川中地区龙王庙组洞穴充填物特征及油气地质意义

周　慧, 张宝民, 李　伟, 单秀琴, 范建玮

刘静江1, 张师本1, 文　龙2, 罗　冰2, 罗文军2

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083; 2.中国石油西南油气田分公司 勘探开发研究院，成都 610041)



川中地区龙王庙组洞穴充填物特征及油气地质意义

周慧1, 张宝民1, 李伟1, 单秀琴1, 范建玮1

刘静江1, 张师本1, 文龙2, 罗冰2, 罗文军2

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083; 2.中国石油西南油气田分公司 勘探开发研究院，成都 610041)

[摘要]依据洞穴充填物岩性、孢粉化石、主元素、痕量元素和稀土元素特征分析，结合区域构造演化资料，探讨了川中下寒武统龙王庙组大型洞穴的形成时期和充填过程。洞穴充填泥中孢粉化石时代为石炭纪—早白垩世，泥质岩具有高B含量、低Sr/Ba、稀土元素配分模式差别大的元素地化特征。认为龙王庙组洞穴主要形成于石炭纪—早二叠世古隆起大规模隆升暴露期，为风化壳喀斯特作用和顺层喀斯特作用叠加形成的，并经历了石炭纪—早二叠世的沉积充填和潜流携带古隆起高部位物质充填，及中生代—新生代构造活动期地表水携带溶解残余物沿断裂下渗充填过程。邻近龙王庙组尖灭线，受石炭纪—早二叠世风化壳喀斯特作用和顺层喀斯特作用影响的颗粒滩发育带为川中龙王庙组储层发育最有利地区。

[关键词]川中古隆起；下寒武统；龙王庙组；洞穴；碳酸盐岩储层；孢粉；元素地球化学

喀斯特是地表、地下流体对可溶性岩石进行破坏和改造而形成的地貌现象总和[1]。喀斯特作用往往形成规模不等的洞穴、溶洞及溶缝，是重要的碳酸盐岩储层类型[2-12]。喀斯特缝洞中往往保存多种类型充填物，如机械沉积充填物、塌积充填物、化学淀积充填物和风化残积充填物，这是研究洞穴成因和形成期次的物质基础。对古喀斯特形成和充填时间研究，通常采用不整合面法[13]、洞穴碎屑充填物岩性及其古生物法[14,15]、洞穴充填物测龄法[16]以及元素地球化学法[15,17-19]等。

近期，中国石油天然气股份有限公司在川中磨溪地区下寒武统龙王庙组中发现了高产碳酸盐岩大气田[20]，储集空间为颗粒白云岩和粉-细晶白云岩的溶洞、粒间溶孔和晶间孔等[21-25]；同时，在川中磨溪17井、磨溪19井和磨溪202井中钻遇已充填的大型洞穴[26](图1)。对于这些洞穴成因、形成与充填时间的研究较少，本文在洞穴碎屑充填物岩性、古生物、主元素、痕量元素和稀土元素分析的基础上，结合区域构造演化资料综合研究洞穴形成时期与充填过程，以期为该区开展有利储层预测提供支撑。

1区域地质概况

图1　四川盆地二叠纪沉积前古地质图与地层柱状图Fig.1　Paleogeologic map and stratigraphic column of Sichuan Basin before Permian

川中古隆起为一受基底控制、继承性发育的大型古隆起[22]，其演化经历了多期隆起兼剥蚀过程，最终定型于前二叠纪；随后又经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动调整改造而形成现今构造形态，古隆起面积超过60×103km2[22]。研究区缺失奥陶系、志留系、泥盆系和石炭系，二叠系直接覆盖于寒武系之上，且从川中向川西方向，古隆起上前二叠纪地层依次剥蚀至奥陶系、寒武系和上震旦统灯影组(图1)。龙王庙组沉积期，四川盆地为一自西向东的缓坡，川中地区位于内缓坡[22,25]，以颗粒滩、生屑滩和滩间海发育为特征，沉积物类型主要为颗粒白云岩、生屑白云岩、粉-细晶白云岩和粉砂质白云岩等[21]。龙王庙组沉积之后经历了多期构造抬升作用，寒武系顶部遭受了强烈的喀斯特作用，龙王庙组顶部距风化剥蚀面数十米至140余米不等[23]，近地表风化壳喀斯特作用和顺层喀斯特作用对龙王庙组颗粒白云岩和粉-细白云岩改造强烈，形成了物性较好的溶洞和“花斑”溶洞储层，已发现的高产气田主要分布在这两类储层中[23]。磨溪17、磨溪19、磨溪202井位于奥陶系尖灭线西侧，钻井过程中自上而下钻遇侏罗系、三叠系、二叠系和寒武系。3口井在龙王庙组皆钻遇大小不一、已被角砾白云岩、泥质岩和黄铁矿充填的大型洞穴，且对洞穴顶底板和洞穴充填物进行了系统取心。

