四川盆地南部地區(qū)茅口組古巖溶縫洞充填演化特征

明 盈 徐 亮 周 剛 周紅飛 李 毅 戴 鑫

中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

古巖溶儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，其發(fā)育受古巖溶地貌、古水文地質(zhì)條件以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響。而溶蝕縫洞充填物是巖溶儲(chǔ)層形成與轉(zhuǎn)化過程中的產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行研究有助于認(rèn)識(shí)巖溶的發(fā)育演化[1-2]。實(shí)際上在不同成巖階段均可致縫洞的形成或充填，通過對(duì)充填物形態(tài)、充填序列及充填物地球化學(xué)特征研究可以分析成巖或充填環(huán)境，也能從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)巖溶環(huán)境[3-10]。另外，充填物對(duì)儲(chǔ)層形成具有破壞作用，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)充填物在井上或井間充填程度，也可以指導(dǎo)對(duì)有效儲(chǔ)層的預(yù)測。

四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組碳酸鹽巖成巖改造強(qiáng)烈，且受加里東期、印支期、喜馬拉雅期等重要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)[11]。前人對(duì)蜀南地區(qū)茅口組的研究主要集中在儲(chǔ)層預(yù)測及有效性評(píng)價(jià)研究：吳仕虎等[12]針對(duì)蜀南地區(qū)DTC區(qū)塊中二疊統(tǒng)茅口組高產(chǎn)氣井進(jìn)行過地震響應(yīng)及裂縫預(yù)測；高峰等[13]在儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用巖心物性、壓汞等分析資料，從儲(chǔ)層巖相、巖性、裂縫、孔洞有效性等四個(gè)方面進(jìn)行儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)；蔣曉迪等[14]通過波動(dòng)方程正演分析及多種儲(chǔ)層預(yù)測參數(shù)在該區(qū)適應(yīng)性的聯(lián)合研究，獲得蜀南地區(qū)茅口組有效儲(chǔ)層的預(yù)測方法；桑琴等[15-16]也重點(diǎn)分析了古巖溶儲(chǔ)層在地震和測井上的響應(yīng)特征。但是，目前該地區(qū)茅口組仍然缺乏從微觀地球化學(xué)的角度對(duì)多期成巖流體與儲(chǔ)層之間關(guān)系進(jìn)行精細(xì)分析的研究。以川南地區(qū)茅口組巖心與薄片觀察為基礎(chǔ)，采用碳氧同位素、稀土元素、包裹體測溫等分析手段，結(jié)合該區(qū)及鄰區(qū)的構(gòu)造演化背景，綜合研究宏觀巖心特征與微觀鏡下巖石學(xué)和地球化學(xué)特征，整體認(rèn)識(shí)四川盆地蜀南地區(qū)茅口組巖溶縫洞充填物主要類型、充填特征及充填環(huán)境，探討孔洞充填演化，以期為蜀南茅口組天然氣的勘探開發(fā)提供一定地質(zhì)指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

蜀南地區(qū)位于四川盆地南部，區(qū)域構(gòu)造屬川南低陡褶皺帶，以瀘州古隆起為中心，范圍南至敘永—珙縣，西至仁壽—井研一線，北抵資中—大足，東達(dá)中梁山—同福場一線，勘探開發(fā)面積約5.03×104km2。四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組碳酸鹽巖沉積時(shí)處于臺(tái)地邊緣相帶[17]，中二疊世末受東吳運(yùn)動(dòng)影響導(dǎo)致蜀南地區(qū)中二疊統(tǒng)碳酸鹽巖劇烈抬升，使地層較長時(shí)間暴露于地表，遭受長期的風(fēng)化剝蝕[18]。至二疊紀(jì)末，被龍?zhí)督M煤系沉積所覆蓋。之后，該區(qū)持續(xù)下沉，又依次接受了早、中三疊世的海相碳酸鹽巖沉積和晚三疊世、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)的陸相沉積。期間區(qū)內(nèi)發(fā)生了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)，到喜山運(yùn)動(dòng)以后構(gòu)造格局基本定型。茅口組自下而上分為茅一段至茅四段共4個(gè)巖性段，其中茅一段與茅二段自上而下又分別細(xì)分為 a、b、c共3個(gè)亞段，大部分地區(qū)缺失茅四段，局部地區(qū)茅三段被部分剝蝕。其中茅一段以具眼球狀構(gòu)造的灰黑色厚層泥晶灰?guī)r為主；茅二段下部發(fā)育灰白色泥晶灰?guī)r，茅二段上部—茅三段沉積高能亮晶生屑灰?guī)r；茅四段沉積時(shí)期再次發(fā)生海侵，殘余地層以灰色生屑泥晶灰?guī)r并夾少量燧石條帶為主[19-21]。

