礁灘相碳酸鹽巖巖溶作用及其對孔隙分布的控制——以塔中東部上奧陶統(tǒng)良里塔格組為例

屈海洲，王振宇，楊海軍，張云峰，于紅楓，王茜

（1. 西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室；2. 西南石油大學資源與環(huán)境學院；3. 中國石油塔里木油田公司）

1 研究背景及研究區(qū)概況

廣義上的碳酸鹽巖巖溶作用可發(fā)生在大氣水環(huán)境及埋藏環(huán)境中[1-4]，James等從地層學角度，將大氣水環(huán)境中的古巖溶分為沉積古巖溶、局部古巖溶和區(qū)域古巖溶3種類型[5]，沉積古巖溶是指沉積期海平面變化及沉積物快速沉積導致短暫暴露，大氣水主要對不穩(wěn)定礦物產(chǎn)生的選擇性溶蝕作用[6-8]；區(qū)域古巖溶則主要指沉積物經(jīng)歷了中—晚成巖階段后，在表生期長時間暴露于大氣環(huán)境中，形成大規(guī)?？p洞體及可作為層序邊界的區(qū)域不整合面的巖溶作用[9]；局部古巖溶發(fā)生階段則介于上述二者之間，指同沉積期構造運動使得碳酸鹽臺地部分暴露發(fā)生巖溶作用，且暴露時間不同，巖溶發(fā)育程度差別很大。國內學者多依據(jù)成巖階段進行巖溶作用的分類及命名，其中，同生巖溶及風化殼巖溶分別對應于沉積古巖溶及區(qū)域古巖溶[6-9]。開放體系下大氣水環(huán)境中的巖溶作用最有利于孔隙的形成，巖溶作用與沉積相、白云石化、埋藏期溶蝕作用、構造破裂等因素的合適組合，可以形成有利的碳酸鹽巖儲集層[10-18]。但是，受成巖階段上的不連續(xù)性及埋藏期成巖作用改造的影響，目前還缺少對兩種大氣水環(huán)境中的巖溶作用（同生巖溶及風化殼巖溶）砌合關系及其對孔隙發(fā)育、分布影響的研究實例。

塔中Ⅰ號斷裂形成于早奧陶世末期的強烈沖斷作用，垮塌剝蝕后形成北傾的坡折帶[19]，呈北西—南東走向（見圖 1）。晚奧陶世良里塔格組沉積時期，古氣候溫暖，海平面穩(wěn)定上升，塔中—巴楚臺地沉積水體循環(huán)條件好，鹽度正常。斷裂坡折帶處的水體淺、波浪作用強，有利于生物的繁育，碳酸鹽產(chǎn)率高，形成生物礁與顆粒灘的復合沉積體即礁灘復合體[20-21]。塔里木盆地臺盆區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組與上覆桑塔木組之間為區(qū)域不整合接觸[22]，該時期古巖溶不能稱為局部古巖溶，但是其形成于沉積期后的擠壓抬升、暴露時期，成巖階段不屬于表生期，因此也不能稱之為區(qū)域古巖溶，筆者從巖溶作用階段、范圍考慮，將該期古巖溶定義為早成巖近地表巖溶。鑒于研究區(qū)特殊的地質背景，本文探討塔中東部地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組大氣水環(huán)境中的巖溶作用及其對孔隙分布的控制機理。

圖1 研究區(qū)構造位置圖

2 研究區(qū)巖溶作用

研究區(qū)良里塔格組礁灘相碳酸鹽巖受到了同生巖溶作用及早成巖近地表巖溶作用。同生巖溶是指在同生（準同生）期具有正向地貌特征的礁灘復合體暴露于大氣環(huán)境中而形成大氣成巖透鏡體，受到不飽和大氣淡水的淋濾、滲透，不穩(wěn)定礦物產(chǎn)生選擇性溶蝕作用。早成巖近地表巖溶指沉積期結束后，沉積物未經(jīng)過中—晚成巖階段的埋藏成巖環(huán)境就抬升、暴露于大氣環(huán)境中，大氣水對其進行非選擇性的較大規(guī)模的溶蝕、充填等作用。

