特征，它們之間存在差異：中部溶孔發(fā)育而南部溶縫見長，且中部較南部巖溶結(jié)構(gòu)明顯，保存相對完整。這種差異源于碳酸鹽巖物質(zhì)基礎(chǔ)及加里東期古地貌的不同：巖溶機理表明盆地中部泥微晶灰質(zhì)云巖和含膏泥微晶云巖有利于溶孔的發(fā)育而盆地南部巖性條件不利，其溶孔主要發(fā)育在成巖改造的粉細晶云巖層段；盆地中部位于巖溶斜坡，風化殼易于保存，而盆地南部由于處于巖溶高地，易于形成垂直溶縫，且保存不佳。物質(zhì)基礎(chǔ)受控于沉積微相和成巖作用，有利的微地貌有賴于古地貌準確詳細的刻畫，因此加強盆地南部沉積微相以及成巖作用的研究，準確詳細地刻畫盆地南部古巖溶微地貌形態(tài)，在沉積微相和古巖溶微地貌雙重有利的區(qū)域?qū)ふ彝黄瓶谑桥璧啬喜靠碧介_發(fā)的關(guān)鍵。

古巖溶；巖溶機理；差異性；加里東期；鄂爾多斯盆地

巖溶是指地下水和地表水對可溶性巖石的破壞和改造作用，及其形成的水文現(xiàn)象和地貌現(xiàn)象［1］，是水-巖體系相互作用的過程和結(jié)果。古巖溶通常認為是地質(zhì)歷史中的巖溶現(xiàn)象，往往被較為年輕地層所覆蓋［2］。我國碳酸鹽巖油氣勘探中與古巖溶有關(guān)的儲層占據(jù)十分重要的地位［3］，近些年在鄂爾多斯盆地、塔里木盆地及四川盆地碳酸鹽巖中發(fā)現(xiàn)的氣田均與古巖溶關(guān)系密切［4］。鄂爾多斯盆地中部靖邊氣田是我國與不整合面有關(guān)的典型古巖溶型氣田，其主力產(chǎn)層就是加里東構(gòu)造運動抬升改造的奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖［5］。2000年探明天然氣儲量達2 909.88×108m3，繼而東擴勘探，三級儲量增加了1 011.4×108m3［6］，但其他地區(qū)尚未取得突破性進展，尤其盆地南部碳酸鹽巖地層發(fā)育，其下古生界天然氣資源量預測可達5 000×108m3［7］。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地早古生代西高東低，其西南存在一“L”型隆起，它從寒武紀后期開始形成，經(jīng)奧陶紀發(fā)展，到侏羅紀逐漸消亡。受地殼均衡作用影響，盆地東部米脂—延川一帶形成一個凹陷，這“一隆一凹”古構(gòu)造面貌對盆地奧陶系沉積，以及奧陶系末加里東期古巖溶發(fā)育有顯著影響［8］（見圖1）。

奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖沉積系寒武紀之后最大規(guī)模的快速海侵所形成，依據(jù)古生物特征、沉積旋回及區(qū)域性標志層，分為馬一至馬六段。馬五期，西邊由于中央隆起的阻隔作用海水補給減少，東邊華北海平面整體下降，海水涌入量減少，當時氣候干旱炎熱，使得海水蒸發(fā)量增加，在東部凹陷形成了含白云巖的硬石膏鹽巖沉積，環(huán)凹陷發(fā)育潮上膏云坪沉積。馬六段沉積之后，加里東運動使盆地主體抬升，經(jīng)歷約150 Ma的沉積間斷，缺失中奧陶世至早石炭世的沉積，僅在西、南緣有中奧陶世平?jīng)鼋M和晚奧陶世背鍋山期沉積，之后海水完全退出，鄂爾多斯地區(qū)下古生界沉積結(jié)束［8］。

