巴楚隆起先巴扎三维区鹰山组岩溶特征及成因

和 虎，冯海霞，蔡忠贤

（1.中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉430074；2.中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257015）

塔里木盆地为一大型叠合复合盆地，据贾承造划分盆地的原则［1］，塔北隆起、巴楚隆起和塔中低凸起均属于中央隆起。相对于一般地形地貌而言，隆起区较易发生岩溶作用从而形成岩溶储层。如塔河油田奥陶系岩溶缝洞型储层，前人普遍认为其经历了加里东中期—海西早期多期岩溶作用，发育3层及以上岩溶洞穴［2-3］；塔中低凸起也发现十几口井具有放空、漏失和洞穴充填物等岩溶洞穴的响应特征。然而，据目前巴楚隆起钻井资料显示，该区还没有发现较大规模的岩溶洞穴层，因此对该区岩溶发育特征的研究仍处于探索阶段。巴楚隆起地层覆盖情况复杂，依据岩溶作用类型划分为3个不同岩溶区，即上奥陶统覆盖区、西部剥蚀区和和田古隆起区。受地震资料精度限制，笔者选取巴楚隆起西部剥蚀区的先巴扎三维区为研究对象，结合古地貌分析其地表和地下双重水文系统、岩溶发育特征及岩溶成因，以期为巴楚隆起岩溶储层预测提供参考。

1 区域地质概况

巴楚隆起位于塔里木盆地的西北部，是由吐木休克断层和色力布亚—玛扎塔格断层夹持的大型背冲断隆。在加里东中期Ⅰ幕，盆地由拉张体制向挤压背景转化，巴楚隆起受塔西南隆起影响，形成大型古斜坡，导致一间房组缺失，鹰山组暴露于地表接受大气淡水淋滤溶蚀发育岩溶作用；在加里东中期Ⅱ幕，盆地整体下沉接受良里塔格组沉积，巴楚隆起西北部及麦盖提斜坡缺失良里塔格组，鹰山组短期暴露地表发育岩溶作用；在加里东中期Ⅲ幕，挤压作用增强，盆地东西向翘升活动强烈，巴楚隆起由主动大陆转变为前陆大陆，隆起西北部及麦盖提斜坡桑塔木组遭受剥蚀，鹰山组再次遭受岩溶改造。先巴扎三维区受加里东中期构造运动的影响，上奥陶统剥蚀殆尽，鹰山组也遭受不同程度的剥蚀，志留系直接覆盖在其之上，鹰山组在加里东中期长期暴露地表接受大气淡水淋滤溶蚀发育多期岩溶叠加改造作用。

2 古地貌恢复及古水系识别

2.1 古地貌恢复

近年来，层拉平技术作为一种在层序地层学理论和三维地震技术基础上发展起来的更为简易的古地貌恢复方法①李家强.层拉平方法在沉积前古地貌恢复中的应用——以济阳坳陷东营三角洲发育区为例.油气地球物理，2008，6(2):46-49.，重点强调地层格架的等时性，选择拉平的标志层和描述的目的层通常都是等时界面。层拉平技术的实现大致分为2步：①选择标志层。标志层必须和当时的古水平面保持相对稳定的关系，代表当时稳定的基准面，并且在全区都稳定分布，标志层位于目的层的上方，距离越近越好；②进行层拉平。拉平标志层即做出标志层和目的层2个界面之间现今的等厚图，再对其进行压实校正，便基本上代表了目的层在当时地史时期的古地貌起伏状况。

先巴扎三维区鹰山组被柯坪塔格组的砂泥岩以填平补齐的方式直接覆盖，其上部塔塔埃尔塔格组下段的红色泥岩段区域分布比较稳定且地震上表现为稳定的波峰，是研究区重要的标志层（T62）。因此，利用层拉平技术将红色泥岩段拉平，拉平后鹰山组顶面的构造面貌基本代表了加里东中期岩溶发育时的地貌特征［4］。在古地貌的基础上，对研究区T74顶面以下0～20 ms进行相干精细分析，进而对古水系结构进行精细刻画［5］。

2.2 古水系识别

2.2.1 地表水文系统

由先巴扎三维区鹰山组古地貌与地表水系叠合结果（图1）可以看出，以中部巴什托断裂为界将水系分为南、北2部分，水系R1和水系R2相交汇合于南部水文系统中，水系R3位于北部水文系统。受断裂影响无法恢复断裂处水系汇流情况，但大体可以判断先巴扎三维区地表水系主体向东汇流。