2.1 大氣淡水成巖透鏡體

沉積期，生物礁、顆粒灘相的沉積物相對灘（礁）間海沉積物的沉積速率更快、厚度相對更大，沉積地貌相對較高。一旦海平面相對下降，島狀的礁、灘沉積復合體便暴露于大氣環(huán)境中，形成內部分帶的大氣淡水成巖透鏡體，對文石、高鎂方解石等不穩(wěn)定礦物進行溶蝕，形成大量選擇性溶蝕孔隙。

2.1.1 溶蝕膠結特征

大氣淡水成巖透鏡體可以分為潛水面之上的滲流帶及之下的潛流帶。滲流帶對大氣圈而言是開放體系，孔隙內同時存在大氣水與空氣。未飽和碳酸鹽礦物的大氣水在流動過程中，會對顆粒之間及其內部、生物體腔內的不穩(wěn)定礦物如文石、高鎂方解石進行選擇性溶蝕，形成粒間溶孔、粒內溶孔、鑄?？椎龋ㄒ妶D 2a—2c）。溶解了碳酸鹽礦物的孔隙水運移至顆粒之間，受表面張力及重力作用的影響，形成新月形或懸垂形方解石膠結物（見圖2d）。具有較高流速的孔隙水攜帶粉砂級碎屑沉積物，在溶蝕孔洞下部充填形成滲流粉砂，與上部的亮晶方解石形成示頂?shù)讟嬙欤ㄒ妶D2e）。潛流帶頂部流體（潛水面附近）CO2含量相對下部更高，孔隙水不飽和，準穩(wěn)定的碳酸鹽組分更易溶解，形成一個溶蝕孔隙的集中發(fā)育帶。溶解于孔隙水中的CaCO3可在棘屑的周邊形成共軸生長等典型成巖現(xiàn)象（見圖2f）。2.1.2 縱向發(fā)育特征

對研究區(qū)25口井約360 m巖心、300張薄片的觀察發(fā)現(xiàn)，塔中地區(qū)良里塔格組單個礁、灘沉積旋回的大氣淡水透鏡體厚度為10～30 m，縱向上發(fā)育多個期次的透鏡體，大多分布在礁灘復合體主要建造的良三段—良一段中。晚奧陶世良里塔格組良三段—良一段沉積時期，塔中Ⅰ號坡折帶東部地區(qū)處于高位體系域的加積（或進積）準層序組，沉積物可容納空間增大，沉積了3～5期總厚度巨大的礁灘復合體。單個礁、灘沉積旋回表現(xiàn)為在格架巖、障積巖、黏結巖等建造的生物礁之上發(fā)育砂屑灘、生屑灘等顆粒灘沉積，單個旋回厚度可達50～100 m。由于礁灘復合體的快速向上營建及海平面的波動，一旦礁灘體暴露于大氣環(huán)境中，就受到大氣淡水的成巖溶解作用形成大量的粒間溶孔、粒內溶孔、鑄?？住⑸矬w腔孔等選擇性溶蝕孔、洞，形成大氣淡水成巖透鏡體。

圖2 塔中東部地區(qū)良里塔格組礁灘相碳酸鹽巖單偏光鑄體薄片照片

2.2 早成巖近地表巖溶作用帶

薄片中普遍可觀察到顆粒錯斷較少、顆粒間點接觸頻率低、少見線狀（或曲面）接觸等成巖現(xiàn)象，表明礁灘復合體未經(jīng)歷埋藏環(huán)境下壓實等成巖作用，在固結程度較弱、早期原生孔隙較高的早成巖階段，就抬升暴露于溫暖濕潤的近地表大氣環(huán)境中，受到大氣水的淋濾、沖刷、溶蝕、充填，形成被灰綠色泥質、角礫等半—全充填的非選擇性溶蝕的孔、洞、縫，并在縱向上表現(xiàn)出一定的分帶特征。筆者將這種與不整合面有關但有別于區(qū)域、局部古巖溶的作用稱為早成巖近地表巖溶作用。