2洞穴充填特征

图2　磨溪17井龙王庙组综合柱状剖面(左图)与洞穴充填沉积序列(右图，已将取心深度归位到测井深度)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Longwangmiao Formation of Lower Cambrian from Well Moxi-17(left) and the filling sequence of the cave (right, the coring depth is corrected to the logging depth)

图3　磨溪17井洞穴充填物和顶底板岩性特征Fig.3　Characteristics of cave sediments and top and bottom dolomites in Well Moxi-17(A)深褐灰色砂屑白云岩，裂缝中见角砾岩和黑色泥质岩，岩心扫描照片，井深4 619.40~4 620.00 m; (B)黑灰色洞穴充填泥岩，黄铁矿顺层分布，井深4 620.50~4 620.55 m; (C)灰色角砾白云岩和泥岩，角砾分选和磨圆差，井深4 622.72~4 622.82 m; (D)黑灰色洞穴充填泥岩，岩心表面多见黄铁矿，井深4 624.50~4 624.60 m; (E)灰色粉晶白云岩，岩性较致密，可能为洞壁垮塌角砾岩，井深4 625.00~4 625.10 m; (F)黑灰色洞穴充填泥岩，表面见黄铁矿分布，井深4 626.00~4 626.10 m; (G)围岩(灰色砂屑白云岩)和洞穴充填泥岩接触， 界面处见厚约1 cm的黄铁矿层， 井深4 626.28~4 626.38 m; (H)灰色砂屑白云岩，见沿层面或微裂缝分布的黄铁矿，井深4 626.50~4 626.60 m

钻井取心中最常见的喀斯特证据是洞穴崩塌角砾岩和洞穴沉积碎屑岩(砾岩、砂岩和泥岩)[15]。本文以磨溪17井为例介绍洞穴充填特征。该井4 626.30~4 620.00 m深度发育一大型洞穴(图2)，在地震剖面上表现为地震同相轴下拉[26]，测井曲线上表现出高自然伽马、高声波时差及低电阻率特征(图2)。自下而上，洞穴充填物及顶底板岩性为：(1)洞穴底板：4 628.00~4 626.30 m深度为灰褐色砂屑白云岩，颜色不均，局部含泥质，溶孔中或沿微裂缝和缝合线充填黄铁矿，往顶部黄铁矿含量增加(图3-H)，白云岩与上覆溶洞充填泥之间接触面为厚约1 cm的黄铁矿层(图3-G)。(2)洞穴充填物：4 626.30~4 625.90 m深度为富含黄铁矿泥岩(图3-F)，局部见白云岩角砾，磨圆差，黄铁矿呈斑点状富集；4 625.90~4 624.80 m深度为灰色粉晶白云岩，微含泥质，致密，溶孔溶洞不发育(图3-E)；4 624.80~4 623.60 m深度为含黄铁矿泥岩(图3-D)，黄铁矿呈斑点状富集，黄铁矿面积占岩心表面10%~20%；4 623.60~4 622.20 m深度为分选差、磨圆差的角砾白云岩和泥岩(图3-C)，角砾成分以灰褐色白云岩为主，含少量灰绿色磨圆相对较好的碎屑岩颗粒；4 622.20~4 620.00 m深度为黑灰色含少量角砾、黄铁矿的泥岩(图3-B)。(3)洞穴顶板：4 620.00~4 618.00 m深度为深褐灰色砂屑白云岩，破裂面或裂缝中见角砾岩和黑色泥质岩充填(图3-A)。

