鄂尔多斯盆地中、南部古岩溶发育差异性分析

苏中堂陈洪德赵俊兴李 洁许 强高 星

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059；3.长庆油田公司第二采气厂，陕西 榆林 719000）

鄂尔多斯盆地中、南部古岩溶发育差异性分析

苏中堂1，2陈洪德1，2赵俊兴1，2李 洁2许 强2高 星3

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059；3.长庆油田公司第二采气厂，陕西 榆林 719000）

鄂尔多斯盆地加里东期古岩溶作用改造的碳酸盐岩是古岩溶型气田勘探开发的有利层位，盆地中部已取得成功，盆地南部虽有优裕的碳酸盐岩，但尚未取得突破性进展。分析比较盆地中部、南部古岩溶特征，它们之间存在差异：中部溶孔发育而南部溶缝见长，且中部较南部岩溶结构明显，保存相对完整。这种差异源于碳酸盐岩物质基础及加里东期古地貌的不同：岩溶机理表明盆地中部泥微晶灰质云岩和含膏泥微晶云岩有利于溶孔的发育而盆地南部岩性条件不利，其溶孔主要发育在成岩改造的粉细晶云岩层段；盆地中部位于岩溶斜坡，风化壳易于保存，而盆地南部由于处于岩溶高地，易于形成垂直溶缝，且保存不佳。物质基础受控于沉积微相和成岩作用，有利的微地貌有赖于古地貌准确详细的刻画，因此加强盆地南部沉积微相以及成岩作用的研究，准确详细地刻画盆地南部古岩溶微地貌形态，在沉积微相和古岩溶微地貌双重有利的区域寻找突破口是盆地南部勘探开发的关键。

古岩溶；岩溶机理；差异性；加里东期；鄂尔多斯盆地

岩溶是指地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用，及其形成的水文现象和地貌现象［1］，是水-岩体系相互作用的过程和结果。古岩溶通常认为是地质历史中的岩溶现象，往往被较为年轻地层所覆盖［2］。我国碳酸盐岩油气勘探中与古岩溶有关的储层占据十分重要的地位［3］，近些年在鄂尔多斯盆地、塔里木盆地及四川盆地碳酸盐岩中发现的气田均与古岩溶关系密切［4］。鄂尔多斯盆地中部靖边气田是我国与不整合面有关的典型古岩溶型气田，其主力产层就是加里东构造运动抬升改造的奥陶系马家沟组碳酸盐岩［5］。2000年探明天然气储量达2 909.88×108m3，继而东扩勘探，三级储量增加了1 011.4×108m3［6］，但其他地区尚未取得突破性进展，尤其盆地南部碳酸盐岩地层发育，其下古生界天然气资源量预测可达5 000×108m3［7］。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地早古生代西高东低，其西南存在一“L”型隆起，它从寒武纪后期开始形成，经奥陶纪发展，到侏罗纪逐渐消亡。受地壳均衡作用影响，盆地东部米脂—延川一带形成一个凹陷，这“一隆一凹”古构造面貌对盆地奥陶系沉积，以及奥陶系末加里东期古岩溶发育有显著影响［8］（见图1）。

奥陶系马家沟组碳酸盐岩沉积系寒武纪之后最大规模的快速海侵所形成，依据古生物特征、沉积旋回及区域性标志层，分为马一至马六段。马五期，西边由于中央隆起的阻隔作用海水补给减少，东边华北海平面整体下降，海水涌入量减少，当时气候干旱炎热，使得海水蒸发量增加，在东部凹陷形成了含白云岩的硬石膏盐岩沉积，环凹陷发育潮上膏云坪沉积。马六段沉积之后，加里东运动使盆地主体抬升，经历约150 Ma的沉积间断，缺失中奥陶世至早石炭世的沉积，仅在西、南缘有中奥陶世平凉组和晚奥陶世背锅山期沉积，之后海水完全退出，鄂尔多斯地区下古生界沉积结束［8］。

加里东运动使得盆地奥陶系碳酸盐岩经历了上亿年的风化、淋滤和剥蚀，在盆地内形成了涵盖全盆的喀斯特地貌，西南隆起区成为地下水补给区，东部米脂-延川凹陷为地下水排泄区。这套经古岩溶作用改造的碳酸盐岩地层，就是现今古生界海相地层勘探开发重点——以溶孔、溶洞及溶缝-溶孔为主要储集空间的风化壳储集层，风化壳厚度55～75 m［5，9］，主体层位为马五段，不同地区残存地层存在差异。

