方解石充填物對(duì)于深層古巖溶洞穴保存的獨(dú)特意義
——以塔河地區(qū)奧陶系為例

雷 川 陳紅漢 蘇 奧 許學(xué)龍 周 海

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710069；2.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000；3.中國(guó)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 武漢 430074；4.中國(guó)石油 新疆油田公司 準(zhǔn)東采油廠 新疆阜康 831511)

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方解石充填物對(duì)于深層古巖溶洞穴保存的獨(dú)特意義
——以塔河地區(qū)奧陶系為例

雷 川 陳紅漢 蘇 奧 許學(xué)龍 周 海

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710069；2.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000；3.中國(guó)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 武漢 430074；4.中國(guó)石油 新疆油田公司 準(zhǔn)東采油廠 新疆阜康 831511)

塔河油田奧陶系古巖溶洞穴埋藏深度之大在世界范圍內(nèi)罕見(jiàn)，但對(duì)其為何沒(méi)有垮塌殆盡的原因卻知之甚少。為了探究其保存機(jī)制，對(duì)比了Fort Worth盆地奧陶系深埋洞穴，發(fā)現(xiàn)大量縫、洞充填方解石是塔河地區(qū)洞穴中常見(jiàn)且特有的充填物。在統(tǒng)計(jì)和綜合分析縫洞方解石充填物地球化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以洞穴充填方解石成因類(lèi)型為切入點(diǎn)，詳細(xì)分析了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景、熱液活動(dòng)、油氣充注、方解石的產(chǎn)狀以及洞穴受力情況，通過(guò)與Fort Worth盆地深埋洞穴埋藏史的對(duì)比和分析，提出塔河地區(qū)深埋巖溶洞穴的一種保存機(jī)制。研究區(qū)巖溶洞穴方解石主要是長(zhǎng)期淺埋階段，以大氣淡水成因?yàn)橹?，海水成因?yàn)檩o形成，深埋過(guò)程還受到了溶蝕性流體(巖漿熱液和有機(jī)酸)后期改造。方解石充填物增加了洞穴的抗壓性，巖溶洞穴內(nèi)部充填的方解石在埋藏過(guò)程中支撐了洞穴；巖溶洞穴頂部裂紋中充填的方解石還“愈合”了洞穴周邊的裂紋，強(qiáng)化了洞穴的頂板，增加了洞穴整體的穩(wěn)定性。充填的方解石在垮塌前占據(jù)了部分洞穴空間，在埋藏后，高溫有機(jī)酸、CO2、H2S和巖漿熱液沿著深大斷裂等通道對(duì)奧陶系碳酸鹽巖改造溶蝕作用明顯，也對(duì)處于優(yōu)勢(shì)通道和良好儲(chǔ)集性能的洞穴充填方解石進(jìn)行了改造，恢復(fù)了部分洞穴空間。因而認(rèn)為地表、近地表方解石充填過(guò)程是碳酸鹽巖洞穴型儲(chǔ)層的“保持性成巖作用”。

方解石充填 巖溶洞穴 保存機(jī)制 塔河油田

0 引言

碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣高產(chǎn)依賴(lài)裂縫和各類(lèi)溶蝕孔洞。塔河油田奧陶系發(fā)育區(qū)域性的三套洞穴儲(chǔ)層是油氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的先決條件[1]。塔河油田埋深五千多米的奧陶系發(fā)生鉆具放空、鉆井液漏失的鉆井達(dá)數(shù)百口之多，放空長(zhǎng)度可達(dá)五十多米，漏失量可達(dá)上千立方米，漏失段深度可達(dá)六千多米[2]。盡管該深度的洞穴在塔河油田屢見(jiàn)不鮮，但是在世界范圍內(nèi)埋藏深度大于三千米的未垮塌洞穴卻極其少見(jiàn)[3]。蔡春芳等[4]提出了塔河油田為何一些大型洞穴在經(jīng)歷了后期高達(dá)五千米以上的上覆沉積物的重壓后，仍可保存下來(lái)？目前關(guān)于研究區(qū)深埋洞穴的保存機(jī)制鮮有報(bào)道。其保存機(jī)制極其復(fù)雜，雷川等[5]曾提到塔河地區(qū)巖溶洞穴的潛流帶水力保存機(jī)制，能夠合理解釋部分現(xiàn)象；為探究井壁失穩(wěn)機(jī)理，譚金成[6]以塔河12區(qū)洞穴為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元軟件模擬了橢圓形和圓形溶洞不同洞徑下的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示隨著洞徑增加，溶洞圍巖的位移和應(yīng)力都增大，橢圓形溶洞比圓形溶洞更穩(wěn)定。盡管洞穴存在有其合理的力學(xué)解釋?zhuān)烤故窃鯓拥牡刭|(zhì)演化歷程造成了巖溶洞穴保存于如此之深的地層中而未完全垮塌，仍然缺乏更深入全面的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。而目前還暫未注意到專(zhuān)門(mén)報(bào)道深層洞穴保存機(jī)制方面的研究。通過(guò)與Fort Worth盆地奧陶系深埋洞穴進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大量方解石是塔河地區(qū)碳酸鹽巖深埋洞穴的特有充填物。本文以洞穴充填的方解石成因?yàn)榍腥朦c(diǎn)，分析了方解石充填物對(duì)深埋洞穴保存的意義，為探究洞穴保存機(jī)制研究提供些許參考。