图1 先巴扎三维区鹰山组古地貌与地表水系叠合结果

北部水文网主干水系R3发育数条分支水系，与主干水系组合成树枝状，各分支水系汇入主干水系后自北向南再向东汇流。南部水文网水系R1与常规地表水系明显不同：首先其分支大多为一级水系，结构简单的一级水系分布在主干水系两侧；其次该主干水系呈平缓的S形，与常规地表水系迂回曲折不同。南部水文网另一条主干水系R2的分支水系呈羽状分布在主干水系两侧，且分支水系与主干水系近似垂直，主干水系与分支水系蜿蜒曲折路径具有“N”字型特征，两侧的分支水系分别汇入到主干水系后总体向东汇流。杨明德等将这种水系结构定义为网格状水系，其发育主要受2组共轭裂隙组成的棋盘格状或菱形状的构造所控制［6］。而研究区地表水系结构主要受2组共轭断裂的控制：一组是北北东向，一组是北北西向。

先巴扎三维区地表水系的汇流结构样式具有以下特点：①各水系从干流到分支河谷发育成熟且稳定，反映出丰富的大气淡水补给和良好的岩性条件，从而形成系统的地表水文网；②树枝状水系发育，代表研究区具备良好的构造条件；③无论是分支水系还是主干水系均具有明显的构造取向性，反映出断裂裂缝体系对它们发育的控制作用。

2.2.2 地下水系

洼地等负地形与地下水系关系密切，能较好地刻画地下水系。研究区古地貌上发育较多洼地，其主干水系底部洼地不发育，而地貌高部位岩溶水补给处及分支水系的两侧发育较深的点源式洼地，且分布零散。地表水系这个大体的汇流背景决定地下水系的发育方向，将这些洼地结合主干水系的汇流方向大致可以确定其地下水系的汇流结构。以研究区T74界面下20 ms相干分析为基础，结合其古地貌圈出洼地，可以明显地看出这些洼地虽然分布零散但仍呈条带状分布，依据其汇流方向可刻画出地下水系的汇流结构（图2）。

图2 先巴扎三维区T74顶面以下0～20 ms相干及地下水系的汇流结构

由先巴扎三维区地表水系与地下水系叠合结果（图3）可以看出，研究区地下水系与地表水系具有明显的对应性，同时两者并不完全重合，呈现出缠绕型非完全映射关系。这种特征主要是由于地下水系的发育一方面受控于断裂裂缝及排泄基准面等因素，而其流动路径同时又遵循最小功能原理。北部地下水系基本围绕其地表主干、分支水系分布，局部地下水系的发育路径遵循最小功能原理发生截弯取直的典型现象，地下水系的汇流体现了与地表水系汇流的匹配性。南部地下水系将2个地表主干水系紧密联系起来：水系R1上的分支地下水系和地貌高部位的地下水系均往R1上汇流；水系R2上的分支地下水系汇入其主干水系后继续往R1上汇流。

图3 先巴扎三维区地表水系与地下水系叠合结果

在岩溶地貌区，当河流的下切侵蚀达到地下潜水面以下深度时，地表河流就成为岩溶水的主要排泄通道，并控制着岩溶水的流动状态［7］。由此说明地表主干水系R1为其南部地下水系的排泄基面，南部的地下水系均往此处聚集排泄。然而从相干和古地貌图上分析，水系R1上的洼地分布较少，表明R1上地下水系不发育。由此说明，南部地下水文系统以地表主干水系为排泄基准面，地下水向地表水转化，如长江支流清江从湖北利川发源后，在地下伏流10余千米后流出地表［8］。

3 岩溶发育特征

当岩溶地区具备良好的岩溶水补给、径流和排泄系统并持续循环时，地下水系发育并在其径流通道中形成岩溶洞穴。研究区树枝状水系发育且河谷成熟而稳定，表明该区具有良好的岩性-构造条件和丰富的大气淡水补给，地表岩溶相当发育；而地下水系主要以地表主干水系为排泄基面，其基本围绕地表水系分布且分支少，这些特征均说明地下水没有形成系统的水文网络，地下岩溶的发育受到一定限制。因此，研究区缺乏良好的径流和排泄系统，岩溶洞穴分布有限，以孤立分散洞穴为主，很少发育大的洞穴或暗河。

研究区地表水系相当发育而地下水系发育较弱，局部地貌上发育一些洼地等负地形，说明研究区岩溶发育阶段处于青年期［9］。从研究区古地貌图上可以明显的看到，其岩溶台面受到岩溶水的破坏和改造变得支离破碎，以地表主干水系为排泄基面，树枝状和网格状地表分支水系汇流至此。受该排泄基面的控制，单个岩溶层发育，由研究区T74界面以下20～40 ms振幅变化率（图4）可以看出，地表分支水系两侧及地貌高部位的洼地上见异常体，并在地震剖面上见串珠状反射［10］。但总体看来，高值异常点分布零散，没有呈现明显的条带状，而且研究区地震剖面上串珠状反射相对较少，表明该区岩溶洞穴分布有限或溶洞充填严重，地貌高部位发育孤立洞穴［11］。

