川中地區(qū)中二疊統(tǒng)斷溶體發(fā)育特征及形成機(jī)制

黎 榮 胡明毅 潘仁芳 胡忠貴

（ 1長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 ）

0 引言

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)認(rèn)可了盆地內(nèi)部斷裂體系在構(gòu)造演化和油氣成藏中的重要性[1-11]。然而，前人多是對(duì)砂巖斷裂體系及相伴生的逆沖斷層、壓扭變形、褶皺、破裂縫等地質(zhì)體，以及反轉(zhuǎn)斷層及與斷層相關(guān)的褶皺對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的控制進(jìn)行研究[12-17]，而斷裂及其伴生的各類構(gòu)造體在受到巖溶作用和多期構(gòu)造改造后所形成的碳酸鹽巖斷溶體少有學(xué)者研究或報(bào)道[18]。

斷溶體是基于斷裂、巖溶作用和斷控巖溶的油藏特征研究而提出的油氣圈閉的理論概念[10-11]，不同于風(fēng)化殼、裂縫型儲(chǔ)集體以及深部熱液巖溶儲(chǔ)層，斷溶體是一個(gè)復(fù)合的兼具縫洞且與構(gòu)造呈良好匹配關(guān)系的儲(chǔ)集體。塔里木油田斷溶體油氣藏在近兩年獲得較大突破[18-19]，但針對(duì)四川盆地碳酸鹽巖巖溶體系斷溶體研究卻很少。

前人研究認(rèn)為四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組主要有3種類型的儲(chǔ)集體，包括礁灘體、層狀白云巖、巖溶縫洞，而斷溶體作為一個(gè)復(fù)合儲(chǔ)集體研究較少[20-24]。四川盆地茅口組沉積時(shí)期受東吳運(yùn)動(dòng)的抬升剝蝕，導(dǎo)致川東、川中和川西北以及川南大部分地區(qū)被剝蝕，其中川東和川中剝蝕較嚴(yán)重，局部地區(qū)缺失茅四段和茅三段及茅二段部分地層，在經(jīng)受多期巖溶作用的疊加改造后，形成了以風(fēng)化殼巖溶為主的縫洞體。但川中地區(qū)巖溶縫洞體的發(fā)育與斷裂帶、構(gòu)造變形帶之間有較好的匹配關(guān)系，具有明顯的斷控巖溶特征，并以深大斷裂帶為主發(fā)生擴(kuò)溶，使其成為川中地區(qū)棲霞組和茅口組巖溶縫洞體較發(fā)育的有利區(qū)帶。因此，加深川中地區(qū)斷控巖溶縫洞體的研究對(duì)四川盆地天然氣勘探開發(fā)具有借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)主要位于四川盆地中部的華鎣—南充—遂寧地區(qū)，是華鎣山深大斷裂帶和龍泉山斷裂帶之間的穩(wěn)定地塊（圖1）。加里東運(yùn)動(dòng)是二疊系沉積前一次大規(guī)模的構(gòu)造隆升運(yùn)動(dòng)，形成了川中古隆起。海西運(yùn)動(dòng)早期，川中古隆起遭受一定程度的剝蝕。川中地區(qū)中二疊統(tǒng)沉積過程中，除受加里東末期古地貌格局影響外，峨眉地幔柱隆升作用也是控制川中地區(qū)中二疊統(tǒng)古地貌演化的重要因素，至茅口組沉積末期，峨眉地幔柱仍在持續(xù)上升，使地表抬升，導(dǎo)致茅口組受到不同程度剝蝕[25]。

