斷裂對石馬山地區(qū)巖溶發(fā)育的控制

許欣雨， 陳清華, 孫 珂， 劉紅英， 韓科龍

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580； 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083)

目前，隨著油氣田勘探開發(fā)程度愈漸加大，巖溶縫洞型儲層在油氣勘探開發(fā)中占據(jù)了重要地位[1-2]，其中以塔河油田奧陶系和四川盆地二疊統(tǒng)儲層為代表，這類油氣埋藏深，開發(fā)困難，油氣分布規(guī)律難以把握，故而地質(zhì)工作者對巖溶發(fā)育的影響因素、分布特征以及發(fā)育規(guī)律的研究愈發(fā)重視。巖溶發(fā)育受諸多因素的影響，包括氣候、地形、水文、巖性、構(gòu)造等地質(zhì)條件[3-4]，中國最早由譚周地[5]提出構(gòu)造在巖溶發(fā)育過程中起主要控制作用，隨著國內(nèi)外學(xué)者研究的深入，認可了構(gòu)造是巖溶發(fā)育的主控因素之一的觀點[3，5-12]。構(gòu)造對巖溶的控制主要有二方面內(nèi)容，分別是褶皺和斷裂。其中褶皺通過控制地形地貌，從而控制水系運移方向，間接控制溶蝕方向與強度，使得巖溶發(fā)育呈帶狀分布[11]；而斷裂為巖溶水提供了優(yōu)勢通道，導(dǎo)致斷裂帶內(nèi)及兩側(cè)裂縫發(fā)育部位和節(jié)理裂隙發(fā)育部位易發(fā)生巖溶作用，從而促進溶洞的形成，控制巖溶發(fā)育分布特征，前人根據(jù)眾多研究建立了以天坑為代表的斷裂控制巖溶的垂向發(fā)育模式[6-7]。Szczygial等[10]表征了裂縫對巖溶發(fā)育的控制作用，明確了張裂縫以及裂縫匯聚部位更容易發(fā)生溶蝕，且巨型溶洞多沿著較密集的裂縫帶發(fā)育，并且Ennes-Silva等[12]研究時發(fā)現(xiàn)根據(jù)褶皺和裂縫發(fā)育方向可以預(yù)測洞穴發(fā)育方向。前人研究以不同類型構(gòu)造對巖溶作用的影響為主，總結(jié)了巖溶作用的優(yōu)勢發(fā)育方向與巖溶分布，而對不同性質(zhì)構(gòu)造控制巖溶發(fā)育分布特點及發(fā)育模式的研究相對較少且不夠深入。筆者以石馬山巖溶區(qū)為例，研究斷裂和巖溶的發(fā)育特征，從不同性質(zhì)斷層和裂縫展開對溶洞以及溶縫發(fā)育特征的研究，探討溶洞和溶縫的優(yōu)勢發(fā)育位置以及發(fā)育規(guī)律，總結(jié)不同性質(zhì)斷裂對巖溶發(fā)育的控制作用，并建立不同性質(zhì)斷裂控巖溶的發(fā)育模式，以期對巖溶縫洞型儲層的勘探開發(fā)提供新的研究思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省常寧市廟前鎮(zhèn)石馬山，東、西兩側(cè)分列大義山和塔山(圖1(a))，經(jīng)歷了雪峰期、加里東期、海西期、印支期、燕山期構(gòu)造運動[13-14]，褶皺和斷裂極其發(fā)育。研究區(qū)在構(gòu)造上屬華南板塊中段華南褶皺帶(圖1(a))，土地堂向斜核部北段(圖1(b))，夾持于北北西向常寧-唐家村逆斷層和北北東向獅子山正斷層之間(圖1(a))，地貌受中生代北北西向“大義山式斷裂”構(gòu)造的影響[15-16]。研究區(qū)發(fā)育的可溶巖系主要是石炭系和泥盆系(圖1(a)和(c))，以灰?guī)r和白云巖為主，露頭地層主要是孟公坳組灰?guī)r段[14，18]，為溶蝕作用提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，且研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候[17-18]，發(fā)育湘江二級支流潭水上游宜水，是典型的喀斯特發(fā)育區(qū)，巖溶現(xiàn)象豐富[19]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況示意圖Fig.1 Geological map of study area

