四川盆地北部中二疊統(tǒng)茅口組碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)與巖溶層組特征

張慶玉，季少聰，曾 韜，夏文謙，巴俊杰，董紅琪，梁 彬

1.中國地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.聯(lián)合國教科文組織國際巖溶研究中心/巖溶動(dòng)力系統(tǒng)與全球變化國際聯(lián)合研究中心，廣西 桂林 541004；3.中國石化 勘探分公司，成都 610041

基于沉積環(huán)境的變遷和成巖后生變化的差異，一個(gè)地區(qū)的碳酸鹽巖在橫向上和縱向上的巖性變化都極為復(fù)雜。為便于對(duì)區(qū)域性的巖溶發(fā)育作出評(píng)價(jià)，前人把巖溶區(qū)巖石進(jìn)行巖溶層組類型劃分[1-2]。巖溶層組不同于年代地層和生物地層，也不同于一般的巖石地層單位，它著重考慮碳酸鹽巖巖層的厚度比例、連續(xù)厚度及其組合形式，以反映碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強(qiáng)度和儲(chǔ)、滲特征為目的[3-4]。

近年來，川北地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組相繼獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，表明該區(qū)茅口組同樣具有勘探潛力[5-7]。鉆探證實(shí)川北地區(qū)茅口組內(nèi)部存在多期暴露巖溶特征，儲(chǔ)集空間以裂縫—孔洞型為主，巖溶縫洞型儲(chǔ)層是該區(qū)重要儲(chǔ)層類型之一[8-10]。前人[11-12]在川北地區(qū)茅口組層序地層劃分、巖相古地理、巖溶古地貌等方面開展了一定的研究，對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布進(jìn)行了預(yù)測，但對(duì)巖溶層組類型劃分及其與儲(chǔ)層發(fā)育關(guān)系的研究尚有待開展。

本文基于野外剖面調(diào)查、鉆井巖心觀察及薄片鑒定、主微量元素等測試結(jié)果，根據(jù)川北地區(qū)茅口組不同層段的礦物組成、化學(xué)成分及巖石組合特征，利用溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，分析了不同礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖溶蝕發(fā)育程度及影響因素；對(duì)茅口組碳酸鹽巖進(jìn)行巖溶層組類型劃分，結(jié)合野外及鉆井資料，探討不同巖溶層組類型與儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)系，為川北地區(qū)茅口組儲(chǔ)層成因及預(yù)測提供支撐。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于廣元市青川縣、劍閣縣、旺蒼縣等，構(gòu)造位置屬于上揚(yáng)子板塊西北緣(圖1a)。茅口組沉積早期，受海侵作用影響，川北地區(qū)水體相對(duì)較深，沉積巖性以泥質(zhì)灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r為主，泥質(zhì)含量較高，常見“眼皮眼球狀”構(gòu)造；茅口組沉積中晚期，隨海平面的下降，川北地區(qū)水體變淺，主要沉積了一套泥晶生屑灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r，生物含量高[13]。中二疊世晚期，東吳運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致四川盆地差異抬升，海水大范圍退去，使得茅口組整體遭受長達(dá)1～3 Ma的暴露剝蝕過程，部分地區(qū)茅口組四段缺失[14]。川北地區(qū)茅口組可劃分為3個(gè)長期旋回，分別對(duì)應(yīng)茅一段、茅二段和茅三段[15](圖1b)。

2 巖石類型及組合特征

本文對(duì)研究區(qū)茅口組野外剖面、鉆井巖心系統(tǒng)采樣80個(gè)，分別進(jìn)行薄片鑒定和主微量元素測試，根據(jù)測試結(jié)果，對(duì)茅一段、茅二段和茅三段巖性特征進(jìn)行總結(jié)。