二疊系沉積前，川中地區(qū)下伏地層主要是石炭系、志留系、奧陶系、寒武系；二疊紀(jì)時(shí)期四川盆地全面下沉，川中地區(qū)最早沉積的梁山組為厚度較薄的淺灰色鋁土質(zhì)泥巖，屬于風(fēng)化殼產(chǎn)物，向上逐漸過渡為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖等濱海沼澤相沉積。隨后，廣泛的大規(guī)模的海侵到來(lái)，川中地區(qū)棲霞組沉積早期以深水開闊臺(tái)地為主，中晚期主要以開闊臺(tái)地相沉積為主，頂部為一套生屑灰?guī)r或顆粒白云巖沉積。茅口組沉積時(shí)期，川中地區(qū)也以開闊臺(tái)地相沉積為主，茅口組沉積中晚期受東吳運(yùn)動(dòng)抬升剝蝕（圖1）。茅一段為一套眼球眼皮狀灰?guī)r沉積，茅二段中上部和未剝蝕的茅三段可見白云巖和生屑灰?guī)r沉積，未剝蝕的茅四段主要沉積泥晶灰?guī)r[20-21]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置圖（左）及地層柱狀圖（右）Fig.1 Location map of the study area (left) and stratigraphic column (right)

2 斷溶體識(shí)別及其類型

2.1 斷溶體定義

茅口組碳酸鹽巖受多期次構(gòu)造抬升作用后[26-29]，沿深大斷裂帶及其伴生裂縫發(fā)育一定規(guī)模的破碎帶以及茅口組中上部發(fā)育相對(duì)規(guī)模較小的同沉積斷裂帶，在不同方位應(yīng)力場(chǎng)作用下，不同角度裂縫交叉出現(xiàn)，經(jīng)多期巖溶水滲流、埋藏溶蝕或熱液上涌致使破碎帶內(nèi)裂縫被溶蝕改造而形成的波浪狀、漏斗形、梯形等溶蝕孔、洞儲(chǔ)集體稱為斷溶體，它是一個(gè)較好的儲(chǔ)集體。

2.2 斷溶體類型

斷裂時(shí)期和巖溶期次不同，斷溶體形成的期次和巖溶規(guī)模大小也會(huì)不同，根據(jù)不同斷裂組合形式的斷溶體特征，并按地震剖面上的構(gòu)造樣式將斷溶體分為彎曲點(diǎn)狀型、單一下凹帶狀型和復(fù)合下凹面狀型3種類型。結(jié)合鉆井巖心和薄片觀察，川中地區(qū)中二疊統(tǒng)儲(chǔ)層主要的儲(chǔ)集空間為孔隙、溶洞、裂縫，并根據(jù)其組合類型將斷溶體分為溶洞—裂縫型、裂縫型和裂縫—溶洞型3種類型。

2.2.1 溶洞—裂縫型斷溶體

溶洞—裂縫型斷溶體是以裂縫為主、沿裂縫發(fā)育溶洞且規(guī)模較小的斷溶體。早—中二疊世四川盆地整體處于拉張環(huán)境，晚二疊世受峨眉地幔柱隆升影響，盆地內(nèi)部發(fā)生差異隆升，發(fā)生拉張沉陷，產(chǎn)生了大量的同沉積斷裂帶[26]，這些斷裂形成期次晚、縱向切割深度小，且順斷裂溶蝕規(guī)模小。茅口組頂部，可見暴露剝蝕、表生巖溶影響而形成的小溶洞，它們是一些規(guī)模較小、僅沿裂縫面附近發(fā)育、巖溶作用相對(duì)較弱、沿小斷裂溶蝕形成的孤立洞穴或相對(duì)較窄的孤立窄條狀小溶洞（圖2a）。在成像測(cè)井上可以看出，高石1井茅口組中上部水平裂縫或低角度裂縫較為發(fā)育，但裂縫較小且較局限，連通性較差，一般呈低角度深色條帶狀高導(dǎo)特征（圖3a—c），順裂縫在水平潛流作用下有較小的溶蝕孔隙和溶洞發(fā)育。在地震剖面上同相軸撓曲，巖溶頂部強(qiáng)反射，內(nèi)部斷續(xù)弱反射，剖面上常呈波浪狀，平面上斑點(diǎn)狀、順斷裂呈線狀展布，總體呈彎曲點(diǎn)狀型（圖4a）。此類斷溶體斷裂較局限，與斷裂相匹配的溶縫受表生巖溶作用限制，發(fā)育規(guī)模受限，因此，此類斷溶體儲(chǔ)集體效果相對(duì)較差。

