喜马拉雅中晚期断弯褶皱-大气水岩溶储集体形成——以塔里木盆地西北缘柯坪-羊吉坎大湾沟组碳酸盐岩为例

钱一雄,田 蜜,李慧莉,陈 跃,沙旭光,李洪泉

(1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214151; 2.中国石化 石油勘探开发研究院,北京 100083;3中国石化 西北油田分公司 石油勘探开发研究院,新疆 乌鲁木齐830011)

与不整合面或沉积间断面有关的古岩溶型油气储层在世界范围内大量存在。前人探讨了海平面升降、基岩、气候、地下水溶解、矿物组成、暴露长短、先存孔洞系统、层序、沉积相和地层特征、水文系统、出露规模和地形特征、构造沉降特征等多个因素对岩溶作用的影响[1-6],以及强调了早期、同生及构造期(后)的断裂作用及后期热液对岩溶作用的影响[7-11]。或沿潜山高部位的向斜坡渗透层的大气水沿裂缝带向下流动,或承压水(层)沿断裂上升发生岩溶作用,形成大型缝洞型储层[7-8,12]。

现代岩溶是了解地质时期岩溶作用的重要参考系[7-8,13]。塔里木盆地西北缘发育了由寒武系至第四系的5排NE-SW向推覆体由北向南逆斜冲,构成向南凸出的弧形推覆构造[14](图1)。前人对柯坪塔格山南缘、西克尔、巴楚五道班和柯坪硫磺沟出露的中-下奥陶统洞穴均归咎于古岩溶主要证据为: ① 上覆有上奥陶统的红色砂岩和泥灰岩,呈填平补齐[15-16]； ② 出现大量溶沟、溶脊、平缓垄岗、洼地、侵蚀溶沟等岩溶地貌[16]； ③ 发育岩溶角砾岩、多种形态的洞穴。可分为表生与深成岩溶洞穴[17]或管道-厅堂连通型溶洞、单一管道孤立型溶洞、流线型溶洞,部分充填了灰绿色-褐黄色-棕红色砂岩、泥质粉砂岩或粉砂质泥岩以及粗晶方解石、萤石、硫磺、孔雀石[16-20]。

本文是在对西克尔、羊吉坎剖面(图1)以及岩溶现象详细观察的基础上,选择了羊吉坎一受断弯褶皱控制的大湾沟组灰岩中孔缝洞体,进行构造变形、组构分析、岩石学、地球化学以及褶皱-脱空的数值模拟等综合研究,并结合了前人对有关新构造运动、古气候、溶蚀实验结果,探讨了缝洞体发育的机械与化学溶蚀作用对孔隙(洞)贡献,揭示喜马拉雅中、晚期受断弯褶皱及大气水溶蚀-沉淀过程控制的岩溶洞穴形成过程。

1 地质特征

柯坪-羊吉坎剖面位于阿克苏至喀什国道314约60 km柯坪塔格山沟南侧的小型断弯褶皱。前缘逆冲断裂产状为325°∠31°、逆冲断距约为1.5 m，大湾沟组厚层生屑灰岩中与褶皱有关的岩溶洞穴大小为3.5 m(宽度)×1.5 m(高度)×>0.5 m(长度)，主要由同褶皱变形、呈土黄-褐红色薄层粉砂质钙质碳酸盐岩((钙华),与薄层条带状马牙状-栉壳状、长柱状方解石互层。在4 m(长)×2 m(宽)× 3 m(高)的岩溶体内,发育了似层状不同大小的岩溶洞(穴)14个。2个分布于褶皱枢纽带，大小为(10～150) cm×(5～25) cm;沿裂隙4个,最大70 cm×(5～35) cm,其他均小于5 cm×3 cm,部分或半充填了钙华及方解石(图2)。

图1 塔里木盆地西北缘地质简图及羊吉坎剖面位置Fig.1 Geological sketch map of Keping,northwest Tarim Basin and location of the Yangjikan section