2 方 法

2.1 地質(zhì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查中主要使用高精度地質(zhì)羅盤、紅外線激光測距儀、GPS測量儀、米尺、相機等工具，完成巖溶洞穴規(guī)模相關(guān)幾何參數(shù)(洞長、洞寬、洞深)、溶縫產(chǎn)狀、野外巖溶現(xiàn)象相關(guān)影像采集和現(xiàn)象描述。

2.2 三維激光掃描技術(shù)

采用FARO?Laser Scanner FocusS高速三維激光掃描儀，工作原理是將紅外線激光束射到旋轉(zhuǎn)光學(xué)鏡的中心，再將周圍掃描對象的散射光反射回掃描儀，獲取點數(shù)據(jù)并成像，精確采集幾何地質(zhì)參數(shù)，獲取該溶洞的洞體輪廓以及規(guī)模，構(gòu)建溶洞三維模型，實現(xiàn)溶洞空間結(jié)構(gòu)的一比一還原[20]。完成以錫金洞為主的洞穴掃描工作，建立三維模型(圖2)，繪制洞穴發(fā)育的平面圖和剖面圖。

圖2 三維激光掃描成果Fig.2 Three-dimensional laser scanning model and pictures

3 結(jié) 果

3.1 石馬山構(gòu)造特征

3.1.1 斷層

研究區(qū)位于NNW-NNE向展布的土地堂向斜核部北段(圖3(a))，主要發(fā)育燕山早期形成的北北東向獅子山正斷層和印支期形成的北北西向常寧-唐家村逆斷層[15-16，18](圖1(a))。區(qū)內(nèi)斷層以印支期和燕山期發(fā)育為主(圖3(h)和(i))，斷層活動強烈，次級斷層數(shù)量多(圖4)。從斷層力學(xué)性質(zhì)上，可歸結(jié)為壓性斷層、張性斷層以及扭性斷層3大類。

壓性斷層發(fā)育以NE、NNE和NNW向為主(圖3(b))，數(shù)量最多，少數(shù)壓性斷層僅上盤出露，因擠壓拖曳作用在斷層面形成的擦痕，地表水沿擦痕流下，溶蝕形成溶痕(圖4(a))。多數(shù)壓性斷層在斷裂帶兩側(cè)尤其是上盤高角度裂縫發(fā)育，溶蝕強烈(圖4(c))。

張性斷層發(fā)育以NW向為主(圖3(c))，發(fā)育數(shù)量次之，在斷層兩側(cè)發(fā)育與斷面平行或斜交的高角度裂縫，巖溶作用強烈，但沿層面方向巖溶發(fā)育較弱(圖4(b))。

圖3 構(gòu)造產(chǎn)狀分析圖Fig.3 Stereogram of tectonic occurrence

扭性斷層發(fā)育以NE向為主(圖3(d))，發(fā)育較少，通常在斷裂帶附近溶蝕作用較強(圖4(d))，或者沿斷層派生裂縫發(fā)生溶蝕，形成一系列小型溶孔、溶洞等(圖4(e))。

圖4 研究區(qū)斷層和裂縫野外露頭照片F(xiàn)ig.4 Photos of fault and fracture in study area

3.1.2 裂 縫

研究區(qū)裂縫十分發(fā)育(圖4(f)～(h))，主要發(fā)育NNW、NNE、NWW、NEE向(圖3(g))。利用節(jié)理恢復(fù)構(gòu)造應(yīng)力場分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主要經(jīng)歷了兩期構(gòu)造應(yīng)力場，應(yīng)力方向分別為NNE和NNW向，與研究區(qū)構(gòu)造演化吻合[13，15-18]。證實研究區(qū)以印支期、燕山期剪裂縫發(fā)育最廣泛，主要形成時間與該區(qū)斷裂活動時間(印支期、燕山期)一致(圖3(h)、3(i))。