3洞穴充填物古生物和元素地球化学特征

磨溪17、磨溪202井中洞穴充填物可见黑色溶积泥岩、溶积砂砾岩、洞穴角砾岩和黄铁矿等，而磨溪19井洞穴充填泥多被黄铁矿交代。洞穴角砾岩砾屑往往来自围岩；而溶积砂砾岩、泥岩则常与不整合面上最老地层岩性相似，因此成为判断溶洞时代的依据，尤其是溶积充填物中所含微体古生物化石及其元素地球化学特征。

3.1洞穴充填物微体古生物

笔者选取磨溪17井9块样品和磨溪202井1块样品进行孢粉化石、疑源类化石、几丁石、介形类化石、小壳类化石、牙形刺鉴定，仅在磨溪17井4 620.08~4 624.57 m深度的4块样品(图2中G1—G4)中见70个孢粉化石(表1)，且保存尚好(图4)。

G1号样品：深度4 624.57 m，见2粒圆形刺面孢属Apiculatasporites、1粒凹边孢属Concavisporites、4粒单束松粉属Abietineaepollenites、2粒原始松柏粉属Protoconiferus、2粒假云杉粉属Pseudopicea。所见化石均为浅色类孢粉，其中圆形刺面孢属Apiculatasporites分布于中生代，凹边孢属Concavisporites分布于中生代，单束松粉属Abietineaepollenites分布于中生代—新生代，原始松柏粉属Protoconiferus分布于中生代，假云杉粉属Pseudopicea分布于中生代，所以这些浅色孢粉时代大致为中生代。

G2号样品：深度4 620.39~4 620.42 m，见2粒稀饰环孢属Kraeuselisporites、2粒穴面孢属Foveosporites、3粒松型粉属Pityosporites。所见化石中，浅色孢粉松型粉属Pityosporites分布于中生代，黑色孢子穴面孢属Foveosporites分布于古生代—中生代，黑色稀饰环孢属Kraeuselisporites分布于三叠纪、早侏罗世，这些孢粉沉积时代可能为中生代。

G3号样品：深度4 620.16 m，见2粒无突肋纹孢属Cicatricosisporites、1粒圆形粒面孢属Cyclogranisporites、1粒远极环孢属Distalanulisporites、1粒稀饰环孢属Kraeuselisporites、1粒辐脊孢属Emphanisporites、1粒套环孢属Densosporites、35粒单束松粉属Abietineaepollenites、4粒原始松柏粉属Protoconiferus、2粒假云杉粉属Pseudopicea。上述化石分为2类，其中颜色较浅孢粉如原始松柏粉属Protoconiferus见于晚三叠世至早白垩世，icea分布于中生代，无突肋纹孢属Cicatricosisporites主要分布于早白垩世、少量见于晚白垩世地层中，圆形粒面孢属Cyclogranisporites分布于中生代，所以浅色类化石时代应为早白垩世。另一类黑色-灰黑色孢子如远极环孢属Distalanulisporites分布于二叠纪至侏罗纪，稀饰环孢属Kraeuselisporites分布于三叠纪、早侏罗世，辐脊孢属Emphanisporites、套环孢属Densosporites分布于泥盆纪-早白垩世，这类孢子以具环类为主，大致分布在石炭纪—二叠纪，可能为石炭纪。

假云杉粉属Pseudop-

图4　磨溪17井龙王庙组洞穴沉积物中的孢粉化石Fig.4　Sporopollen fossil obtained from the paleo-cave sediments of the Longwangmiao Formation in Well Moxi-171. Abietineaepollenites，粒径40 μm，深度4 620.16 m; 2.Protoconiferus，粒径45 μm，深度4 620.16 m; 3.Pseudopicea，粒径45 μm，深度4 620.16 m; 4.Pseudopicea，粒径50 μm，深度4 620.16 m; 5.Cicatricosisporites，粒径30 μm，深度4 620.16 m; 6.Distalanulisporites，粒径25 μm，深度4 620.16 m; 7.Emphanisporites，粒径28 μm，深度4 620.16 m; 8.Foveosporites，粒径28 μm，深度4 620.16 m; 9.Kraeuselisporites，粒径28 μm，深度4 620.39~4 620.42 m; 10.Kraeuselisporites，粒径28 μm，深度4 620.39~4 620.42 m; 11.Camarozonotriletes？粒径33 μm，深度4 620.08~4 620.16 m; 12.Knoxisporites？粒径42 μm，深度4 620.08~4 620.16 m; 13.Lophozonotriletes？粒径43 μm，深度4 620.08~4 620.16 m; 14.Crassispora？粒径56 μm，深度4 620.08~4 620.16 m; 15.Perocanoidospora，粒径75 μm，深度4 620.08~4 620.16 m; 16.Perocanoidospora，粒径102 μm，深度4 620.08~4 620.16 m