茅一段巖性以泥質(zhì)灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r為主，常以“眼皮眼球狀”構(gòu)造為主要識(shí)別標(biāo)志(圖2a-c)，為一套淺海碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積；主量元素分析顯示酸不溶物(等于SiO2、Al2O3、Fe2O3百分含量之和，近似為泥質(zhì)含量)含量較高，介于0.09%～38.72%，平均值為4.52%，而CaO含量介于28.70%～54.26%，平均值為51.20%，MgO含量介于0.66%～4.40%，平均值為1.56%(圖3，表1)。茅二段在臺(tái)地/臺(tái)緣相區(qū)主要發(fā)育泥晶生屑灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r及少量生屑泥晶灰?guī)r，斜坡相區(qū)以生屑泥晶灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r為主(圖2d-f)；主量元素分析顯示酸不溶物含量較低，介于0.11%～7.15%，平均值為1.45%，而CaO、MgO含量高，其中CaO含量介于41.93%～55.52%，平均值為53.33%，MgO含量介于0.28%～8.52%，平均值為1.18%。茅三段在臺(tái)地或臺(tái)緣相區(qū)主要發(fā)育泥晶生屑灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r，斜坡或陸棚相區(qū)厚度較薄，以硅質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖為主[12](圖2g-i)；主量元素分析顯示酸不溶物含量較低，介于0.01%～9.43%，平均值為0.45%，而CaO含量介于46.91%～56.32%，平均值為55.29%，MgO含量介于0.16%～0.67%，平均值為0.26%。

3 溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)

通過比較高溫高壓條件下研究區(qū)不同巖性碳酸鹽巖樣品的溶蝕速率和微觀溶蝕特征，分析成分、結(jié)構(gòu)對(duì)碳酸鹽巖溶蝕能力的影響，進(jìn)而為巖溶層組劃分提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)選取川北地區(qū)茅口組野外剖面和鉆井巖心22個(gè)樣品，其中野外剖面棲霞組1個(gè)樣品、吳家坪組2個(gè)樣品、茅口組9個(gè)樣品，鉆井巖心茅口組9個(gè)樣品、吳家坪組1個(gè)樣品。每個(gè)樣品磨制成多個(gè)直徑2.5 cm、厚度0.3 cm的溶蝕試片。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

為探討川北地區(qū)茅口組不同巖性碳酸鹽巖在埋藏條件下的溶蝕差異，開展了高溫高壓條件下溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)的溫度和壓力選擇盡可能與研究區(qū)地層所經(jīng)歷的埋藏史和溫壓場相符[16-17]。圖4為川北地區(qū)普光2井熱演化及生烴史圖[18]，晚古生代至三疊紀(jì)地溫梯度為30 ℃/km，古地表溫度取20 ℃。因此，選擇0.5，1，1.5，2，2.5，3 km深度所對(duì)應(yīng)的溫度、壓力作為實(shí)驗(yàn)溫度、壓力，溫度分別為35，50，65，80，95，110 ℃，壓力為靜水壓力，分別為5，10，15，20，25，30 MPa。實(shí)驗(yàn)溶液為CO2水溶液，分壓2 MPa。

本次實(shí)驗(yàn)采用中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所自主設(shè)計(jì)的高溫高壓溶解動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，由反應(yīng)系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和控壓系統(tǒng)3個(gè)部分組成，可滿足模擬不同溫度、壓力、水化學(xué)特征及開放、封閉2種環(huán)境下的碳酸鹽巖溶蝕機(jī)理實(shí)驗(yàn)要求。

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

(1)樣品制備：將每個(gè)樣品磨制成多個(gè)直徑2.5 cm、厚度0.3 cm的溶蝕試片，每一個(gè)溶蝕試片上打一小孔。

(2)表面積測量：用游標(biāo)卡尺分別測量每個(gè)溶蝕試片不同位置的直徑、厚度，以及溶蝕試片中小孔的直徑，并求取平均值，進(jìn)而計(jì)算溶蝕試片的表面積。

(3)質(zhì)量稱量：用超純水清洗溶蝕試片，并在恒溫干燥箱中烘干2 h，設(shè)定溫度為105 ℃；干燥完畢后，將溶蝕試片在干燥皿中進(jìn)行冷卻，再用分析天平稱量每個(gè)溶蝕試片的質(zhì)量。

(4)表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)觀察：用相機(jī)分別對(duì)每個(gè)溶蝕試片進(jìn)行拍照；用偏光顯微鏡、掃描電鏡觀察每個(gè)溶蝕試片的微觀特征，包括成分、結(jié)構(gòu)、孔隙及裂隙發(fā)育情況等。

(5)反應(yīng)液離子濃度：在實(shí)驗(yàn)室檢測反應(yīng)液的Ca2+、Mg2+等離子濃度。

(6)溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)：將溶蝕試片固定在樣品架上，并放置在反應(yīng)釜中，加入反應(yīng)液。將反應(yīng)壓力、溫度分別調(diào)至實(shí)驗(yàn)所需壓力、溫度，并保持該壓力、溫度條件24 h。