圖2 典型野外剖面及巖心圖版Fig.2 Typical field outcrop section and core chart

圖3 斷溶體成像測(cè)井圖Fig.3 Imaging logging pictures of fault-karst

圖4 各類斷溶體地震剖面Fig.4 Seismic sections of fault-karst

2.2.2 裂縫型斷溶體

裂縫型斷溶體是以裂縫為主的斷溶體（圖2b），裂縫對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有重要作用，它不僅是儲(chǔ)集空間，也是滲流通道，由于成因不同，可以將裂縫分為構(gòu)造裂縫（圖2c、d）、成巖縫（圖2e、f）和溶蝕縫（圖2g—i）。本文中裂縫型斷溶體是指主要受深大斷裂控制，基底深大斷裂在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量下被激活，熱液流體上涌沿深大斷裂發(fā)生溶蝕，由單條或一組斷裂發(fā)生溶蝕組成的斷溶體。四川盆地現(xiàn)今斷裂構(gòu)造格局最終形成于中—新生代的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但深大斷裂活動(dòng)時(shí)間較早，多數(shù)可以追溯到加里東期，有些還具有長(zhǎng)期繼承性的活動(dòng)特征[29]。以磨溪41井為例，高角度裂縫清晰可見，在成像測(cè)井圖上表現(xiàn)為深色條帶狀高導(dǎo)特征（圖3d），沿裂縫可見擴(kuò)溶現(xiàn)象。在地震剖面上巖溶頂部強(qiáng)反射，內(nèi)部弱反射或空白，下拉現(xiàn)象明顯，表現(xiàn)為單一下凹帶狀型，從震旦系到飛仙關(guān)組均可見同相軸下凹現(xiàn)象，在剖面上常呈漏斗形，平面上呈現(xiàn)圓洞帶狀展布或沿主干斷裂帶呈不規(guī)則的寬條帶狀延伸展布（圖4b）。此類斷溶體相對(duì)較單一，發(fā)育規(guī)模受主斷裂控制。

2.2.3 裂縫—溶洞型斷溶體

裂縫—溶洞型斷溶體是以溶洞為主，伴隨次生斷裂發(fā)育的斷溶體（圖2g、h）。次生斷裂生成期次較晚，在縱向上切割深大斷裂，順斷裂帶溶蝕規(guī)模逐漸變小。在垂向上，巖溶水穿過斷裂帶向下溶蝕，到達(dá)顆粒灘時(shí)，巖溶水受重力作用的影響，快速選擇較大的粒間孔進(jìn)行下滲擴(kuò)溶；而在橫向上，隨著巖溶作用的繼續(xù)，顆粒灘底部開始橫向流動(dòng)而溶蝕，形成大型溶洞，隨著時(shí)間的推移，顆?；?guī)r被劇烈溶蝕，形成多期顆粒灘和垂向裂縫之間的多旋回疊置復(fù)合斷溶體系。斷溶體疊加棲霞組顆粒灘，多組斷裂發(fā)育，同相軸呈現(xiàn)鋸齒狀下凹，棲霞組灘體發(fā)育，平面上順斷裂帶呈現(xiàn)面狀展布。斷溶體疊加茅口組顆粒灘和棲霞組顆粒灘，多組斷裂發(fā)育，棲霞組—茅口組同相軸呈現(xiàn)不連續(xù)特征，顆粒灘發(fā)育，平面上圍繞斷裂呈面狀分布。以磨溪18井、南充1井、磨溪108井為例，從成像測(cè)井圖可以看出，裂縫常呈垂直或高角度深色高導(dǎo)特征（圖3e-h），而此時(shí)鮞灘和白云巖中孔洞較發(fā)育，溶蝕孔洞呈較大不規(guī)則深色高導(dǎo)特征，連通性增強(qiáng)，儲(chǔ)集性能更好。在地震剖面上巖溶頂部呈現(xiàn)強(qiáng)反射，內(nèi)部呈丘狀不連續(xù)弱反射，可見下拉現(xiàn)象，剖面總體表現(xiàn)為復(fù)合下凹面狀型，平面上圍繞斷裂呈面狀分布，形狀不規(guī)則（圖4c、d）。此類斷溶體斷裂體系復(fù)雜，相對(duì)規(guī)模較大，深大斷裂伴生的次級(jí)斷裂疊加溶蝕的顆粒灘所形成的面狀溶洞體系，其儲(chǔ)集性能更好。