根據(jù)力學(xué)性質(zhì)，裂縫可分為剪裂縫和張裂縫。研究區(qū)剪裂縫十分發(fā)育，主要以NNW、NNE、NWW、NEE向發(fā)育為主(圖3(e))，常在剪裂縫交匯部位形成小型溶孔、溶洞，或沿縫溶蝕形成溶縫(圖4(h))；而張裂縫以NNW和NEE向發(fā)育為主(圖3(f))，沿張裂縫走向易發(fā)育一系列串珠狀小型溶孔、溶洞，多數(shù)溶蝕作用發(fā)育在張裂縫走向改變位置和張裂縫交匯部位(圖4(f)和(g))。

3.2 巖溶發(fā)育特征

3.2.1 溶 洞

石馬山地區(qū)發(fā)育多處溶洞，其中錫金洞、無底洞、月光洞相互連通構(gòu)成了研究區(qū)主要的巖溶系統(tǒng)(圖5和6)，即錫金洞-月光洞巖溶系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有3層(圖6)，從上至下分別是：一層月光洞，二層錫金洞，三層暗河溶洞(暗河出口是晴雨泉)。

圖5 錫金洞-月光洞系統(tǒng)相關(guān)巖溶現(xiàn)象照片F(xiàn)ig.5 Photos of karst phenomena in Xijin cave-Yueguang cave karst system

圖6 錫金洞-月光洞系統(tǒng)剖面和平面形態(tài)示意圖Fig.6 Schematic diagram of section and plane morphology of Xijin cave-Yueguang cave karst system

一層是月光洞(圖5(a))，洞內(nèi)主要由SN向廳堂洞和NE向廊道洞組成(圖5(b))，洞內(nèi)以砂泥質(zhì)沉積物和化學(xué)沉積物充填為主(圖5(a)和(d))，垮塌充填較少(圖5(b))，逆斷層和走滑-逆斷層十分發(fā)育，在斷層交匯處形成了規(guī)模巨大的廳堂洞(圖5(c))，裂縫以NNW、NEE和NE向為主(圖6(b))。

二層錫金洞，以豎井與月光洞相連通(圖5(b))，是典型暗河型溶洞，NW向展布，以流水沉積(圖5(e))、垮塌堆積物充填(圖5(f))為主，化學(xué)充填較少(圖5(i))。裂縫以NW、NWW、NE、NEE向為主。

三層暗河溶洞，以高角度逆斷層與二層相連通(圖5(k))，并切穿二層錫金洞頂板與地表相連，化學(xué)沉積物充填程度高，且規(guī)模巨大，洞穴規(guī)模較大，是錫金洞-月光洞巖溶系統(tǒng)的主體部分。

總之，錫金洞-月光洞巖溶系統(tǒng)通過斷裂與地表連通，形成典型層樓式巖溶洞穴，構(gòu)成石馬山巖溶單元主體，表明研究區(qū)巖溶發(fā)育在垂向上具有分層性特征。

3.2.2 溶 縫

地表水沿可溶性巖石的節(jié)理、裂隙流動，不斷地對可溶巖進行溶蝕和侵蝕，使巖石表面形成槽形，稱為溶蝕裂隙[21]。通常地質(zhì)學(xué)上使用的概念是“溶蝕裂縫”，即“溶縫”。石馬山地區(qū)溶縫十分發(fā)育，以磨眼里峽谷為代表(圖7(k))，發(fā)育數(shù)量眾多、規(guī)模不一、特征各異的溶蝕裂隙、溶縫(帶)和斷溶谷(圖7)。通過大量溶縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(圖7)，結(jié)合裂縫溶蝕與斷層溶蝕現(xiàn)象的特點研究，建立了“溶縫—斷溶序列”，見表1。

