巴楚隆起先巴扎三維區(qū)鷹山組巖溶特征及成因

和 虎，馮海霞，蔡忠賢

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074；2.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營257015）

塔里木盆地為一大型疊合復(fù)合盆地，據(jù)賈承造劃分盆地的原則［1］，塔北隆起、巴楚隆起和塔中低凸起均屬于中央隆起。相對(duì)于一般地形地貌而言，隆起區(qū)較易發(fā)生巖溶作用從而形成巖溶儲(chǔ)層。如塔河油田奧陶系巖溶縫洞型儲(chǔ)層，前人普遍認(rèn)為其經(jīng)歷了加里東中期—海西早期多期巖溶作用，發(fā)育3層及以上巖溶洞穴［2-3］；塔中低凸起也發(fā)現(xiàn)十幾口井具有放空、漏失和洞穴充填物等巖溶洞穴的響應(yīng)特征。然而，據(jù)目前巴楚隆起鉆井資料顯示，該區(qū)還沒有發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的巖溶洞穴層，因此對(duì)該區(qū)巖溶發(fā)育特征的研究仍處于探索階段。巴楚隆起地層覆蓋情況復(fù)雜，依據(jù)巖溶作用類型劃分為3個(gè)不同巖溶區(qū)，即上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)、西部剝蝕區(qū)和和田古隆起區(qū)。受地震資料精度限制，筆者選取巴楚隆起西部剝蝕區(qū)的先巴扎三維區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合古地貌分析其地表和地下雙重水文系統(tǒng)、巖溶發(fā)育特征及巖溶成因，以期為巴楚隆起巖溶儲(chǔ)層預(yù)測提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

巴楚隆起位于塔里木盆地的西北部，是由吐木休克斷層和色力布亞—瑪扎塔格斷層夾持的大型背沖斷隆。在加里東中期Ⅰ幕，盆地由拉張?bào)w制向擠壓背景轉(zhuǎn)化，巴楚隆起受塔西南隆起影響，形成大型古斜坡，導(dǎo)致一間房組缺失，鷹山組暴露于地表接受大氣淡水淋濾溶蝕發(fā)育巖溶作用；在加里東中期Ⅱ幕，盆地整體下沉接受良里塔格組沉積，巴楚隆起西北部及麥蓋提斜坡缺失良里塔格組，鷹山組短期暴露地表發(fā)育巖溶作用；在加里東中期Ⅲ幕，擠壓作用增強(qiáng)，盆地東西向翹升活動(dòng)強(qiáng)烈，巴楚隆起由主動(dòng)大陸轉(zhuǎn)變?yōu)榍瓣懘箨?，隆起西北部及麥蓋提斜坡桑塔木組遭受剝蝕，鷹山組再次遭受巖溶改造。先巴扎三維區(qū)受加里東中期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，上奧陶統(tǒng)剝蝕殆盡，鷹山組也遭受不同程度的剝蝕，志留系直接覆蓋在其之上，鷹山組在加里東中期長期暴露地表接受大氣淡水淋濾溶蝕發(fā)育多期巖溶疊加改造作用。

2 古地貌恢復(fù)及古水系識(shí)別

2.1 古地貌恢復(fù)

近年來，層拉平技術(shù)作為一種在層序地層學(xué)理論和三維地震技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的更為簡易的古地貌恢復(fù)方法①李家強(qiáng).層拉平方法在沉積前古地貌恢復(fù)中的應(yīng)用——以濟(jì)陽坳陷東營三角洲發(fā)育區(qū)為例.油氣地球物理，2008，6(2):46-49.，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)地層格架的等時(shí)性，選擇拉平的標(biāo)志層和描述的目的層通常都是等時(shí)界面。層拉平技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大致分為2步：①選擇標(biāo)志層。標(biāo)志層必須和當(dāng)時(shí)的古水平面保持相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系，代表當(dāng)時(shí)穩(wěn)定的基準(zhǔn)面，并且在全區(qū)都穩(wěn)定分布，標(biāo)志層位于目的層的上方，距離越近越好；②進(jìn)行層拉平。拉平標(biāo)志層即做出標(biāo)志層和目的層2個(gè)界面之間現(xiàn)今的等厚圖，再對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)校正，便基本上代表了目的層在當(dāng)時(shí)地史時(shí)期的古地貌起伏狀況。

先巴扎三維區(qū)鷹山組被柯坪塔格組的砂泥巖以填平補(bǔ)齊的方式直接覆蓋，其上部塔塔埃爾塔格組下段的紅色泥巖段區(qū)域分布比較穩(wěn)定且地震上表現(xiàn)為穩(wěn)定的波峰，是研究區(qū)重要的標(biāo)志層（T62）。因此，利用層拉平技術(shù)將紅色泥巖段拉平，拉平后鷹山組頂面的構(gòu)造面貌基本代表了加里東中期巖溶發(fā)育時(shí)的地貌特征［4］。在古地貌的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)T74頂面以下0～20 ms進(jìn)行相干精細(xì)分析，進(jìn)而對(duì)古水系結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫［5］。

