鄂爾多斯盆地西部奧陶系風(fēng)化殼巖溶作用模式

舒鵬程，馮強(qiáng)漢，許淑梅，4，池鑫琪，孔家豪，崔慧琪，馬慧磊

1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100

2.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100

3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，西安 710021

4.海洋高等研究院/深海圈層與地球系統(tǒng)前沿中心，山東青島 266100

0 引言

鄂爾多斯盆地下古生界天然氣主要集中分布于馬家溝組頂部風(fēng)化殼部位，風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層特征及巖溶古地貌影響下的天然氣富集規(guī)律多年來(lái)成為鄂爾多斯盆地持續(xù)研究的重點(diǎn)[1-3]。迄今比較主流的觀點(diǎn)認(rèn)為馬家溝組1-4 亞段碳酸鹽巖儲(chǔ)集層以白云巖為主體，以晶間孔、晶間溶孔及構(gòu)造縫為主要儲(chǔ)集空間類型[4-5]。巖溶作用亦是以白云巖和灰質(zhì)白云巖為研究主體[6-8]，并以經(jīng)典碳酸鹽巖的巖溶地貌控儲(chǔ)模式為指導(dǎo)開(kāi)展勘探。隨著對(duì)下古生界地層取心的增加及其在掃描電子顯微鏡下的超微觀察，膏模孔發(fā)育的膏云巖儲(chǔ)層引起了關(guān)注[9-12]，但迄今遠(yuǎn)未意識(shí)到膏云巖的存在對(duì)膏云巖和白云巖互層風(fēng)化殼孔隙類型的深刻改變以及對(duì)其巖溶作用方式產(chǎn)生的影響；對(duì)膏云巖的優(yōu)異儲(chǔ)集性能及孔隙結(jié)構(gòu)特殊性的認(rèn)識(shí)也顯不足；對(duì)膏云巖層狀控儲(chǔ)的規(guī)律、孔隙充填期次和成因機(jī)制等的認(rèn)識(shí)也亟待深入。傳統(tǒng)的碳酸鹽巖巖溶作用模式認(rèn)為儲(chǔ)層在縱向和橫向均表現(xiàn)為強(qiáng)非均質(zhì)性，巖溶作用垂向分帶導(dǎo)致儲(chǔ)層的垂向強(qiáng)非均質(zhì)性，巖溶地貌制約導(dǎo)致橫向上強(qiáng)非均質(zhì)性，孔隙類型復(fù)雜，一般為大型、中型、小型溶洞和大型、中型、小型裂縫復(fù)合類型。研究區(qū)馬五1-4 亞段形成于薩布哈環(huán)境，受海平面周期性變化，薩布哈常形成特色的海平面向上變淺的沉積旋回。每個(gè)海平面變淺沉積旋回的上部為潮上帶完全白云石化的硫酸鹽或（含）膏云巖沉積，膏膜孔和晶模孔發(fā)育，為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育層段；中部為潮間帶白云巖化的微生物席，巖性較為致密；底部為潮下帶未徹底白云石化潟湖相帶云灰坪和灰云坪，巖性致密。膏云巖孔隙直徑普遍在0.02～5 mm 之間，超過(guò)10 mm 的溶孔極為少見(jiàn)，孔徑大小均勻，孔隙大小具有顯著的自限性，為“小孔微縫”型孔隙特征，橫向上局限在膏云巖內(nèi)成層分布，表現(xiàn)出一定的均質(zhì)性。因此，傳統(tǒng)的碳酸鹽巖巖溶發(fā)育模式顯然不能解釋桃2 區(qū)塊富含膏云巖的薩布哈沉積受巖溶作用形成的自限性的“小孔微縫”型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的孔隙特征。鄂爾多斯盆地西部蘇里格氣田桃2 區(qū)塊近年來(lái)獲得了較多的馬五1-4 亞段取心?；谪S富的巖心描述和測(cè)井參數(shù)分析，進(jìn)一步通過(guò)偏光顯微鏡和掃描電鏡分析，對(duì)研究區(qū)以膏模孔為主的孔隙特征進(jìn)行了分析，深入研究了孔隙的類型及充填規(guī)律，分析了研究區(qū)巖溶作用特點(diǎn)，討論了研究區(qū)巖溶特征與傳統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)巖溶作用特征的區(qū)別，提出了膏云巖區(qū)巖溶作用模式。膏云巖巖溶作用特征及巖溶模式的提出能為該類巖溶儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)提供科學(xué)的理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地下古生界碳酸鹽巖沉積地層分布廣泛，在天然氣生成、運(yùn)聚和成藏方面獨(dú)具特色。隨著盆地中部巖溶古地貌氣藏的發(fā)現(xiàn)與探明，研究者們突破了以往在構(gòu)造發(fā)育區(qū)的油氣勘探思路，開(kāi)拓了穩(wěn)定地臺(tái)區(qū)找氣新領(lǐng)域[13]。鄂爾多斯臺(tái)地寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)差異明顯：寒武紀(jì)受西部賀蘭拗拉谷早期裂陷的影響，臺(tái)地總體以拉張坳陷為特征；奧陶紀(jì)賀蘭拗拉谷強(qiáng)烈擴(kuò)張，臺(tái)地受較強(qiáng)烈擠壓，總體以均衡調(diào)整隆升為主，在賀蘭拗—拉谷和地臺(tái)過(guò)渡區(qū)發(fā)生均衡隆升，于地臺(tái)西南部形成“L”型大型隆起；鄂爾多斯盆地西部、南部與東北部的綏德—延川一帶因此發(fā)生構(gòu)造地貌分異，形成盆地“西隆東坳”的構(gòu)造格局[14]。鄂爾多斯盆地馬家溝期馬五段沉積時(shí)期存在四個(gè)古隆起，西部為中央古隆起，北部為伊盟古隆起，南部為渭北古隆起（富縣—黃陵古隆起和芮城—永濟(jì)古隆起）（圖1）。隨著海平面的周期性升降，古隆起限制了華北海與祁連洋和秦嶺洋之間的聯(lián)通[15-16]。研究區(qū)桃2區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地西部伊陜斜坡逐漸向東部坳陷的過(guò)渡地帶。盆地“西隆東坳”的構(gòu)造格局對(duì)桃2區(qū)塊奧陶統(tǒng)沉積格局產(chǎn)生明顯影響。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元（a）和研究區(qū)風(fēng)化殼剝蝕厚度差異圖（b）圖（a）紅色值線框?yàn)檠芯繀^(qū)，經(jīng)緯度坐標(biāo)，單位為°；圖（b）為圖（a）紅色方框區(qū)域的放大，大地坐標(biāo)，單位為m，其中橘黃色區(qū)域?yàn)閹r溶高地，（淡）綠色區(qū)域?yàn)閹r溶斜坡，藍(lán)色區(qū)域?yàn)閹r溶洼地。等值線數(shù)據(jù)來(lái)自馬五1-4亞段殘余厚度，單位為m。文中涉及的所有井位和連井剖面均在圖（b）中標(biāo)注Fig.1 (a) Tectonic units of the Ordos Basin and location of study area;(b) different crust weathering denudation thickness in study area

鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五段屬于一個(gè)海水咸化、水體逐漸變淺、時(shí)常暴露的低能臺(tái)地亞相潮坪沉積環(huán)境，灰?guī)r、白云巖和膏云巖沉積共生發(fā)育[17-18]。其中研究區(qū)馬五1-4亞段總體上由6 個(gè)海平面（相于準(zhǔn)層序組級(jí)別的五級(jí)海平面變化旋回）降低海水變淺的沉積旋回構(gòu)成[18-19]，馬五、馬五和馬五小層為一個(gè)自下而上海水變淺沉積序列，分別由潮下帶泥云坪和灰云坪、潮間帶云坪、潮上帶膏云坪沉積組成；馬五、馬五和馬五小層為一個(gè)自下而上海水變淺沉積序列，分別由潮下帶泥云坪、潮間帶云坪和泥云坪、潮上帶膏云坪沉積組成；馬五、馬五和馬五小層為一個(gè)自下而上海水變淺沉積序列，分別由潮下帶泥云坪、潮間帶云坪和泥云坪、潮上帶膏云坪沉積組成；馬五、馬五和馬五小層均屬潮上帶沉積環(huán)境，在海平面持續(xù)低位期沉積而成，主要為膏云坪沉積（圖2）[20]。研究區(qū)馬五1-4亞段自下而上總體上呈現(xiàn)灰質(zhì)含量減少、膏質(zhì)含量增加的趨勢(shì)。

2 研究區(qū)馬五1-4 亞段主要巖石學(xué)特征及孔隙特征

2.1 要巖石學(xué)特征

研究區(qū)奧陶系馬五1-4 亞段巖石類型主要有（含）膏云巖、粉—細(xì)晶白云巖、泥—微晶白云巖、（殘余）顆粒云巖、巖溶角礫巖和次生灰?guī)r（圖2）。

（含）膏云巖主要發(fā)育在海平面變淺旋回的最上部的潮上帶膏云坪，呈灰褐色、土黃色。白云石晶粒細(xì)小。層理不發(fā)育，整體成塊狀。缺乏廣鹽性生物，但發(fā)育較豐富的菌藻類，常見(jiàn)藻紋層。偏光鏡下以它形粒狀為主，多以泥晶—細(xì)粉晶為主。石膏呈結(jié)核狀、板狀、柱狀，呈蜂窩狀或星散狀或局部富集狀分布于白云巖中（圖3a，b）。研究區(qū)馬五和馬五小層是研究區(qū)內(nèi)（含）膏云巖最為發(fā)育的層位，是區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。馬五、馬五、馬五小層（含）膏云巖較為發(fā)育，儲(chǔ)層發(fā)育中等；馬五、馬五和 馬五層少見(jiàn)（含）膏云巖，一般為非儲(chǔ)集層（圖2）。