圖7 石馬山地區(qū)溶蝕裂縫照片F(xiàn)ig.7 Photos of dissolved fracture in Shimashan area

表1 溶縫-斷溶序列劃分

4 討 論

4.1 斷裂對巖溶的控制

4.1.1 斷層對巖溶的控制

斷裂是巖溶發(fā)育的主要控制因素之一[5-10]。宏觀上，斷裂對局部地區(qū)的地形、地貌具有顯著控制，且斷裂構(gòu)成地表水系與地下水系的優(yōu)勢滲流通道，有利于地表水與地下水在可溶巖中運動，從而促使巖溶作用的發(fā)生[5-6]。局部來說，斷層對巖溶的控制作用體現(xiàn)在不同斷層發(fā)育時期、產(chǎn)狀、規(guī)模、性質(zhì)等方面[4-8，22-27]。本文中以不同性質(zhì)斷層對巖溶的控制展開表述，可歸為壓性斷層、張性斷層及扭性斷層3類。

(1)壓性斷層。壓性斷層形成初期，在主應(yīng)力作用下形成裂縫，壓性斷裂下盤常被上盤鏟刮，巖石相對破碎，裂縫較上盤發(fā)育(圖4(c))，更易發(fā)生溶蝕；隨著應(yīng)力作用增強，壓性斷層規(guī)模較大時，斷裂帶內(nèi)因發(fā)育斷層泥、糜棱巖，形成滲透性差的隔水層[22]，不利于大氣降水、地下水的徑流與儲存，巖溶作用較弱；而逆斷層上盤會形成拖曳褶皺(背斜)，上升盤一側(cè)易發(fā)育大量低級序斷層或張性裂縫，形成一定規(guī)模的裂縫帶[24-25]，為巖溶水提供了優(yōu)勢通道；并隨著后期主壓應(yīng)力逐漸釋放，構(gòu)造反轉(zhuǎn)，逆斷層引張，斷層上盤容易發(fā)生溶蝕作用，沿著壓性斷層上盤裂縫帶形成一定規(guī)模的巖溶帶(圖8)。

圖8 壓性斷層巖溶發(fā)育模式Fig.8 Karst development pattern of compression fault

(2)張性斷層。張性斷層一般破碎帶較寬，斷層巖多為粒徑差異大的斷層角礫巖、碎裂巖，斷裂帶附近多發(fā)育開度較大的張裂縫，有利于大氣降水和地下水的滲流，從而提高巖溶強度，故沿張性斷層溶蝕強度往往較之壓性斷層更強[3,23]。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育小型張性斷層數(shù)量較少，且規(guī)模不大，但溶蝕強度較大，斷層核部基本都被溶蝕殆盡，個別斷層表現(xiàn)為滑塌角礫，僅殘留了斷層兩壁形成斷溶谷(圖9(a))。斷裂帶兩側(cè)裂縫誘導(dǎo)帶以發(fā)育溶縫為主，高角度裂縫優(yōu)先溶蝕，多組裂縫的交匯處易形成小型溶孔溶洞，巖溶強度隨裂縫發(fā)育密度由斷層核部向兩翼減小而遞減(圖9(b))。

圖9 張性斷層照片及巖溶發(fā)育模式Fig.9 Photo and karst development pattern of extension fault

(3)扭性斷層。扭性斷層，一般破碎帶較窄，斷面呈高角度或直立，垂向延伸較長，巖溶形態(tài)表現(xiàn)為窄條帶狀或串珠狀(圖4(d)和(e))。很多垂向連通性好的大型溶洞、切割較深的溶蝕谷常沿著扭性斷層張扭段或張扭性斷層發(fā)育[4,23,26-27]。研究區(qū)內(nèi)扭性斷層發(fā)育極少，其巖溶強度介于張性和壓性斷層之間。剖面上，巖溶水沿斷面溶蝕，形成沿著斷面垂向發(fā)育的串珠狀近橢球形溶洞，且溶洞之間多以小型溶縫相連通；平面上，在斷層拐彎部位，由于巖溶水沿扭性斷層走滑派生的張性裂縫(或斷層)強烈溶蝕可形成較大菱形溶洞，可沿斷層主走滑位移帶發(fā)育一系列串珠狀落水洞(圖10)。