为精细地了解岩溶洞穴或带的结构,下面分别按岩溶的顶板、钙华、半或未充填的岩溶洞穴和岩溶角砾岩带以及底板(或基岩)进行描述(图2，图3)。① 岩溶的顶板,如图2a所示,它是由一套浅灰色-黄灰色中厚层(层厚为30～50 cm)(图2a中A)的微裂隙发育含生屑泥微晶砂屑灰岩(图2a中B)构成,中间夹有一层厚为5～6 cm的土黄色薄层的钙华层； ② 由土黄与褐红色薄层钙华构成,由6至7层粉砂质钙质-马牙状-栉壳状-长柱状方解石巨晶或粗晶条带组成,厚度为68～78 cm(图2a中E)； ③ 未充填的岩溶洞穴,厚(高)度为40 cm～60 cm(图2a中D)； ④ 岩溶角砾岩带,厚(高)度为15～25 cm(图2a中C)； ⑤ 底板,基本同上,由中厚层弱硅化的含生屑的泥微晶砂屑灰岩构成,发育与褶皱轴部-枢纽带有关的张裂隙(图2b)。

根据Locks(1999)[3]对岩溶带划分，羊吉坎剖面主要发育: ① 未发生岩溶改造基岩,如图2a中A带； ② 遭受较弱岩溶改造带,如图2a中B带； ③ 岩溶角砾岩带,如图2a中C带； ④ 不同形态的洞穴,图2a中D带； ⑤ 沿扩溶裂隙-洞穴中的机械、化学充填,呈土黄-褐红色薄层层状的钙华,与马牙状-栉壳状方解石条带互层,如图2a中F带、图3a中的采样点002至采样点007以及010。这是本文关注的重点研究内容之一,详见图3c至图3g。岩溶洞穴及其充填物(钙华为主)主要发育褶皱的轴部-枢纽带的上部,其空间是由褶皱枢纽带顶部的拉张断裂-破碎、两翼的层间滑动造成的虚脱(层)形成以及沿与褶皱的轴部近似垂直和顺层断裂的下渗地表水溶蚀作用与沉淀等作用有关。

2 样品采集与测试

本次研究共采样12件,除了薄片、铸体观察外,还进行了阴极发光(7件)、碳、氧同位素(18件)、硫同位素(8件)、岩石地球化学(8件)、流体包裹体(3件)等批次分析。

阴极发光分析是作者在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成、仪器为BLM3RX型阴极发光仪。

碳、氧同位素是国家地质实验测试中心矿床所完成,采用100%正磷酸法和Finngan MAT252气体质谱仪,分析精度±0.2‰。硫同位素是由核工业地质研究院测试中心完成。根据DZ/T 0184.15—1997 《硫酸盐中硫同位素组成的测定》方法进行,采用Delt V plus,以国际硫同位素CDT标准标定的国家硫同位素标准(硫化银)GBW-4414(δ34S=-0.07‰)和GBW-4415(δ34S=22.15‰)校正,测量误差小于±0.2‰。

图2 羊吉坎剖面中大湾沟组岩溶景观岩溶分带(a)及简化图(b)(面向北西)Fig.2 Karst landscape and zonation of the Dawangou Formation at Yangjikan section(facing northwest)

图3 羊吉坎剖面中大湾沟组岩溶剖面沉积结构、样品特征及钙华-缝洞方解石碳、氧同位素变化曲线Fig.3 Sedimentary architecture of karst profile,sample features of the Dawangou Formation at Yangjikan section,as well as plot showing the variation of carbon and oxygen isotopes of the calcareous tufas-calcites in fractures and cavernsa.实测剖面及其采样示意位置；b.实测岩溶剖面岩性分段、厚度及基岩和岩溶产物的碳、氧同位素变化；c—g.以代表性样品中的钙(泉)化沉积为主要特征的矿物类型以及岩石结构构造

采用了传统分析测试流程,即先样品按比例加入Cu2O,然后置于马弗炉内,在1 050～1 060 ℃真空条件下反应制备SO2,最后上质谱仪进行测试,测试误差均小于±0.2‰。δ34S的相对标准为V-CDT。

岩石化学是由中国地质科学研究院地球物理地球化学研究完成。样品在研磨成粉末前用去离子水清洗。清洗后,研磨至200目以下。常量元素中的Ca采用X-射线荧光光谱法(XRF)(本次分析中未测SiO2)，Hg和As为原子荧光光谱法(CV-AFS)，其它常量、微量元素和稀土元素用等离子体质谱法(ICP-MS)和等离子体光谱法(ICP-OES)测定。采用标样为GSD-5，6，13,常量元素分析误差小于0.1%，微量元素的分析误差(包括稀土)在±1×10-6。

流体包裹体分析是在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所测试中心完成。利用与Leica显微镜相连的LinkamTHMSG2600型冷热台进行测试。在温度校正后,开始升温速率为5～10 ℃/min,当包裹体中气泡变小,接近均一时,升温速率为1 ℃/min。