加里東運動使得盆地奧陶系碳酸鹽巖經(jīng)歷了上億年的風化、淋濾和剝蝕，在盆地內(nèi)形成了涵蓋全盆的喀斯特地貌，西南隆起區(qū)成為地下水補給區(qū)，東部米脂-延川凹陷為地下水排泄區(qū)。這套經(jīng)古巖溶作用改造的碳酸鹽巖地層，就是現(xiàn)今古生界海相地層勘探開發(fā)重點——以溶孔、溶洞及溶縫-溶孔為主要儲集空間的風化殼儲集層，風化殼厚度55～75 m［5，9］，主體層位為馬五段，不同地區(qū)殘存地層存在差異。

2 盆地古巖溶發(fā)育特征

2.1 盆地中部

盆地中部加里東期風化殼殘存地層多為馬五1，其頂部被縱橫交錯的溶縫將基巖分割成角礫狀，沿溶縫灌有黏土或鋁土質(zhì)，古巖溶剖面結(jié)構(gòu)明顯（見圖2）。

從S15井及CC1井來看，古巖溶剖面上存在2個洞穴充填帶，充填物為暗色泥質(zhì)支撐的巖溶角礫，角礫磨圓較差，成分以粉微晶灰?guī)r為主，個別為含云灰?guī)r，角礫之上多發(fā)育溶蝕孔洞，且被方解石充填，洞穴泥質(zhì)往往呈紋層狀，甚至可見水平層理，該帶厚度為4～9 m，代表地下暗河搬運，是水平徑流帶的典型產(chǎn)物。

2.2 盆地南部

盆地南部殘存地層較老，多為馬五3以下層位，甚至層位更深，如L1井為馬五42，Lin1井為三山子組，風化殼頂部基巖大多被縱橫交錯的溶縫分割，溶縫內(nèi)充填泥質(zhì)和黃鐵礦。

巖溶結(jié)構(gòu)殘缺不全或特征不明顯，如Y2井僅殘留代表暗河搬運的洞穴充填物，充填物為泥質(zhì)支撐的巖溶角礫巖，泥質(zhì)具變形構(gòu)造，角礫成分為灰?guī)r，角礫大小不均，邊緣不規(guī)則或微磨圓，角礫大的約8 cm×6 cm，小的約0.3 cm×0.2 cm；L1井在長32.82 m的取心層段未見暗河搬運的充填物，卻發(fā)育垂向為主的溶縫系統(tǒng)，巖溶結(jié)構(gòu)不易識別。

南部鉆井巖心中溶蝕孔洞發(fā)育層段少，且厚度不大，如L1井8、11取心回次溶洞厚度僅為0.3 m和0.2 m；但巖性不同時溶蝕孔洞會較發(fā)育，如L1井14回次灰色粉細晶云巖層段發(fā)育有1.5 m的孔洞層，Lin1井含砂屑云巖層段溶蝕孔洞的數(shù)量明顯增多。而巖性為泥微晶云巖，局部夾泥質(zhì)條帶的層段往往發(fā)育溶縫，且以垂直溶縫或高角度斜交縫為主，若泥微晶云巖中含灰質(zhì)則溶縫數(shù)量增加（L1井12取心回次）（見圖3）。

3 古巖溶發(fā)育差異性及其成因

3.1 盆地中、南部古巖溶差異

加里東期巖溶涵蓋整個鄂爾多斯盆地，盆地中、南部存在以下差異：

1）巖溶結(jié)構(gòu)不同。盆地中部巖溶結(jié)構(gòu)完整，代表水平徑流帶的暗河充填明顯存在兩期，且都發(fā)育在白云巖、灰?guī)r互層中的灰?guī)r層段；而盆地南部巖溶結(jié)構(gòu)難于識別或巖溶結(jié)構(gòu)不完整，很少發(fā)現(xiàn)暗河充填，僅在Y2井風化殼頂部灰?guī)r沉積中發(fā)育。

2）溶孔發(fā)育程度不同。盆地中部溶孔特別發(fā)育且發(fā)育段厚度大，溶孔主要出現(xiàn)在含膏微粉晶云巖、含膏泥微晶云巖或微晶灰質(zhì)云巖層段中；盆地南部雖有溶孔發(fā)育，但含溶孔層段厚度不大，溶孔較發(fā)育層段巖性為粉細晶云巖或含砂屑粉細晶云巖。