2 樣品分析及研究方法

經(jīng)大量巖心觀察及鏡下薄片觀察，選取蜀南地區(qū)茅口期巖溶發(fā)育典型剖面川東南水江、坡渡和冷水溪剖面采集的茅口組樣品和蜀南地區(qū)5口鉆井巖心為主要研究對(duì)象，所選樣品溶蝕孔洞發(fā)育，礦物充填序列較全。巖心觀察發(fā)現(xiàn)茅口組巖溶空間，主要以構(gòu)造裂縫、溶縫為主，少量溶蝕孔洞。野外觀察還發(fā)現(xiàn)存在順層或孤立溶蝕孔洞，而其中充填物主要包含方解石、成巖的鈣泥質(zhì)、未成巖泥質(zhì)、瀝青等。根據(jù)充填物的產(chǎn)出具體又可分為：①早期裂縫充填的鈣泥質(zhì)碎屑物質(zhì)、生物碎屑、基巖角礫（已成巖）（圖2a、b、c）；②后期裂縫充填上覆龍?zhí)督M滲濾泥質(zhì)、煤塊（未成巖）（圖2d）；③后期構(gòu)造裂縫中半—全充填的方解石（圖2e、f）；④擴(kuò)溶縫充填方解石、瀝青（圖2g、h、i）；⑤孤立溶蝕孔洞充填方解石（圖2j、k）；⑥順層孔洞充填方解石（圖2l）；⑦茅口組頂部巖溶晶洞（圖2m）。

圖1 四川盆地二疊系構(gòu)造—地層層序?qū)Ρ葓D

圖2 蜀南地區(qū)茅口組巖溶充填物特征圖

對(duì)樣品中巖溶充填物的形態(tài)、碳氧同位素、包裹體及稀土元素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析溶縫充填環(huán)境和主要成巖礦物充填期次、時(shí)間序列。

3 地球化學(xué)結(jié)果

3.1 碳氧同位素

為便于對(duì)比，首先根據(jù)充填物產(chǎn)出，將取自蜀南地區(qū)5口鉆井巖心和水江剖面共59件樣品分為7類：茅口組基巖、溶蝕孔洞中方解石、溶縫中充填方解石、構(gòu)造裂縫充填方解石、與裂縫滲流鈣泥共生方解石、裂縫中充填鈣泥混合物、玄武巖附近茅口組巖石和充填物。

茅口組石灰?guī)rδ13C在3.65‰～4.74‰之間變化，平均值為4‰左右，與veizer等（1986，1999）獲得的二疊系腕足類化石的碳同位素組成的變化范圍相一致[22]，veizer 等得出的δ13C在2.5‰～5.5‰間波動(dòng)，而δ18O在0～-10‰之間變化，平均值在-7‰左右，均屬于海相碳酸鹽巖沉積。腕足類生物化石代表原始海水沉積時(shí)的同位素組成，而泥晶灰?guī)r基本未發(fā)生成巖作用的改造，能代表本區(qū)域茅口組海相碳酸鹽巖形成的碳氧同位素組成。本次在樂山沙灣六井溝剖面玄武巖/茅口組接觸面下采集的無論是基巖還是裂縫方解石，其δ18O值都極大負(fù)偏，達(dá)到-22‰，考慮可能為玄武巖對(duì)附近石灰?guī)r熱烤的結(jié)果。

茅口組充填物可在4類環(huán)境中形成，發(fā)現(xiàn)至少有4種不同的環(huán)境條件（表1，圖3）。詳細(xì)分析如下：

表1 蜀南地區(qū)茅口組基巖及縫洞充填物同位素特征表

圖3 蜀南地區(qū)茅口組基巖及縫洞充填物碳氧同位素交匯圖

第Ⅰ類為同生期或早成巖期巖溶環(huán)境，其δ18O分布范圍與碳酸鹽巖基巖值一致，但δ13C變化較大。說明該巖溶環(huán)境與碳酸鹽巖沉積環(huán)境類似，反映了同生期碳酸鹽巖沉積不久后短暫的暴露巖溶(茅口組同生期或準(zhǔn)同生期巖溶)，為早期沉淀的縫洞方解石特征。δ13C因受大氣水—海水混合的影響而分布相對(duì)基巖較寬。δ18O為-4.91‰～-9‰、δ13C為1.8‰～5.5‰。圖3中兩個(gè)與早期裂縫中鈣泥充填物共生的方解石落入該區(qū)，反映了這些裂縫為沉積期或準(zhǔn)同生期邊拉張形成，邊溶蝕充填。