3 分析结果

3.1 阴极发光

薄片观察及阴极发光有以下特征,含棘皮类泥晶灰岩不发光或较弱的暗橙黄红色光(图4a，b)；钙华(样品YJK-004和YJK-005+1)一般均发中等橙黄色光(图4c,d和图4e,f)或发暗橙黄色光(图4k，l)；而裂隙及孔洞中的粗晶或巨晶方解石均不发光(图4g，h和图4k，l),但沿巨晶方解石的微裂隙发中等橙黄色光(图4i，j),总体反映了大气水作用的产物特征。

3.2 碳、氧与硫同位素

氧、碳同位素已在高精度地层对比、气候短期变化、流体来源、水-岩反应等地质过程判识中得到广泛运用。碳同位素有两种主要来源,一是氧化环境下的较重δ13C；二是生物有机质还原条件下由新陈代谢产生的较低δ13C，有机来源CO2中的C13较贫乏(δ13C=-16‰～-25‰)。海相碳酸盐岩中的δ13C主要反映了非有机溶解的碳源,温度变化影响较小,而与产率、大洋循环、风化作用及外来的碳源等有关。成岩过程中δ13C趋于减小、其相同的变化值所需的水/岩比要比氧同位素要高(大)得多[21-24]。氧同位素变化的影响因素包括同位素分馏、温度(季节变化)、交换反应和成岩改造等。但全球古生代海相碳酸盐岩氧同位素变化范围较为一致,与地质时代、古地理格局、古生物群落和格架矿物类型无关。

图4 羊吉坎剖面中大湾沟组灰岩及岩溶产物镜下及阴极发光特征Fig.4 Dawangou Formation limestones and cathodluminescence features of karst products under microscopes at Yangjikan sectiona，b.样品YJK-001，含棘皮泥晶灰岩不发光或较弱的暗橙黄红色光，后期裂隙方解石也不发光(大气水岩溶)；c，d.样品YJK-004,条带状中细晶及不规则六方柱状以及环带或玛瑙状纹层方解石均不发光,一开启微缝也不发光,少量不规则方解石颗粒发暗橙黄红色光；e，f.样品YJK-005+1,条带状钙华发中等橙黄红色光,微细方解石不发光；g，h.样品YJK-005,三方或假六方的方解石(环带)均不发光,钙华发中等橙黄红光；i，j.样品YJK-006,方解 石粗晶不发光,不规则裂隙(或裂纹)充填物发中等橙黄红光;k，l.样品YJK-008,条带状钙华发暗橙黄红色光,条带状中粗晶方解石不发光

δ13C(PDB)/‰δ18O(PDB)/‰δ34S(V-CDT)/‰δ13C(PDB)/‰δ18O(PDB)/‰δ34S(V-CDT)/‰YJK-001-0.7-6.3YJK-005-④4-2.9-12.6YJK-002-3.5-13.1-0.7YJK-005+1-2.9-12.5-3.0YJK-003-①1-2.2-10.6YJK-006-①-1.9-10.5YJK-003-②2-2.2-10.0-3.5YJK-006-②-3.2-13.5YJK-004-①1-3.0-13.7YJK-006+1-2.9-11.6-2.2YJK-004-②2-2.2-10.8-2.2YJK-007-0.7-5.9YJK-005-①1-3.0-13.7YJK-008-2.6-11.4-3.0YJK-005-②2-3.2-13.4YJK-010-①1-2.8-11.0YJK-005-③3-3.3-13.6-2.2YJK-010-②2-2.7-10.7-3.2

图5 羊吉坎剖面中大湾沟组灰岩及岩溶产物的碳、氧同位素值Fig.5 δ13C(PDB) and δ18O(PDB) for limestones and karst products of the Dawangou Formation at Yangjikan section