2.2 古水系識(shí)別

2.2.1 地表水文系統(tǒng)

由先巴扎三維區(qū)鷹山組古地貌與地表水系疊合結(jié)果（圖1）可以看出，以中部巴什托斷裂為界將水系分為南、北2部分，水系R1和水系R2相交匯合于南部水文系統(tǒng)中，水系R3位于北部水文系統(tǒng)。受斷裂影響無法恢復(fù)斷裂處水系匯流情況，但大體可以判斷先巴扎三維區(qū)地表水系主體向東匯流。

圖1 先巴扎三維區(qū)鷹山組古地貌與地表水系疊合結(jié)果

北部水文網(wǎng)主干水系R3發(fā)育數(shù)條分支水系，與主干水系組合成樹枝狀，各分支水系匯入主干水系后自北向南再向東匯流。南部水文網(wǎng)水系R1與常規(guī)地表水系明顯不同：首先其分支大多為一級(jí)水系，結(jié)構(gòu)簡單的一級(jí)水系分布在主干水系兩側(cè)；其次該主干水系呈平緩的S形，與常規(guī)地表水系迂回曲折不同。南部水文網(wǎng)另一條主干水系R2的分支水系呈羽狀分布在主干水系兩側(cè)，且分支水系與主干水系近似垂直，主干水系與分支水系蜿蜒曲折路徑具有“N”字型特征，兩側(cè)的分支水系分別匯入到主干水系后總體向東匯流。楊明德等將這種水系結(jié)構(gòu)定義為網(wǎng)格狀水系，其發(fā)育主要受2組共軛裂隙組成的棋盤格狀或菱形狀的構(gòu)造所控制［6］。而研究區(qū)地表水系結(jié)構(gòu)主要受2組共軛斷裂的控制：一組是北北東向，一組是北北西向。

先巴扎三維區(qū)地表水系的匯流結(jié)構(gòu)樣式具有以下特點(diǎn)：①各水系從干流到分支河谷發(fā)育成熟且穩(wěn)定，反映出豐富的大氣淡水補(bǔ)給和良好的巖性條件，從而形成系統(tǒng)的地表水文網(wǎng)；②樹枝狀水系發(fā)育，代表研究區(qū)具備良好的構(gòu)造條件；③無論是分支水系還是主干水系均具有明顯的構(gòu)造取向性，反映出斷裂裂縫體系對(duì)它們發(fā)育的控制作用。

2.2.2 地下水系

洼地等負(fù)地形與地下水系關(guān)系密切，能較好地刻畫地下水系。研究區(qū)古地貌上發(fā)育較多洼地，其主干水系底部洼地不發(fā)育，而地貌高部位巖溶水補(bǔ)給處及分支水系的兩側(cè)發(fā)育較深的點(diǎn)源式洼地，且分布零散。地表水系這個(gè)大體的匯流背景決定地下水系的發(fā)育方向，將這些洼地結(jié)合主干水系的匯流方向大致可以確定其地下水系的匯流結(jié)構(gòu)。以研究區(qū)T74界面下20 ms相干分析為基礎(chǔ)，結(jié)合其古地貌圈出洼地，可以明顯地看出這些洼地雖然分布零散但仍呈條帶狀分布，依據(jù)其匯流方向可刻畫出地下水系的匯流結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 先巴扎三維區(qū)T74頂面以下0～20 ms相干及地下水系的匯流結(jié)構(gòu)

由先巴扎三維區(qū)地表水系與地下水系疊合結(jié)果（圖3）可以看出，研究區(qū)地下水系與地表水系具有明顯的對(duì)應(yīng)性，同時(shí)兩者并不完全重合，呈現(xiàn)出纏繞型非完全映射關(guān)系。這種特征主要是由于地下水系的發(fā)育一方面受控于斷裂裂縫及排泄基準(zhǔn)面等因素，而其流動(dòng)路徑同時(shí)又遵循最小功能原理。北部地下水系基本圍繞其地表主干、分支水系分布，局部地下水系的發(fā)育路徑遵循最小功能原理發(fā)生截彎取直的典型現(xiàn)象，地下水系的匯流體現(xiàn)了與地表水系匯流的匹配性。南部地下水系將2個(gè)地表主干水系緊密聯(lián)系起來：水系R1上的分支地下水系和地貌高部位的地下水系均往R1上匯流；水系R2上的分支地下水系匯入其主干水系后繼續(xù)往R1上匯流。