3）溶縫發(fā)育程度不同。盆地中部溶縫數(shù)量較少，垂直、水平方向均有發(fā)育；而盆地南部泥晶、微晶含灰云巖中溶縫發(fā)育，且微晶灰?guī)r內(nèi)數(shù)量增多，溶縫以垂直及高角度斜交縫為主。

4）盆地中部常見的膏溶角礫巖盆地南部沒發(fā)現(xiàn)。

3.2 差異成因分析

奧陶系末加里東運動造成整個鄂爾多斯盆地抬升，使早古生代碳酸鹽巖地層接受風化淋濾，在相同的氣候條件下形成了大面積的喀斯特地貌，成為現(xiàn)在下古海相地層油氣勘探的目標層位，但是勘探實踐表明盆地不同地區(qū)的古巖溶發(fā)育存在差異。盆地中部及南部古巖溶發(fā)育差異性最直觀的表現(xiàn)是：碳酸鹽巖物質(zhì)基礎(chǔ)不同，巖溶現(xiàn)象不同。巖溶作用是一種水-巖相互作用的體系，實質(zhì)是侵蝕性的水與礦物晶體之間的相互作用［10］，礦物與水分子之間形成的電位差越大，越容易遭到破壞，所形成的礦物越容易被溶解。

雪到底是誰造的呢？動物們爭論不休。鼴鼠爬爬怕鳥，所以盡管他期待看雪，卻又畏懼哥哥們口中描述的像白鳥一樣的雪花。媽媽說，死去的鼴鼠會變成白色，去天上造雪，可小貓頭鷹堅持說，造雪的是死去的貓頭鷹。生命旅程，往復不息，“雪”成為引導我們坦然面對死亡的線索。死后的動物化作白色的精靈去云上造雪，美好的想象化解了死亡的傷痛，《是誰造了雪？》因而成為讀者愛不釋手的“生命之書”。

灰?guī)r和白云巖化學溶解效應(yīng)機理相同，都是侵蝕水離解提供的H+同碳酸鹽離解的CO32-相結(jié)合形成弱電解質(zhì)H2CO3，導致灰?guī)r離解［Ca2+］·［CO32-］和白云巖離解［Ca2+Mg2+］·［CO32-］的濃度積減小，化學平衡不斷向離解方向移動的過程，但是由于方解石的晶格能比白云石的晶格能低，與水分子之間形成的電位差大，所以灰?guī)r較白云巖容易遭受溶解。

同時，由于灰?guī)r堅硬具脆性，彈性模量和抗剪強度指標較低，遭受機械荷載時容易破碎，易發(fā)育裂隙，形成比白云巖優(yōu)異的滲流侵蝕條件［11］，從而增大了灰?guī)r的機械破壞量。溶蝕量=溶解量+機械破壞量，因此，灰?guī)r相對白云巖而言更容易發(fā)生溶蝕作用。這就是在灰?guī)r、白云巖互層中，灰?guī)r更容易形成大型溶洞，鉆井中洞穴充填物容易在灰?guī)r中發(fā)育的原因，同時也是灰質(zhì)云巖中容易形成溶孔的原因。

泥微晶云巖不易發(fā)生溶蝕，但石膏（硬石膏）的存在有利于促進其在表生與淺埋藏條件下溶蝕［12］，從而形成溶孔大量發(fā)育的有利層段。其機理為：石膏（CaSO4）晶格能較低，遇水容易發(fā)生離解形成SO42-，SO42-極易跟Mg2+結(jié)合形成溶解度極大的MgSO4，加之SO42-產(chǎn)生的鹽效應(yīng)［13-15］，有利于促進白云巖溶解；另一方面，硬石膏遇水膨脹及石膏溶解造成巖石應(yīng)力場發(fā)生變化，前者對含膏層和上覆巖層造成強烈的擠壓變形和破碎，使上覆巖層脹裂，后者使上覆巖層卸荷失托，形成卸荷裂隙，這一過程增大了巖石的機械破壞作用，利于巖溶水與巖石相互作用，促進溶蝕作用發(fā)生。