圖2 桃35 井馬五1-4 亞段綜合柱狀圖及海平面升降旋回Fig.2 Integrated column chart and sea level rise and fall cycles

白云巖多位于向上變淺的沉積序列中部的潮間帶云坪上。研究區(qū)的白云巖主要包括泥晶白云巖、微晶白云巖、粉晶白云巖和極少量細(xì)晶白云巖。粉晶—細(xì)晶白云巖呈灰色—褐色，晶徑范圍0.05～0.25 mm，晶形多為似麥粒狀或更粗，具次生晶粒結(jié)構(gòu)，鏡下晶粒呈凹凸—鑲嵌接觸，見(jiàn)紋層狀構(gòu)造；泥晶白云巖和微晶白云巖中的白云石晶粒細(xì)小，晶粒直徑一般小于5 μm，大小均勻，呈它形粒狀，塊狀構(gòu)造，見(jiàn)去白云石化現(xiàn)象、似生物擾動(dòng)構(gòu)造，可見(jiàn)黃鐵礦零星發(fā)育，常含一定量的泥質(zhì)，經(jīng)重結(jié)晶改造后呈鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，巖性致密，原生孔隙稀少（圖3c）。常見(jiàn)水平紋層、波狀紋層等沉積構(gòu)造。研究區(qū)白云巖廣泛分布在研究區(qū)馬五1-4各個(gè)亞段中，該類儲(chǔ)集巖的單層厚度大多數(shù)為1～2 m，少數(shù)為3～5 m，以薄層狀為主，局部為中—厚層狀，分布范圍較廣且累計(jì)厚度較大。

巖溶角礫巖在研究區(qū)馬五1-4 亞段廣泛發(fā)育，多位于向上變淺的沉積序列中、下部的潮間、潮下帶泥云坪上。主要由角礫和粗粒（砂級(jí)）雜基構(gòu)成。角礫成分復(fù)雜，多與母巖成分一致，大部分為白云質(zhì)。角礫間為離散的碳酸鹽砂、泥粉晶白云石或少量砂屑顆粒充填，發(fā)育少量高角度不規(guī)則狀小型溶縫。發(fā)育層段為高泥質(zhì)含量層段。研究區(qū)巖溶角礫巖可進(jìn)一步分為泥質(zhì)支撐角礫巖、網(wǎng)縫鑲嵌角礫巖、礫狀支撐角礫巖、方解石膠結(jié)角礫巖等。可見(jiàn)泥質(zhì)先沉積、角礫為后期垮塌產(chǎn)物，多為原地形成角礫（圖3d～g）。

圖3 鄂爾多斯盆地西部馬家溝組馬五1-4 亞段巖心照片（a）陜50井，3 490.2 m，馬五小層，膏云巖，滲流帶，膏?？妆痪植砍涮钚纬蓺堄喔嗄？?；（b）召88井，3 329.4 m，馬五小層，滲流帶，膏云巖中被泥質(zhì)充填的蜂窩狀膏模孔；（c）桃47井，3 433.4 m，馬五小層，滲流帶，致密白云巖；（d）桃34井，3 386.3 m，馬五小層，滲流帶沿裂縫溶蝕形成的角礫巖，進(jìn)而形成的網(wǎng)縫鑲嵌角礫巖；（e）陜50井3 507.0 m，馬五小層，由于上覆潛流帶水體沿裂縫下滲溶蝕形成的潛留帶原位無(wú)明顯位移的網(wǎng)縫鑲嵌狀角礫巖；（f）桃2井，3 380.7 m，馬馬五小層，滲流帶沿向下的垂向或高角度裂縫不規(guī)則溶蝕形成的角礫支撐白云質(zhì)巖溶角礫巖，礫間被泥質(zhì)充填；（g）陜50井，3 500.0 m，馬五小層，季節(jié)變化帶中的角礫支撐白云質(zhì)角礫巖，礫間被泥質(zhì)充填Fig.3 Photographs of core from the Mawu 1-4 submember,western Ordos Basin

（殘余）顆粒云巖主要包括亮晶砂屑云巖，可見(jiàn)明顯的砂屑結(jié)構(gòu)且未被破壞，顆粒支撐，砂屑含量55%～80%，粒徑0.2～0.4 mm，分選磨圓較好，多為次圓狀—圓狀。砂屑多呈點(diǎn)接觸—漂浮狀，其間為亮晶白云石充填。原始的顆粒結(jié)構(gòu)在后期強(qiáng)烈而徹底的白云石化和重結(jié)晶作用影響下變得模糊而顯示出晶粒結(jié)構(gòu)，宏觀上難與結(jié)晶白云巖相區(qū)別。鏡下晶粒結(jié)構(gòu)明顯，自形程度較高，呈緊密鑲嵌狀接觸。一般認(rèn)為（殘余）顆粒云巖是滲透回流白云巖化成因，常與層狀膏巖層伴生，其白云巖結(jié)晶較粗，多為粉晶—中晶，晶面平直。該巖類在區(qū)內(nèi)發(fā)育頻率較低，在馬五、馬五、馬五、馬五小層可見(jiàn)。

