雪峰山西側(cè)海相碳酸鹽巖沉積間斷古巖溶發(fā)育規(guī)律研究

張慶玉，梁 彬，陳宏峰，曹建文

(中國地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004)

影響碳酸鹽巖巖溶發(fā)育的因素有很多，如巖性、古氣候、古地貌、海平面的升降以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等[1-3]。其中，構(gòu)造不整合面是其最主要的外因之一，其決定古遞降水流平衡面、地下水的深度及活動(dòng)范圍。水動(dòng)力場(chǎng)的大小對(duì)碳酸鹽巖巖溶發(fā)育起到了及其重要的作用[4]。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和海平面的升降控制著不整合面的發(fā)育，不整合面的分布控制了巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育的范圍，雪峰山西側(cè)地區(qū)加里東期不整合面表現(xiàn)為寒武系牛蹄塘組與震旦系燈影組不整合及上寒武統(tǒng)與奧陶系之間的假整合。因此，深入研究雪峰山西側(cè)地區(qū)海相碳酸鹽巖沉積間斷古巖溶發(fā)育規(guī)律，對(duì)研究其儲(chǔ)層發(fā)育特征及確定有利區(qū)塊均具有重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黔中隆起及其周緣地區(qū)震旦系、寒武系、奧陶系及志留系均有沉積，且分布廣，主要為海相碳酸鹽巖及碎屑巖沉積[5-6]。雪峰山以其醒目的弧形斜貫湘中北地區(qū)，構(gòu)造變形極為強(qiáng)烈。該區(qū)地層的接觸關(guān)系、構(gòu)造形跡的物理性質(zhì)和幾何性質(zhì)、震旦系—寒武系及寒武系—奧陶系不整合面的發(fā)育等均有很好的顯示[7]。震旦紀(jì)開始，雪峰地區(qū)作為揚(yáng)子地塊的東南大陸邊緣轉(zhuǎn)入新一輪拉張斷陷階段，早古生代時(shí)發(fā)育了一套以大陸斜坡相為主題的被動(dòng)陸緣沉積，北東向至北北東向階梯式斷陷對(duì)這些沉積起著控制作用[8]。印支—燕山早期，揚(yáng)子克拉通邊緣武陵—雪峰裂陷槽發(fā)生增生，來自東南方向的俯沖、碰撞使城步—松江一帶東側(cè)的巖石圈顯著增厚，這時(shí)雪峰山開始造山[9-10]。

2 巖溶儲(chǔ)層的控制因素

2.1 巖溶發(fā)育基本條件

巖石與水是巖溶發(fā)育基本的物質(zhì)條件。具體而言，巖溶發(fā)育有4個(gè)基本條件[11]，即巖石的可溶性、巖石的透水性、水的侵蝕性和水的流動(dòng)性。然而，巖溶發(fā)育是內(nèi)、外營力共同作用的結(jié)果，區(qū)域自然環(huán)境如氣候、植被、土壤、地貌等對(duì)巖溶發(fā)育也有著明顯的影響。

2.2 巖石性質(zhì)和結(jié)構(gòu)

碳酸鹽巖的儲(chǔ)集性能與巖石性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，如碳酸鹽巖的非均質(zhì)性和各向異性，不同碳酸鹽巖的類型決定其溶蝕作用的能力。在控制與影響巖溶發(fā)育的各種因素中，巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)是首要因素。一般地，巖溶發(fā)育的規(guī)模、巖溶化程度具有純碳酸鹽巖高于不純的碳酸鹽巖、灰?guī)r高于白云巖的規(guī)律。

調(diào)查表明，研究區(qū)內(nèi)古生界及震旦系地層發(fā)育較為齊全，但總體而言出露面積較少，大部分被埋藏地下或者灌木覆蓋(圖1)。震旦系露頭在研究區(qū)零星分布，出露地層中陡山沱組巖性為含礫砂巖、板巖、粉砂巖，中部黑色頁巖、白云巖；燈影組巖性為淺灰色至灰白色白云巖，局部細(xì)晶白云巖、藻紋層白云巖，上段主要巖性為淺灰、灰色中厚層白云巖。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性上部為深灰色、黃灰色含砂質(zhì)頁巖夾少量碳質(zhì)頁巖；下部為碳質(zhì)頁巖夾少量硅質(zhì)巖；底部薄層磷塊巖、黑色石煤。

2.3 沉積間斷對(duì)儲(chǔ)層的影響

地層剖面中的不整合面就是地質(zhì)時(shí)期的古地表，不整合面以下一定深度范圍內(nèi)就是當(dāng)時(shí)表生環(huán)境中的溶蝕作用帶[12]。研究表明，碳酸鹽巖孔洞的發(fā)育往往與區(qū)域不整合面有關(guān)，是直接或間接地暴露在大氣水滲流或潛流狀態(tài)的結(jié)果。研究區(qū)震旦—寒武系及寒武—奧陶系的巖溶不整合面是一個(gè)構(gòu)造薄弱面，在不整合面附近斷裂、裂縫發(fā)育，彼此連通較好，構(gòu)成有利于巖溶水匯集運(yùn)移的復(fù)合系統(tǒng)，正負(fù)向巖溶形態(tài)及巖溶構(gòu)造發(fā)育，有利于巖溶儲(chǔ)集體的發(fā)育。