第Ⅱ類為大氣淡水巖溶環(huán)境，受大氣淡水影響δ13C，δ18O具有明顯負(fù)偏，δ13C＜ 0‰，δ18O為-12‰～-9‰，在59個(gè)樣品發(fā)現(xiàn)有3～4顆疑似大氣淡水方解石，主要是溶縫、溶孔及裂縫中生長方解石，有一顆高石1井基巖可能受大氣淡水影響落入該區(qū)。

第Ⅲ類為中—淺埋藏巖溶環(huán)境，充填物方解石較負(fù)偏的δ18O值，比I類基巖負(fù)偏，而δ13C值與基巖值基本一致，未有明顯負(fù)偏，δ13C為-1‰～5.0‰，δ18O為-9‰～-12.0‰。中淺埋藏環(huán)境條件下，方解石沉淀物的δ13C的來源主要是碳酸鹽巖圍巖，方解石沉淀物的δ13C與基巖相當(dāng)。δ18O值較低主要是，氧同位素對(duì)溫度敏感，當(dāng)溫度上升后δ16O活躍，易于進(jìn)入方解石中，使得δ18O值偏負(fù)。研究區(qū)大多數(shù)裂縫方解石和溶蝕孔洞方解石同位素值落入該區(qū)（圖3），說明中淺埋藏成巖期是構(gòu)造裂縫形成、方解石生長主要時(shí)期。

第Ⅳ類為中深埋藏或高溫?zé)嵋涵h(huán)境，方解石δ18O值明顯偏負(fù)（＜-12‰），根據(jù)前人研究δ18O＜-12.0‰不可能為低溫大氣淡水中形成，而可能反映方解石的形成與中深埋藏或熱液作用具有明顯的關(guān)系，研究區(qū)少量裂縫方解石落入該區(qū)，樂山沙灣六井溝剖面玄武巖/茅口組接觸面下采集的無論是基巖還是裂縫方解石其δ18O 值都極大負(fù)偏，達(dá)到-12‰，可能為玄武巖對(duì)附近石灰?guī)r熱烤，導(dǎo)致石灰?guī)rδ18O值極大負(fù)偏。

3.2 包裹體

選擇了水江、坡渡、冷水溪、林灘場和太平渡剖面共23個(gè)包裹體樣品進(jìn)行均一溫度測試，對(duì)其中的充填于孔洞縫中方解石膠結(jié)物的包裹體進(jìn)行了研究。共測量流體包裹體均一溫度值48個(gè)（圖4），均為無機(jī)包裹體。

圖4 縫洞方解石流體包裹體均一溫度分布圖

從圖4中可以看出，區(qū)內(nèi)茅口組上段的流體包裹體均一溫度在57～135℃的范圍內(nèi)分布。盡管流體包裹體的測試樣品相對(duì)較少，但根據(jù)不同剖面的溫度分布情況，其特征已較為明顯，溫度大體可劃分為四個(gè)階段，即50～75℃、75～90℃、90～115℃和115～135℃，顯示了研究區(qū)茅口組古巖溶儲(chǔ)層可能存在4個(gè)期次的流體活動(dòng)，為進(jìn)一步研究儲(chǔ)層的成巖流體環(huán)境和古巖溶特征提供了依據(jù)。由于表生期包裹體常以單液相為主無法測出溫度，因此測出的包裹體溫度無法指示大氣淡水環(huán)境，四個(gè)溫度段代表了4個(gè)主要埋藏期流體活動(dòng)時(shí)期的溫度，可以看出沒有大于150℃的異常高溫包裹體，反映了取樣區(qū)是遠(yuǎn)離高溫?zé)嵋夯顒?dòng)的區(qū)域，也證明了蜀南地區(qū)茅口組大多數(shù)縫洞充填方解石是在埋藏期充填，與碳氧同位素測試結(jié)果一致。

3.3 稀土元素

為了認(rèn)識(shí)茅口組裂縫中泥質(zhì)成分來源，對(duì)含泥成分較高的4類巖石進(jìn)行取樣：①龍?zhí)督M泥巖；②峨眉山茅口組頂風(fēng)化殼上泥巖；③茅口組裂縫中泥巖；④茅口組泥質(zhì)灰?guī)r或鈣質(zhì)泥巖。將測試結(jié)果與北美標(biāo)準(zhǔn)頁巖的比值，作配分模式圖（圖5）。有如下認(rèn)識(shí)：