次生灰?guī)r一般發(fā)育在較厚層膏云巖之下。該巖石類型普遍發(fā)育水平層理和波狀層理，方解石晶粒小于10 μm，結(jié)構(gòu)均勻，以它形粒狀為主，巖性致密，不具有儲(chǔ)集性，在區(qū)內(nèi)發(fā)育較少，多為次生成因。主要因膏質(zhì)云巖的去膏化過(guò)程導(dǎo)致巖石中的CaSO4溶出，使介質(zhì)中的Ca2+濃度升高，Mg2+/Ca2+相對(duì)降低，從而使白云巖發(fā)生去云化作用形成次生灰?guī)r[21]。

2.2 孔隙類型

馬家溝組馬五1-4 亞段的儲(chǔ)集空間類型以硬石膏結(jié)核和晶體溶蝕形成的核?？缀途？祝ū疚慕y(tǒng)稱膏?？祝?、擴(kuò)溶（殘余）膏?？准芭c之伴生的脹縮微裂縫和擴(kuò)溶微裂縫為主。

石膏晶模孔呈針狀、柱狀，由石膏晶體選擇性溶蝕而成，硬石膏結(jié)核?？字睆揭话?.05～5 mm 不等，呈圓形、橢圓形或不規(guī)則圓形，有一定擴(kuò)溶特征。膏?？妆粷B流白云石粉砂、方解石、含鐵方解石、白云石、含鐵白云石、石英、螢石、黃鐵礦、重晶石、高嶺石、天青石、泥質(zhì)及有機(jī)質(zhì)等12種充填礦物局部或全部充填，形成微亮晶和亮晶淡水方解石充填、滲流白云石粉砂充填、滲流白云石粉砂+方解石充填組合、滲流白云石粉砂+石英充填組合、滲流白云石粉砂+方解石+石英礦物充填組合、滲流白云石粉砂+天青石（+含鐵方解石）充填礦物組合、滲流白云石粉砂+含鐵方解石+黃鐵礦充填礦物組合、滲流白云石粉砂+螢石+黃鐵礦充填礦物組合、滲流白云石粉砂+鐵白云石+螢石+高嶺石（+石英）礦物充填組合等9種充填礦物組合類型（圖4a～i）。膏模孔呈蜂窩狀、星散狀或密集簇狀分布在泥微晶白云巖內(nèi)，成層穩(wěn)定分布。脹縮微裂縫發(fā)育較為普遍，呈網(wǎng)格狀或樹(shù)枝狀，長(zhǎng)度1～5 cm，寬度一般為0.1～1.5 mm，多數(shù)未充填，也有的進(jìn)一步擴(kuò)溶或被白云石粉砂及方解石局部充填，與膏?？装樯l(fā)育（圖4f），很少見(jiàn)有穿過(guò)膏云巖層跨層分布的微裂縫[22]。微裂縫連通孤立的膏?？仔纬煽墒箮r溶水彌散性滲流的孔縫體系。故膏?？准皻堄喔嗄？?、脹縮微裂縫及殘余裂縫為研究區(qū)主要儲(chǔ)集空間類型，相比較而言，晶間孔、晶間溶孔等的數(shù)量和儲(chǔ)集意義上都比較次要。

圖4 鄂爾多斯盆地西部馬家溝組馬五1-4 亞段孔隙特征（鑄體薄片照片）（a）桃35井，3 388.84 m，馬五小層，滲流帶，膏云巖中鹽?？妆晃⒘辆Ш土辆Х浇馐涮?，巖性致密，儲(chǔ)集性極差，10×4(-)；（b）陜50井，3 490.2 m，馬五小層，季節(jié)變化帶,膏云巖中膏?？妆话自剖凵俺涮?，殘余孔隙發(fā)育，藍(lán)色鑄體，10×10(-)；（c）桃35井，3 389.86 m，馬五小層，滲流帶,膏云巖中核?？妆粷B濾白云石粉砂充填，殘余孔隙大量保存，紫色鑄體，10×4(-)；（d）桃38井，3 410.3 m，馬五小層，滲流帶，膏云巖中石膏核模孔被滲濾白云石粉砂和天青石局部充填，殘余孔隙發(fā)育，藍(lán)色鑄體，10×10(-)；（e）桃35井，3 414.4 m，馬五小層，滲流帶，膏云巖中膏?？妆话自剖凵啊㈣F方解石和螢石充填，大量殘余孔隙發(fā)育，藍(lán)色鑄體，茜素紅染色，10×4(-)；（f）陜223 井，3 378.7 m，馬五 小層，滲流帶，膏云巖中膏?？拙植勘环浇馐涮睿浛s微裂縫發(fā)育并連通膏?？祝{(lán)色鑄體，10×4(-)；（g）陜50 井，3 490.2 m，馬五小層，季節(jié)變化帶，膏云巖中膏?？妆粷B濾白云石粉砂、方解石和螢石充填，見(jiàn)少量殘余膏模孔孔隙，茜素紅染色，有殘余孔隙,藍(lán)色鑄體，10×4(-)；（h）桃47井，3 430 m，馬五小層，滲流帶，膏云巖中膏?？妆粷B濾白云石粉砂和螢石半充填,殘余膏?？卓紫洞罅勘４妫{(lán)色鑄體，10×4(-)；（i）桃53井，3 381.55 m，馬五小層，滲流帶，膏云巖的硬石膏結(jié)核?？妆粷B濾白云石粉砂充填，呈假示底構(gòu)造，殘余膏?？卓紫栋l(fā)育，紅色鑄體，10×4(-)Fig.4 Thin section micrographs of pores in Mawu 1-4 submember,western Ordos Basin