2.4 沉積間斷時(shí)間對(duì)古巖溶的控制作用

雪峰山西側(cè)地區(qū)經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成多個(gè)區(qū)域不整合面，不同時(shí)期不整合面沉積間斷時(shí)間控制了碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強(qiáng)度。前人研究認(rèn)為，震旦系燈影組—寒武系、寒武系—奧陶系之間存在的沉積間斷相對(duì)較短，因而震旦系燈影組、寒武系碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層的主要發(fā)育段被限制在巖溶作用所能影響的深度范圍內(nèi)，古巖溶縫洞系統(tǒng)以溶蝕孔洞為主，縫洞系統(tǒng)連通性相對(duì)較差，野外調(diào)查未見大型的溶洞系統(tǒng)。

圖1 雪峰山西側(cè)地區(qū)調(diào)查點(diǎn)位置及寒武—震旦系分布示意Fig.1 Survey points and Cambrian-Sinian distribution, west of Xuefeng Mountain

3 巖溶發(fā)育特征研究

雪峰山西側(cè)地區(qū)從震旦紀(jì)—寒武紀(jì)再到奧陶紀(jì)，接受了幾千米深的淺?！獮I海碳酸鹽巖沉積；中間又經(jīng)歷了不同時(shí)期的沉積間斷，碳酸鹽巖地層出露接受剝蝕與溶蝕，經(jīng)歷了多次的成巖后生作用的改造，使原生孔隙減少以至消失，次生孔隙增多。早古生代碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間以次生溶蝕孔、洞、縫系統(tǒng)為主，巖溶縫洞系統(tǒng)的巖溶作用，是成巖后生作用的主要地質(zhì)作用之一。通過對(duì)研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖古巖溶發(fā)育特征的調(diào)查，古巖溶縫洞系統(tǒng)主要發(fā)育位置位于不整合面以下0～15 m范圍內(nèi)，而深度位于不整合面15 m以下時(shí)，古巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育則相對(duì)較弱。

3.1 震旦系—寒武系沉積間斷巖溶

雪峰山西側(cè)地區(qū)寒武系牛蹄塘組與震旦系燈影組沉積間斷面出露較少，該沉積間斷對(duì)同時(shí)期古巖溶發(fā)育的控制性作用以慈利大溪一處典型露頭剖面進(jìn)行剖析。該露頭位于慈利大溪丘叢谷地、構(gòu)造侵蝕谷地地貌位置。經(jīng)過野外觀察描述，該處沉積間斷接觸關(guān)系及巖溶發(fā)育特征見圖2所示。

燈影組—牛蹄塘組不整合接觸界限為一層石煤，上覆牛蹄塘組底部為棕黃至黑色薄層細(xì)砂、粉砂巖及碳質(zhì)頁巖；燈影組頂部為一套薄層—中厚層白云巖、云灰?guī)r，傾向180°，傾角20°。界限東110°方向巖層底部云質(zhì)灰?guī)r中，層間縫較發(fā)育，縫寬3～6 cm，縫中方解石半充填，局部可見瀝青條帶、瀝青塊；且發(fā)育不規(guī)則狀、橢圓狀、近圓狀及斑塊狀溶蝕孔，直徑4～5 cm，其近1/3體積被淺色方解石充填，其余為瀝青塊貼附于表面；垂直層面的微縫與層間縫相互切割，垂向連通性較好，有利于巖溶的發(fā)育。由于露頭有限和地形起伏不定，此沉積間斷面橫向展布呈現(xiàn)不穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。

圖2 雪峰山西側(cè)慈利大溪震旦系—寒武系沉積間斷面巖溶發(fā)育特征Fig.2 Karst generation in Sinian-Cambrian sedimentary hiatus, Daxi village, Cili County, west of Xuefeng Mountain

另外，于走馬鎮(zhèn)至鶴峰沿途公路(S341省道)約29 km處出露一處燈影組—牛蹄塘組假整合接觸地層，牛蹄塘組上部植被覆蓋，下部燈影組巖性以白云巖為主，發(fā)育少量溶蝕孔洞，及不規(guī)則溶蝕裂縫，方解石充填。

3.2 寒武系—奧陶系沉積間斷巖溶

雪峰山西側(cè)地區(qū)下奧陶統(tǒng)桐梓組—紅花園組與上寒武統(tǒng)后壩組的不整合接觸沉積間斷面出露較為零星。根據(jù)野外調(diào)查，重慶酉陽縣黃家堡村附近出露一處該不整合接觸沉積間斷面，該沉積間斷對(duì)上寒武統(tǒng)后壩組的巖溶作用具有一定的影響。調(diào)查點(diǎn)地貌位置為溶蝕丘叢谷地，構(gòu)造侵蝕谷地。露頭調(diào)查顯示，后壩組頂部巖性為灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖組合，在假整合面以下幾米范圍內(nèi)溶蝕孔較為發(fā)育，溶孔直徑2～10 mm，部分為方解石半充填—全充填。該處露頭接觸關(guān)系及巖溶發(fā)育特征見圖3所示。

