塔里木盆地奧陶系層間巖溶野外剖面及巖溶特征

鄭開兵，劉建峰

（中國石油西部鉆探工程有限公司試油公司，新疆克拉瑪依834000）

巖溶儲(chǔ)層是海相含油氣盆地重要的儲(chǔ)層類型之一，以溶蝕孔洞及裂縫為儲(chǔ)集空間，是油氣富集的有利場所，也是油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域[1]。塔里木盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)的南部，是我國最大的內(nèi)陸盆地，其演化歷史從震旦紀(jì)至第四紀(jì)，為一個(gè)大型復(fù)合、疊合盆地，海相地層發(fā)育，油氣資源豐富。近年來塔里木盆地碳酸鹽巖油氣田勘探突破得益于勘探技術(shù)的進(jìn)步和研發(fā)力度的加強(qiáng)，在碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究方面得到儲(chǔ)層理論研究新進(jìn)展的指導(dǎo)和支撐，這些研究極大地拓展了油氣的勘探范圍和有效儲(chǔ)層的預(yù)測精度，有力地支持了近期碳酸鹽巖油氣勘探，特別是塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖大面積富含油氣的發(fā)現(xiàn)，得益于層間巖溶儲(chǔ)層研究開拓性進(jìn)展[2]。

伊碩等[3]針對塔里木盆地奧陶系層間巖溶的差異性，研究了塔北、塔中和塔西南巖溶發(fā)育區(qū)的古巖溶儲(chǔ)層差異及其機(jī)理，闡明了構(gòu)造和沉積作用是造成塔里木盆地古巖溶差異性的重要原因。

韓劍發(fā)等[4]針對塔里木盆地碳酸鹽巖臺地洞穴、溶蝕孔洞及裂縫發(fā)育特征及巖溶縫洞的形成問題，基于野外露頭及井下特征、巖樣分析等方法，揭示了巖溶分布規(guī)律，提出了疊合復(fù)合巖溶縫洞型系統(tǒng)是勘探的有利區(qū)域。

陳紅漢等[5]針對塔中地區(qū)北坡中‐下奧陶統(tǒng)早成巖巖溶作用及形成模式問題，采用巖心、薄片巖石學(xué)和陰極發(fā)光觀察等方法，結(jié)合古地貌恢復(fù)，建立了“準(zhǔn)層狀”層間巖溶發(fā)育模式概念，認(rèn)為早期巖溶儲(chǔ)層膠結(jié)嚴(yán)重，后期疊加后深層層間巖溶物性較高，是未來的勘探方向。

孫崇浩等[6]針對塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)超深碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層特征及主控因素識別，通過巖心、薄片、鉆井及成像測井等資料研究，建立了超深縫洞型碳酸鹽巖的儲(chǔ)集層發(fā)育模式，明確了儲(chǔ)層主要發(fā)育在奧陶系一間房組和鷹山組，受控于層間巖溶和斷裂改造。

廖濤等[7]針對塔北碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，以塔北奧陶系古巖溶露頭為指導(dǎo)，結(jié)合儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)方法，明確了巖溶內(nèi)幕區(qū)不同縫洞系統(tǒng)受古水系、斷了等影響后發(fā)育特征。

胡昊等[8]針對塔中奧陶系鷹山組儲(chǔ)層特征差異大、主控因素認(rèn)識不清的問題，通過對層間巖溶概念的重新厘定，分析了井下巖溶型儲(chǔ)集層特征，建立了儲(chǔ)層分布模式。

綜上所述，塔里木盆地塔中、塔北層間巖溶的研究取得了大量的成果，并廣泛運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)[9‐10]。但勘探實(shí)踐表明，塔中層間巖溶與塔北風(fēng)化殼巖溶模式具有較大的差別，塔北風(fēng)化殼頂面為寒武系或奧陶系，上覆地層為白堊系，缺失奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系，而塔中地區(qū)的風(fēng)化殼暴露的沉積間斷，僅缺失中奧陶統(tǒng)一間房組、吐木休克組[11‐12]。二者的根本差別決定了在塔北研究比較成熟的風(fēng)化殼巖溶模式的規(guī)律無法直接套用在塔中的層間巖溶模式中。