图5　磨溪17井中洞穴充填泥主元素特征Fig.5　Characteristics of major elements in the paleo-cave filling mud in Well Moxi-17

G4号样品：深度4 620.08~4 620.16 m，只在4 620.08~4 620.16 m深度的样品中见到了4粒保存较好且特征明显的蕉叶孢属Perocanoidospora，此属以周壁内具垂直2组肋纹而区别于仅本体外壁上具2组条痕的Columinisporites，主要见于华北太原组上部至上石盒子组。近年来在华南部分地区早、中二叠世地层中也见到了此属，其中以早二叠世居多。故该井段时代应为早、中二叠世，更倾向于早二叠世。

据上分析，洞穴充填物泥质岩所含孢粉化石为石炭纪到早白垩世。由于孢粉只在泥盆纪才开始出现，而样品分析中未获其他可以指示时代的化石，因此，对于寒武纪—志留纪的洞穴充填物没有确切的判识依据。

3.2洞穴充填泥元素地球化学特征

选取磨溪17井4 620.16~4 624.57 m深度6块泥质岩样品(取样位置见图2)进行了主元素、痕量和稀土元素分析。

3.2.1主元素、痕量元素

6个样品主元素测试表明(图5)，MnO和FeO含量较低，Fe2O3含量较高且具有随深度增加逐渐减少的特征，反映洞穴在充填过程中长期处于表生环境氧化条件下。K2O含量较高暗示洞穴水体在成岩过程中经历了埋藏期浓缩咸化。

B、Cr、Cu、Ga、Ni、V等痕量元素常用来区分洞穴充填物海水和淡水环境来源，如利用B元素含量、B-V含量Potter图版、Sr/Ba含量比、B/Ga含量比、Ga-B-Rb关系含量等来区分充填物形成环境[27,28]。

一般认为B的质量分数(wB)<40×10-6，介于40×10-6~80×10-6之间和>80×10-6分别指示淡水、半咸水和咸水环境[15]。该6个样品中wB为310×10-6~659×10-6，说明磨溪17井溶洞充填过程中，沉积水化学环境属循环不畅咸水；同样，与硼有关的其他判识指标也指示咸水的沉积水化学环境。龙王庙组沉积期在川东—川南沉积了厚层蒸发岩，说明当时为干旱、炎热气候，溶洞咸水既可能是上覆海相地层沉积时海水下渗，也可能是龙王庙组地层水。

由于龙王庙组地层水为高盐度咸水，因此，高硼含量不能明确指示洞穴沉积物受上覆海相地层沉积时海水影响，但极低的wSr/wBa指示洞穴沉积物沉积时受淡水影响。

3.2.2稀土元素

稀土元素的配分模式可用来反映物源和沉积过程[30,31]。首先对磨溪17井6个样品稀土元素数据进行球粒陨石标准化和北美页岩标准化(图6)。其配分模式总体表现为由深部重稀土元素富集变化为浅部轻稀土元素富集，如深度为4 624.57 m、4 624.06 m和4 620.82 m样品中重稀土元素相对轻稀土元素富集，与Martin海水或海湾水的稀土元素配分模式[32]相近；深度为4 620.16 m样品中轻稀土元素富集，与Martin统计的河水的稀土元素配分模式[32]相近；而深度为4 621.89 m、4 621.72 m样品轻稀土元素或重稀土元素没有明显的富集或亏损特征。稀土元素富集的差别反映喀斯特作用受大气淡水和海水的共同影响，洞穴底部受来源于上覆地层的海水或龙王庙组地层水影响强烈，上部受大气淡水影响强烈。此外，洞穴充填泥中Ce为正常含量，亏损或富集不明显，这是含钙质古土壤或风化壳的典型特征之一[33]。

