柴达木盆地东坪地区基岩风化壳与油气成藏

伍劲，高先志，周伟，张永庶，杨云，由超

（1.中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023；2.中国石油大学 地球科学学院，北京 100249；3.成都理工大学 能源学院，成都 610059；4.中国石油 青海油田分公司 勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736202）

自2003年以来，柴达木盆地相继在马北地区、昆北地区和东坪地区的基岩顶部获得重大油气发现（图1），引起对柴达木盆地基岩油气藏勘探极大关注。基岩油气藏是含油气盆地重要勘探领域，国内外已发现许多基岩油气田[1-5]，一般认为，基岩油气藏的储集层主要为裂缝储集层[6-9]，而对基岩风化溶蚀型储集层特征的研究较少，研究程度较低[9-10]。针对深埋地下的花岗岩古风化壳发育特征也鲜有报道。柴达木盆地马北地区、昆北地区和东坪地区基岩油气藏储集层中普遍发育溶蚀孔缝，这表明风化作用对柴达木盆地基岩储集层的形成有重要作用。昆北地区油气运移特征表明，基岩不整合面是重要的输导层[11]。本文通过柴达木盆地东坪地区基岩风化壳特征的研究，划分了基岩风化壳的结构，指出了风化壳储集层发育特点，讨论了风化壳对基岩油气藏形成的作用。

图1 柴达木盆地基岩油气藏发育区与研究区位置

1 研究区概况

东坪地区是柴达木盆地阿尔金山山前的一个斜坡区（图1），远离生烃凹陷，但在古太古界基岩和始新统路乐河组中发现了气藏。研究区基岩的岩石类型主要为古太古界花岗岩和花岗片麻岩（图2），基底埋深较浅，顶面埋深小于4 000 m.基岩之上为始新统路乐河组湖相砂泥岩直接覆盖。

2 基岩风化壳结构

许多学者对风化壳剖面进行过细致的研究和划分，文献［12］在研究火成岩风化壳剖面时提出，理想的风化壳剖面分为6个级别，自上而下分别为残积土、完全风化层、高度风化层、中等风化层、轻微风化层和未风化的新鲜岩石。这一划分方案得到了后期研究人员的广泛引用[13-15]。但也有学者把风化壳剖面概括划分为3个带：即残积土、风化岩和未风化原岩[16-18]。文献［19］在对三塘湖盆地石炭系火山岩的研究中，将火山岩风化壳自上而下划分为最终分解产物带、水解带、淋滤带、崩解带和未风化带（母岩）。文献［20］则把完整的火山岩风化壳剖面划分为土壤层、水解带、溶蚀带、崩解带和母岩。

不同风化壳结构层是岩石风化程度的反映。从油气勘探角度，需要查明风化壳与储集层发育的关系，因此从风化作用对基岩储集层发育的影响角度出发，基于对研究区岩心的研究，本文把基岩风化壳的结构自上而下分为完全风化层、半风化层和未风化层3个层（表1）。

图2 东坪地区古太古界基岩顶面构造

2.1 完全风化层

完全风化层是基岩风化程度最严重的层，看不出原岩的原始性状和结构特征，基岩被风化成黏土及碎屑残积层。完全风化层可以进一步分为古土壤层和风化残积层。

2.1.1 古土壤层

古土壤层主要由黏土矿物组成，为富含有机质的黑色碳质泥岩，基岩几乎完全风化成黏土矿物，呈深黑色。但东坪地区基岩顶部受强烈风化剥蚀作用的影响，古土壤层仅在部分井保留。

2.1.2 风化残积层

风化残积层主要由风化黏土和风化残余砂粒、基岩角砾堆积而成，风化黏土矿物含量大于20%，基岩原始格架特征已经消失，从浅到深风化残留角砾粒度变大，反映了风化程度由强到弱的变化。坪1H-2-3井基岩风化层顶部3 077.20 m处岩心和薄片特征表明，其岩心由风化黏土和风化残留角砾组成，黏土矿物含量大于20%，角砾分选差，边缘见褐红色铁质环边，角砾粒径一般为5～10 mm，少数角砾粒径可达30 mm，组成角砾的主要矿物为钾长石（图3a），岩矿薄片中原始矿物晶形消失，风化残留矿物主要为钾长石，蚀变严重，解理蚀变加宽后被后期石膏和方解石充填，且矿物上有很多蚀变的“坑槽”，黏土矿物与石膏和碳酸盐矿物胶结混杂在一起（图3b），具有典型的完全风化层特征。

表1 东坪地区古太古界基岩风化壳结构及特征

2.2 半风化层

半风化层是指基岩受到风化和矿物蚀变，溶蚀孔缝发育，整体上保持有原岩的基本骨架特征。根据矿物蚀变程度和溶蚀孔缝发育程度不同，半风化层自上而下分为风化溶蚀带和风化崩解带，前者可见明显的矿物蚀变，溶蚀孔缝发育；后者则溶蚀现象轻微，节理缝发育（表1）。风化溶蚀带以化学溶蚀风化作用为主，风化崩解带以物理风化作用为主，尽管风化溶蚀带和风化崩解带的风化机理不同，但两者间的界限并不十分明显，呈过渡性变化。