質(zhì)純白云巖，其半自形—它形白云石晶體呈鑲嵌狀緊密接觸，巖性致密，晶間孔和晶間溶孔均不發(fā)育[23]（圖5a，b）。筆者利用高倍掃描電子顯微鏡對(duì)研究區(qū)多組前人認(rèn)為的白云巖晶間孔和晶間溶孔薄片仔細(xì)觀察（圖5c），發(fā)現(xiàn)溶孔周邊的晶粒自形程度高，未見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象（圖5d），且所有類似的溶孔孔徑大小相對(duì)均勻，具有很好的自限性，視后期被充填程度的不同，孔徑在0.05～3 mm 之間變化，最大孔徑不超過(guò)硬石膏結(jié)核和晶體的大小，在層內(nèi)表現(xiàn)出較為明顯的均質(zhì)性特征。溶孔內(nèi)主要為自形鐵白云石、螢石、重晶石、天青石晶體等后期充填在膏模孔內(nèi)的低溫?zé)嵋旱V物（圖5e），故所謂的“晶間溶孔”實(shí)際上為膏?？缀笃诒坏蜏?zé)嵋撼涮詈蟮摹皻堄唷笨紫叮▓D5f）。

圖5 鄂爾多斯盆地西部馬家溝組馬五1-4 亞段孔隙特征（掃描電鏡照片）（a）陜166井，3 394.94 m，馬五小層，粉晶云巖，巖性致密，晶間微孔隙和裂縫均不發(fā)育，掃描電鏡照片；（b）陜225井，3 429.37 m馬五小層，泥晶云巖，巖性致密，晶間微孔隙和裂縫均不發(fā)育，掃描電鏡照片；（c）桃2井，3 418.16 m，馬五小層，膏云巖，膏?？装l(fā)育，貌似為白云巖的晶間溶孔發(fā)育，掃描電鏡照片；（d）圖（c）的進(jìn)一步放大,所示的膏?？妆蛔孕舞F白云石和螢石充填,見(jiàn)殘余孔隙；（e）桃53井，3 384.41 m，馬五小層，膏云巖，膏?？装l(fā)育，貌似為白云巖的晶間溶孔發(fā)育；（f）圖（e）的進(jìn)一步放大，所示的膏?？妆蛔孕舞F白云石、螢石等礦物充填，見(jiàn)殘余孔隙Fig.5 Scanning electron micrographs of pores in Mawu 1-4 submember,western Ordos Basin

3 儲(chǔ)層發(fā)育的層控特征

4 研究區(qū)巖溶作用特征

4.1 巖溶作用與云灰?guī)r區(qū)巖溶作用的差異

通過(guò)對(duì)硬石膏、方解石和白云石三種礦物的化學(xué)溶解度和力學(xué)穩(wěn)定性的分析和對(duì)比，可以更好地理解以膏云巖為主的風(fēng)化殼巖溶作用與云灰?guī)r（傳統(tǒng)碳酸鹽巖）巖溶作用的差異。

常溫常壓下，硬石膏溶解度為6 300 mg/L，石膏的溶解度2 080 mg/L，硬石膏硬度很低，力學(xué)穩(wěn)定性極差，縱向易裂離，橫向易斷裂，徒手即能碾碎；方解石的溶解度為12.28 mg/L，方解石的物理穩(wěn)定性較強(qiáng)，受力不易破裂；白云石的溶解度為14.32 mg/L，受力較易破裂，風(fēng)化易破裂成刀砍紋[25-26]。膏云巖遇淡水發(fā)生溶解或溶蝕作用時(shí)，硬石膏比白云石極易首先溶蝕形成大量膏模孔，出現(xiàn)顯著的組構(gòu)選擇性溶蝕現(xiàn)象。硬石膏溶解過(guò)程中首先轉(zhuǎn)化為軟石膏使其體積增大30%，對(duì)基巖施壓；軟石膏溶解形成溶?？揍寜?，在膏?？仔纬傻耐瑫r(shí)會(huì)形成伴生的脹縮微裂縫。硬石膏溶解釋放出釋放出的使白云石溶解度大大提高，促使膏?？缀兔浛s微裂縫一定程度的擴(kuò)溶；Ca2+使介質(zhì)Mg/Ca 降低，使白云巖發(fā)生去云化形成次生灰?guī)r，因此次生灰?guī)r一般發(fā)育在較厚層膏云巖段之下（圖7）。

