断裂及成岩作用对塔中奥陶系岩溶发育影响

方秀泽 范柱国

摘      要： 为明确塔中西部奥陶系鹰山组岩溶发育特征及沉积机理，通过岩心、薄片、野外露头和成像测井等资料的分析，识别了研究区主要的储集类型，镜下薄片观察出晶间孔、粒间孔、粒内溶孔、微裂缝等储集类型，发现了构造裂缝、缝合线、溶洞、针状和层状溶孔等接触类型。分析了断裂裂缝以及沉积微相对岩溶发育的影响，断层和断陷是溶洞崩塌最直接的产物，综合分析建立了鹰山组岩溶发育模型。该模型表明塔中鹰山组上部主要发育两套广泛分布的岩溶层，分别受顶部不整合和潛水面的控制。不整合面附近的大型溶洞被破坏充填严重，其下覆地层内的缝洞体系距不整合面较近，缺乏盖层，不能很好地储存油气。而潜水面附近产生的溶洞被角砾岩充填后，其洞底多被块状泥砂充填，形成对下覆地层发育的串珠状溶洞以及缝洞体形成良好的盖层，更易形成油气藏。对岩溶发育进一步认识能为水平井轨迹调整以及提高水平井储层钻遇率提供指导。

关  键  词：奥陶系;碳酸盐岩;岩溶作用;岩溶模式

中图分类号：P542           文献标识码： A      文章编号： 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

断层和裂缝也是促进岩溶发育的重要因素，尤其是在台地内部原始渗透性极差的沉积体中，对岩溶作用的促进至关重要[1]。沟通至深部的断层本身就是大气淡水的良好通道，促使大气淡水从地表经由断层向更深部的地层渗透溶蚀，裂缝通常发育在断层附近和断层的伴生背斜顶部[2]。前人研究发现，背斜的顶部通常发育与层面近垂直的张性裂缝和高角度的剪性裂缝，褶皱的底部则通常发育与层面近平行的张性裂缝和少量中等角度的剪性裂缝[3-4]。在逆冲断层附近通常也是高角度裂缝发育的有利场所，统计表明，逆冲断层的上盘裂缝密度大于下盘，且离断面越近的地层裂缝密度越大[5]。塔中地区东部岩溶区逆冲断裂带密集发育，在断层面附近和断隆背斜上部都是潜在较好的裂缝发育区，这些断层及裂缝的发育大大促进了大气淡水从地表向地层中渗透作用，进而对岩溶的深度和广度起到积极的影响[6-7]。塔中地区取芯井能够取得鹰山组的岩心不多，且有的破碎严重，但是通过对这些岩心的观察，可以看到研究区目的层段的裂缝非常发育，且种类多样[8]。

1  裂缝与岩溶关系

碳酸盐岩镜下薄片的观察可以更加细致地分析研究裂缝发育的特征，图1为塔中奥陶系目的层段取芯井的岩心制作的薄片，通过薄片观察，可以进一步研究该地区裂缝的发育情况。照片A-D都有明显的构造裂缝发育，其中照片A中发育两期构造缝，一期被亮晶方解石完全充填，并被另一期未被充填的构造缝切割;照片B发育两条近似平行的未被充填的构造缝，缝宽较小;照片C隐藻灰岩中可见少量细小的自生适应，可见一条被方解石充填的裂缝和两条未被完全充填的裂缝，缝宽约为0.02 mm;照片D有一条较宽的构造缝发育，该构造缝被亮晶方解石及沥青质充填，里边可见微小溶孔;照片E发育有压溶缝和构造微裂缝，压溶缝部分被充填;照片F发育有数条压溶缝，压溶缝充填有部分泥质、白云石和少量铁质，此外还有构造缝沿溶蚀缝发育，构造缝充填微量泥质，属于有效缝;照片G也发育有构造微缝和压溶缝，其中构造微缝有2组，切穿压溶缝，压溶缝被泥质充填，为无效缝;照片H发育压溶缝，被泥质和沥青质充填;照片I为锯齿状的缝合线，缝面弯曲。

通过上面岩心照片以及镜下薄片的分析可以看出盆内构造裂缝和非构造裂缝都很发育，其中非构造裂缝主要分为三类：缝合线、成岩收缩缝、风化裂缝。缝合线主要是岩石受挤压作用压溶形成，多被不易溶解的泥质、有机质残留物等充填，几乎没有储集意义，但少数开启的缝合线能成为次要的储集空间;成岩收缩缝是在成岩早期岩石脱水收缩形成，发育规模小，但如果后期溶蚀作用强烈的话，容易形成溶蚀缝洞，可以成为很好的储渗空间。风化裂缝主要位于奥陶系风化剥蚀面附近，是在加里东运动后，塔中地区隆升，灰岩长期暴露遭受风化剥蚀的结果，岩石破裂，裂缝发育，但不规则，当发育密集时发生角砾化。裂缝内充填方解石和泥质，对于未完全充填的裂缝可以成为很好的储层。