圖5 蜀南地區(qū)茅口組泥質(zhì)物質(zhì)稀土配分模式圖

①峨眉山茅口組頂風(fēng)化殼上泥巖與B10井龍?zhí)督M泥巖稀土配分模式圖曲線分布幾乎一致，輕稀土稍富集，重稀土稍虧損，說明二者具有較好親緣性，這類曲線與Martin 統(tǒng)計(jì)的河水的稀土元素配分模式相似，整體為陸相大氣淡水環(huán)境的產(chǎn)物。

②茅口組泥晶灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r，各稀土元素含量有差異，但曲線一致，表現(xiàn)為輕重稀土均虧損，但輕稀土稍高于重稀土，整體揭示了二疊系海相沉積環(huán)境。

③兩個(gè)裂縫中充填的鈣泥樣品，稀土元素表現(xiàn)與上述兩類稀土配分模式有差異，表現(xiàn)為輕重稀土均虧損，重稀土稍高于輕稀土，研究表明在溶液中重稀土遷移能力強(qiáng)于輕稀土，裂縫中泥質(zhì)表現(xiàn)為重稀土相對(duì)高，反映了地表風(fēng)化重稀土可能均遷移到裂縫中，導(dǎo)致裂縫中重稀土相對(duì)輕稀土高。

4 茅口組縫洞形成—充填期次分析

通過巖心和地球化學(xué)分析，整體認(rèn)為茅口組儲(chǔ)層縫洞有4個(gè)主要形成期，對(duì)應(yīng)4期主要充填期導(dǎo)致儲(chǔ)層破壞。

4.1 準(zhǔn)同生暴露順層巖溶孔洞形成—充填期

茅口組石灰?guī)r在沉積過程中，受短期的暴露，高部位顆粒灘（島）、灰泥丘多次遭受大氣淡水淋濾，伴隨著成巖作用的繼續(xù)而發(fā)生巖溶作用。一般沿顆粒間溶蝕，同時(shí)可形成泥晶套（圖6a），以纖狀、馬牙狀圍繞顆粒生長，形成兩世代方解石膠結(jié)作用（圖6）。此外，如果暴露時(shí)間稍長，可形成短暫沉積間斷暴露面，暴露面下溶蝕形成孔洞，大小在2～20 cm不等，鳥眼狀、窗格狀不等（圖7），這些孔洞發(fā)育于灘島大氣淡水透鏡體內(nèi)，具有明顯順層特征，相控明顯。沉積期巖溶的溶蝕孔洞在云南宣威、貴州六盤水、云南鎮(zhèn)雄以及川東南水江、太平渡和坡渡等剖面的茅口組亮晶生屑灰?guī)r中均被發(fā)現(xiàn)，但孔洞形成早，基本已被后期亮晶方解石全充填。這些方解石的碳氧同位素為δ13C為 0.52‰ ～ 3.91‰，δ18O 為 -10.12‰ ～ -13.91‰，δ18O較大負(fù)偏，屬于埋藏期或高溫?zé)嵋涵h(huán)境充填。即準(zhǔn)同生期形成順層孔洞后，后期埋藏期充填，實(shí)際上這類儲(chǔ)集空間到現(xiàn)今能保存的可能很小。

圖6 各成巖階段方解石充填物照片

圖7 準(zhǔn)同生期順層孔洞巖溶發(fā)育模式圖

4.2 表生暴露巖溶裂縫充填鈣泥質(zhì)期

該期為茅口組沉積后，受東吳運(yùn)動(dòng)影響，碳酸鹽巖臺(tái)地整體暴露，形成了典型巖溶地貌，巖溶作用最強(qiáng)期，這一期方解石膠結(jié)物表現(xiàn)為明亮粒狀淡水方解石（圖6c），巖溶除在頂面形成少量孔洞外（圖2m），還發(fā)育大量垂向裂縫，剛沉積不久的茅口組遭受大氣淡水溶蝕，灰泥和生屑順?biāo)粠肓芽p。在此過程中，裂縫附近巖石垮落，形成角礫與滲流的泥、生屑混合充填（圖7）。該期主要是對(duì)垂向裂縫的充填較為嚴(yán)重（圖2），但推測應(yīng)該存在橫向徑流帶，可能有未被充填孔洞空間（圖8）。