層間巖溶平面分布的主控因素，即造成塔中鷹山組頂面暴露沉積間斷的原因有待于進(jìn)一步厘定，以及塔中層間巖溶的發(fā)育模式有待系統(tǒng)建立。因此，針對塔里木盆地奧陶系層間巖溶區(qū)域差別的現(xiàn)象，以野外地質(zhì)觀察為基礎(chǔ)，建立層間巖溶識別標(biāo)志圖版，為全面了解塔里木盆地的儲(chǔ)層成因類型、成因機(jī)理，以及儲(chǔ)層預(yù)測提供依據(jù)。

1 野外研究剖面的擬定

依據(jù)地質(zhì)、地形圖的解讀（主要利用地質(zhì)圖觀察構(gòu)造、地層發(fā)育情況，尋找奧陶系地層發(fā)育齊全和有地層缺失的剖面位置，分別對其觀察并進(jìn)行對比分析），結(jié)合Google earth提供的圖像信息（主要通過觀察衛(wèi)星照片中的地層變化來大致確定奧陶系各組發(fā)育及展布情況）確定地層缺失關(guān)系（見表 1）[13]。

表1 露頭區(qū)奧陶系內(nèi)部及其與上覆地層之間的地層缺失情況Table 1 Strata missing between ordovician and overlying strata in outcrop area

由東至西，從南至北選擇羊吉坎、托普朗、達(dá)坂塔格、一間房、三間房、五道班、西克爾；柯坪水泥廠、蓋孜力克南；蓬萊壩、大灣溝、鷹山北坡、鐵熱克阿瓦提；庫木布隆、巴沙克瑪、喀漠什托、阿克布隆、同古四不隆、瓊皮什、塔木東20條剖面進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查研究。

2 傳統(tǒng)風(fēng)化殼巖溶野外剖面及典型特征

傳統(tǒng)風(fēng)化殼巖溶為碳酸鹽巖，因構(gòu)造抬升長期暴露于地表，大氣淡水滲入循環(huán)。其中，伴隨風(fēng)化殼形成而發(fā)育的巖溶，它一般都伴隨長時(shí)間的沉積間斷，地層缺失跨系。在已考察剖面中，這一巖溶現(xiàn)象主要在巴沙克瑪剖面較為發(fā)育。

風(fēng)化殼巖溶發(fā)育于奧陶系與石炭系的不整合接觸附近（見圖1（a））。不整合上覆地層為石炭系烏什組（C12），巖性為中厚層灰黑色，深灰色灰?guī)r夾含灰質(zhì)砂巖，產(chǎn)狀為293°∠24°；下伏地層為奧陶系鷹山組，巖性從下到上為中厚‐厚層淺灰色細(xì)晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r‐深灰色巨厚層泥質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，產(chǎn)狀為 254°∠17°。

圖1 巴沙克瑪剖面Fig.1 Basak Mar profile

在不整合面附近可見石炭系地層直接覆蓋在奧陶系鷹山組不同地層之上，由地層產(chǎn)狀測量及這一接觸關(guān)系可判定此不整合為角度不整合，據(jù)前人研究推測，其沉積間斷約為120 Ma。此外，在不整合面附近可見石炭系沉積物沿裂隙插入奧陶系鷹山組地層中（見圖1（b）），這一現(xiàn)象表明在石炭系地層沉積之前鷹山組已經(jīng)存在裂隙。而這一裂隙并不平直，與其它裂隙也無明顯構(gòu)造關(guān)系，考慮到鷹山組與石炭系之間沉積間斷時(shí)間較長，推測其極可能是風(fēng)化作用形成的。綜合分析鷹山組裂隙產(chǎn)狀，可知其以垂直裂隙為主，裂隙內(nèi)充填白色方解石（見圖 1（c））。