圖10 扭性斷層照片及巖溶發(fā)育模式Fig.10 Photo and karst development pattern of torsion fault

4.1.2 裂縫對巖溶的控制

裂縫對巖溶的控制作用體現(xiàn)在多方面，如裂縫產(chǎn)狀、密度、規(guī)模和性質(zhì)等[1,4,6-10,28]。裂縫的產(chǎn)狀控制巖溶的優(yōu)勢發(fā)展方向。如錫金洞內(nèi)各點溶蝕方向與裂縫方向一致(圖6(b))。高角度裂縫有利于大氣降水的滲流，常形成高角度溶縫帶(圖7(d)～(j))。低角度裂縫對于巖溶水長期賦存和溶蝕有益，有利于橫向巖溶發(fā)育[29]。裂縫密度也是控制巖溶強度的重要因素[3,4,28-29]，裂縫密度越大，溶蝕作用越強，反之，巖溶作用則弱(圖9)。不同規(guī)模裂縫對巖溶的控制也不同，通常規(guī)模較大的裂縫控制中大型巖溶現(xiàn)象的發(fā)育，小規(guī)模裂縫控制小型巖溶現(xiàn)象的形成(圖4(f)～(h)、圖7)。

不同性質(zhì)裂縫的發(fā)育，對巖溶的控制作用也不同[4,7,9]，本文中著重研究剪裂縫和張裂縫兩者對巖溶的控制作用。

(1)剪裂縫對巖溶的控制。研究區(qū)剪切縫通常以共軛剪節(jié)理的形式出現(xiàn)，在節(jié)理交叉部位，巖層破碎，地下水及地表水垂直入滲循環(huán)暢通，為巖溶的形成提供了良好的構(gòu)造條件和水流條件，使得巖溶在交叉部位集中發(fā)育，形成小型的溶孔、溶洞、溶縫(圖4(h)、圖7(b))。受剪節(jié)理控制的溶洞走向變化較小，且在單一走向上延伸距離較遠[30]，從錫金洞則追蹤NWW剪裂縫帶可以證實(圖6(b))。

結(jié)合在野外觀察到不同巖溶階段共軛剪裂縫控制的巖溶特點(圖4(h)、7(b))，建立了共軛剪裂縫巖溶模式(圖11(a))：巖溶初期，溶洞多沿共軛的兩條裂縫的交匯處或其附近發(fā)育，呈土豆狀或條帶狀分布，溶洞間連通性差；巖溶中期，隨著溶蝕加劇，鄰近的小型溶洞合并為一個較大的溶洞，呈帶狀分布；巖溶后期，隨著溶蝕作用加強或者長時間溶蝕作用下，掀起溶洞相互貫通逐漸形成一個更大規(guī)模的溶洞，直至原巖溶蝕殆盡。

圖11 裂縫巖溶演化模式Fig.11 Karst development pattern of fracture

(2)張裂縫對巖溶的控制。溶洞沿張裂縫主要發(fā)育于兩種位置，其一為不同方向張裂縫匯聚的部位，其二為單條張裂縫走向發(fā)生改變且曲率較大的轉(zhuǎn)折端位置。巖溶發(fā)育方向嚴格受控于張節(jié)理的追蹤方向和節(jié)理密度，沿張裂縫常形成一系列串珠狀小型溶洞。

根據(jù)野外實際觀測和分析，建立張裂縫巖溶模式(圖11(b))：巖溶初期，巖溶水沿著張裂縫開始溶蝕，在張裂縫交匯處或拐彎處溶蝕形成小型溶孔溶洞(圖4(f)和(h))，形成一系列串珠狀小型溶洞(圖4(h))；巖溶中期，溶蝕作用進一步加強，溶洞開始合并并逐漸形成線性溶蝕溝槽或者規(guī)模更大的溶洞(圖7(f)中①)；巖溶后期，溶蝕溝槽隨著溶蝕加強變成更大規(guī)模的溶縫(帶)(圖7(a)和(c))，若規(guī)模較大則可形成斷溶谷或者大型溶洞。