氧、碳同位素分析结果表明(表1；图5):中奥陶统大湾沟组灰岩中，δ13C(PDB)平均为-0.7‰(-0.7‰～-0.7‰)，δ18O(PDB)平均为-6.1‰(-6.3‰～-5.9‰,n=2件)；钙华中的δ13C(PDB)平均为-2.89‰(-3.3‰～-1.9‰)，δ18O(PDB)平均为-12.27‰(-13.7‰～-10.5‰,n=10件)；巨粗晶方解石的δ13C(PDB)平均为-2.43‰(-2.9‰～-2.2‰)，δ18O(PDB)平均为-11.03‰(-12.5‰～-10.0‰,n=3件)；(长)柱面的偏三角面体的方解石δ13C(PDB)平均为-2.70‰(-3.2‰～-2.2‰)，δ18O(PDB)平均为-12.15‰(-13.5‰～-10.8‰,n=2件)；裂隙中的方解石δ13C(PDB)为-29‰,δ18O(PDB)为-12.6‰。后者主要为大气水岩溶作用环境。从钙华以及缝洞中方解石δ13C(PDB)和δ18O(PDB)呈较好线性关系,进一步表明了大气水岩溶作用的特征。

从剖面中的钙华中的δ13C(PDB)和δ18O(PDB)变化曲线可见(图3b):①具有一定沉积厚度连续沉积的钙华中的δ13C(PDB)和δ18O(PDB)中负偏现象较为明显；δ13C(PDB)= -3.5‰～-3.0‰,δ18O(PDB)=-13.7‰～-13.1‰,相对较低(样品YJK-002,YJK-004-①，YJK-005-①和YJK-005-③)，向上为层间或厚度小钙华碳氧同样素值增加；δ13C(PDB)= -2.9‰～-2.6‰,δ18O(PDB)=-11.6‰～-11.0‰(样品YJK-006+1，YJK-008，YJK-010-①),可能反映了中期相对较充沛的水量(水动力)及相对潮湿的气候条件,逐渐向水动力弱或半潮湿转变；② 缝洞中的巨粗晶或长柱状方解石δ13C(PDB)变化趋势基本上与同深度的钙华相似,但δ18O(PDB)值变化截然不同,向上的负偏明显增加,也反映了早、中期风化强度、大气淡水作用强,与钙华形成时代或环境有所差异。因此,无论是钙华或缝洞方解石的稳定同位素均与岩溶作用水动力、大气水流体化学性质及其演化关系密切,可作为水动力及岩溶强度有效指示参考参数之一。

对于硫同位素，柯坪-羊吉坎剖面中的大湾沟组岩溶产物中的δ34S(V-CDT)变化不大,δ34S(V-CDT)=-3.5‰～-0.7‰,远低于古生代海相碳酸盐岩和现代海水平均值(20‰)，也低于还原条件下的静海中的一般沉积物(<10‰)，同样低于早古生代中含硫化物的碳酸盐岩或含生物成因的黄铁矿相对较低的δ34S(V-CDT)。从连续沉积至较小规模的钙华,其δ34S(V-CDT)逐渐减小,反映了成岩环境中的Eh升高、从巨晶方解石(-3.5‰)至长柱状方解石中δ34S(V-CDT)(-3.0‰～- 2.2‰)逐渐增加,反映其沉积环境中的氧化程度逐渐提高(表1;图6)

3.3 元素地球化学

早古生代基岩、钙华及缝洞方解石的常量元素、微量元素和稀土元素特征及比值见表2。

图6 塔里木盆地羊吉坎剖面中奥陶统大湾沟组中岩溶产物的硫同位素值Fig.6 δ34S(V-CDT) for karst products of the Dawangou Formation at Yangjikan section

1) 常量元素

由表2及图7a,图7c可见:① 3件钙华样品与中奥陶统大湾沟组中灰岩相比,反映粘土含量的Al2O3较低、但变化较大,从0.04%～2.00%(平均为0.70%)；反映沉积环境或成岩作用的Fe2O3含量相类似,0.04%～1.15%(平均为0.41%)。一般地,铁在碳酸盐岩中丰度平均为0.38%；MnO相对较高,296×10-6～737×10-6(平均为459.7×10-6),而反映碳酸盐岩主要组成的CaO和MgO分别为49.13%～56.95%(平均为54.68%)和0.28%～0.72%(平均为0.43%)，Mg/Ca=0.006 0～0.017 4(平均为0.009 8),反映了CaO含量增加、MgO相对降低,反映盐度的Na2O+K2O为0.06%～1.17%(平均为0.44%)相对较低；反映有机体作用的P相对较高,40.0×10-6～133.5×10-6(平均为71.22×10-6)；② 4件缝洞中的长柱状及巨粗晶方解石中的常量组成:粘土含量的Al2O3极低、但变化较大,从0.01%～0.93%(平均为0.29%)；反映沉积环境或成岩作用的Fe2O3含量相类似,0.05%～0.22%(平均为0.10%)；MnO含量最高,438×10-6～690×10-6(平均为555.6×10-6),而反映碳酸盐岩主要组成CaO和MgO分别为55.38%～57.55%(平均为57.17%)和0.21%～0.41%(平均为0.29%)，Mg/Ca=0.004 4～0.008 8(平均为0.006 0),CaO含量最高、MgO最低,反映盐度的Na2O+K2O为0.06%～0.43%(平均为0.17%)最低；反映有机体作用的P相对较高,56.3×10-6～84.4×10-6(平均为67.36×10-6)；除了个别样品外,总体反映了岩溶作用过程中产物中的Al，Fe，Mg，K，Na以及Mg/Ca相对降低,而Mn，P相对富集。