图4 先巴扎三维区T74以下20~40 ms振幅变化率

4 成因分析

先巴扎三维区地表岩溶相当发育而地下岩溶受到限制，这与巴楚隆起西北部西克尔露头剖面的古岩溶现象一致。研究区与露头区在古生代属于一个隆起，在新近纪两者才分离，因此，可以将2个地区的岩溶特征进行类比。据此总结出形成这种岩溶特征的3个原因，即岩溶发育不彻底、洞穴充填和溶蚀孔洞层发育。

岩溶发育不彻底 在西克尔露头区的嶂谷谷口有一凹槽，距离地面的高度约为2 m，一直沿着嶂谷底部发育，延伸长度约为150 m，顶部凹凸不平，存在铁质结核，中部呈紫红色，有溶蚀冲刷痕迹，底部平坦。露头区存在很多类似凹槽，却并没有形成典型的洞穴。这些特征表明，该凹槽是地下水水平径流作用的结果，但该区岩溶化地块处于稳定期的时间较短，一期的地下岩溶刚开始发育，随即地壳再次缓慢抬升，下期岩溶发育，使原来的地下岩溶因脱离地下水而停止，因此，在嶂谷底部残留凹槽。这种露头现象解释了研究区地下水发育但并没有形成串联交织的地下水文系统的原因，表明以主干水系为排泄基面的地下水文系统，随着地壳运动排泄基面发生变化，从而导致地下岩溶脱离地下水而停止发育［12］，使得地下岩溶没有发育完全。主干水系R1的河谷纵剖面呈现明显的梯级状特征，陡坡降段与缓坡降段交替出现呈梯级式下降，梯级下降的拐点为河流裂点，3个裂点的存在证实了其排泄基面的变化（图5）。

图5 先巴扎三维区水系R1的河谷纵剖面

图6 先巴扎三维区被志留系砂泥质充填的古溶洞

洞穴充填 西克尔露头区断崖处发现一被志留系柯坪塔格组棕红色碎屑物质完全充填的大型溶洞，溶洞高约4.5 m，宽约13.2 m，横剖面呈近纺锤形（图6），这种洞穴类型属于孤立厅堂型，常见于沟谷两侧的陡坡或悬崖上，该类洞穴可有3种成因类型［8］，结合露头区的岩溶特征分析其具体成因，笔者认为该洞穴是由于岩溶作用速度慢于地壳上升速度，于较短相对稳定时期发育的不成熟洞穴，还处于形成的初期阶段，地壳上升使其停止了进一步发育，此种成因类型正好与上述岩溶发育不彻底相对应。由此说明正是由于岩溶发育不完全造成了露头区与研究区均发育这种孤立洞穴，并且孤立洞穴一般容易发生充填，如刘伟等统计的西克尔露头区鹰山组20个表生溶洞均为充填型［13］。结合西克尔露头区的洞穴特征判断研究区溶洞可能充填严重。由于该区钻遇奥陶系的井很少，对于充填型溶洞有待进一步研究。

溶蚀孔洞层发育 大部分地区地表水在重力条件下向下渗滤但并没有形成系统的地下岩溶管道，取而代之形成一些小型的溶蚀孔洞等，通过对取心井岩心及野外露头的观察，可发现溶孔大多呈层状分布［14-18］。据冯海霞等在新疆西克尔露头的溶丘上发现水平溶蚀孔洞顺层发育，溶孔大小不一，直径为0.5～5 cm，许多溶孔组合成蜂巢状［12］。说明由于岩溶发育程度较弱，地下水水平径流形成这种小型的溶蚀孔洞层。与西克尔露头区一样，先巴扎三维区也发育这种小型的溶蚀孔洞。研究区钻遇鹰山组的井较少，据已有钻井资料分析，BT4井鹰山组取心见一些溶蚀孔洞，洞径在10 mm以内，缝洞多被方解石、泥质和黑色有机质半—全充填；BK1井鹰山组取心泥晶灰岩上见许多被方解石充填的溶蚀孔洞。

5 结论

巴楚隆起先巴扎三维区上奥陶统剥蚀殆尽，志留系直接覆盖在鹰山组之上，鹰山组在加里东中期长期暴露地表接受大气淡水淋滤溶蚀发育多期岩溶叠加改造作用。以加里东中期岩溶古地貌为基础，结合精细相干和地震属性分析，对研究区古水系进行精细刻画发现：该区具有良好的岩性-构造条件和丰富的大气淡水补给，地表岩溶相当发育；以地表主干水系为排泄基面，研究区缺乏良好的径流和排泄系统，地下岩溶的发育受到限制，主要发育孤立分散洞穴。类比研究区与西克尔露头的岩溶特征，总结出造成这种岩溶现象的成因包括岩溶发育不彻底、洞穴充填、溶蚀孔洞层发育。

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