(7)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)、(5)，記錄實(shí)驗(yàn)后溶蝕試片的表面積、質(zhì)量、表面形貌和微觀特征，進(jìn)而計(jì)算溶蝕速率，觀察溶蝕試片表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)變化特征。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.4.1 溶蝕速率特征

根據(jù)測量結(jié)果，計(jì)算溶蝕試片的表面積，計(jì)算公式如下：

根據(jù)溶蝕試片質(zhì)量稱量結(jié)果及表面積計(jì)算結(jié)果，計(jì)算溶蝕試片單位面積的溶蝕速率，計(jì)算公式如下：

v=(m1-m2)/(S·t)

式中：S為表面積，cm2；R1為直徑，cm；R2為小孔直徑，cm；h為厚度，cm；v為溶蝕速率，g/(cm2·h)；m1為實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量，g；m2為實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量，g；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h。R1、R2、h、m1、m2可以通過測量得到，t=24 h。

根據(jù)以上公式計(jì)算的溶蝕速率結(jié)果(表2)，制作了不同巖性樣品溶蝕速率隨溫度、壓力變化曲線(圖5a)。

本次溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有如下特征：

(1)當(dāng)溫度、壓力條件相同時(shí)，不同巖性樣品溶蝕速率明顯不同，具體表現(xiàn)為：茅二段生屑灰?guī)r>茅一段泥晶灰?guī)r>棲霞組白云巖>吳家坪組泥質(zhì)灰?guī)r。

(2)除茅二段生屑灰?guī)r在65 ℃、15 MPa外，不同巖性樣品隨著溫度、壓力的增高均具有相似的變化規(guī)律，即隨著溫度、壓力增高，溶蝕速率逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。

根據(jù)測試結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)前及每一組實(shí)驗(yàn)后反應(yīng)溶液的Ca2+、Mg2+及Ca2++Mg2+濃度，并計(jì)算每一組實(shí)驗(yàn)后反應(yīng)溶液的Ca2+、Mg2+濃度增加量(表2)，以及隨溫度、壓力變化曲線(圖5b)。

結(jié)果表明，當(dāng)溫度、壓力相同時(shí)，不同巖性樣品實(shí)驗(yàn)后反應(yīng)溶液的Ca2+、Mg2+濃度增加量明顯不同，具體表現(xiàn)為：茅二段生屑灰?guī)r>茅一段泥晶灰?guī)r>棲霞組白云巖>吳家坪組泥質(zhì)灰?guī)r；反應(yīng)溶液的Ca2+、Mg2+濃度增加量隨溫度、壓力增加總體呈上升趨勢，并最終趨于穩(wěn)定。這一結(jié)果與樣品溶蝕速率隨溫度、壓力變化規(guī)律一致。

3.4.2 溶蝕形態(tài)特征

使用掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)前后溶蝕試片的表面形貌和孔隙特征(圖6)。結(jié)果表明，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，不同巖性樣品溶蝕程度存在明顯差異。茅二段生屑灰?guī)r溶蝕程度最高，鏡下可見溶蝕孔隙明顯增多，大部分為方解石晶內(nèi)溶孔，局部溶孔相互連通呈蜂窩狀；茅一段泥晶灰?guī)r溶蝕程度次之，以方解石晶間孔隙溶蝕擴(kuò)展為主，方解石晶內(nèi)溶孔較少；吳家坪組泥質(zhì)灰?guī)r溶蝕程度最低，溶蝕作用弱，僅在局部可見少量溶蝕現(xiàn)象。

3.4.3 巖性對(duì)溶蝕能力影響

樣品溶蝕速率計(jì)算結(jié)果和主量元素測試結(jié)果如表3所示，通過比較溶蝕速率和CaO+MgO、SiO2含量之間的相關(guān)性，分析不同巖石化學(xué)成分對(duì)溶蝕速率的影響。結(jié)果表明，溶蝕速率和CaO+MgO含量成正比，和SiO2含量成反比(圖7)。因此，碳酸鹽巖溶蝕速率與巖石可溶性成分(CaO+MgO)正相關(guān)，與不溶性成分(SiO2等)負(fù)相關(guān)；可溶性成分越高，溶蝕能力越強(qiáng)。