2 盆地古岩溶发育特征

2.1 盆地中部

盆地中部加里东期风化壳残存地层多为马五1，其顶部被纵横交错的溶缝将基岩分割成角砾状，沿溶缝灌有黏土或铝土质，古岩溶剖面结构明显（见图2）。

从S15井及CC1井来看，古岩溶剖面上存在2个洞穴充填带，充填物为暗色泥质支撑的岩溶角砾，角砾磨圆较差，成分以粉微晶灰岩为主，个别为含云灰岩，角砾之上多发育溶蚀孔洞，且被方解石充填，洞穴泥质往往呈纹层状，甚至可见水平层理，该带厚度为4～9 m，代表地下暗河搬运，是水平径流带的典型产物。

2.2 盆地南部

盆地南部残存地层较老，多为马五3以下层位，甚至层位更深，如L1井为马五42，Lin1井为三山子组，风化壳顶部基岩大多被纵横交错的溶缝分割，溶缝内充填泥质和黄铁矿。

岩溶结构残缺不全或特征不明显，如Y2井仅残留代表暗河搬运的洞穴充填物，充填物为泥质支撑的岩溶角砾岩，泥质具变形构造，角砾成分为灰岩，角砾大小不均，边缘不规则或微磨圆，角砾大的约8 cm×6 cm，小的约0.3 cm×0.2 cm；L1井在长32.82 m的取心层段未见暗河搬运的充填物，却发育垂向为主的溶缝系统，岩溶结构不易识别。

南部钻井岩心中溶蚀孔洞发育层段少，且厚度不大，如L1井8、11取心回次溶洞厚度仅为0.3 m和0.2 m；但岩性不同时溶蚀孔洞会较发育，如L1井14回次灰色粉细晶云岩层段发育有1.5 m的孔洞层，Lin1井含砂屑云岩层段溶蚀孔洞的数量明显增多。而岩性为泥微晶云岩，局部夹泥质条带的层段往往发育溶缝，且以垂直溶缝或高角度斜交缝为主，若泥微晶云岩中含灰质则溶缝数量增加（L1井12取心回次）（见图3）。

3 古岩溶发育差异性及其成因

3.1 盆地中、南部古岩溶差异

加里东期岩溶涵盖整个鄂尔多斯盆地，盆地中、南部存在以下差异：

1）岩溶结构不同。盆地中部岩溶结构完整，代表水平径流带的暗河充填明显存在两期，且都发育在白云岩、灰岩互层中的灰岩层段；而盆地南部岩溶结构难于识别或岩溶结构不完整，很少发现暗河充填，仅在Y2井风化壳顶部灰岩沉积中发育。

2）溶孔发育程度不同。盆地中部溶孔特别发育且发育段厚度大，溶孔主要出现在含膏微粉晶云岩、含膏泥微晶云岩或微晶灰质云岩层段中；盆地南部虽有溶孔发育，但含溶孔层段厚度不大，溶孔较发育层段岩性为粉细晶云岩或含砂屑粉细晶云岩。

3）溶缝发育程度不同。盆地中部溶缝数量较少，垂直、水平方向均有发育；而盆地南部泥晶、微晶含灰云岩中溶缝发育，且微晶灰岩内数量增多，溶缝以垂直及高角度斜交缝为主。

4）盆地中部常见的膏溶角砾岩盆地南部没发现。

3.2 差异成因分析

奥陶系末加里东运动造成整个鄂尔多斯盆地抬升，使早古生代碳酸盐岩地层接受风化淋滤，在相同的气候条件下形成了大面积的喀斯特地貌，成为现在下古海相地层油气勘探的目标层位，但是勘探实践表明盆地不同地区的古岩溶发育存在差异。盆地中部及南部古岩溶发育差异性最直观的表现是：碳酸盐岩物质基础不同，岩溶现象不同。岩溶作用是一种水-岩相互作用的体系，实质是侵蚀性的水与矿物晶体之间的相互作用［10］，矿物与水分子之间形成的电位差越大，越容易遭到破坏，所形成的矿物越容易被溶解。

雪到底是谁造的呢？动物们争论不休。鼹鼠爬爬怕鸟，所以尽管他期待看雪，却又畏惧哥哥们口中描述的像白鸟一样的雪花。妈妈说，死去的鼹鼠会变成白色，去天上造雪，可小猫头鹰坚持说，造雪的是死去的猫头鹰。生命旅程，往复不息，“雪”成为引导我们坦然面对死亡的线索。死后的动物化作白色的精灵去云上造雪，美好的想象化解了死亡的伤痛，《是谁造了雪？》因而成为读者爱不释手的“生命之书”。