4.2 巖溶發(fā)育模式

基于對研究區(qū)巖溶發(fā)育特征、構(gòu)造特征以及不同性質(zhì)斷裂控巖溶發(fā)育規(guī)律與模式的研究，建立研究區(qū)斷裂控巖溶的綜合發(fā)育模式(圖12)。模式表明：錫金洞-月光洞系統(tǒng)發(fā)育于研究區(qū)南部，受控于NWW和NNW共軛剪裂縫，溶洞走向主要追蹤NWW向裂縫發(fā)育；在與多條斷層交匯處發(fā)育廳堂洞和大規(guī)?；?guī)r角礫，溶洞末端被砂泥質(zhì)充填(圖6)。磨眼里峽谷是研究區(qū)規(guī)模最大的斷溶谷，受控于NNW向高角度壓扭性斷層；斷層受燕山期近南北向擠壓應(yīng)力場控制，溶蝕作用沿著斷裂帶最為發(fā)育；且斷裂帶兩側(cè)發(fā)育的數(shù)量較多的高角度剪裂縫溶蝕作用也較強，形成大量溶縫(帶)，溶縫交匯處常發(fā)育中小型溶洞和小型溶孔。錫金洞-月光洞巖溶系統(tǒng)聯(lián)合以磨眼里峽谷為代表的溶縫(帶)-斷溶谷地表巖溶系統(tǒng)，構(gòu)成了石馬山巖溶區(qū)。

圖12 石馬山地區(qū)巖溶發(fā)育模式Fig.12 Karst development pattern of Shimashan area

5 結(jié) 論

(1)斷裂構(gòu)成地表水系與地下水系的優(yōu)勢滲流通道，有利于巖溶作用的發(fā)生，不同性質(zhì)斷層因斷裂帶及派生裂縫發(fā)育不同，對巖溶的控制作用不同。壓性斷層上盤容易發(fā)生溶蝕作用，沿著壓性斷層上盤裂縫帶可形成一定規(guī)模的巖溶帶，溶蝕強度較?。粡埿詳鄬友財嗔褞Ъ捌鋬蓚?cè)的高角度裂縫發(fā)育處巖溶作用最為發(fā)育，斷裂帶兩側(cè)巖溶強度隨裂縫發(fā)育密度減小而遞減，溶蝕強度最大，易形成斷溶谷；扭性斷層一般沿破碎帶溶蝕或在斷層拐彎部位和沿扭性斷層走滑派生的張性裂縫(或斷層)處溶蝕，巖溶形態(tài)表現(xiàn)為窄條帶狀或串珠狀，溶蝕強度介于張性和壓性斷層之間。

(2)裂縫對巖溶的控制作用體現(xiàn)在多方面，裂縫的產(chǎn)狀控制巖溶的優(yōu)勢發(fā)展方向，裂縫密度控制溶蝕作用強度，裂縫規(guī)模控制巖溶現(xiàn)象發(fā)育的規(guī)模，裂縫性質(zhì)控制巖溶發(fā)育位置。研究區(qū)的剪切縫通常以共軛剪節(jié)理的形式出現(xiàn)，在節(jié)理交叉部位，巖層破碎，易形成小型的溶孔、溶洞、溶縫；溶洞沿張裂縫主要發(fā)育于兩種位置，其一為不同方向張裂縫匯聚的部位，其二為單條張裂縫走向發(fā)生改變且曲率較大的轉(zhuǎn)折端位置，巖溶發(fā)育方向嚴格受控于張節(jié)理的追蹤方向和節(jié)理密度。沿張裂縫常形成一系列串珠狀小型溶洞。