3 斷溶體形成機(jī)制

3.1 流體來(lái)源與溶蝕作用

根據(jù)前人對(duì)成巖流體來(lái)源及溶蝕作用研究方法的總結(jié)[30-39]，進(jìn)行不同巖溶充填物碳、氧同位素測(cè)試以及白云巖流體來(lái)源分析，得出川中地區(qū)中二疊統(tǒng)斷溶體經(jīng)歷了大氣淡水溶蝕、埋藏期有機(jī)酸溶蝕及熱液溶蝕等階段。

3.1.1 大氣淡水溶蝕

碳酸鹽巖斷裂帶空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，孔隙度和滲透率都較高，這對(duì)流體運(yùn)移和巖溶作用的發(fā)生具有重要作用。斷裂會(huì)產(chǎn)生大量的伴生裂縫，斷裂和裂縫不僅是流體重要的儲(chǔ)集空間，也為大氣淡水垂直下滲創(chuàng)造了有利條件。斷裂破碎帶可以增加水—巖接觸面積，不僅擴(kuò)大了地下水的溶蝕范圍，而且也改善了碳酸鹽巖的滲流作用，使溶蝕作用得以增強(qiáng)。

延伸至地表的斷裂，是大氣淡水的運(yùn)移通道。地表大氣淡水順著斷裂帶透過中二疊統(tǒng)向下運(yùn)移，外界不斷補(bǔ)充的CO2和大氣淡水使得巖溶作用持續(xù)進(jìn)行。斷裂交會(huì)部位的巖石在受到多期不同方向的應(yīng)力作用下，發(fā)生強(qiáng)烈破碎，裂縫發(fā)育壯大，水體流動(dòng)空間變大，巖溶作用也隨之加劇，因此多發(fā)育較大規(guī)模的溶洞型儲(chǔ)層。巖層界面是流體橫向運(yùn)移的有利路徑，可以形成橫向溶洞[30-32]。取不同巖溶充填物進(jìn)行測(cè)試（圖5），結(jié)果顯示基巖的碳同位素值介于3.56‰～5.20‰，表生期巖溶充填物的碳同位素值介于0.26‰～3.44‰，可見溶洞中的充填物碳同位素值較基巖低。

圖5 不同類型巖溶充填物碳、氧同位素散點(diǎn)圖（據(jù)文獻(xiàn)[31]修改）Fig.5 Carbon and oxygen isotope scatter maps for different types of karst fillings (adapted from Reference [31] )

3.1.2 埋藏期有機(jī)酸溶蝕

二疊系梁山組煤系地層及下伏志留系龍馬溪組頁(yè)巖在后期埋藏作用下，成熟生烴，有機(jī)酸發(fā)生運(yùn)移，使早期形成的溶蝕孔洞和裂縫進(jìn)一步擴(kuò)溶。取不同巖溶充填物進(jìn)行測(cè)試（圖5），結(jié)果顯示埋藏期巖溶充填物的碳同位素值偏負(fù)，主要分布在-1.44‰～-0.92‰。

3.1.3 熱液溶蝕

在川中地區(qū)，野外剖面、巖心、薄片資料觀察發(fā)現(xiàn)，多期構(gòu)造縫中充填了自形晶馬鞍狀白云石（圖6a-c），中晶白云巖常見霧心亮邊，陰極發(fā)光呈暗紅色（圖6d-f），溶蝕孔洞中充填自生石英等熱液礦物（圖6g）。海西期，上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)發(fā)生了廣泛的張裂活動(dòng)，發(fā)育大量深大斷裂，不僅為玄武巖噴發(fā)提供了通道，也為二疊系石灰?guī)r提供了硅質(zhì)來(lái)源及垂向運(yùn)移通道[29]，在華鎣山二崖剖面以及磨溪108井薄片觀察中，都可見硅質(zhì)巖（圖6h、i），且熱液溶蝕充填物包裹體溫度較高。