2.2.1 风化溶蚀带

风化溶蚀带主要由强溶蚀基岩组成，保留基岩的原始格架，黏土矿物含量10%～20%，矿物蚀变和溶蚀作用严重，可见各种溶孔和裂缝。岩矿薄片中可见长石云母化、高岭土化，黑云母和角闪石绿泥石化（图3c），网状裂缝发育，长石和黑云母矿物解理蚀变加宽，矿物之间接触边界见蚀变现象，可见矿物的原始晶形（图3d，图3e）。东坪306井和东坪105井的风化溶蚀带岩心上发育大量的网状裂缝，大部分裂缝未被充填，且具有溶蚀加宽现象，沿裂缝发育溶洞和溶孔，基岩局部岩石因风化溶蚀疏松破碎成直径为2～10 cm的碎块（图3f，图3g）。

2.2.2 风化崩解带

风化崩解带黏土矿物含量小于10%，基岩的原始格架完好保存，基岩中发育少量的弱溶蚀裂缝和沿裂缝发育的溶孔，裂缝为高陡的构造缝和低缓的节理缝，裂缝密度总体随深度增加而降低，可见裂缝集中发育带与相对不发育带相间分布。坪1H-2-3井3180—3 187 m风化崩解带段为棕灰色花岗片麻岩，弱溶蚀，裂缝细长且边界清晰，主要矿物为正长石（40%）、石英（30%）、斜长石（15%）和角闪石等暗色矿物（15%），矿物晶形完整，边界清晰，长石绢云母化弱，晶体内部见少量被蚀变加宽的解理（图3h，图3i）。

完全风化层和半风化层常规测井特征和成像测井特征如表1所述。基岩风化壳地震反射特征表现为基岩顶面不整合界面向下，振幅属性差异变弱，反映岩石的性质在不整合面附近差异大，向下差异变弱，这是不整合面附近风化差异导致的。

图3 东坪地区基岩风化壳矿物蚀变和孔缝特征

2.3 未风化层

未风化层为致密基岩段，仅有少量的微裂缝，岩石致密，岩石中暗色矿物，如黑云母，可能会有因热液蚀变作用引起的一些蚀变现象。

3 基岩风化壳厚度及其影响因素

通过岩心观察、薄片鉴定及测井识别，分析统计了东坪地区25口井的基岩风化壳厚度。东坪地区所有钻井均未钻穿风化崩解带，因此，风化壳的总厚度还无法统计，但所有井均钻穿了风化溶蚀带。统计完全风化层和风化溶蚀带的累计厚度，最薄不到45 m，最厚超过180 m（图4）。如果包括钻遇的风化崩解带厚度，风化壳累计总厚度最大超过300 m，单井钻遇风化壳平均厚度超过200 m（表2）。

风化壳的厚度与基岩的抗风化性（矿物构成）、古地貌、风化时间、构造背景、先存断裂和先存裂缝发育程度等多种因素有关。

图4 研究区风化壳厚度与古地貌相对地势的关系

3.1 母岩类型的影响

岩石风化过程中母岩岩性所起的作用非常明显，特别是母岩的矿物成分、可溶组分的含量，决定了岩石的风化规模、风化产物、裂缝、溶孔、溶洞发育程度以及风化黏土层发育规模等。

东坪地区基岩分为花岗岩类和花岗片麻岩类（图2），由于片麻岩类矿物组成中含有较多的黑云母和角闪石类暗色易风化矿物，故东坪1井区含暗色矿物多的花岗片麻岩风化壳的物性参数好于东坪3井区花岗岩风化壳，且东坪1井区花岗片麻岩风化壳厚度要大于东坪3井区花岗岩风化壳厚度（表2）。尽管风化崩解带没有钻穿，但其风化溶蚀带厚度足以说明岩性的影响。

表2 东坪地区基岩风化壳物性和厚度统计

3.2 地貌对风化壳结构和厚度的影响

高地势区保存的风化壳厚度往往小于低地势区的风化壳厚度，这种地势高低的影响，可以通过东坪地区和昆北地区风化壳厚度的统计结果得到体现。图4为恢复到古近纪沉积前的古地貌与相应的风化壳厚度（完全风化层与风化溶蚀带两者之和）关系，从图4中可见，昆北地区为相对高地势区，风化壳厚度相对较小；东坪地区地势相对低，风化壳厚度较大。

文献［13］在解释地形地貌环境对风化作用深度的影响时认为，中等坡度的斜坡和与之相关的地形影响了汇水系统和与汇水系统相关的淋滤作用的强度。在地貌高部位，土壤层和风化残积层往往被剥蚀，只保存半风化层；而在地貌缓坡带，土壤层和风化残积层能够得到保存；在地貌陡坡带，由于斜坡不稳及强烈剥蚀，土壤层和风化残积层不容易保存；在地貌洼地带，往往能够保存较完整的风化壳。文献［20］在对新疆北部石炭系大型火山岩风化体结构研究时也注意到，低洼区的火山岩风化体发育完整的风化壳5层结构；坡度较陡的古构造高部位缺失土壤层和完全风化层。