圖6 桃2-1-1 井—桃2-6-1 井—桃2-25-2 井—桃2-26-2 井—蘇93 井—桃2-33-2 井巖性和沉積微相連井對(duì)比剖面（連井剖面位置見(jiàn)圖1b）Fig.6 Lithology and sedimentary microfacies and linked well profiles of wells Tao2-1-1-Tao2-6-1-Tao2-25-2-Tao2-26-2-Su93-Tao2-33-2

圖7 陜223 井馬五4 亞段次生灰?guī)r發(fā)育層段Fig.7 Intervals of secondary limestone development in Mawu 4 submember

膏云巖表生初期即形成的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)其巖溶作用方式有顛覆性影響，導(dǎo)致膏云巖與云灰?guī)r的溶蝕方式及巖溶作用特征大不相同。在膏云巖地區(qū)，膏云巖遇淡水易迅速溶解形成膏模孔和連通膏?？椎拿浛s微裂縫。地表水沿膏?？缀兔浛s微裂縫隨即滲濾，巖溶水以分散流的彌散性滲透溶蝕為主。因硬石膏結(jié)核和晶體的相對(duì)均勻分布，導(dǎo)致膏云巖層內(nèi)形成相對(duì)均衡的強(qiáng)滲透性，這也更使巖溶水趨向于膏云巖地層集中，導(dǎo)致孔隙分布具有明顯的層控和相控特征。地表水流遇到滲透性強(qiáng)的膏云巖地層可以實(shí)時(shí)滲透，難以積蓄力量形成具有一定水動(dòng)力的地表河、落水流和地下河，而是形成以彌散性滲透為主的分散流，水動(dòng)力很弱。因此研究區(qū)不發(fā)育地表河、落水流和地下暗河，相應(yīng)的河流流水機(jī)械沉積如溶蝕洞穴、河流砂礫巖類沉積、溶蝕殘余物堆積、重力崩塌、垮塌沉積等均不發(fā)育，也無(wú)法形成大型的洞穴，很難找到明確的巖溶古地貌因素對(duì)膏云巖區(qū)的巖溶作用影響的證據(jù)。

與膏云巖相比，云灰?guī)r巖性致密，易積蓄地表水并使地表水以水道化流形式積蓄在巖溶洼地，沿?cái)鄬有纬晒艿阑渌?、地下河，?duì)灰?guī)r沖刷溶蝕，形成喀斯特地貌。云灰?guī)r地區(qū)的巖溶地貌會(huì)對(duì)儲(chǔ)層形成產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，地表巖溶洼地因巖溶流水機(jī)械沉積如溶蝕洞穴、河流砂礫巖類沉積、溶蝕殘余物堆積等均較發(fā)育；巖溶斜坡和巖溶高地因缺乏巖溶水的匯集和強(qiáng)有力的沖刷溶蝕，溶洞欠發(fā)育，保留原巖的致密巖性，難以形成儲(chǔ)集空間；巖溶洼地處落水洞下方滲流帶發(fā)育“落水洞”、“滲流井”；在潛流帶形成“廳堂洞”、“地下河”“干流洞”等巨型溶洞，從而使儲(chǔ)層表現(xiàn)為物性縱向和橫向上的強(qiáng)非均質(zhì)性[27]。巖溶地貌對(duì)儲(chǔ)層孔隙影響顯著，巖溶作用垂向分帶導(dǎo)致儲(chǔ)層垂向強(qiáng)非均質(zhì)性，巖溶地貌制約導(dǎo)致橫向上強(qiáng)非均質(zhì)性，形成大/中/小縫+大/中/小洞復(fù)合型儲(chǔ)集空間，孔洞大小則受灰?guī)r單層厚度及風(fēng)化殼分帶制約[28]）。

依據(jù)膏云巖和云灰?guī)r的不同物理化學(xué)性質(zhì)，從巖石物理化學(xué)性質(zhì)、巖溶水動(dòng)力條件、孔隙特征、儲(chǔ)層形成的主要制約因素等方面系統(tǒng)總結(jié)了膏云巖區(qū)和云灰?guī)r區(qū)巖溶作用的差異性特征，見(jiàn)表1。

表1 膏云巖和云灰?guī)r地區(qū)的巖溶作用特征和儲(chǔ)層特征對(duì)比Table 1 Different gypsodolomite and dolomite limestone karstification and reservoir characteristics

4.2 巖溶垂向分帶特征

在重力作用下，大氣淡水、河流湖泊和地下水及其相應(yīng)的水介質(zhì)運(yùn)動(dòng)特征及巖溶產(chǎn)物具有明顯的分帶性，傳統(tǒng)碳酸鹽巖古巖溶可根據(jù)地層剖面特征由上至下分為表層帶、滲流帶、季節(jié)變化帶和潛流帶四個(gè)帶。風(fēng)化殼地層厚度在約150～250 m，滲流帶頂部和季節(jié)性變化帶一般出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)含氣層，滲流帶下部和潛流帶的原地或準(zhǔn)原地巖溶角礫巖都比較發(fā)育，溶孔、溶洞等不發(fā)育，儲(chǔ)集性較差?？v向及橫向上均具強(qiáng)非均質(zhì)性。