圖6 典型熱液產(chǎn)物圖版Fig.6 Typical hydrothermal minerals

根據(jù)前人研究，侏羅紀(jì)時(shí)期，油氣充注棲霞組和茅口組儲(chǔ)層。廣參2井中二疊統(tǒng)在侏羅紀(jì)之前最大埋深不超過2500m，按最大地溫梯度4℃/100m計(jì)算，侏羅紀(jì)地溫不超過100℃。取棲霞組和茅口組白云巖中烴類包裹體進(jìn)行測(cè)試，包裹體均一溫度均大于100℃，說(shuō)明白云巖形成的流體溫度高于原石灰?guī)r地層的溫度，屬熱液成因[40-42]。

Fleet系統(tǒng)研究了世界上熱水沉積物與非熱水沉積物中的稀土元素（REE），發(fā)現(xiàn)前者的稀土元素總量低，鈰（Ce）為負(fù)異常，重稀土元素（HREE）有富集的趨勢(shì)；而后者稀土元素含量高，鈰為正異常，重稀土元素不富集[43]。夏邦棟根據(jù)Fleet的理論對(duì)下?lián)P子區(qū)下三疊統(tǒng)孤峰組層狀硅質(zhì)巖進(jìn)行了不同比例混合的熱水與非熱水沉積物的REE配分模式對(duì)比分析，二崖剖面茅口組硅質(zhì)巖北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化REE配分模式與Fleet和夏邦棟提出的以熱水沉積物為主、混有少量非熱水沉積物的北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化REE配分模式[44]十分相似，說(shuō)明二崖剖面茅口組硅質(zhì)巖為熱水成因，受熱液影響（圖7）。

圖7 北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化REE配分模式Fig.7 Rare Earth Element of North American Shale Standardized Allocation Mode

3.2 各類型斷溶體形成機(jī)制

3.2.1 溶洞—裂縫型斷溶體形成機(jī)制

早—中二疊世受海西運(yùn)動(dòng)影響，四川盆地整體處于拉張環(huán)境，晚二疊世受峨眉地幔柱隆升影響，盆地內(nèi)部發(fā)生差異隆升和拉張沉陷，產(chǎn)生大量的同沉積斷裂帶，茅口組形成了塹壘相間的古地貌格局[26]。以川中高石1井為例，測(cè)試茅口組中上部巖溶充填物δ13C平均值為3.592‰（表1），δ13O平均值為-7.054‰（表1），δ13C平均值低于基巖，說(shuō)明此時(shí)茅口組發(fā)生暴露剝蝕，大氣淡水順著茅口組沉積斷裂帶處的小裂縫垂直下滲，發(fā)生表生期巖溶，易溶礦物和裂縫發(fā)育區(qū)優(yōu)先被溶蝕，發(fā)育深度相對(duì)較淺，在平面上相對(duì)呈點(diǎn)狀的擴(kuò)溶小孔洞，形成溶洞—裂縫型斷溶體（圖8a）。

表1 巖溶充填物同位素值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical isotope values of karst fillings