1 地質(zhì)概況

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段南翼的阿克庫(kù)勒凸起的南部(圖1)，其主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏。奧陶系自下往上有蓬萊壩組、鷹山組、一間房組、恰爾巴克組、良里塔格組和桑塔木組。塔河油田奧陶系各組主要以碳酸鹽巖為主，上奧陶統(tǒng)桑塔木組有較多碎屑巖。中—下奧陶統(tǒng)主要為海相臺(tái)地相碳酸鹽巖沉積，是目前塔河油田的主要產(chǎn)油層位。

塔河油田所處的阿克庫(kù)勒凸起是在前震旦系變質(zhì)基底上發(fā)育起來(lái)的一個(gè)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的古凸起。形成了以海西期巖溶為主，受斷裂控制的多次巖溶復(fù)合疊加的復(fù)雜洞穴和裂縫儲(chǔ)層(圖2)。

加里東早期，阿克庫(kù)勒凸起還未形成，當(dāng)時(shí)處于淺海臺(tái)地，沉積了寒武系—中奧陶統(tǒng)的碳酸鹽巖。加里東中期運(yùn)動(dòng)發(fā)生于中奧陶世末，動(dòng)力源自塔里木板塊與南部的南昆侖板塊碰撞擠壓，南東—北西向擠壓使得鼻凸雛形形成，構(gòu)造抬升，中奧陶統(tǒng)一間房組遭受剝蝕，形成T74不整合面，造成較強(qiáng)烈的巖溶[7]。海平面再次上升，上奧陶統(tǒng)由鼻凸周緣上超覆蓋。加里東中期第二幕運(yùn)動(dòng)使得良里塔格組部分地層被剝蝕，與上覆桑塔木組之間呈平行不整合接觸，形成T72不整合面。加里東中期第三幕運(yùn)動(dòng)發(fā)生于晚奧陶世，造成志留系與奧陶系的不整合，形成T70不整合面。不整合面附近發(fā)生的近地表巖溶作用形成塔河奧陶系第一期加里東時(shí)期巖溶洞穴。

海西早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生于泥盆紀(jì)末，是本區(qū)最重要的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是奧陶系碳酸鹽巖古巖溶發(fā)育最主要的時(shí)期。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的抬升風(fēng)化剝蝕，阿克庫(kù)勒凸起大部分地區(qū)普遍缺失泥盆系，志留系，中、上奧陶統(tǒng)，下奧陶統(tǒng)也遭受了不同程度的剝蝕。形成大量的巖溶縫洞儲(chǔ)集體。下石炭統(tǒng)與下奧陶統(tǒng)不整合接觸。早二疊世，海西晚期運(yùn)動(dòng)使該區(qū)再次抬升、暴露，大部分地區(qū)缺失上石炭統(tǒng)及二疊系，部分地區(qū)缺失下石炭統(tǒng)。三疊系與下奧陶統(tǒng)、寒武系以及震旦系不整合接觸。海西早期和晚期兩次抬升，形成了海西早期巖溶洞穴和海西晚期巖溶洞穴。印支期—燕山期影響范圍較小，局部地區(qū)侏羅系或白堊系與下奧陶統(tǒng)不整合接觸，下奧陶統(tǒng)再次受到較強(qiáng)的古巖溶作用，但該期僅在局部地區(qū)發(fā)育。因此，塔河油田奧陶系多期巖溶相互疊加改造使得洞穴系統(tǒng)的新生、充填、垮塌和保存變得尤為復(fù)雜。目前塔河油田鉆遇至奧陶系洞穴時(shí)，會(huì)常發(fā)現(xiàn)鉆速加快，鉆具放空和泥漿漏失，油氣井涌和井噴等現(xiàn)象，而且統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)這些洞穴大多分布在不整面以下250 m之內(nèi)，且距不整合面越近，數(shù)量越多[9](圖3)。一定規(guī)模的巖溶洞穴坍塌體內(nèi)部包括破碎充填物和孔洞空間，明顯比圍巖的地震波傳播速度較低，因此一般在地震反射界面表現(xiàn)出“串珠狀”或陷落狀的強(qiáng)振幅結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖1 塔河油田構(gòu)造位置圖(據(jù)中石化西北局研究院，2002修編)Fig.1 The location of Tahe oilfield in Tarim Basin