鷹山組溶孔發(fā)育，孔內(nèi)充填方解石（見圖1（d）），可見大型溶洞（見圖1（e-f）），溶洞高10.6 m，寬26 m，洞內(nèi)充填角礫（角礫成分單一，主要為灰?guī)r；磨圓棱角狀、次棱角狀、次圓狀均可見；具一定結(jié)構(gòu)分選性，但角礫大小差別不大，為3～10 mm，礫石表面有風(fēng)化殘積的鐵、泥質(zhì)殼），礫巖與圍巖邊緣清晰，洞壁具溶蝕現(xiàn)象和一定生長結(jié)構(gòu)，位于斜坡與高地之間，成層性不好。通過對洞內(nèi)及洞外鷹山組和烏什組地層產(chǎn)狀測量（洞內(nèi)礫巖產(chǎn)狀285°∠29°；烏 什組 地 層產(chǎn) 狀 292°∠24°；鷹 山 組 254°∠17°），可知三者產(chǎn)狀均不相同。綜合分析可推測此溶洞為古溶洞，形成于水平潛流帶，磨圓是地下暗河作用引起的。

在塔里木盆地，部分傳統(tǒng)風(fēng)化殼巖溶其規(guī)模較小，發(fā)育部位地層缺失所對應(yīng)的沉積間斷時(shí)間較短。一般發(fā)育在平行不整合面之下，地層一般是系內(nèi)、跨組缺失，這一巖溶現(xiàn)象在西克爾剖面和五道班剖面均有發(fā)育。

3 層間巖溶野外剖面考察及典型特征

目前已經(jīng)確認(rèn)的塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖層間巖溶作用主要有：Ⅰ蓬萊壩組頂，上覆鷹山組；Ⅱ鷹山組頂-一間房組頂，上覆良里塔格或吐木休克組；Ⅲ良里塔格組頂，上覆桑塔木組的層間巖溶。在已考察剖面中，主要觀察到了第I幕蓬萊壩組頂（上覆鷹山組）的層間巖溶——蓬萊壩剖面、柯坪水泥廠剖面和第II幕一間房組頂（上覆吐木休克組）的層間巖溶——伽師三間房剖面。

3.1 蓬萊壩剖面沉積間斷特點(diǎn)及巖溶發(fā)育特征

3.1.1 蓬萊壩剖面沉積間斷及巖溶發(fā)育現(xiàn)象野外觀察 蓬萊壩1號剖面在蓬萊壩組與鷹山組之間可見明顯的不整合（見圖2（a））。不整合上覆地層鷹山組以填平補(bǔ)齊的方式覆蓋于蓬萊壩組之上，巖性主要是薄層灰色泥晶灰?guī)r，產(chǎn)狀為128°∠45°，未見到大型褶皺和斷裂發(fā)育，表明其地層沉積過程中受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響不大；下伏地層蓬萊壩組，巖性主要為薄‐中層灰白色白云巖，風(fēng)化較為嚴(yán)重，產(chǎn)狀為120°∠41°。兩者產(chǎn)狀基本一致，結(jié)合前人研究（蓬萊壩組與鷹山組之間缺少兩個(gè)化石帶）可知，兩者為平行不整合接觸。由鄧勝徽等[14‐15]對鷹山北坡剖面的蓬萊壩組與鷹山組地層缺失情況的研究，可推測此區(qū)蓬萊壩組與鷹山組之間有大致相當(dāng)于7.2 Ma的地層缺失量。