套用傳統(tǒng)碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶分帶形式將研究區(qū)膏云巖為主的風(fēng)化殼進(jìn)行分帶，總結(jié)各帶特征如下（圖8）。

圖8 桃38 井—桃47 井巖溶剖面特征（連井剖面位置見(jiàn)圖1b）Fig.8 Karst profile,wells Tao38-Tao47

表層帶位于風(fēng)化殼表面，大氣淡水沿微裂縫裂隙向下滲流，母巖遭受風(fēng)化剝蝕，形成鋁土質(zhì)泥巖、殘積角礫巖等地表殘積物，形成含黃鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、白云質(zhì)角礫巖等混雜堆積。

滲流帶是最高地下水面以上的飽氣帶，大氣淡水首先沿快速溶出的膏?？缀土芽p系統(tǒng)向下滲透，并進(jìn)入巖石孔隙系統(tǒng)，以淋濾溶解作用為主。成層性良好的膏云巖及含鹽層發(fā)育時(shí)，出現(xiàn)大量溶蝕的膏模孔和鹽?？祝纬蓛?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層（圖3a，b），同時(shí)也導(dǎo)致來(lái)自風(fēng)化殼頂部的酸不溶物形成的鋁土質(zhì)和黏土礦物的滲入。其中滲流帶上部各類裂縫發(fā)育，巖溶水以下滲為主，較強(qiáng)的淋濾作用和脹縮擴(kuò)溶微裂縫的切割作用導(dǎo)致巖石破碎普遍，形成角礫支撐角礫巖，角礫棱角尚存或被溶蝕（圖3d）。滲流帶下部淋濾作用減弱，酸不溶物沉淀，巖石的角礫化程度減弱，各類孔、洞、縫中的充填物增多，各種酸不溶物、泥質(zhì)物（鋁土質(zhì)）、細(xì)粒溶蝕碎屑、方解石膠結(jié)物等常見(jiàn)，形成網(wǎng)縫鑲嵌狀角礫巖，巖石物性條件變差。

季節(jié)變化帶是活躍的地下水最高水位與最低水位之間的變動(dòng)空間帶，該帶巖溶特點(diǎn)以淋濾溶解作用為主，該帶上部淡水補(bǔ)給充足，巖溶水溶蝕作用較強(qiáng)，溶解石膏、石鹽晶體，形成大量的晶間溶孔和晶?？祝▓D4b）；該帶下部淡水補(bǔ)給不充足，巖溶溶蝕作用相對(duì)較弱，上部的酸不溶物和泥質(zhì)下滲，充填在下部。

潛流帶巖溶水對(duì)CaCO3飽和，巖溶水對(duì)白云巖和膏巖雙重溶質(zhì)的溶解作用均減弱，使組構(gòu)選擇溶蝕性的特點(diǎn)改變?yōu)榉墙M構(gòu)選擇性溶蝕，分散流攜帶泥質(zhì)并以沉淀碳酸鹽礦物為主，溶蝕縫洞少見(jiàn)（圖3e）。

研究區(qū)的風(fēng)化殼層厚度薄，約100～110 m，大致為灰?guī)r區(qū)風(fēng)化殼的一半，橫向上各膏云巖層物性統(tǒng)計(jì)學(xué)均質(zhì)性顯著。優(yōu)質(zhì)氣層及較差儲(chǔ)集層所在的分帶位置與傳統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶分帶位置相似。

5 巖溶發(fā)育模式

筆者從研究區(qū)膏云巖風(fēng)化殼內(nèi)獨(dú)特的彌散性滲透溶解水動(dòng)力特征、層控相控的儲(chǔ)層展布特征、自限性孔隙特征及巖溶分帶特征出發(fā)，探討了研究區(qū)巖溶發(fā)育模式。

準(zhǔn)同生期，在陸表海臺(tái)地潮坪薩布哈沉積環(huán)境中，由于海平面周期性變化，碳酸鹽巖沉積間歇性地暴露于地表環(huán)境中，受大氣淡水及混合水作用，孔隙中原始海水流體被大氣淡水取代，此時(shí)沉積物內(nèi)不同成分、組構(gòu)穩(wěn)定性存在差異，其中石膏、石鹽等蒸發(fā)鹽礦物的溶解度遠(yuǎn)高于碳酸鹽沉積物，從而會(huì)造成石膏、石鹽等易溶礦物優(yōu)先溶蝕形成溶?？?，導(dǎo)致所謂選擇性溶蝕作用的發(fā)生。石膏等易溶礦物首先發(fā)生溶蝕形成膏?？滓约鞍樯⒘芽p，但在CaCO3-H2O-CO2表生常溫淡水成巖體系中，大部分膏?？纂S即又會(huì)被文石和高鎂方解石因Mg2+出溶形成的微亮晶方解石充填[29]，并且作用的時(shí)間與規(guī)模較小，因而對(duì)有效儲(chǔ)集空間的形成規(guī)模作用有限（圖9）。