圖2 塔河油田奧陶系巖溶儲(chǔ)層縱向分布模式示意圖(據(jù)韓革華等，2006[8])Fig.2 Vertical distribution patterns of karst reservoir of Ordovician in Tahe oilfield (after Han, et al., 2006)

圖3 塔河油田奧陶系溶洞發(fā)育數(shù)量與距不整合面距離的關(guān)系(據(jù)徐微等，2011[9])Fig.3 The relationship between quantity of karst cave and distance to unconformity in Tahe oilfield (after Xu, et al., 2011)

圖4 塔河油田巖溶洞穴坍塌體“串珠狀”地震反射特征Fig.4 "String beaded" seismic reflection characteristics of collapsed karst cave of Ordovician in Tahe oilfield

2 塔河油田洞穴演化和充填物的獨(dú)特性

巖溶洞穴坍塌是一種很常見(jiàn)的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象。我國(guó)廣西、貴州、云南等地現(xiàn)今淺地表洞穴極其發(fā)育而且常見(jiàn)坍塌造成的地質(zhì)災(zāi)害。巖溶洞穴的垮塌分為地表階段垮塌和埋藏階段垮塌。按照巖溶洞穴演化的一般規(guī)律(即形成階段、發(fā)展階段和衰亡階段)，近地表洞穴自形成后，由于水流量增加，洞穴空間逐漸發(fā)展擴(kuò)大，形成一定規(guī)模的通道系統(tǒng)，暗河沉積物逐漸發(fā)育，同時(shí)由于多個(gè)小型洞穴空間相互連通、坍塌形成一個(gè)巨型的洞穴儲(chǔ)集體，可見(jiàn)垮塌角礫充填。近地表洞穴形成后若遭受地層抬升，洞穴進(jìn)入包氣帶，可能遭受風(fēng)化剝蝕，使得巖層疏松，而且洞穴脫離了潛流帶，失去水的浮力，洞穴開(kāi)始崩塌衰亡。若洞穴未被抬升或未坍塌而是在繼續(xù)埋藏，可能由于洞穴上覆地層壓力大于洞穴頂板的承載能力導(dǎo)致洞穴逐漸垮塌，其垮塌程度與洞穴頂板的抗壓性有關(guān)，例如厚度、跨度、裂紋化程度和圍巖的完整性等。這也是本文要討論的埋藏過(guò)程中洞穴的保存機(jī)制。洞穴頂板在上覆應(yīng)力下分為直接壓向洞穴的壓應(yīng)力和平行洞穴的剪應(yīng)力(圖5)，在洞穴上方兩邊是壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)，頂板會(huì)受力彎曲形成拱形，拱形是相對(duì)最穩(wěn)定、最能抗壓的洞穴形狀(類(lèi)似于橋梁和隧道的拱形)；由于洞穴四壁承壓產(chǎn)生裂紋，同時(shí)受力垮塌使得洞穴有垮塌角礫充填?？逅⒉荒苁苟囱ㄍ耆涮钇茐模?dāng)上覆載荷超過(guò)頂板的極限壓力，持續(xù)加大的上覆地層重力才會(huì)使洞穴空間不斷被壓縮充填，最終使得洞穴消亡。