灰岩和白云岩化学溶解效应机理相同，都是侵蚀水离解提供的H+同碳酸盐离解的CO32-相结合形成弱电解质H2CO3，导致灰岩离解［Ca2+］·［CO32-］和白云岩离解［Ca2+Mg2+］·［CO32-］的浓度积减小，化学平衡不断向离解方向移动的过程，但是由于方解石的晶格能比白云石的晶格能低，与水分子之间形成的电位差大，所以灰岩较白云岩容易遭受溶解。

同时，由于灰岩坚硬具脆性，弹性模量和抗剪强度指标较低，遭受机械荷载时容易破碎，易发育裂隙，形成比白云岩优异的渗流侵蚀条件［11］，从而增大了灰岩的机械破坏量。溶蚀量=溶解量+机械破坏量，因此，灰岩相对白云岩而言更容易发生溶蚀作用。这就是在灰岩、白云岩互层中，灰岩更容易形成大型溶洞，钻井中洞穴充填物容易在灰岩中发育的原因，同时也是灰质云岩中容易形成溶孔的原因。

泥微晶云岩不易发生溶蚀，但石膏（硬石膏）的存在有利于促进其在表生与浅埋藏条件下溶蚀［12］，从而形成溶孔大量发育的有利层段。其机理为：石膏（CaSO4）晶格能较低，遇水容易发生离解形成SO42-，SO42-极易跟Mg2+结合形成溶解度极大的MgSO4，加之SO42-产生的盐效应［13-15］，有利于促进白云岩溶解；另一方面，硬石膏遇水膨胀及石膏溶解造成岩石应力场发生变化，前者对含膏层和上覆岩层造成强烈的挤压变形和破碎，使上覆岩层胀裂，后者使上覆岩层卸荷失托，形成卸荷裂隙，这一过程增大了岩石的机械破坏作用，利于岩溶水与岩石相互作用，促进溶蚀作用发生。

白云岩虽然不容易发生溶蚀作用，但是随着其晶体结构变粗，白云岩遭受的侵蚀作用明显增强。这是因为随着晶体结构变粗，粒间孔隙度增大，白云岩的渗透性增强，侵蚀水流沿晶间孔隙和结构不规则处扩散-渗透，使得白云石表面结构变得更加疏松，导致大量白云石晶粒随溶解作用而脱落，从而增加了白云石的物理侵蚀作用，称之为白云岩的“脱砂”作用［11，16-17］。从而增加了白云石的机械破坏量，使得白云岩的侵蚀作用增强，即为粉细晶及粗晶白云岩中容易形成溶孔的原因。

可以看出，盆地中部存在比南部利于岩溶作用发育的碳酸盐岩，因而岩溶作用明显，溶蚀孔洞发育。

古地貌不同，水文地质条件不同，岩溶作用发育也不同：岩溶高地通常为岩溶水补给区，地下水以垂向运动为主，循环深度较浅，深部岩溶不发育；岩溶斜坡形成径流区，地下水除了垂向渗透外，以水平运动为主，岩溶具层状分布和垂向上强弱分布的特征；而岩溶盆地则形成排泄区，地下水以自下而上的垂向运动为主，不利于岩溶发育［18］。另外，岩溶高地遭受剥蚀强烈，风化壳残留少，而岩溶斜坡受剥蚀相对较差，风化壳保留较完整，加之岩溶作用有利，易于形成有利的储集带。

盆地南部大部分区域位于岩溶高地，古水流以垂向渗流为主，垂向溶缝发育居多，又因为剥蚀强烈，保存不佳，所以岩溶结构不易识别或者残缺；而盆地中部处于岩溶斜坡发育地带，古水流以水平径流为主且剥蚀较弱，因而岩溶保存完整且特征明显。

因此，碳酸盐岩物质基础，以及加里东期古地貌的差异使得盆地中、南部岩溶作用发育存在差异，从而形成了不同的古岩溶特征。

4 岩溶差异的油气勘探意义

盆地中部碳酸盐岩以泥微晶云岩为主，但所含石膏可促使白云岩溶解，因而溶蚀孔洞非常发育；盆地南部溶蚀孔洞发育在粉细晶云岩或含砂屑粉细晶云岩中，白云岩晶粒越粗越有利于其溶蚀，其灰分含量也有利于溶蚀作用的进行。这就表明岩性和结构影响碳酸盐岩的溶蚀习性，要加快盆地南部岩溶型储层的勘探，就要寻找利于溶蚀作用发生的碳酸盐岩区带，就需要加强盆地南部沉积微相和成岩作用的研究，寻找潮上膏云坪、潮上云膏坪、潮间带沉积及准同生、早成岩期改造的粗晶粒云岩区带，从而确保岩溶作用发育的有利物质基础。