從圖3中可見，紅花園組—后壩組沉積接觸面附近沉積了一層中—薄層狀泥質(zhì)巖，往上沉積薄層狀泥灰?guī)r及中薄層狀灰色泥質(zhì)灰?guī)r、深灰色厚層狀灰質(zhì)白云巖，上部沉積了灰黑色中厚層狀云質(zhì)、泥質(zhì)灰?guī)r。沉積間斷面下部附近沉積了一套厚層狀深灰色灰?guī)r，該段地層溶蝕孔、小溶洞比較發(fā)育，方解石充填—半充填，直徑一般在2～5 mm，具順層發(fā)育特征，部分未充填；其下部為中厚層狀淺灰色白云質(zhì)灰?guī)r，發(fā)育少量溶蝕孔。

據(jù)野外巖溶地質(zhì)調(diào)查，在沿河官周地區(qū)附近，出露一處寒武—奧陶系沉積間斷面，受沉積間斷的影響，下伏地層寒武系于接觸面以下十余米范圍內(nèi)溶蝕孔洞較為發(fā)育，溶蝕裂縫具有明顯的后期擴(kuò)溶現(xiàn)象，而由于受到后期充填作用的影響，連通性一般。另外在湖北來鳳縣至咸豐國道旁也發(fā)現(xiàn)一處奧陶—寒武系沉積間斷面露頭，該處溶蝕孔、洞、縫均較發(fā)育，縫寬1～5 mm，孔直徑2～20 mm不等，局部網(wǎng)狀縫發(fā)育，大多被方解石充填。

圖3 雪峰山西側(cè)酉陽地區(qū) 寒武系—奧陶系沉積間斷面巖溶發(fā)育特征Fig.3 Karst generation in Cambrian-Ordovician sedimentary hiatus, Youyang County, west of Xuefeng Mountain

4 結(jié)論

雪峰山西側(cè)震旦系燈影組、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖的古巖溶作用主要是與沉積間斷面有關(guān)的古表生期巖溶作用，由于燈影組—寒武系、寒武—奧陶系之間存在的沉積間斷時(shí)間相對(duì)較短，使震旦系燈影組、寒武系碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層的主要發(fā)育段有很大的限制性，巖溶發(fā)育深度相對(duì)較淺；古巖溶縫洞系統(tǒng)以溶蝕孔洞為主，由于后期的充填作用，縫洞系統(tǒng)連通性相對(duì)較差。深入研究雪峰山西側(cè)地區(qū)海相碳酸鹽巖沉積間斷古巖溶發(fā)育規(guī)律，對(duì)研究其儲(chǔ)層發(fā)育特征及確定有利區(qū)塊具有重要的意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 馬永生,梅冥相,陳小兵,等. 碳酸鹽巖儲(chǔ)層沉積學(xué)[M]. 北京：地質(zhì)出版社,1999.

[2] 周江羽,呂海濤,林忠民,等. 塔河油田奧陶系巖溶作用模式及控制因素[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2009,31(6)：547-550.

[3] 馬紅強(qiáng),王恕一,雍洪,等. 塔里木盆地塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖埋藏溶蝕特征[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2010,32(5)：434-441.

[4] 陳新軍,蔡希源,紀(jì)友亮,等. 塔中奧陶系大型不整合面與風(fēng)化殼巖溶發(fā)育[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(8)：1122-1127.

[5] 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 貴州省區(qū)域地質(zhì)志[M]. 北京：地質(zhì)出版社,1987.

[6] 李旭兵,王傳尚,劉安. 雪峰山西側(cè)秭歸—五峰段海相層系油氣地質(zhì)條件研究[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2009,31(2)：197-201.

[7] 侯光久,索書田. 雪峰山加里東造山運(yùn)動(dòng)及其體制轉(zhuǎn)換[J]. 湖南地質(zhì),1998,17(3)：141-144.

[8] 丘元禧,張渝昌. 雪峰山陸內(nèi)造山帶的構(gòu)造特征與演化[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào),1998,4(4)：432-433.

[9] 馮向陽,孟憲剛,邵兆剛,等. 雪峰山陸內(nèi)造山帶變形特征及擠壓推覆—伸展滑脫構(gòu)造的物理模擬[J]. 地球?qū)W報(bào),2001,22(5)：419-424.

[10] 丁道桂,劉光祥,陳玉華,等. 江南—雪峰山前緣油氣聚集及烴源對(duì)比：南方構(gòu)造問題之三[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2007,29(4)：345-354.

[11] 任美鍔,劉振中. 巖溶學(xué)概論[M]. 北京：商務(wù)印書館,1983.

[12] 柳廣弟. 石油地質(zhì)學(xué)[M]. 4版. 北京：石油工業(yè)出版社,2009.