Loucks(1999)統(tǒng)計(jì)了35個(gè)古洞穴系統(tǒng)，深度最大的洞穴是5 335 m，但已被垮塌角礫巖完全充填，深度最大的未充填洞穴深度是1 950 m(洞高2 m)[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔河地區(qū)5 000 m以下奧陶系有效洞穴井(鉆具放空、鉆時(shí)加快、泥漿漏失)達(dá)118口，占洞穴井的50.9%、總統(tǒng)計(jì)井?dāng)?shù)的38.1%[2]。因此塔河地區(qū)奧陶系古巖溶洞穴的保存深度具有“獨(dú)特”之處。除了保存深度的獨(dú)特性，充填物也具有獨(dú)特性。據(jù)Loucks總結(jié)的洞穴充填物三角圖中(洞穴充填物分為裂紋角礫、混雜角礫與洞穴沉積充填三大類(lèi))[3]，并無(wú)化學(xué)沉淀物這一類(lèi)，該類(lèi)型充填物在塔河地區(qū)卻是重要的洞穴充填物，也是塔河油田巖溶洞穴所特有的一類(lèi)充填物(圖6)。

圖5 洞穴受壓的應(yīng)力分布圖[10-11](A.洞穴受力模式圖，據(jù)戎意民，2013，有修改；B.洞穴應(yīng)力分布圖，據(jù)梁曉丹等，2005)Fig.5 Force analysis and stress distribution of karst cave (A. after Rong, 2013, modified; B. Liang, et al., 2005)

圖6 洞穴充填物對(duì)比圖(圖A據(jù)Loucks, 1999)Fig.6 The comparison diagram of fillings in caves in different basin (figure A from Loucks, 1999)

3 洞穴充填方解石的產(chǎn)狀和成因

3.1 方解石的產(chǎn)狀

研究區(qū)巖溶洞穴常見(jiàn)的化學(xué)沉淀充填物包括方解石，石膏，螢石和硫磺等。其中方解石是鉆井中遇到最多的洞穴化學(xué)充填物。按照近地表洞穴演化規(guī)律，一般方解石沉淀發(fā)生在洞穴衰亡階段，此時(shí)洞穴中水流能量較弱或靜止或干枯，水體過(guò)飽和，使得方解石逐漸沉淀充填在機(jī)械搬運(yùn)砂、泥沉積物或洞穴上覆巖層掉落的角礫的間隙中，或獨(dú)自大段沉淀產(chǎn)出。鉆測(cè)井顯示塔河地區(qū)巖溶洞穴中方解石的厚度可達(dá)0.7～7.0 m，甚至更厚，部分方解石充填物中可見(jiàn)縫合線構(gòu)造。

研究區(qū)洞穴充填的方解石一般較純凈，呈白色，可完全充填或部分充填洞穴空間，S69井5 646.00～5 654.50 m段顯示出完全充填的特征；S75井5 681.57～5 688.00 m段洞穴經(jīng)巨晶方解石充填后留下少量有效空間，以晶洞形式存在；S85井5 960.00～5 966.58 m段洞穴經(jīng)巨晶方解石充填后還保留大量的有效空間[12]。其中S69井第8次取芯第9塊巖芯為巨晶方解石，緊鄰其下的第11～13塊巖芯均為洞穴垮塌角礫巖。目前發(fā)現(xiàn)的方解石的產(chǎn)狀可歸納為以下4類(lèi)(圖7)：①作為洞穴垮塌角礫的填隙物[13]；②大段純凈的巨晶方解石單一產(chǎn)出，充填于洞穴中[13]；③與洞穴沉積的泥巖伴隨產(chǎn)出，或作為角礫出現(xiàn)在砂泥質(zhì)中[13]；④洞頂及洞壁裂紋中充填方解石。