白云巖雖然不容易發(fā)生溶蝕作用，但是隨著其晶體結(jié)構(gòu)變粗，白云巖遭受的侵蝕作用明顯增強。這是因為隨著晶體結(jié)構(gòu)變粗，粒間孔隙度增大，白云巖的滲透性增強，侵蝕水流沿晶間孔隙和結(jié)構(gòu)不規(guī)則處擴散-滲透，使得白云石表面結(jié)構(gòu)變得更加疏松，導致大量白云石晶粒隨溶解作用而脫落，從而增加了白云石的物理侵蝕作用，稱之為白云巖的“脫砂”作用［11，16-17］。從而增加了白云石的機械破壞量，使得白云巖的侵蝕作用增強，即為粉細晶及粗晶白云巖中容易形成溶孔的原因。

可以看出，盆地中部存在比南部利于巖溶作用發(fā)育的碳酸鹽巖，因而巖溶作用明顯，溶蝕孔洞發(fā)育。

古地貌不同，水文地質(zhì)條件不同，巖溶作用發(fā)育也不同：巖溶高地通常為巖溶水補給區(qū)，地下水以垂向運動為主，循環(huán)深度較淺，深部巖溶不發(fā)育；巖溶斜坡形成徑流區(qū)，地下水除了垂向滲透外，以水平運動為主，巖溶具層狀分布和垂向上強弱分布的特征；而巖溶盆地則形成排泄區(qū)，地下水以自下而上的垂向運動為主，不利于巖溶發(fā)育［18］。另外，巖溶高地遭受剝蝕強烈，風化殼殘留少，而巖溶斜坡受剝蝕相對較差，風化殼保留較完整，加之巖溶作用有利，易于形成有利的儲集帶。

盆地南部大部分區(qū)域位于巖溶高地，古水流以垂向滲流為主，垂向溶縫發(fā)育居多，又因為剝蝕強烈，保存不佳，所以巖溶結(jié)構(gòu)不易識別或者殘缺；而盆地中部處于巖溶斜坡發(fā)育地帶，古水流以水平徑流為主且剝蝕較弱，因而巖溶保存完整且特征明顯。

因此，碳酸鹽巖物質(zhì)基礎(chǔ)，以及加里東期古地貌的差異使得盆地中、南部巖溶作用發(fā)育存在差異，從而形成了不同的古巖溶特征。

4 巖溶差異的油氣勘探意義

盆地中部碳酸鹽巖以泥微晶云巖為主，但所含石膏可促使白云巖溶解，因而溶蝕孔洞非常發(fā)育；盆地南部溶蝕孔洞發(fā)育在粉細晶云巖或含砂屑粉細晶云巖中，白云巖晶粒越粗越有利于其溶蝕，其灰分含量也有利于溶蝕作用的進行。這就表明巖性和結(jié)構(gòu)影響碳酸鹽巖的溶蝕習性，要加快盆地南部巖溶型儲層的勘探，就要尋找利于溶蝕作用發(fā)生的碳酸鹽巖區(qū)帶，就需要加強盆地南部沉積微相和成巖作用的研究，尋找潮上膏云坪、潮上云膏坪、潮間帶沉積及準同生、早成巖期改造的粗晶粒云巖區(qū)帶，從而確保巖溶作用發(fā)育的有利物質(zhì)基礎(chǔ)。

盆地南部多處于巖溶高地這一不利的古地貌單元，使得巖溶作用以垂直裂縫為主，即使曾經(jīng)形成有利于儲層的巖溶區(qū)帶，往往保存不佳，但從我國貴州、云南等地現(xiàn)今巖溶地貌來看，巖溶高地內(nèi)往往峰叢林立，也存在準斜坡地帶，這些微地貌能夠保留相對較好的風化殼地層，因此準確刻畫盆地南部巖溶古地貌形態(tài)，在巖溶高地內(nèi)尋找利于風化殼保存的微地貌單元，是加快盆地南部風化殼儲集體勘探開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。