在不整合面之下的蓬萊壩組巖溶垂向分帶清楚，從上到下依次為結(jié)核壚坶帶、風(fēng)化裂隙帶和溶蝕孔洞帶[16‐17]。其中，結(jié)核壚坶帶內(nèi)頂部有一層古土壤，可見較為清晰的紋理，其頂部具清晰的侵蝕面（見圖2（b）），原巖風(fēng)化殘余呈結(jié)核狀（紫紅色）（見圖2（c））；風(fēng)化裂隙帶發(fā)育大量風(fēng)化裂隙（見圖2（d-e）），部分被泥質(zhì)、方解石充填，可見溶孔；溶蝕孔洞帶，可見成層分布的溶孔，發(fā)育有溶洞，部分被泥質(zhì)、方解石充填，但溶洞規(guī)模較小，為30～40 cm（見圖2（f）），各溶洞之間連通性不好。

圖2 蓬萊壩1號剖面Fig.2 The No.1 profile of Penglaiba

結(jié)合上述分帶特征，在1號剖面發(fā)育三期層間巖溶，分別對其進(jìn)行了精細(xì)測量可知：

（1）I期。結(jié)核壚坶帶厚1.9 m，風(fēng)化裂隙帶厚3.3 m，溶蝕孔洞帶厚11.1 m；溶蝕孔洞帶面孔率估計(jì)：孔洞最大為5 cm×4 cm，最小為1 cm×1 cm，普遍為 3 cm×2 cm（見圖 3（a）），孔洞連通性好，孔洞內(nèi)充填硅質(zhì)、泥質(zhì)、方解石。

（2）II期。結(jié)核壚坶帶厚2.9 m，風(fēng)化裂隙帶厚1.85 m，溶蝕孔洞帶厚17.75 m；溶蝕孔洞帶面孔率估計(jì)：孔洞最大為3 cm×2 cm，最小為1 cm×1 cm，普遍為2 cm×1.5 cm（見圖3（b）），孔洞連通性好，洞內(nèi)多充填硅質(zhì)（見圖3（c）），部分呈葡萄狀。

（3）III期。結(jié)核壚坶帶厚2.8 m，風(fēng)化裂隙帶厚3m，溶蝕孔洞帶厚10 m；溶蝕孔洞帶面孔率估計(jì)：孔洞最大為5 cm×1 cm，最小為1 cm×1 cm，普遍為 3 cm×2 cm（見圖3（d）），孔洞連通性好，充填方解石）。

圖3 蓬萊壩1號剖面（發(fā)育三期）Fig.3 The No.1 profile of Penglaiba（I-III）

3.1.2 蓬萊壩剖面巖溶的鏡下特征 蓬萊壩剖面巖心鏡下特征如圖4所示。

圖4 蓬萊壩剖面巖心鏡下特征Fig.4 Identification of Penglaiba under the core microscope

由圖4可見，蓬萊壩剖面結(jié)核壚坶帶可見明顯的風(fēng)化殘積現(xiàn)象（見圖4（a）），在BSE下觀察可見明顯的鐵質(zhì)殘余（見圖4（b）），鐵質(zhì)殘余周圍可見硅質(zhì)環(huán)帶（見圖4（c））。白云巖內(nèi)可見裂隙充填白云石、方解石（見圖4（d）），這種接觸關(guān)系在BSE下觀察更為清晰可見（見圖4（e））。白云巖內(nèi)可見方解石脈體，同時(shí)可見明顯環(huán)帶（見圖4（f）），很可能代表淡水淋濾的多期作用。白云巖內(nèi)可見裂隙未被完全充填（見圖4（g））。同時(shí)白云巖內(nèi)可見溶孔充填石英（見圖4（h））、半充填白云石（見圖4（i）），溶孔邊界模糊不清，可能為淡水淋濾作用形成的。