圖3 先巴扎三維區(qū)地表水系與地下水系疊合結(jié)果

在巖溶地貌區(qū)，當(dāng)河流的下切侵蝕達(dá)到地下潛水面以下深度時(shí)，地表河流就成為巖溶水的主要排泄通道，并控制著巖溶水的流動(dòng)狀態(tài)［7］。由此說明地表主干水系R1為其南部地下水系的排泄基面，南部的地下水系均往此處聚集排泄。然而從相干和古地貌圖上分析，水系R1上的洼地分布較少，表明R1上地下水系不發(fā)育。由此說明，南部地下水文系統(tǒng)以地表主干水系為排泄基準(zhǔn)面，地下水向地表水轉(zhuǎn)化，如長江支流清江從湖北利川發(fā)源后，在地下伏流10余千米后流出地表［8］。

3 巖溶發(fā)育特征

當(dāng)巖溶地區(qū)具備良好的巖溶水補(bǔ)給、徑流和排泄系統(tǒng)并持續(xù)循環(huán)時(shí)，地下水系發(fā)育并在其徑流通道中形成巖溶洞穴。研究區(qū)樹枝狀水系發(fā)育且河谷成熟而穩(wěn)定，表明該區(qū)具有良好的巖性-構(gòu)造條件和豐富的大氣淡水補(bǔ)給，地表巖溶相當(dāng)發(fā)育；而地下水系主要以地表主干水系為排泄基面，其基本圍繞地表水系分布且分支少，這些特征均說明地下水沒有形成系統(tǒng)的水文網(wǎng)絡(luò)，地下巖溶的發(fā)育受到一定限制。因此，研究區(qū)缺乏良好的徑流和排泄系統(tǒng)，巖溶洞穴分布有限，以孤立分散洞穴為主，很少發(fā)育大的洞穴或暗河。

研究區(qū)地表水系相當(dāng)發(fā)育而地下水系發(fā)育較弱，局部地貌上發(fā)育一些洼地等負(fù)地形，說明研究區(qū)巖溶發(fā)育階段處于青年期［9］。從研究區(qū)古地貌圖上可以明顯的看到，其巖溶臺(tái)面受到巖溶水的破壞和改造變得支離破碎，以地表主干水系為排泄基面，樹枝狀和網(wǎng)格狀地表分支水系匯流至此。受該排泄基面的控制，單個(gè)巖溶層發(fā)育，由研究區(qū)T74界面以下20～40 ms振幅變化率（圖4）可以看出，地表分支水系兩側(cè)及地貌高部位的洼地上見異常體，并在地震剖面上見串珠狀反射［10］。但總體看來，高值異常點(diǎn)分布零散，沒有呈現(xiàn)明顯的條帶狀，而且研究區(qū)地震剖面上串珠狀反射相對(duì)較少，表明該區(qū)巖溶洞穴分布有限或溶洞充填嚴(yán)重，地貌高部位發(fā)育孤立洞穴［11］。

圖4 先巴扎三維區(qū)T74以下20~40 ms振幅變化率

4 成因分析

先巴扎三維區(qū)地表巖溶相當(dāng)發(fā)育而地下巖溶受到限制，這與巴楚隆起西北部西克爾露頭剖面的古巖溶現(xiàn)象一致。研究區(qū)與露頭區(qū)在古生代屬于一個(gè)隆起，在新近紀(jì)兩者才分離，因此，可以將2個(gè)地區(qū)的巖溶特征進(jìn)行類比。據(jù)此總結(jié)出形成這種巖溶特征的3個(gè)原因，即巖溶發(fā)育不徹底、洞穴充填和溶蝕孔洞層發(fā)育。

巖溶發(fā)育不徹底 在西克爾露頭區(qū)的嶂谷谷口有一凹槽，距離地面的高度約為2 m，一直沿著嶂谷底部發(fā)育，延伸長度約為150 m，頂部凹凸不平，存在鐵質(zhì)結(jié)核，中部呈紫紅色，有溶蝕沖刷痕跡，底部平坦。露頭區(qū)存在很多類似凹槽，卻并沒有形成典型的洞穴。這些特征表明，該凹槽是地下水水平徑流作用的結(jié)果，但該區(qū)巖溶化地塊處于穩(wěn)定期的時(shí)間較短，一期的地下巖溶剛開始發(fā)育，隨即地殼再次緩慢抬升，下期巖溶發(fā)育，使原來的地下巖溶因脫離地下水而停止，因此，在嶂谷底部殘留凹槽。這種露頭現(xiàn)象解釋了研究區(qū)地下水發(fā)育但并沒有形成串聯(lián)交織的地下水文系統(tǒng)的原因，表明以主干水系為排泄基面的地下水文系統(tǒng)，隨著地殼運(yùn)動(dòng)排泄基面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致地下巖溶脫離地下水而停止發(fā)育［12］，使得地下巖溶沒有發(fā)育完全。主干水系R1的河谷縱剖面呈現(xiàn)明顯的梯級(jí)狀特征，陡坡降段與緩坡降段交替出現(xiàn)呈梯級(jí)式下降，梯級(jí)下降的拐點(diǎn)為河流裂點(diǎn)，3個(gè)裂點(diǎn)的存在證實(shí)了其排泄基面的變化（圖5）。