3.2 洞穴沉積物與方解石的成因

洞穴充填物地球化學(xué)特征能夠指示洞穴的成因。塔河油田古巖溶洞穴常見(jiàn)暗河沉積物充填，主要是磨圓和分選較好的砂泥碎屑顆粒，它們主要來(lái)源于洞穴在形成發(fā)展階段的潛流帶，通過(guò)隨著水流機(jī)械搬運(yùn)沉積而成；塔河油田33個(gè)溶洞砂、泥質(zhì)充填物樣品稀土元素配分模式與河水相近，表明洞穴主要是受大氣淡水來(lái)源的近地表巖溶作用[14]；沉積物的釩(V)和硼(B)元素也顯示主要來(lái)自淡水影響，少部分受到海水影響；海水和淡水的鍶(Sr)、鋇(Ba)、硼(B)和鎵(Ga)元素之間的比值有差異，洞穴沉積物中Sr/Ba和B/Ga的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值顯示塔河奧陶系巖溶洞穴形成主要在近地表階段受大氣淡水溶蝕為主，少部分有海水入侵影響[14]。塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中248個(gè)巖溶縫、洞中充填的方解石樣品[13,15-18]，δ13C值在-13.7‰到9.06‰之間，大部分樣品δ13C值明顯偏負(fù)，明顯偏離中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r背景值(δ13C：-1.679‰～0.921‰；δ18O：-8.64‰～-4.153‰)[13](圖7)。一般大氣水有關(guān)的碳酸鹽的δ13C在-1‰～-5‰(PDB)范圍內(nèi)變化，海水的δ13C相對(duì)較重，一般為正值。碳、氧同位素投點(diǎn)顯示洞穴充填方解石大多主要與大氣水巖溶后沉淀有關(guān)，部分有海水的影響(圖8)。另外，方解石中存在的原生鹽水包裹體均一溫度較低，部分小于60℃，較多鹽水包裹體均一溫度高于60℃可能是后期次生鹽水包裹體和碳酸鹽包裹體受再平衡作用導(dǎo)致，過(guò)高鹽水包裹體很可能是熱液改造形成。測(cè)試鹽水包裹體冰點(diǎn)換算的鹽度值不高，主要為淡水鹽度范圍之內(nèi)，部分在海水之間。這些均也證實(shí)洞穴是大氣淡水為主，海水為輔的近地表溶蝕形成。洞穴充填的巨晶方解石的87Sr/86Sr同位素比值高于中—下奧陶灰?guī)r的背景值，高值原因在于海西早期地層抬升剝蝕了志留系和泥盆系碎屑巖和含泥碳酸鹽，風(fēng)化后云母、長(zhǎng)石和黏土礦物提供了87Sr同位素的來(lái)源，而在海西早期之前加里東期抬升并不能提供高鍶同位素，說(shuō)明巖溶洞穴中方解石充填主要形成海西早期開(kāi)始的巖溶作用[13]。除此之外，部分地球化學(xué)特征指示了一定規(guī)模的深部熱液流體的存在，且對(duì)儲(chǔ)層洞穴充填方解石有明顯的改造作用。洞穴充填的方解石δ18O值在-3.8‰到-17.2‰之間(圖8)，氧同位素值明顯偏低，并非近地表巖溶產(chǎn)物，可能為深部熱流體影響改造使得方解石的δ18O值發(fā)生負(fù)偏移；深部熱流體攜帶的有機(jī)酸混入可能改造了洞穴充填的方解石，使得有機(jī)碳的加入碳同位素值δ13C會(huì)偏負(fù)，小于-5‰(圖8)。另外，研究區(qū)巖石、礦物還發(fā)現(xiàn)了熱液礦物組合和特征元素；洞穴方解石的Fe，Si等元素高于普通方解石，Na元素低于普通方解石。在位于深大斷裂附近部分樣品發(fā)現(xiàn)Eu正異常[14]；在五道班到硫磺溝一帶還發(fā)現(xiàn)大量硫磺和暗色巖脈[19]。還常見(jiàn)孔洞中螢石、鞍形白云石、重晶石及石英等熱液礦物充填[16]。另外在采集深度約為5 800 m的樣品經(jīng)歷最大正常古地溫約為170℃左右，而測(cè)試的包裹體均一溫度發(fā)現(xiàn)很多大于170℃的部分(圖9)?？傊佑吞飱W陶系巖溶洞穴主要是在近地表巖溶作用形成，在溶洞和洞穴充填方解石的地球化學(xué)特征表明研究區(qū)洞穴中方解石成因以大氣淡水為主，海水為輔的近地表巖溶作用為主，后期存在深部熱流溶蝕作用的改造作用。

圖7 塔河油田奧陶系巖溶洞穴充填結(jié)構(gòu)示意圖(照片C據(jù)徐微等，2010)Fig.7 Schematic diagram of filling structure of karst cave, Ordovician in Tahe oilfield (Picture C from Xu, et al., 2010)

圖8 塔河地區(qū)奧陶系縫、洞充填方解石碳、氧同位素關(guān)系圖Fig.8 δ13C and δ18O diagrams of calcites filled in caves and fractures of Ordovician in Tahe oilfield

圖9 沙85井裂隙—溶洞及洞穴中巨晶方解石中鹽水包裹體均一測(cè)溫頻率圖(據(jù)錢(qián)一雄等，2009[16])Fig.9 Histograms of homogenization temperatures for aqueous inclusions of fractures-filling, vugs and paleo-caves calcites in Well S85 (after Qian, et al., 2009)