4 巖溶層組特征及儲(chǔ)層意義

4.1 巖溶層組類型劃分

不同巖性碳酸鹽巖的組合類型是巖溶作用類型的基礎(chǔ)。根據(jù)不同成分(灰?guī)r、白云巖和不純碳酸鹽巖)和結(jié)構(gòu)類型巖石的組合特征、厚度比例及巖層連續(xù)厚度等統(tǒng)計(jì)，巖溶層組類型采用三級(jí)劃分法[3]，以組為單位統(tǒng)計(jì)劃分巖溶層組“類”，以段為單位劃分巖溶層組“型”，以巖性段為單位劃分巖溶層組“亞型”。

整體上，川北地區(qū)茅口組為一套中厚—厚層狀生屑泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r及硅質(zhì)灰?guī)r(含燧石)，局部夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r或鈣質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖，不同區(qū)域、不同巖性段之間巖性變化較大。根據(jù)研究區(qū)生屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r等的厚度比例及其組合形式，茅口組巖溶層組類型可劃分為2類3型9亞型(表4)。

4.2 巖溶層組類型與巖溶儲(chǔ)層發(fā)育關(guān)系

溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳酸鹽礦物類型、化學(xué)成分等是影響巖溶作用的主要因素。碳酸鹽巖中SiO2、Al2O3、Fe2O3等酸不溶物的存在，會(huì)造成巖溶發(fā)育程度的減弱。以此為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合上節(jié)對(duì)各地層主要巖石類型的可溶性分析，對(duì)研究區(qū)茅口組巖溶層組類型巖溶化程度進(jìn)行劃分(圖8)：強(qiáng)巖溶化層組為灰?guī)r連續(xù)型生屑泥晶灰?guī)r亞型、亮晶砂屑灰?guī)r亞型，層位為茅三段、茅二段，巖溶以溶蝕孔洞、溶蝕裂縫為主，局部縫洞相連構(gòu)成具規(guī)模的縫洞系統(tǒng)；中等—強(qiáng)巖溶化層組為灰?guī)r連續(xù)型泥晶灰?guī)r亞型、白云質(zhì)灰?guī)r亞型，層位為茅三段、茅二段，主要發(fā)育中小型溶蝕孔洞、溶蝕裂縫；弱—中等巖溶化層組為灰?guī)r夾層或互層型灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r(泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r)亞型，層位為茅一段、茅二段，巖溶發(fā)育較弱，偶見孤立的溶蝕孔洞、溶蝕裂縫發(fā)育；弱巖溶化層組為灰?guī)r連續(xù)型泥質(zhì)灰?guī)r亞型、灰?guī)r夾層或互層型灰?guī)r夾硅質(zhì)灰?guī)r(含燧石)亞型、灰?guī)r夾碎屑巖型灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖亞型和灰?guī)r夾碳質(zhì)泥巖亞型，層位為茅一段、茅二段，巖溶基本不發(fā)育，偶見小型溶蝕孔洞、溶蝕裂縫。

以川北旺蒼縣雙匯鎮(zhèn)斑竹村王家溝剖面為例，茅二段為強(qiáng)巖溶化層組，以灰?guī)r連續(xù)型生屑泥晶灰?guī)r亞型、泥晶灰?guī)r亞型為主，發(fā)育大量生物溶蝕孔或者生物成因次生溶蝕孔洞，是一套優(yōu)質(zhì)巖溶儲(chǔ)層；茅一段中上部、中下部為中等巖溶化層組，以灰?guī)r連續(xù)型泥晶灰?guī)r亞型、生屑泥晶灰?guī)r亞型為主，溶蝕裂縫、小型溶孔較發(fā)育；茅一段頂部、中部及底部為弱巖溶化層組，以灰?guī)r連續(xù)型泥質(zhì)灰?guī)r亞型、灰?guī)r夾碎屑巖型灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖亞型為主，巖溶基本不發(fā)育(圖8)。

5 結(jié)論

(1)川北地區(qū)茅口組不同層段的礦物組成、化學(xué)成分存在差異，茅一段巖性以泥質(zhì)灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r為主，酸不溶物含量較高；茅二段、茅三段巖性以泥晶生屑灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r為主，酸不溶物含量較低。

(2)溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳酸鹽礦物類型、化學(xué)成分等是影響巖石可溶性的主要因素，樣品溶蝕速率、溶液離子濃度及微觀溶蝕變化特征均表現(xiàn)為生屑灰?guī)r>泥晶灰?guī)r>白云巖>泥質(zhì)灰?guī)r。

(3)川北地區(qū)茅口組巖溶層組類型可劃分為2類3型9亞型，不同巖溶層組類型巖溶作用條件、巖溶化程度不同，縫洞型巖溶儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)模也存在差異。