4洞穴形成与充填过程

洞穴充填物中有时可见老于、晚于洞穴碳酸盐岩围岩时代或与围岩同时代的化石，据此可判断古喀斯特充填时代[15]。磨溪17井龙王庙组洞穴充填物中孢粉化石时代为石炭纪到早白垩世，均晚于洞穴围岩时代。洞穴充填物的主元素、痕量元素和稀土元素特征表明，洞穴长期处于近地表条件下，洞穴充填泥受大气淡水和海水的共同影响，大量存在的黄铁矿为埋藏环境下硫离子与泥岩中铁离子反应的产物。

图6　洞穴充填泥平均稀土组成标准化分布模式Fig.6　Rare earth element distribution in the paleo-cave filling mud(A)相对于球粒陨石；(B)相对于北美页岩

从区域构造演化来看，川中古隆起在震旦纪末开始呈现雏形，寒武纪—志留纪为同沉积古隆起阶段，志留纪末—石炭纪为强烈隆升剥蚀阶段，且定型为加里东期继承性古隆起，二叠纪—中三叠世为稳定埋藏阶段，侏罗纪—现今古隆起发生调整改造，且最终定型[34,35]。

寒武纪-奥陶纪沉积期，川中地区处于内缓坡或开阔台地内部，为台地内部古地貌高地，以颗粒滩的发育为特征，发生于晚奥陶世末的构造运动是龙王庙组沉积之后的第一次构造运动，其对龙王庙组影响较弱，仅剥蚀了上奥陶统部分地层；志留纪末期开始的构造运动持续时间长，对古隆起影响强烈，上扬子地区大规模抬升并遭受剥蚀，古隆起暴露时间长达120 Ma[36]，且遭受强烈的喀斯特作用影响。喀斯特作用对龙王庙组白云岩储层的影响表现为：一是川中古隆起地区龙王庙组顶部距风化剥蚀面数十米至140余米不等[23]，处于风化壳喀斯特作用的渗流带或潜流带，风化壳喀斯特作用强烈；二是由于上覆高台组和下伏沧浪铺组储集物性相对较差，岩性较致密，地表大气淡水会由川西地区龙王庙组和高台组暴露区向川中覆盖区流动，发生顺层喀斯特作用。川中龙王庙组白云岩储层中喀斯特作用特征明显，如颗粒白云岩、粉-细晶白云喀斯特孔与溶洞中多见渗流粉砂[23]，溶洞充填晶粒白云岩碳、氧同位素显示大气淡水成岩流体特征[37]，并可见强烈溶蚀形成的蜂窝状孔洞、喀斯特角砾等。在四川盆地，海西运动的主幕发生在晚石炭世—早二叠世，这很可能是龙王庙组洞穴形成与充填的主要时间段，该期风化壳喀斯特作用叠加顺层喀斯特作用在川中形成了高4.5 m的大型洞穴，洞穴内部开始充填溶洞垮塌角砾岩、砂砾岩和泥岩等，并含有石炭纪—早二叠世的孢粉化石。这类孢粉化石为洞穴形成后由于海侵作用被海水携带而沿早期洞穴系统灌入而被埋藏的产物，或石炭纪—早二叠世角砾岩或泥质岩溶解残余物，由于潜流作用自上游携带而来进入洞穴并被埋藏的结果。

二叠纪之后川中地区长期处于稳定埋藏阶段，且沉积了巨厚的海相碳酸盐岩、蒸发岩和陆相碎屑岩，但从孢粉反映的时代来看，洞穴充填物中仍可见中生代—新生代的孢粉化石，其形成可能为印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动期，地表水携带含有孢粉的泥质岩或角砾岩的溶解残余物沿断裂运移至龙王庙组洞穴中，并被埋藏下来的结果。