圖5 先巴扎三維區(qū)水系R1的河谷縱剖面

圖6 先巴扎三維區(qū)被志留系砂泥質(zhì)充填的古溶洞

洞穴充填 西克爾露頭區(qū)斷崖處發(fā)現(xiàn)一被志留系柯坪塔格組棕紅色碎屑物質(zhì)完全充填的大型溶洞，溶洞高約4.5 m，寬約13.2 m，橫剖面呈近紡錘形（圖6），這種洞穴類型屬于孤立廳堂型，常見于溝谷兩側(cè)的陡坡或懸崖上，該類洞穴可有3種成因類型［8］，結(jié)合露頭區(qū)的巖溶特征分析其具體成因，筆者認(rèn)為該洞穴是由于巖溶作用速度慢于地殼上升速度，于較短相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期發(fā)育的不成熟洞穴，還處于形成的初期階段，地殼上升使其停止了進(jìn)一步發(fā)育，此種成因類型正好與上述巖溶發(fā)育不徹底相對(duì)應(yīng)。由此說明正是由于巖溶發(fā)育不完全造成了露頭區(qū)與研究區(qū)均發(fā)育這種孤立洞穴，并且孤立洞穴一般容易發(fā)生充填，如劉偉等統(tǒng)計(jì)的西克爾露頭區(qū)鷹山組20個(gè)表生溶洞均為充填型［13］。結(jié)合西克爾露頭區(qū)的洞穴特征判斷研究區(qū)溶洞可能充填嚴(yán)重。由于該區(qū)鉆遇奧陶系的井很少，對(duì)于充填型溶洞有待進(jìn)一步研究。

溶蝕孔洞層發(fā)育 大部分地區(qū)地表水在重力條件下向下滲濾但并沒有形成系統(tǒng)的地下巖溶管道，取而代之形成一些小型的溶蝕孔洞等，通過對(duì)取心井巖心及野外露頭的觀察，可發(fā)現(xiàn)溶孔大多呈層狀分布［14-18］。據(jù)馮海霞等在新疆西克爾露頭的溶丘上發(fā)現(xiàn)水平溶蝕孔洞順層發(fā)育，溶孔大小不一，直徑為0.5～5 cm，許多溶孔組合成蜂巢狀［12］。說明由于巖溶發(fā)育程度較弱，地下水水平徑流形成這種小型的溶蝕孔洞層。與西克爾露頭區(qū)一樣，先巴扎三維區(qū)也發(fā)育這種小型的溶蝕孔洞。研究區(qū)鉆遇鷹山組的井較少，據(jù)已有鉆井資料分析，BT4井鷹山組取心見一些溶蝕孔洞，洞徑在10 mm以內(nèi)，縫洞多被方解石、泥質(zhì)和黑色有機(jī)質(zhì)半—全充填；BK1井鷹山組取心泥晶灰?guī)r上見許多被方解石充填的溶蝕孔洞。

5 結(jié)論

巴楚隆起先巴扎三維區(qū)上奧陶統(tǒng)剝蝕殆盡，志留系直接覆蓋在鷹山組之上，鷹山組在加里東中期長期暴露地表接受大氣淡水淋濾溶蝕發(fā)育多期巖溶疊加改造作用。以加里東中期巖溶古地貌為基礎(chǔ)，結(jié)合精細(xì)相干和地震屬性分析，對(duì)研究區(qū)古水系進(jìn)行精細(xì)刻畫發(fā)現(xiàn)：該區(qū)具有良好的巖性-構(gòu)造條件和豐富的大氣淡水補(bǔ)給，地表巖溶相當(dāng)發(fā)育；以地表主干水系為排泄基面，研究區(qū)缺乏良好的徑流和排泄系統(tǒng)，地下巖溶的發(fā)育受到限制，主要發(fā)育孤立分散洞穴。類比研究區(qū)與西克爾露頭的巖溶特征，總結(jié)出造成這種巖溶現(xiàn)象的成因包括巖溶發(fā)育不徹底、洞穴充填、溶蝕孔洞層發(fā)育。

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