盆地南部多处于岩溶高地这一不利的古地貌单元，使得岩溶作用以垂直裂缝为主，即使曾经形成有利于储层的岩溶区带，往往保存不佳，但从我国贵州、云南等地现今岩溶地貌来看，岩溶高地内往往峰丛林立，也存在准斜坡地带，这些微地貌能够保留相对较好的风化壳地层，因此准确刻画盆地南部岩溶古地貌形态，在岩溶高地内寻找利于风化壳保存的微地貌单元，是加快盆地南部风化壳储集体勘探开发的重要环节。

古地貌与碳酸盐岩物质基础从不同的方面影响古岩溶的发育程度，盆地中部靖边气田正好处于古地貌和沉积相双重有利区带，所以成就它成为我国海相地层中的大气田。由此得到启示：盆地南部风化壳的勘探既要注重有利沉积微相，同时也要兼顾有利古岩溶微地貌，沉积微相和古岩溶微地貌双重有利的区域才是南部风化壳储层的突破口。

5 结论

1）鄂尔多斯盆地加里东期古岩溶作用中、南部存在差异，中部溶孔发育而南部以溶缝发育为特征，中部岩溶结构明显且保存完整，南部岩溶结构残缺不全或结构不易识别，这种差异源于碳酸盐岩物质基础及加里东期古地貌的差异。

2）盆地中部泥微晶灰质云岩和含膏泥微晶云岩有利于溶孔的发育，且处于岩溶斜坡，风化壳保存较为完整，而盆地南部溶孔主要发育在粉细晶云岩层段，由于处于岩溶高地，往往形成垂直溶缝，且保存不佳，它们的岩溶机理不同。岩溶作用发育的物质基础受控于沉积相和成岩作用，在不利的二级地貌单元中寻找有利的微地貌有赖于古地貌准确详细的刻画。

3）要加快盆地南部的勘探开发步伐，就需要加强盆地南部沉积相，尤其是沉积微相，以及成岩作用的研究，需要准确刻画盆地南部古岩溶微地貌形态，在沉积微相和古岩溶微地貌双重有利的区域找到突破口。

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Difference analysis of palaeokarst development in middle and south parts of Ordos Basin

Su Zhongtang1，2Chen Hongde1，2Zhao Junxing1，2Li Jie2Xu Qiang2Gao Xing3
(1.State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.No.2 Gas Production Plant, Changqing Oilfield Company,PetroChina,Yulin 719000,China)

The carbonate rocks rebuilt by palaeokarst during Caledonian period are the favorable horizons for the exploration and development of palaeokarst-type gas field.The palaeokarst-type gas field has been discovered in the middle of Ordos Basin.But in the south of the basin,there is no any breakthrough advance though there are rich carbonate rocks.By comparing the characteristics of palaeokarst in the middle with that in the south,it is shown that there are differences:more dissolved pores in the middle,but more dissolved fractures in the south,what′s more,karst structure is relatively clear and complete in the middle.The carbonate rock and Caledonian palaeogeomorphology cause these differences.The forming mechanism of karst shows that micritic to silt-crystalline carbonic dolomite and micritic to silt-crystalline anhydrite dolomite in the middle are favorable to the development of dissolved pore.Fine-crystalline dolomite which is changed by diagenesis in the south is also favorable,but the mechanism is different.The middle part of the basin is located at karstic ramp,while the south part is situated at karstic mesa,where is easy to engender vertical dissolved fracture,difficult to conserve.The carbonate rock is controlled by sedimentary microfacies and diagenesis,while favorable micro-topography is dependent on the accurate palaeogeomorphology,so favorable microfacies,diagenesis and good microtopography shape are the target horizons to explore in the south of Ordos Basin.Further studies on the sedimentary microfacies, diagenesis and micro-topography shape of palaeokarst are the keys of exploration and development in this area.

palaeokarst,mechanism of karst,difference,Caledonian period,Ordos Basin.

TE121.3+1

A

2009-11-13；改回日期：2010-07-10。

苏中堂，男，1981年生，博士研究生，主要从事碳酸盐岩沉积地质与储层方面的研究工作。E-mail：xiongwei3279@sina.com。

（编辑 王淑玉）

1005-8907（2010）05-542-06

苏中堂，陈洪德，赵俊兴，等.鄂尔多斯盆地中、南部古岩溶发育差异性分析［J］.断块油气田，2010，17（5）：542-547.

Su Zhongtang，Chen Hongde，Zhao Junxing，et al.Difference analysis of palaeokarst development in middle and south parts of Ordos Basin［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：542-547.