通过统计分析裂缝缝的走向，经处理统计得到裂缝走向主要以北东30°～75°为主，与北东向古地应力方向一致，裂缝走向与断裂走向有很大的相关性。在岩溶体系的刻画过程中发现，鹰山组岩溶储层以裂缝和溶孔复合相的孔渗性最好，且多有油气显示。塔中地区鹰山组发育南西-北东向走滑断裂，与之伴生的裂缝成为鹰山组岩溶储层中重要的流体通道。

对于塔中地区断裂和裂缝，大量学者做过研究表明裂缝是岩溶作用发生和演化的必要条件。因为断裂活动时期，断层上下两盘相互错动，造成了岩层的张裂、破碎，使得断裂带内的孔隙度和渗透率产生不同程度的增大变化，这不仅是地下流体的有利运移通道，也是有其运移的主要通道。特别是在断裂交汇处，岩溶作用形成的储集层物性更好。深大断裂一方面可以作为深部热液上涌的通道，另一方面断裂联通地表，加大表生岩溶作用改造的深度。特别是沿着走滑断裂产生的裂缝，容易形成裂缝-孔洞复合型的储层。

2  成岩作用对岩溶发育的影响

在大量岩石薄片和阴极发光薄片观察的基础上进行分析归纳发现，鹰山组储层受成岩作用改造作用明显。除了鹰山组主要的表生成岩作用之外，还有海水胶结作用和埋藏胶结作用对储集空间的改造作用[9-10]。

2.1  海水成岩作用

从碳酸盐岩颗粒的分布特征来看，颗粒间的接触关系以点接触或不接触的漂浮状态出现，颗粒间的胶结物呈放射状出现。尽管经历了长时间的演化，颗粒间的接触关系变化不大，因此认为胶结物形成的时间较早，为早期海水胶结成因（图2 A）。同时，塔中地区鹰山组阴极发光薄片显示胶结物与颗粒相比，发光现象极弱甚至不发光。一般情况下，由于浅海环境中碳酸盐岩为高Sr低Mn的特征且沉积水体的氧化性较强，因此在早期海水环境中形成的胶结物具有极弱的阴极发光性甚至不发光，相比颗粒，胶结物的阴极发光更弱（图2B）。

2.2  埋藏成岩作用

除了奥陶世末期的抬升剥蚀作用外，塔中地区鹰山组碳酸盐岩大部分时间都受埋藏成岩作用的影响，使储集空间发生改造[11]。

压实作用：缝合线是压实作用的产物和直接证据，在大量岩心和薄片中均可观察到。缝合线是岩石随着埋深的加深，受其上覆沉积物负荷作用，在压力和孔隙流体的共同作用下，岩石本身易溶的矿物颗粒发生的溶解现象。被溶解的物质随流体流走或者沉淀于其他颗粒表面，于是形成锯齿状的缝合线构造。一般缝合线的锯齿尖端指向受力方向，锯齿的高低反映压溶的程度。岩心上觀察到的缝合线多数呈水平状分布，特别是在岩性界面处更为发育，基本与岩性界面平行（图3A），是上覆地层压实压溶作用的产物。网状交错的缝合线发育相对比较密集，彼此交错形成网状，在岩心和薄片上均有体现（图3 B、3C），说明缝合线是伴随着构造裂缝而产生，与岩石剪应力压实压溶有关。塔中地区鹰山组地层中，在岩石薄片上可以看到缝合线局部有黑色沥青质物质的存在（图3 D），说明在烃类运移的过程中，缝合线作为有效的运输通道。

胶结作用：塔中地区鹰山组碳酸盐岩受奥陶纪末期表生岩溶作用形成的溶洞溶孔在后期埋藏过程中逐渐被方解石充填且包括多期方解石胶结物。通过溶洞内方解石阴极发光薄片的观察和分析发现，可以将塔中地区鹰山组溶孔中的充填方解石划分为四期（图4）。

第一期（C1）具有暗红色阴极发光特征，主要为放射状或针状的方解石胶结物。第二期（C2）具有亮红色边缘的极弱阴极发光特征，为细粒亮晶方解石胶结物。第三期（C3）与第二期（C2）胶结物相比晶粒变粗，也是具有亮红色边缘的极弱阴极发光特征。第四期（C4）为亮红色极强的阴极发光特征，充填于溶孔的残余空间内，为边界清晰的粗晶方解石胶结物。