4 方解石充填物對(duì)深層洞穴保存的意義

通過(guò)與Fort Worth盆地奧陶系埋藏史對(duì)比，發(fā)現(xiàn)塔河油田奧陶系經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而又緩慢的淺埋藏過(guò)程(局部經(jīng)歷了多次地表暴露)，而Fort Worth盆地奧陶系在經(jīng)歷了地表暴露(形成巖溶洞穴系統(tǒng))之后，就進(jìn)入快速且持久的深埋藏階段，洞穴垮塌普遍。埋藏過(guò)程的差異使得二者洞穴充填物，以及洞穴保存狀況存在明顯差異。前文已證實(shí)塔河地區(qū)奧陶系洞穴充填的方解石主要是大氣淡水成因，主要形成于地表、近地表階段。通過(guò)對(duì)比塔河油田奧陶系埋藏史圖和Fort Worth盆地奧陶系埋藏史圖可見(jiàn)，前者經(jīng)歷的多次抬升和長(zhǎng)時(shí)間的淺埋藏為淡水成因方解石的形成和充填提供了條件(圖10)。而本次研究正是認(rèn)為方解石充填物對(duì)洞穴保存具有重要意義。

未坍塌的巖溶洞穴通常會(huì)被砂泥質(zhì)等碎屑物質(zhì)和巨晶方解石部分充填或全充填[20]。S85井為巨晶方解石充填洞穴仍然能夠保存大量空間；T904井5 892～5 900 m為巨晶方解石充填洞穴，5 936.8～5 939.47 m放空2.67 m。這些現(xiàn)象表明，洞穴充填物和洞穴保存具有密切的關(guān)系。塔河油田巖溶洞穴中 “獨(dú)特”的方解石充填物對(duì)洞穴保存具有獨(dú)特的意義。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1) 方解石充填物增加了洞穴的抗壓性。

上述可知，研究區(qū)古巖溶洞穴充填的方解石主要是在近地表階段形成，說(shuō)明方解石充填時(shí)間較早，在洞穴未大規(guī)?？逅?，占據(jù)了洞穴空間。上覆壓實(shí)作用是巖溶洞穴在埋藏過(guò)程中垮塌的主要的因素，洞穴充填的方解石可以有效抵擋上覆地層的部分重力，作用類(lèi)似于地表巖溶洞穴中的石柱。巖溶洞穴中采集的巨晶方解石中可見(jiàn)水平縫合線[13]，表明洞穴充填巨晶方解石的確分擔(dān)了上覆地層壓力。洞頂?shù)牧鸭y中充填方解石(圖7)也有利于洞穴保存。事實(shí)上，洞穴上方裂紋化是洞頂將要坍塌的標(biāo)志，方解石在早期便膠結(jié)了洞穴周?chē)牧芽p，使得“松散”的洞穴系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度增加，洞穴頂板得以加強(qiáng)，使得巖溶洞穴變得相對(duì)穩(wěn)固而不易垮塌。在奧陶系被抬升至地表的洞穴露頭可以看見(jiàn)，洞穴充填方解石“焊接”了裂縫(圖11)。此外，洞穴穩(wěn)定性與洞穴頂板厚度和寬度有關(guān)，頂板厚度越厚，跨度越小，洞穴越穩(wěn)定(圖12)。頂板裂紋方解石沉淀增加了洞穴頂板厚度，在洞穴周?chē)恋淼姆浇馐瘻p少了洞穴橫跨度，增加了整體的洞穴穩(wěn)定性。

圖10 深埋洞穴埋藏史與保存條件對(duì)比圖Fig.10 The comparison diagram of burial history and preservation conditions of deep caves

圖11 塔里木盆地硫磺溝地表洞穴周?chē)芽p被充填現(xiàn)象(據(jù)鐘建華等，2012)Fig.11 Cave cracks filled by calcites in Liuhuanggou, Tarim Basin(after Zhong, et al., 2012)