2.2.1 溶蝕充填特征

早成巖近地表巖溶作用自上而下可分為表層巖溶帶、垂向滲濾巖溶帶、徑流巖溶帶和深部緩流溶蝕帶，各帶具有不同的孔隙類型和溶蝕、充填特征。表層巖溶帶位于包氣帶上部，直接與大氣環(huán)境接觸，溶蝕動力來源于富含 CO2的大氣降水、地表徑流等，巖溶作用強烈（見圖3a），形成的溶蝕空間規(guī)模不大，但是連通性較好。垂向滲濾巖溶帶位于包氣帶下部，溶蝕動力來源于大氣水的垂向流動、侵蝕，形成高角度溶縫、溶溝（見圖3b、3c），該帶內的大氣水橫向流動性不強，形成的縫洞空間橫向連通性較差。徑流巖溶帶主要位于潛水面之下的飽水帶內，地下水沿裂縫或早期孔隙近水平流動，多形成一系列近水平的溶蝕孔、洞、縫（見圖3d）；溶蝕空間規(guī)模相對較大，并且連通性較強。深部緩流溶蝕帶內，地下水對碳酸鹽礦物飽和程度顯著增高，流速也相對較慢，溶蝕作用弱。

圖3 塔中東部地區(qū)良里塔格組礁灘相碳酸鹽巖早成巖近地表巖溶作用特征

2.2.2 縱向發(fā)育特征

以圖4中TZ62井為例，依據(jù)巖心觀察及成像測井、常規(guī)測井曲線特征，可識別出表層巖溶帶、垂向滲濾巖溶帶、徑流巖溶帶，鉆遇厚度分別為30.00 m、29.00 m、16.00 m，該井未鉆遇深部緩流溶蝕帶。4 685.00～4 715.00 m井段的表層巖溶帶對應的自然伽馬值相對較高，成像測井圖像上可見暗斑、斑團等，顯示溶蝕孔、洞發(fā)育，巖心證實該段發(fā)育被角礫、泥質半—全充填的溶洞。4 715.00～4 744.00 m的垂向滲濾巖溶帶中可見正弦狀或“V”型深色條紋/條帶、暗斑亮斑混雜的成像測井圖像特征，對應深度的巖心上發(fā)育高角度溶縫、溶溝，被泥質、角礫半—全充填（見圖3b、3c）。4 744.00～4 760.00 m的徑流巖溶帶對應的成像測井圖像上可見近水平深色低電阻率條紋/條帶、扁長狀的暗斑、暗色斑團等特征，巖心上可見囊狀溶蝕孔洞發(fā)育，順層分布，近水平溶縫及網(wǎng)狀縫較發(fā)育，被灰綠色泥、角礫半—全充填，巖心局部破碎。該帶內的宏觀孔洞縫明顯更加發(fā)育，連通性也較好。

3 孔隙分布特征

研究區(qū)良里塔格組良三段—良一段是孔隙集中發(fā)育段，具有以下3方面的典型特征：①孔隙類型多樣，粒間溶孔、粒內溶孔、鑄?？?、生物體腔孔等選擇性溶蝕孔隙與溶縫、溶溝、溶洞等非選擇性溶蝕孔隙并存；②化學沉淀作用形成的新月形、懸垂形方解石等礦物與灰綠色泥質、角礫等暴露時期機械作用形成的充填物并存；③孔隙有效性較好，同生巖溶形成的選擇性溶蝕孔隙未經(jīng)歷中—晚成巖階段，壓實、膠結程度較弱時，又被早成巖近地表巖溶進行非選擇性的溶蝕、疊加改造，充填程度中等，孔隙整體保存較好。

研究區(qū)良里塔格組孔隙垂向分布具有如下規(guī)律：選擇性溶蝕孔隙發(fā)育于礁、灘沉積旋回的中上部，多旋回的礁、灘組合沉積特征使得良三段—良一段中形成多套孔隙（洞）層，單層厚度約為10～30 m。早成巖近地表巖溶則主要作用于距離良里塔格組頂部 100 m深度范圍內的礁灘體中，以上部表層巖溶帶、潛水面之下的徑流巖溶帶孔隙最為發(fā)育、連通性最好。據(jù)巖心、薄片的觀察統(tǒng)計，大氣成巖透鏡體可增加3%～4%的絕對孔隙度，早成巖近地表巖溶可增加 4%～8%的絕對孔隙度，二者疊加作用形成了礁、灘相碳酸鹽巖主要的有效孔隙，是形成塔中地區(qū)深層良里塔格組優(yōu)質儲集層的關鍵因素。如圖4中TZ62井加積準層序組厚達62 m。巖心、測井資料綜合研究發(fā)現(xiàn)，早成巖近地表巖溶對4 685.00～4 715.00 m、4 744.00～4 760.00 m井段宏觀孔洞縫的形成有著積極作用。該井有效儲集層總厚度為68.80 m，儲集層厚度占地層總厚度之比為91.00%。儲集層級別以Ⅰ、Ⅱ類優(yōu)質儲集層為主，厚度為 48.40 m，占地層總厚度的 64.20%；Ⅲ類儲集層厚 20.40 m，占地層總厚度的 26.80%。尤其在4 744.00～4 760.00 m井段，大氣成巖透鏡體與徑流溶蝕帶疊合發(fā)育，兩類孔隙均較發(fā)育，形成了該段厚度大、級別高的優(yōu)質儲集層，隔夾層不發(fā)育。