2) 微量元素

由表2及图7b，图7c可见：无论是钙华或巨粗晶及长柱状方解石中部分微量元素显示出较低的值，但变化较大，如铁族元素的Cr，造岩元素中Rb，Ba；而基本持平的有Co和Ni，Hg，Ag和V；较为富集的有中低温的金属元素Cu(钙华:20.2×10-6～25.5×10-6,平均为23.24×10-6；方解石:16.9×10-6～28.4×10-6,平均为22.06×10-6)、Zn(钙华:23.4×10-6～47.9×10-6,平均为36.67×10-6；方解石:22.0×10-6～57.3×10-6,平均为39.73×10-6):① 3件钙华中Sr含量相对较低、平均为152.4×10-6(146.4×10-6～156.4×10-6)，Sr/Mn极低、平均为0.39(0.21～0.53)，Fe/Mn较低、平均为11.96(2.2～31.2),Sr/Ba平均为79.48(2.2～161.6)；② 4件缝洞中的长柱状及巨粗晶方解石中，Sr含量也相对较低、平均为165.35×10-6(146.2×10-6～199.7×10-6)，Sr/Mn极低、平均为0.31(0.24～0.41)，Fe/Mn较低、平均为4.09(2.2～31.2),Sr/Ba平均为46.53(4.0～69.2)。咸化海水中具较高的Sr/Ba比值，而在大气淡水潜流带、或是重结晶或白云岩化过程中(从非化学构式至化学构式)降低较为明显。按照C.E.Jones等[21]提出用Mn≤300×10-6；Fe≤3 000×10-6,Sr/Mn>2等指标判定原岩组分保存状况的判断,钙华或巨粗晶及马牙-长柱状方解石均为大气水成岩改造较为强烈的岩溶产物。

3) 稀土元素

① 3件钙华中:轻稀土平均为15.98×10-6(2.3×10-6～41.4×10-6),重稀土平均为7.01×10-6(1.5×10-6～17.4×10-6),稀土总量平均为22.99×10-6(3.7×10-6～58.9×10-6),LREE/HREE平均为1.96(1.5～2.4),δEu平均为0.75(0.71～0.80),δCe平均为0.84(0.68～0.84)(表2；图7c)；② 4件缝洞中的方解石中:轻稀土平均为44.94×10-6(7.0×10-6～123.9×10-6),重稀土平均为22.76×10-6(6.4×10-6～54.7×10-6),稀土总量平均为67.69×10-6(13.3×10-6～178.6×10-6),LREE/HREE平均为1.71(1.1～2.3)；δEu平均为0.72(0.63～0.77),δCe平均为0.67(0.63～0.74)。综上所述,与基岩相比,既有稀土总量较低的钙华(YJK-010-①，②)或粗巨晶方解石(样品YJK-003-①、样品YJK-004-②),也有相对较高的钙华(样品YJK-002)或粗巨晶方解石(样品YJK-005+1、样品YJK-006-②)。除了钙华(YJK-002)或粗巨晶方解石(样品YJK-005+1)弱正铕外，其他样品与北美平均页岩成分(NASC)和澳大利亚太古代后页岩(PAAS)[25]类似,大多呈“弱正铕负铈”的“帽型”配分模式(图8)，反映其一定的继承性。

表2 塔里木盆地柯坪-羊吉坎剖面中大湾沟组中灰岩及岩溶产物中的元素地球化学分析数据及其比值Table 2 Geochemical data for limestones and karst products, as well as their ratios in the Dawangou Formation at Yangjikan section