综上所述，地貌对风化壳结构和厚度的影响如图5所示。

图5 不同古地貌下风化壳发育结构分布（根据文献［13］改编）

3.3 先存断裂和裂缝对风化壳厚度的影响

许多研究者发现，先存断裂对风化壳厚度有明显影响[13，20-21]。断裂控制了风化壳储集层的渗流能力，越靠近断裂，渗流半径和渗流能力越大，断裂发育处有利于地表水向下渗滤到更深的部位，促进深部岩石的风化淋滤，从而使得断裂发育处的风化壳厚度明显增加，储集层储集性能也明显变好。基岩早期裂缝的存在能够强化风化淋滤作用，先存裂缝发育区往往有利于形成较厚的风化壳。

东坪地区东坪1井区东坪105井在3 496—3 499 m处发育断裂带，断裂带之下的岩心发育大量溶孔、溶洞和溶蚀加宽缝，从而使得断裂带之下的储集物性明显变好，风化壳厚度大。东坪5井、东坪308井和东坪306井均在断层边上，其风化溶蚀带厚度均超过100 m，分别为117 m，110 m和104 m，明显大于其他不发育断层的井。

3.4 风化壳发育模式

根据上述基岩风化壳发育的影响因素，结合东坪地区基岩风化壳的结构和厚度分布以及恢复的古近系沉积前的古地貌和地质特点，综合构建了东坪地区风化壳发育模式（图6）。

4 基岩风化壳对基岩油气藏形成的作用

东坪地区基岩风化壳对基岩油气藏形成的作用体现在两个方面，这主要是由风化壳不同结构层所决定的：风化溶蚀带和风化崩解带起到输导层和储集层作用；完全风化层起到局部盖层和隔夹层作用。

4.1 风化溶蚀带和风化崩解带的输导层和储集层作用

油源对比表明，东坪地区油气来自邻区的一里坪凹陷的侏罗系烃源岩，深洼带的侏罗系油气通过断层调整到上盘进入风化壳储集层中，因风化溶蚀带和风化崩解带的区域发育，油气沿风化壳储集层长距离运移，最后进入东坪地区基岩构造高部位聚集成藏（图7）。从东坪地区油气藏分布看，油气层分布集中在风化壳上下，证明风化壳储集层是东坪地区油气来源的重要输导层和油气藏形成的重要储集层。

图6 东坪地区基岩风化壳分布模式

图7 东坪地区风化壳结构与油气运聚特点（剖面位置见图2）

4.2 完全风化层的局部盖层和隔夹层作用

基岩风化壳顶部的完全风化层，以风化残积物和风化堆积物为主，泥质含量高，在经历了后期沉积压实作用和胶结作用后，储集性能较差，成为阻止油气向上运移的盖层（图7）。

由于东坪地区风化壳完全风化层厚度不大，其封盖能力有限，只在局部起到一定盖层作用。东坪1井区和东坪3井区的气层分布特征表明，完全风化层多作为气藏的隔夹层，对油气分布仅起到一定的分隔作用，油气藏主要的盖层为风化壳上覆沉积岩中的厚层泥岩。

5 结论

柴达木盆地在古近系沉积前经历了长期的风化。由花岗岩和花岗片麻岩构成的东坪地区基岩，由于长期的风化作用，形成了平均单井累计厚度超过200 m的基岩风化壳，其厚度明显高于盆地内的昆北地区。东坪地区发育较厚的基岩风化壳是与古近系沉积前东坪地区一直处于相对低的古地势有关，相对低的地势有利于风化壳的形成和保存；基岩岩类的不同也对风化壳厚度有影响，由于花岗片麻岩矿物组成中含有较多的黑云母和角闪石类暗色易风化矿物，故东坪1井区花岗片麻岩风化壳厚度大于东坪3井区花岗岩风化壳厚度；风化壳厚度还与先存断裂和裂缝有关，先存断层发育带易形成厚层风化壳。

根据研究区基岩的风化程度和风化产物特征，基岩风化壳自上而下可分为完全风化层、半风化层和未风化层，其中，完全风化层完全失去基岩的原始格架结构，由古土壤层和高黏土矿物含量的风化残积层组成；半风化层则保留了基岩的原始格架结构，依矿物溶蚀和矿物蚀变程度可进一步分为风化溶蚀带和风化崩解带，风化溶蚀带发育溶蚀孔洞和溶蚀缝，风化崩解带发育弱溶蚀风化节理缝和构造缝。

风化溶蚀带和风化崩解带是基岩风化壳储集层发育的主要部位，对基岩气藏形成起到主要输导层和储集层作用；完全风化层厚度较薄，不足以单独形成盖层，主要在气藏中对天然气的分布起到一定的隔夹层作用。