圖4 TZ62井上奧陶統(tǒng)良里塔格組孔隙發(fā)育特征及分布圖（Rd—深電阻率；Rs—淺電阻率）

4 巖溶作用對孔隙分布的控制作用

研究區(qū)良里塔格組經(jīng)歷的大氣水環(huán)境中的兩種巖溶作用與沉積相、構造演化密切相關，成巖階段上具有連續(xù)性，空間上具有良好繼承性。成巖階段上，塔中地區(qū)經(jīng)歷了早期的海侵后，開闊臺地—臺地邊緣—斜坡—盆地沉積體系已經(jīng)形成；后期良三段—良一段沉積期，處于臺地邊緣的研究區(qū)的高位體系域內以加積準層序組堆砌為主，沉積了巨厚的具有明顯隆起的生物礁、顆粒灘復合體。沉積期海平面波動頻繁，較高沉積地貌的礁灘復合體容易呈島狀暴露于大氣淡水環(huán)境中，在每期礁灘復合體的中上部形成大氣淡水成巖透鏡體，同生巖溶進行選擇性溶蝕，形成孔隙（洞）層（見圖5a）。沉積期后，礁灘復合體未經(jīng)歷埋藏階段的壓實等成巖作用，在固結程度較弱、早期孔隙有效性較高時，即抬升暴露受到早成巖近地表巖溶的非選擇性溶蝕、充填。因此，兩種巖溶作用時間上具有連續(xù)性?？臻g上，因沉積速率的差異，鑲邊臺地體系中的礁灘復合體與灘間?？梢孕纬蓭酌字潦嗝赘叨鹊某练e地貌差異，同生巖溶選擇性溶蝕形成的孔隙（洞）分布在較高地貌的礁灘復合體中上部；沉積期后的抬升暴露，較高的礁灘復合體沉積地貌轉化為巖溶古地貌的高部位，灘（礁）間海沉積處則為古地貌較低部位，兩種地貌在空間上具有繼承性。高部位的礁灘復合體巖塊通過自身捕獲的大氣降水，在表層巖溶帶及潛水面之下的徑流巖溶帶中形成有效性及連通性較高的縫洞體（見圖5b）。因此，兩種巖溶作用成巖階段具有連續(xù)性、形成的孔隙分布空間具有繼承性，這種良好的時空耦合關系是形成良里塔格組良三段—良一段有效孔隙集中發(fā)育段及優(yōu)質儲集層的關鍵因素。

圖5 塔中東部地區(qū)良里塔格組礁灘相碳酸鹽巖孔隙分布的成因模式圖

5 結論

塔中東部地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組礁灘相碳酸鹽巖受到兩種大氣水巖溶作用：同生巖溶及早成巖近地表巖溶。同生巖溶形成具有大量選擇性溶蝕孔隙的大氣淡水成巖透鏡體，發(fā)育于各期礁、灘沉積旋回的中上部，形成了良三段—良一段多套早期孔隙（洞）層，單個孔隙（洞）層厚10～30 m。早成巖近地表巖溶主要作用于距良里塔格組頂部100 m深度范圍內，以上部表層巖溶帶、潛水面之下的徑流巖溶帶孔隙最為發(fā)育，有效性及連通性較好。同生巖溶作用可增加3%～4%的絕對孔隙度，早成巖近地表巖溶可增加 4%～8%的絕對孔隙度，兩種孔隙縱向疊置發(fā)育位置是礁、灘相碳酸鹽巖有效孔隙的分布位置。兩種巖溶作用成巖階段具有連續(xù)性、形成的孔隙空間分布具有繼承性，這種良好的時空耦合關系是形成研究區(qū)良里塔格組良三段—良一段有效孔隙集中發(fā)育段及優(yōu)質儲集層的關鍵因素。

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