圖9 研究區(qū)準(zhǔn)同生期巖溶模式圖Fig.9 Model of penecontemporaneous karstification in the study area

表生期巖溶，加里東運(yùn)動(dòng)末期區(qū)域構(gòu)造抬升使研究區(qū)馬五1-4 亞段經(jīng)歷了140 Ma 的大氣淡水巖溶作用改造和風(fēng)化殼巖溶作用過(guò)程。表生期裸露風(fēng)化殼環(huán)境下大氣淡水沿準(zhǔn)同生期生成的脹縮微裂縫以及初期形成的膏模孔下滲，發(fā)生強(qiáng)烈的去膏化至擴(kuò)溶作用，當(dāng)巖溶水滲入膏云巖層時(shí)，巖溶水以“分散流彌散性”的水動(dòng)力模式流動(dòng)并進(jìn)行溶蝕作用，當(dāng)巖溶水滲入潮間、潮下帶的泥質(zhì)云巖中時(shí)，會(huì)形成巖溶角礫巖；滲流帶由上至下淋濾作用逐漸減弱，下部酸不溶物沉淀，巖石的角礫化程度減弱，當(dāng)巖溶水對(duì)CaCO3飽和時(shí)，巖溶水對(duì)白云巖和膏巖雙重溶質(zhì)的溶解作用均減弱，使組構(gòu)選擇溶蝕性的特點(diǎn)改變?yōu)榉墙M構(gòu)選擇性溶蝕，分散流攜帶泥質(zhì)并以沉淀碳酸鹽礦物為主（圖10）。

圖10 研究區(qū)表生期巖溶模式圖Fig.10 Model of supergene karstification in the study area

海西期末，隨著盆地發(fā)生沉降并持續(xù)接受沉積，研究區(qū)進(jìn)入中淺埋藏成巖階段，在上覆晚石炭世—二疊紀(jì)地層負(fù)荷作用下，馬五1-4亞段進(jìn)入快速持續(xù)埋藏壓實(shí)階段，古地溫逐漸升高至85 ℃，有機(jī)質(zhì)處于未成熟—半成熟期。隨著埋藏深度加大，成巖溫度不斷升高（古地溫升至85 ℃～175 ℃）研究區(qū)進(jìn)入中深埋藏成巖階段，兩期埋藏成巖階段對(duì)準(zhǔn)同生期及表生期產(chǎn)生的孔隙進(jìn)行充填和破壞，并形成多種礦物充填組合類型（圖4a～e）[30]。

6 結(jié)論

（1）因硬石膏、方解石和白云石三種礦物化學(xué)溶解度和力學(xué)穩(wěn)定性的差異，受強(qiáng)組構(gòu)選擇性溶蝕的巖溶作用的影響，研究區(qū)馬五1-4亞段的主要儲(chǔ)集空間類型為膏云巖的膏?？住U(kuò)溶膏?？准芭c之伴生的脹縮微裂縫和擴(kuò)溶微裂縫，形成了特色的自限性“小孔微縫”型孔隙特征，而非前人認(rèn)為的白云巖晶間孔和晶間溶孔和構(gòu)造微裂縫組合。

（2）在具特色海平面向上變淺沉積旋回的薩布哈環(huán)境下，研究區(qū)馬五1-4亞段的儲(chǔ)層類型為受巖溶作用影響的層狀相控巖溶成因巖性氣藏。有效儲(chǔ)集巖為膏云巖，是儲(chǔ)層形成的先決條件，有利微相為潮上帶膏云坪，是形成儲(chǔ)層的物質(zhì)及環(huán)境基礎(chǔ)。儲(chǔ)層平面上受膏云巖展布的制約成層分布，均質(zhì)性明顯。風(fēng)化殼巖溶古地貌對(duì)儲(chǔ)層的影響主要在于剝蝕區(qū)缺失了若干層膏云巖儲(chǔ)層，其本身并非是制約膏云巖儲(chǔ)層的形成和分布的關(guān)鍵因素。

（3）膏云巖獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)使其在巖溶作用下的巖溶水為非水道化的分散流和滲流，巖溶作用以非水道化流的彌散性滲透溶解為主，針對(duì)硬石膏的組構(gòu)選擇性溶蝕顯著，與傳統(tǒng)的碳酸鹽巖巖溶作用模式有著本質(zhì)區(qū)別，研究區(qū)巖溶模式以“膏云巖儲(chǔ)層彌散性滲透成層相控巖溶作用模式”為主，是制約風(fēng)化殼儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵，該模式的提出將促使研究區(qū)下古生界從“巖溶古地貌氣藏”向“相控巖性氣藏”勘探的深刻轉(zhuǎn)變。