圖8 茅口組表生暴露巖溶期鈣泥充填模式圖

4.3 表生暴露后龍?zhí)督M碎屑充填期

表生暴露巖溶期結(jié)束后，茅口組上覆地層在一部分地區(qū)為玄武巖，一部分地區(qū)海侵為龍?zhí)镀谀嗪兔簩印Ｔ谶@個(gè)時(shí)期龍?zhí)督M泥和煤對(duì)巖溶空間進(jìn)行二次充填，導(dǎo)致儲(chǔ)集空間進(jìn)一步減小，這期充填物較早期灰泥更松散，在巖心中也容易識(shí)別（圖2d）。

4.4 埋藏裂縫或孔洞充填方解石期

大規(guī)模的碎屑充填后，進(jìn)入埋藏封閉體系，地層水逐漸飽和，前期孔、洞、縫進(jìn)入化學(xué)充填時(shí)期，形成了大量埋藏期方解石充填，這一類方解石以針狀、柱狀充填溶孔洞、裂縫、溶縫，常與瀝青共生，形成時(shí)間晚于第一期大量液態(tài)烴充注（圖6d，e），從包裹體溫度看，各個(gè)溫度段都有充填。但有4個(gè)主要溫度段為主要充填時(shí)期，每個(gè)時(shí)期可能對(duì)應(yīng)一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致封閉體系短暫開啟，打破了前期平衡，構(gòu)造作用形成后期斷層和相關(guān)破碎帶，流體短暫活動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生溶蝕，形成溶縫或擴(kuò)溶孔。短暫活動(dòng)后又進(jìn)入長期封閉體系，方解石再次在裂縫中生產(chǎn)，這樣反復(fù)4次，形成了多期構(gòu)造裂縫和裂縫充填方解石，大部分裂縫還保留有儲(chǔ)集空間?，F(xiàn)今茅口組鉆遇大量的裂縫型儲(chǔ)層，多數(shù)屬于此類，鉆井鉆遇這些裂縫，多數(shù)會(huì)產(chǎn)生漏失，少部分會(huì)放空。

5 結(jié)論

1）蜀南地區(qū)茅口組充填物主要包含方解石、成巖的鈣泥質(zhì)、未成巖泥質(zhì)、瀝青等。根據(jù)產(chǎn)出分為：①早期裂縫充填的鈣泥質(zhì)碎屑物質(zhì)、生物碎屑、基巖角礫（已成巖）；②后期裂縫充填上覆龍?zhí)督M滲濾泥質(zhì)、煤塊（未成巖）；③后期構(gòu)造裂縫中半—全充填的方解石；④擴(kuò)溶縫充填方解石、瀝青；⑤孤立溶蝕孔洞充填方解石；⑥順層孔洞充填方解石；⑦茅口組頂部巖溶晶洞。

2）研究區(qū)內(nèi)茅口組上段的流體包裹體均一溫度在57～135℃的范圍內(nèi)分布。溫度大體可劃分為4個(gè)階段，即50～75℃、75～90℃、90～115℃和115～135℃，顯示了研究區(qū)茅口組古巖溶儲(chǔ)層可能存在4個(gè)期次的流體活動(dòng)，為進(jìn)一步研究儲(chǔ)層的成巖流體環(huán)境和古巖溶特征提供了依據(jù)。

3）蜀南地區(qū)茅口組充填物形成于4類環(huán)境，發(fā)現(xiàn)至少有4種不同的環(huán)境條件：第Ⅰ類為同生期或早成巖期巖溶環(huán)境，第Ⅱ類為大氣淡水巖溶環(huán)境，第Ⅲ類為中—淺埋藏巖溶環(huán)境，第Ⅳ類為中深埋藏或高溫?zé)嵋涵h(huán)境。

4）通過巖心和地球化學(xué)分析，認(rèn)為茅口組儲(chǔ)層有4個(gè)主要形成期，對(duì)應(yīng)4期主要充填期，導(dǎo)致儲(chǔ)層破壞：①準(zhǔn)同生暴露順層巖溶孔洞形成—充填期；②表生暴露巖溶裂縫充填鈣泥質(zhì)期；③表生暴露后龍?zhí)督M碎屑充填期；④埋藏裂縫或孔洞充填方解石期?，F(xiàn)今茅口組鉆遇大量的裂縫型儲(chǔ)層，多數(shù)屬于第④類。

總之，從野外及巖心看，茅口組主要以裂縫性儲(chǔ)層為主，是現(xiàn)今勘探的主要方向，應(yīng)該還存在順層的孔洞儲(chǔ)層，這類儲(chǔ)層與早期灘島暴露有關(guān)，還有可能存在暴露期徑流帶巖溶洞穴儲(chǔ)層，這類儲(chǔ)層的分布與古地貌、隔水層、海平面等相關(guān)。