3.2 柯坪水泥廠剖面沉積間斷特點(diǎn)及巖溶發(fā)育特征

3.2.1 柯坪水泥廠剖面沉積間斷及巖溶發(fā)育現(xiàn)象野外觀察 在該剖面，蓬萊壩組與鷹山組之間可見明顯的不整合（見圖5（a））。不整合上覆地層鷹山組以填平補(bǔ)齊的方式覆蓋于蓬萊壩組之上，巖性主要是薄層灰色泥晶灰?guī)r。通過詳細(xì)的觀察，發(fā)現(xiàn)在蓬萊壩組內(nèi)部主要發(fā)育五個(gè)期次的層間巖溶（按地層從新到老進(jìn)行巖溶期次編號）。

圖5 柯坪水泥廠剖面Fig.5 Keping cement plant profile

第1個(gè)期次。層號：103-101，分帶：風(fēng)化殘積帶0.4 m，裂隙帶0.5 m，孔洞帶大于1.5 m，各種洞順層分布，部分被熱液改造。

第2個(gè)期次。層號：95-96，可細(xì)分為3期，分帶：I期結(jié)核壚坶帶厚約0.15 m（風(fēng)化殘積物為硅質(zhì)），風(fēng)化裂隙帶厚約0.80 m，溶蝕孔洞帶厚約0.45 m；II期結(jié)核壚坶帶（見圖5（b））厚約0.40 m，風(fēng)化裂隙帶和溶蝕孔洞帶分帶不清，總厚0.90 m；III期結(jié)核壚坶帶（見圖5（c））厚約0.45 m，風(fēng)化裂隙帶厚約2.50 m，溶蝕孔洞帶厚約9 m。

第3個(gè)期次。層號：91-90，分帶：結(jié)核壚坶帶厚約0.2 m，風(fēng)化裂隙帶厚約0.4 m，溶蝕孔洞帶厚約1.5 m。

第4個(gè)期次。層號：40-43，可細(xì)分為2期，分帶：I期結(jié)核壚坶帶厚約0.4 m，風(fēng)化裂隙帶厚約1.5 m，溶蝕孔洞帶厚約3 m；II期結(jié)核壚坶帶厚約0.2 m（最大起伏可達(dá)0.4 m），風(fēng)化裂隙帶厚約0.4 m，溶蝕孔洞帶厚約5 m，普遍發(fā)育溶孔，但不密集，連通性好，孔洞最大6 cm×1 cm，最小為0.5 cm×0.5 cm，普遍為5 cm×0.5 cm。

第5個(gè)期次。風(fēng)化殼之下可細(xì)分為2期，分帶：I期結(jié)核壚坶帶（見圖5（d-e））厚約0.3 m（起伏最大至0.6 m），風(fēng)化裂隙帶厚約0.7 m，溶蝕孔洞帶厚約2.8 m，面孔率估計(jì)（見圖5（f））：孔洞最大5 cm×3 cm，最小為0.5 cm×0.5 cm，普遍為4 cm×1 cm，溶孔形狀不規(guī)則，充填硅質(zhì)泥質(zhì)，以硅質(zhì)為主；II期結(jié)核壚坶帶厚約1.5 m，風(fēng)化裂隙帶厚約0.5 m，溶蝕孔洞帶厚約3 m。

3.2.2 柯坪水泥廠剖面巖溶鏡下特征 柯坪水泥廠剖面結(jié)核壚坶帶可見明顯的風(fēng)化殘積現(xiàn)象（見圖6（a）），細(xì)晶白云巖中可見中晶白云石脈體，脈體邊界不清（見圖6（b）），亮晶砂屑灰?guī)r中可見孔洞充填方解石（見圖6（c））。在鑄體薄片中，細(xì)晶白云巖內(nèi)可見明顯的未被充填裂隙（見圖6（d）），亮晶砂屑灰?guī)r中可見未被充填的溶孔（見圖6（e）），中晶白云巖中可見未被充填溶孔（見圖6（f））。

圖6 柯坪水泥廠剖面巖心鏡下特征Fig.6 Identification of Keping cement plant profile under core microscope