(2) 充填方解石在垮塌前占據(jù)了部分洞穴空間，在埋藏后又逐漸被熱流體溶蝕改造，恢復(fù)了部分洞穴空間。

研究區(qū)碳酸鹽儲(chǔ)層中發(fā)育的洞穴多與斷裂伴生，多期洞穴本身也構(gòu)成了一個(gè)洞穴體系，斷裂疊合洞穴體系構(gòu)成的洞縫系統(tǒng)在碳酸鹽儲(chǔ)層中是極好的輸導(dǎo)體系，為溶蝕流體優(yōu)先運(yùn)移洞穴提供了通道，因此巖溶洞穴在埋藏過(guò)程中常有規(guī)模性的熱流體充注。一般地碳酸鹽巖中方解石含量越高，其溶蝕速度和溶解速度越快；氧化鎂含量越高，其溶蝕速度和溶解速度越慢。如果不易被酸溶蝕的雜質(zhì)含量增多，也會(huì)減慢溶蝕速度。研究區(qū)洞穴中沉淀的巨晶方解石非常純凈，鈣含量高，平均46.5%，而且K、Na、Fe含量低，均小于0.05%(表1)[21]。表明縫洞充填方解石的可溶蝕性很強(qiáng)。在近地表階段洞穴充填的方解石，在深埋藏階段被各類(lèi)溶蝕流體(熱液和有機(jī)酸)溶蝕，使得占據(jù)的這部分空間重新“打開(kāi)”，恢復(fù)了洞穴空間。

圖12 巖溶洞穴的穩(wěn)定性評(píng)估(圖B據(jù)Loucks, 1999)Fig.12 Stability assessment of karst cave(figure B from Loucks, 1999)

井號(hào)取芯回次巖性化學(xué)組成/%CaKNaFe備注S7581/37洞穴方解石47.9200.0050.0170.014非常純凈S85171/9洞穴方解石46.2800.0060.0270.010非常純凈S6999/19洞穴方解石44.6200.0100.0210.081非常純凈T705727/71縫洞方解石50.9700.0100.0050.002非常純凈T70687/86縫洞方解石47.1800.0100.0120.012非常純凈T901203/16縫洞方解石48.0600.0100.0100.003非常純凈

上述洞穴充填的方解石的地球化學(xué)特征也已經(jīng)明顯指示方解石形成后遭受了巖漿熱液和有機(jī)酸等深部流體改造。這點(diǎn)類(lèi)似于砂巖儲(chǔ)層未被壓實(shí)前，早期碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀對(duì)儲(chǔ)層而言是保持性成巖作用，是深埋藏條件下砂巖孔隙得以保持的重要機(jī)制[22]。

埋藏史圖顯示，塔河油田在加里東期形成巖溶洞穴后，在近地表暴露的時(shí)間較短，便開(kāi)始迅速埋藏，期間存在一期原油充注，鍶同位素指示該期巖溶洞穴無(wú)方解石普遍充填現(xiàn)象，地質(zhì)條件類(lèi)似Fort Worth盆地奧陶系，因此該期洞穴可能得不到很好保存。在海西早期和晚期地層抬升發(fā)育大量巖溶洞穴，在淺地表暴露時(shí)間較長(zhǎng)，較多洞穴充填了方解石。二疊紀(jì)塔里木盆地發(fā)生了廣泛、強(qiáng)烈的火山—巖漿活動(dòng)，熱液對(duì)奧陶系碳酸鹽巖改造溶蝕作用明顯[23-24]。研究表明，塔河油田奧陶系的流體經(jīng)歷了4～5期次活動(dòng)[25]。高溫高壓、高CO2、H2S含量的巖漿熱液沿著深大斷裂和不整合等通道對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行了明顯的溶蝕作用，也留下了熱液礦物組合等痕跡，也必定對(duì)處于優(yōu)勢(shì)通道和良好儲(chǔ)集性能的洞穴充填物方解石進(jìn)行了改造，恢復(fù)了洞穴空間。在塔河油田奧陶系地表露頭見(jiàn)到洞穴中充填方解石中有硫磺，說(shuō)明是熱液打開(kāi)了方解石空間；與此同時(shí)，部分井的流體包裹體檢測(cè)到一期油氣充注，洞穴空間被打開(kāi)后，伴隨著油氣充注，成為油氣成藏的有效儲(chǔ)集體。自海西晚期后，地層隨著埋藏，隨著溫度升高(80℃～120℃)，有機(jī)質(zhì)熱成熟過(guò)程中生成的有機(jī)酸、CO2和H2S等酸性流體使得方解石充填的洞穴被埋藏后再次被溶蝕，并且緊接著伴隨著研究區(qū)燕山—喜馬拉雅期發(fā)生的最后一期天然氣大規(guī)模充注，最終形成塔河油田奧陶系目前深埋藏的洞穴型油氣藏(圖13)。

圖13 油氣充注與奧陶系洞穴演化歷史示意圖Fig.13 The schematic diagram of oil and gas filling and the evolution history of Ordovician cave