3.2.2 裂縫型斷溶體形成機(jī)制

海西期，上揚(yáng)子地臺(tái)發(fā)生廣泛張裂活動(dòng)，發(fā)育了大量深大斷裂[29]。晚二疊世的玄武巖噴發(fā)拉張作用，使得深大斷裂重新活動(dòng)，熱液上涌發(fā)生溶蝕。廣參2井和華鎣山二崖剖面位于幾條深大斷裂帶交會(huì)處，廣參2井填隙物包裹體測(cè)試以及二崖剖面硅質(zhì)巖稀土元素分析表明此時(shí)確實(shí)發(fā)生熱液活動(dòng)[40-44]。在東吳運(yùn)動(dòng)作用下，茅口組抬升剝蝕，四川盆地大面積遭受剝蝕。 茅口組經(jīng)歷暴露剝蝕作用的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1～3Ma，且此時(shí)氣候炎熱潮濕，受大氣淡水淋濾作用，大氣淡水補(bǔ)給充足，大氣淡水隨著深大斷裂垂直下滲，隨著巖溶作用時(shí)間的推移，下伏志留系龍馬溪組頁(yè)巖、梁山組煤系地層和茅口組烴源巖埋藏生烴，形成的有機(jī)酸進(jìn)一步溶蝕早期孔洞和裂縫，在疊加巖溶作用下孔洞和裂縫發(fā)生溶蝕，并且在深大斷裂帶的周緣，遇到易溶礦物發(fā)生一定范圍的水平潛流溶蝕作用，形成裂縫型斷溶體（圖8b）。

3.2.3 裂縫—溶洞型斷溶體形成機(jī)制

受基底深大斷裂的影響，沿深大斷裂發(fā)育大量伴生的，與其平行、垂直、或斜交的斷裂帶，在晚二疊世玄武巖噴發(fā)拉張作用影響下，這些斷裂帶與深大斷裂貫通，茅口組沉積時(shí)期由于充足的大氣淡水的補(bǔ)給，大氣淡水順著斷裂帶下滲，在泥巖類致密巖與顆粒巖類高孔滲層中形成多旋回疊置。大氣淡水下滲到茅口組顆粒灘，顆粒巖受巖溶改造劇烈，形成面狀溶蝕面；若遇到茅口組顆粒灘不發(fā)育而高密度巖發(fā)育的區(qū)域，大氣淡水沿未被阻隔的斷裂帶下滲到棲霞組中上部顆粒灘較發(fā)育的區(qū)域時(shí)，大氣淡水隨著顆粒灘順層溶蝕，形成面狀溶蝕面。測(cè)得棲霞組顆粒灘灘體縫合線中充填的與瀝青共存的細(xì)—中晶方解石碳同位素值偏負(fù)（表1），說(shuō)明此時(shí)也發(fā)生有機(jī)酸溶蝕作用[31]。在大氣淡水溶蝕和有機(jī)酸溶蝕共同作用下最終形成裂縫—溶洞型斷溶體（圖8c、d）。

圖8 斷溶體形成機(jī)制Fig.8 Forming mechanisms of fault-karst

4 結(jié)論

川中地區(qū)中二疊統(tǒng)覆蓋區(qū)沿?cái)嗔褞Х植紨嗳荏w，斷溶體形成的期次和巖溶規(guī)模大小不同，斷溶體類型各異。根據(jù)鉆井巖心、薄片和成像測(cè)井判別出主要由孔隙、溶洞、裂縫組合形成的溶洞—裂縫型、裂縫型和裂縫—溶洞型等斷溶體；按地震剖面上構(gòu)造樣式不同將斷溶體分為彎曲點(diǎn)狀型、單一下凹帶狀型和復(fù)合下凹面狀型3種類型。

斷裂的規(guī)模、期次及巖溶期次是斷溶體發(fā)育的主要影響因素。溶洞—裂縫型斷溶體主要是茅口組頂部受大氣淡水淋濾作用而形成；裂縫型斷溶體主要是深大斷裂受熱液、有機(jī)酸及大氣淡水淋濾作用共同溶蝕而形成；而裂縫—溶洞型斷溶體為次生斷裂和顆粒灘受有機(jī)酸及大氣淡水淋濾作用溶蝕而形成。

斷溶體主要分布在深大斷裂帶及其次生斷裂帶溶蝕面，且次生斷裂帶溶蝕面形成的裂縫—溶洞型斷溶體相對(duì)規(guī)模最大，儲(chǔ)集空間最大，斷裂和溶洞匹配關(guān)系最好，儲(chǔ)集體性能最好。