5油气地质意义

磨溪17、磨溪19、磨溪202井洞穴充填沉积的发现是古喀斯特形成和充填研究的依据，并为该区开展有利储层预测提供支撑。洞穴沉积物中所鉴定的孢粉化石时代为石炭纪—早白垩世，时代跨度大，分析认为洞穴形成的主要时间段为晚石炭世—早二叠世。川西、川中地区前二叠纪地层分布的差异，说明二叠纪沉积前川西为古隆起的高部位，川西向川中地区为一斜坡，磨溪地区洞穴的形成为风化壳喀斯特作用和顺层喀斯特作用叠加的结果，石炭纪—早二叠世孢粉化石的存在可能与古隆起高部位岩石溶解残余物被自西向东潜流作用搬运有关。大型洞穴以及渗流粉砂、碳氧同位素等证据，表明龙王庙组白云岩长期遭受大气淡水的影响。靠近西侧龙王庙组尖灭线，风化壳喀斯特作用和顺层喀斯特作用对其改造强烈，形成了物性较好的喀斯特孔洞型和缝洞型储层，其平均孔隙度为5.03%，平均渗透率约为9.87×10-3μm2，高于针孔型砂屑白云岩的平均孔隙度(3.71%)和渗透率(0.139×10-3μm2)[23]。从测试产能的情况来看，以喀斯特系统为主要储层的钻井往往高产，如磨溪11井测试产能可达2.175×106m3，高石6井为1.047×106m3。

6结 论

a.磨溪17井洞穴孢粉时代为石炭纪—早白垩世，洞穴充填泥痕量元素具有B含量高、Sr/Ba含量比值低的特征，不同样品稀土元素配分模式差别大，具有大气淡水、海水和混合水的特征。

b.川中龙王庙组洞穴主要为石炭纪—早二叠世古隆起大规模隆升暴露，风化壳喀斯特作用和顺层喀斯特作用叠加形成的，洞穴充填经历了石炭纪—早二叠世沉积充填和古隆起高部位岩石溶解残余物由于潜流作用自上游搬运充填，与中生代—新生代构造活动期地表水携带泥质岩或角砾岩的溶解残余物沿断裂下渗充填过程。

c.靠近西侧龙王庙组尖灭线，石炭纪—早二叠世风化壳喀斯特作用和自西向东顺层喀斯特作用形成了龙王庙组喀斯特孔洞型和缝洞型储层，为龙王庙组高产最有利储层类型。

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Characteristics and petroleum geological implication of paleo-cave fillings in Longwangmiao Formation of Lower Cambrian in central Sichuan Basin, China

ZHOU Hui1, ZHANG Bao-min1, LI Wei1, SHAN Xiu-qin1, FAN Jian-wei1,LIU Jing-jiang1, ZHANG Shi-ben1, WEN Long2, LUO Bing2, LUO Wen-jun2

1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China;2.Exploration and Production Research Institute, Southwest Oil Gas Field Company, Chengdu 610041, China

Abstract:Large scale paleo-caves occur in the rocks of Lower Cambrian in the central Sichuan Basin. Based on the analysis of lithology, sporopollen fossils, major elements, trace elements, rare elements and regional tectonic evolution, the forming time of paleo-caves and their filling processes are studied. It reveals that the sporopollen fossils belong to Carboniferous to early Cretaceous, and element geochemistry of the argillaceous rock shows high B content, low Sr/Ba and various rare earth elements distribution. Superimposed processes of weathering and bed-parallel karstification involved in the formation of paleo-caves during Carboniferous to early Permian. It experienced sedimentation and filling of materials brought by underflow from exposed high lands. Also, surface water carried dissolved materials migrating along the faults during Mesozoic to Cenozoic period. Grain shoal belts, near Longwangmiao Formation pinch-out line which is affected by Carboniferous to early Permian weathering and bedded karstification, are favorable areas for formation of reservoir in central Sichuan Basin.

Key words:paleo-uplift in central Sichuan Basin; Lower Cambrian; Longwangmiao Formation; paleo-cave; carbonate reservoir; sporopollen fossil; elemental geochemistry

[文献标志码][分类号] P642.25; TE122.2 A

[基金项目]国家油气重大专项(2011ZX05004)。

[收稿日期]2015-02-06。

[文章编号]1671-9727(2016)02-0188-11

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.02.05

[第一作者] 周慧(1983-)，男，硕士，工程师，研究方向：碳酸盐岩沉积储层, E-mail:zhouhui03@petrochina.com.cn。