5 結(jié)論

(1) 對(duì)比Fort Worth盆地奧陶系深埋洞穴，除裂紋角礫、混雜角礫與洞穴沉積充填外，塔河油田奧陶系巖溶洞穴還特有并常見(jiàn)方解石化學(xué)沉淀充填，方解石主要是長(zhǎng)期淺埋階段，以大氣淡水成因?yàn)橹?，海水成因?yàn)檩o，深埋過(guò)程還受到了溶蝕性流體(巖漿熱液和有機(jī)酸)的改造。

(2) 塔河油田巖溶洞穴中存在“獨(dú)特”的方解石充填物對(duì)洞穴保存具有獨(dú)特的意義。主要表現(xiàn)在以下方面：一是方解石充填物增加了洞穴的抗壓性，巖溶洞穴內(nèi)部充填的方解石占據(jù)了部分洞穴空間，在埋藏過(guò)程中分擔(dān)了上覆地層壓力，支撐了洞穴，阻礙了洞穴垮塌；巖溶洞穴頂部裂紋中充填的方解石還“愈合”了洞穴周邊的裂紋，強(qiáng)化了洞穴的頂板，增強(qiáng)了地層的完整性，使得洞穴系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度增加，抗壓性能加強(qiáng)。二是充填的方解石在垮塌前占據(jù)了部分洞穴空間，埋藏后，由于研究區(qū)縫洞充填方解石的可溶性強(qiáng)，高溫有機(jī)酸、CO2、H2S和巖漿熱液沿著深大斷裂等通道對(duì)奧陶系碳酸鹽巖改造溶蝕作用明顯，也對(duì)處于優(yōu)勢(shì)通道和良好儲(chǔ)集性能的洞穴充填物方解石進(jìn)行了改造，恢復(fù)了部分洞穴空間。因而認(rèn)為地表、近地表方解石充填過(guò)程是碳酸鹽巖洞穴型儲(chǔ)層的“保持性成巖作用”。

致謝 兩位評(píng)審專(zhuān)家的意見(jiàn)和建議顯著提高了論文的質(zhì)量，筆者在此表示衷心的感謝！

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Distinctive Significance of Calcite Fillings for Preservation of Deep Buried Karst Paleocaves: Taking the Ordovician System in Tahe Area for Example

LEI Chuan1CHEN HongHan2,3SU Ao3XU XueLong4ZHOU Hai1

(1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China;2. Key Laboratory of Petroleum Resources, Gansu Province/Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 3. Key Laboratory of Structure and Oil and Gas Resources of the Minstry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;4. Zhundong Production Plant, Xinjiang Oilfield Company Ltd, PetroChina, Fukang, Xinjiang 831511, China)

The buried depth of karst paleo-caves in Tahe oilfield, Tarim basin is deeper than others throughout the world. But little is known about the reason why it did not collapse. In order to explore the preservation mechanism of Ordovician deep buried karst paleo-caves in Tahe oilfield, by comparing burial history with the buried caves of Ordovician in Fort Worth basin, we noticed that there are a large number of calcite fillings in caves and fractures in Tahe oilfield. Based on statistical and comprehensive analysis of geochemical data, taking calcite genesis as the pointcut, the tectonic background, volcanogenic hydrothermal activities, oil and gas filling, occurrence of calcite and cave stress distribution are analyzed and a preservation mechanism of deep buried caves is put forward. Calcite precipitated in the near-surface filled part of the caves and rock fractures. Calcite is mainly precipitated in atmospheric fresh water environment, and a small amount of calcite formed under seawater environment. Calcite was also reconstructed by dissolution fluid (magmatic hydrothermal and organic acid) during burial process. They shared the overlying strata pressure in the process of strata subsidence, so that the caves have not been fully filled by collapsed breccia. Calcite added the pressure resistance of caves. Calcite filled in fractures of cave ceiling "healed" cracks near the cave, which strengthened the cave roof, increased stability of caves. Before the cave collapse, calcite occupied part of the cave space. When caves were deeply buried, dissolution fluids corroded part of calcite in caves preferentially through the cave system and fracture system. Therefore, filled caves have been recovered partly. So, the calcite filling in surface and near-surface is "retention diagenesis” of carbonate cavern reservoir.

calcite fillings; karst caves; preservation mechanism; Tahe area

1000-0550(2016)05-0842-11

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.05.004

2015-10-28； 收修改稿日期： 2016-01-23

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05008-003) [Foundation: National Science and Technology Major Project, No.2011ZX05008-003]

雷 川 男 1988年出生 博士研究生 油氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué) E-mail: leichuan1988@163.com

蘇 奧 男 博士研究生 E-mail: suao446@163.com

TE121.1+3

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