埋藏白云岩化作用：白云岩化是塔中地区鹰山组碳酸盐岩中普遍存在的成岩现象之一，特别是在鹰山组鹰三段、鹰四段中。岩心上，鹰山组白云岩成斑块状出现，多成深灰色或灰色（图5 A），薄片中可以看到斑状白云岩晶体与缝合线的关系密切，常见与缝合线半生的结晶程度较高、晶型完整的白云石晶体（图5 B、图5C），这种密切关系从一定程度上说明，白云化作用可能与埋藏过程中缝合线的发育有关。

3  鹰山组岩溶发育模式

3.1  Loucks岩溶发育模式理论

Loucks建立的表生岩溶环境下的洞穴发育以及洞穴在埋藏环境中的演变模式具有较好的代表性，他提出了与形成溶洞的岩石物理性质无关的溶洞体系，主要由岩溶通道和溶洞崩塌再沉积、埋藏、胶结形成的储层体系。认为这种储层的孔隙网络并非一个单独的溶洞形成的孔隙，而是与岩溶作用相关的溶蚀孔隙和溶洞崩塌形成的岩溶角砾间孔隙、裂缝等共同组成的孔隙网络[12]。

近地表潜流带或渗流带溶解是岩溶通道形成的初期形式。岩石的层理面或裂缝被地下水充注，会进一步溶蚀形成落水洞。5～10 mm直径的裂隙被认为是有效的通道。达到这一直径的溶缝，流体速度增加，就能够运送沉积物。如果不能达到这一直径，这样的溶缝就会慢慢关闭、废弃。流体流速增加，就能够向更深的岩层渗透，保持化学物质的活跃性，促进溶蚀通道的进一步发育。在裂缝密度小的情况下，会发育纵向溶缝，横向连通性受制约。

当区域水位下降时，潜水面也会随之下降，这样原来的潜流带的岩层就会下降到渗流带，渗流带的流体又进一步溶蚀形成岩溶通道和纵向溶蚀谷。这些都变成了连接地表和潜流带的沉积物运输通道。先前的潜流带在渗流带进一步溶蚀形成溶洞、或崩塌的溶洞顶、溶洞壁。有时候潜流带的岩溶通道被废弃。在实际观察中看到过渗流带里发育的纵向的岩溶烟囱联通了废弃的潜流带岩溶通道。也有地下水位上升的情况，这样先前的潜流带被废弃，在更浅的地方发育新的潜流带，叠加在旧的之上。原先的渗流带就会变成新的潜流带进一步溶蚀。地层中，潜水面会不断地上升和下降，潜水面的下降会造成岩溶通道的联通。

在Loucks的岩溶模式中，不仅强调了裂缝对地下流体的疏导作用，同时他更强调了溶洞崩塌产生的裂缝具有不可忽略的地位。他认为洞顶和洞壁受上覆岩层的重力，有溶孔的地方会形成拉张的穹顶和剪切力的最大受力区。随着溶洞的崩塌，这些应力会释放出来。潜流带，地下水对于洞壁承担了一定的浮力，当潜流带变成渗流带，这一部分支撑力消失从而使洞壁崩塌。洞顶和洞壁的崩塌的直接产物是岩溶角砾。

断层和断陷是溶洞崩塌最直接的产物，崩塌之后断裂带的延伸范围要比之前广得多。随着崩塌溶洞的埋藏和压实，原来的大角砾和大孔隙进一步变为小粒屑和小孔隙，机械压实还会造成粒屑之间的化学胶结，充填颗粒间的孔隙。随着埋藏的加深，洞穴周围的裂缝会进一步发育，这样原来的溶洞体系又转变成裂缝发育层覆盖的溶洞角砾岩层。洞顶应力释放产生具有裂缝的碎屑颗粒，这种碎裂岩层发散的范围比较大，不仅容易识别，还为渗流带的流体提供通道。

3.2  塔中奥陶系岩溶模式

对于质纯层厚且原始渗透性较差的碳酸盐岩，溶蚀作用的发生受断裂和裂缝的主要控制。特别是在垂直渗流带中，高角度的裂缝多发生沿着裂缝面的扩溶现象。地下溶蚀性流体运动形式也受控于裂缝的产状，多以近垂直的方向流动，随着溶蚀作用的持续进行使裂缝溶蚀程度增强，甚至可以形成溶洞，在致密高阻层段中，特别是以发育台内潟湖、台内洼地相为主的地层中，一般溶蚀成洞的概率相对较低，非均质性强，方向性强，一旦形成溶洞，往往洞的规模较大，且通过成像测井分析可以刻画洞内充填的序列特征。白云岩的溶蚀是鹰山组下部地层鹰三段、鹰四段中的主要溶蚀形式，尽管钻井揭示的鹰山组下部地层有限，通过薄片观察发现，质纯的白云岩具有孔渗性好的基质特征，溶蚀作用主要表现为掩饰格架间空隙或晶间空隙的扩散溶蚀作用，且产生的孔隙度较大，整体溶蚀程度高，成洞的概率较高，岩心上揭示的白云岩的溶洞规模相对较小。深部白云岩的溶蚀受岩石温度、压力效应的影响高于方解石。