3.3 鷹山北坡剖面沉積間斷特點(diǎn)及巖溶發(fā)育特征

鷹山北坡剖面在蓬萊壩組與鷹山組之間可見明顯的不整合（見圖7（a））。不整合上覆地層鷹山組以填平補(bǔ)齊的方式覆蓋于蓬萊壩組之上，鷹山組巖性主要為灰色薄層泥晶灰?guī)r，與蓬萊壩剖面相似，該剖面未見大型褶皺和斷裂發(fā)育，表明其地層沉積過程中受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響不大；下伏地層蓬萊壩組巖性與蓬萊壩剖面蓬萊壩組相比，灰質(zhì)成分明顯增多。

3.3.1 鷹山北坡剖面沉積間斷及巖溶發(fā)育現(xiàn)象野外觀察 鷹山北坡不整合面之下的蓬萊壩組可見明顯的巖溶垂向分帶性。從上到下依次可見風(fēng)化殘積的硅質(zhì)（見圖7（b））、泥質(zhì)充填的風(fēng)化裂隙（見圖7（c））、成層分布的溶孔（見圖 7（d））及小規(guī)模溶洞（見圖7（e））。成層分布的溶孔內(nèi)充填物質(zhì)主要為泥質(zhì)，近觀可見溶洞（見圖7（f））內(nèi)充填物質(zhì)外側(cè)為泥質(zhì)（可見鐵質(zhì)混染），內(nèi)側(cè)主要為硅質(zhì)。

3.3.2 鷹山北坡剖面巖溶鏡下特征 巖石內(nèi)可見明顯的風(fēng)化殘余泥質(zhì)混染現(xiàn)象（見圖8（a）），細(xì)晶白云巖內(nèi)可見裂隙充填方解石（見圖8（b））、白云石（見圖8（c））。泥晶灰?guī)r內(nèi)可見明顯溶蝕現(xiàn)象，孔洞內(nèi)充填顆粒較大的方解石（見圖8（d）），細(xì)晶白云巖內(nèi)可見大量未被充填的溶孔（見圖8（e））。局部巖石遭受強(qiáng)烈硅化作用，只保留原來的砂屑幻影（見圖 8（f））。

圖8 鷹山北坡剖面巖心鏡下特征Fig.8 Identification of Yingshan north slope profile under core microscope

4 結(jié) 論

（1）通過對野外發(fā)育層間巖溶剖面的系統(tǒng)觀察可知，層間巖溶具有明顯的垂向分帶性。單個(gè)層間巖溶從上到下依次為結(jié)核壚坶帶（殘積帶）、風(fēng)化裂隙帶（滲流帶）和溶蝕孔洞帶（潛流帶）。其中，結(jié)核壚坶帶規(guī)模較小，通常厚1～2 m或數(shù)十厘米；溶蝕孔洞帶在單個(gè)層間巖溶中所占厚度比例最大，同時(shí)也是構(gòu)成層間巖溶型儲(chǔ)層的主力。在溶蝕孔洞帶中，可見成層分布的溶孔，發(fā)育有溶洞（部分被泥質(zhì)、方解石充填），溶洞規(guī)模較小，為30～40 cm，各溶洞之間連通性較差。

（2）與傳統(tǒng)風(fēng)化殼巖溶明顯不同的是層間巖溶可發(fā)育多期旋回，由多個(gè)旋回構(gòu)成總厚度達(dá)數(shù)十米的層間巖溶發(fā)育帶，從而形成有利儲(chǔ)層帶。如在蓬萊壩系列剖面，層間巖溶最發(fā)育的剖面，其層間巖溶發(fā)育帶厚度達(dá)89.2 m，由7期層間巖溶構(gòu)成。這種頻繁出現(xiàn)的旋回與海平面的短期升降變化有關(guān)，一期海平面升降可以形成一期層間巖溶，而多期海平面升降就形成了連續(xù)發(fā)育的多期層間巖溶。