古地貌與碳酸鹽巖物質(zhì)基礎(chǔ)從不同的方面影響古巖溶的發(fā)育程度，盆地中部靖邊氣田正好處于古地貌和沉積相雙重有利區(qū)帶，所以成就它成為我國海相地層中的大氣田。由此得到啟示：盆地南部風化殼的勘探既要注重有利沉積微相，同時也要兼顧有利古巖溶微地貌，沉積微相和古巖溶微地貌雙重有利的區(qū)域才是南部風化殼儲層的突破口。

5 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地加里東期古巖溶作用中、南部存在差異，中部溶孔發(fā)育而南部以溶縫發(fā)育為特征，中部巖溶結(jié)構(gòu)明顯且保存完整，南部巖溶結(jié)構(gòu)殘缺不全或結(jié)構(gòu)不易識別，這種差異源于碳酸鹽巖物質(zhì)基礎(chǔ)及加里東期古地貌的差異。

2）盆地中部泥微晶灰質(zhì)云巖和含膏泥微晶云巖有利于溶孔的發(fā)育，且處于巖溶斜坡，風化殼保存較為完整，而盆地南部溶孔主要發(fā)育在粉細晶云巖層段，由于處于巖溶高地，往往形成垂直溶縫，且保存不佳，它們的巖溶機理不同。巖溶作用發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)受控于沉積相和成巖作用，在不利的二級地貌單元中尋找有利的微地貌有賴于古地貌準確詳細的刻畫。

3）要加快盆地南部的勘探開發(fā)步伐，就需要加強盆地南部沉積相，尤其是沉積微相，以及成巖作用的研究，需要準確刻畫盆地南部古巖溶微地貌形態(tài)，在沉積微相和古巖溶微地貌雙重有利的區(qū)域找到突破口。

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Difference analysis of palaeokarst development in middle and south parts of Ordos Basin

Su Zhongtang1，2Chen Hongde1，2Zhao Junxing1，2Li Jie2Xu Qiang2Gao Xing3
(1.State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.No.2 Gas Production Plant, Changqing Oilfield Company,PetroChina,Yulin 719000,China)

The carbonate rocks rebuilt by palaeokarst during Caledonian period are the favorable horizons for the exploration and development of palaeokarst-type gas field.The palaeokarst-type gas field has been discovered in the middle of Ordos Basin.But in the south of the basin,there is no any breakthrough advance though there are rich carbonate rocks.By comparing the characteristics of palaeokarst in the middle with that in the south,it is shown that there are differences:more dissolved pores in the middle,but more dissolved fractures in the south,what′s more,karst structure is relatively clear and complete in the middle.The carbonate rock and Caledonian palaeogeomorphology cause these differences.The forming mechanism of karst shows that micritic to silt-crystalline carbonic dolomite and micritic to silt-crystalline anhydrite dolomite in the middle are favorable to the development of dissolved pore.Fine-crystalline dolomite which is changed by diagenesis in the south is also favorable,but the mechanism is different.The middle part of the basin is located at karstic ramp,while the south part is situated at karstic mesa,where is easy to engender vertical dissolved fracture,difficult to conserve.The carbonate rock is controlled by sedimentary microfacies and diagenesis,while favorable micro-topography is dependent on the accurate palaeogeomorphology,so favorable microfacies,diagenesis and good microtopography shape are the target horizons to explore in the south of Ordos Basin.Further studies on the sedimentary microfacies, diagenesis and micro-topography shape of palaeokarst are the keys of exploration and development in this area.

palaeokarst,mechanism of karst,difference,Caledonian period,Ordos Basin.

TE121.3+1

A

2009-11-13；改回日期：2010-07-10。

蘇中堂，男，1981年生，博士研究生，主要從事碳酸鹽巖沉積地質(zhì)與儲層方面的研究工作。E-mail：xiongwei3279@sina.com。

（編輯 王淑玉）

1005-8907（2010）05-542-06

蘇中堂，陳洪德，趙俊興，等.鄂爾多斯盆地中、南部古巖溶發(fā)育差異性分析［J］.斷塊油氣田，2010，17（5）：542-547.

Su Zhongtang，Chen Hongde，Zhao Junxing，et al.Difference analysis of palaeokarst development in middle and south parts of Ordos Basin［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：542-547.