鹰山组岩溶储层的发育受构造变形与溶蚀作用多种因素的影响，与所处的古地貌具有一定的联系，位于构造轴部的区域例如塔中10号断裂带上，岩溶作用强烈，裂缝发育，溶蚀作用强，岩溶形成的储集体抗变形的能力比较差，沿着裂缝带易发育储集空间，是岩溶储层呈现分带的特征。不整合、岩溶古地貌、沉积相、三级层序及断裂对塔中地区鹰山组岩溶储层发育的均有不同程度的控制作用。建立鹰山组岩溶储层的发育模式，认为鹰山组沉积晚期，开阔台地相的颗粒灰岩为岩溶储层的发育提供了物质基础。大型溶洞的发育受鹰山组顶部不整合的影响最为明显。在层序内部，岩溶的发育具有一定的选择性。台内洼地或滩间海相的泥晶灰岩在鹰山组岩溶体系中充当隔层作用，改变地下水体的流动方向。当有裂缝发育时，水体通过裂缝沟通向下渗透，造成岩溶体系的纵向发育。通过地震属性的分析刻画，对鹰山组有利储层的分布预测，对于塔中地区鹰山组岩溶储层的勘探具有重要的参考意义。

4  结 论

（1）从岩溶储层发育模式可以看出塔中鹰山组上部主要发育两套广泛分布的岩溶层，分别受顶部不整合和潜水面的控制;表层水沿断裂（走滑断裂）流入深部地层，形成串珠状岩溶，沿断裂周围发育的裂缝局部溶解形成缝洞网，也是良好的储层;与不整合以及潜水面断层接触的主要由颗粒灰岩构成的相对易溶的岩层，容易受到地层水的溶解，形成局部范围内的顺层岩溶。

（2）Locks的岩溶模式忽略了原始沉积物特征、构造及断裂活动等因素的影响作用。在塔里木盆地这种多期构造运动叠加、断裂及其伴生了裂缝体系极其丰富的背景下，岩溶模式的建立应综合考虑多种因素的叠加作用。与前人的岩溶模式图相比，该岩溶模式结合塔里木盆地特点，强调了断裂以及原始沉积物质对于岩溶发育的重要作用。

参考文献：

[1]李彦锋，王振宇，屈海洲，等.塔中北斜坡鹰山组岩溶缝洞成像测井相刻画[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（20）：105-106.

[2]单永乐，冯毅，张瑞，等.层间岩溶研究进展及塔中奥陶系层间岩溶井下特征[J].粘接，2019，40（6）：112-116.

[3]曲少东.塔中西部鹰山组岩溶储层类型及识别方法[J].辽宁化工，2019，48（12）：1240-1242.

[4]何碧竹，焦存礼，贾斌峰，等.塔里木盆地塔中西部地区奥陶系岩溶作用及对油气储层的制约[J].地球学报，2009，30（3）：395-403.

[5]张庆玉，梁彬，淡永，等.塔中北斜坡奥陶系鹰山组岩溶储层特征及古岩溶发育模式[J].中国岩溶，2016，35（1）：106-113.

[6]傅恒，韩建辉，孟万斌，等.塔里木盆地塔中北坡奥陶系碳酸盐岩岩溶储层的形成机理[J].天然气工业，2017，37（3）：25-36.

[7]熊良.塔中西部奥陶系鹰山组古岩溶特征及主控因素[J].新疆地质，2019，37（2）：219-225.

[8]和虎，冯海霞，蔡忠贤.塔中地區中下奥陶统鹰山组表生岩溶分布特征及主控因素[J].油气地质与采收率，2015，22（2）：17-23.

[9]胡昊，王振宇，张云峰.塔中北斜坡鹰山组碳酸盐岩层间岩溶储集层特征[J].新疆石油地质，2013，34（3）：277-281.

[10]熊润，王振宇，张云峰. 塔中地区奥陶系埋藏岩溶形成机理及其主控因素[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2013，15（6）：14-17.

[11]张新超，孙赞东，吴美珍. 塔中北斜坡鹰山组岩溶储层发育规律[J].海相油气地质，2014，19（1）：43-50.

[12]乔占峰，沈安江，张丽娟，等. 塔北南缘中奥陶统顺层岩溶储层特征及成因[J].海相油气地质，2012，17（4）：27-33.