图7 羊吉坎剖面中大湾沟组灰岩、缝洞中的钙华和方解石中常量元素(a)、微量元素(b)含量比值及稀土总量(c)含量变化Fig.7 Variations of macro(a)-and micro(b)-elements,macro-microelement ratios,and total rare earth(c)in the limestones and calcareoustufas-calcites in fractures and caverns in the Dawangou Formation,Yangjikan section

3.4 流体包裹体

长柱的偏三角面体-巨粗晶粒状方解石中的流体包裹体特征为：以液相包裹体为主,一般为5～10 μm,最大者为12 μm左右,椭园、圆形、水滴形为主,次之为柱状至不规则状。按类型可分为一大类二种类型,即盐水流体包裹体中的单相盐水溶液包体(WL)、气液两相盐水溶液包体(WL+V)，后者仅见到2个，反映了低温流体包裹体的特征,间接指示了大气水岩溶特征(图9)。

图8 羊吉坎剖面中大湾沟组灰岩、缝洞中钙华及方解石配分样式Fig.8 The distribution pattern of limestones,calcareoustufas-calcites in caverns and fractures of the Dawangou Formation at Yangjikan section

3.5 岩溶作用特征综述

综上所述,羊吉坎剖面中的受断弯褶皱控制的大湾沟组灰岩中缝洞体具有典型的岩溶作用(喀斯特)特征,主要包括为发育岩溶角砾岩、钙华、不同大小的岩溶缝洞体等,其主要充填物(钙华)或长柱状巨粗晶方解石发暗橙黄红-不发光；与围岩相比,其δ13C(PDB)，δ18O(PDB)偏负明显、且呈线性相关,其δ34S(V-CDT)明显负偏、指示的氧化程度增高；无论是常量中Al,Fe,Mg,K和Na等元素或微量中Sr，Rb，Ba，稀土总量以及Sr/Ba等相对低,但Cu和Zn等相对较高,指示风化及氧化环境；马牙状-栉壳状、长柱状的巨粗晶的方解石仅发育以液相为特征的低温大气水环境下包裹体特征。

上述以水-岩作用下溶蚀-充填为主的喀斯特作用以及缝洞体的形成,与前述的断褶作用有何联系是本文探索其机理的主要组成部分，其地质依据是自然界的物理力学(破裂)过程往往与化学过程相伴生或先于后者发生。设定初始的断裂相关褶皱是形成的层间脱空作用是上述特殊缝洞体形成的前提条件,通过数值模拟推测早期的孔缝结构对现今缝洞体形成与发育的影响、进而阐明其演化过程。

图9 长柱状-巨粗晶方解石中纯液相的流体包裹体(红色箭头所指)Fig.9 Photomicrographs showing occurrences of fluid inclusions in columnar and giant coarse-grain calcites(pointed with red arrow)a.样品YJK-006;b.样品YJK-006+1

4 断弯褶皱-脱空的数值模拟

断层相关裂隙空间是存在于断层面附近、由断层相关褶皱构造作用引起的全部碎裂空间,是脱空空间分散的表现。通过设定断弯褶皱的构造地质条件,建立断层相关裂隙空间与断面脱空空间的置换模型,推导出利用断层倾角、断距、褶皱弯曲度、地层刚性强度、厚度等参数定量计算断层脱空空间的公式,开发出VSD技术软件,并在塔中奥陶系碳酸盐岩裂缝性储层预测中进行成功的应用[26-28]。

羊吉坎剖面中断弯褶皱主体是由力学上相对强硬的层状中厚层灰岩构成,其上、下相对中强-软弱层的中薄层的含生屑泥晶灰岩。现今岩溶体的顶、底板由于强烈逆冲作用,还发育了若干的伴生、派生小断层(图2)。这些小断层同样会对能干层产生机械破坏作用。

本次构造建模仅模拟岩溶作用前的中厚层能干层的断褶作用。构造建模和地层建模所需的产状,依据实测数据及地质剖面中的软件数值化获得。建模主要参数如下:断层产状325°∠31°、逆冲断距1.5 m,褶皱弯曲度可通过软件数值化获得。丁原辰等[29]估算的塔里木盆地北部的新生代二幕构造分别为49.4 Mpa和88.8 MPa,有效最大主应力值采用80 MPa ,其它岩石力学参数参照文献[27],能干层厚度2 m。

多次精细处理后的建模数据,调用VSD软件计算。计算结果表明:断裂上、下盘断弯褶皱前翼脱空空间最大,孔隙度最高可达3%以上,上盘断弯褶皱后翼脱空空间相对较小,最大可达0.6%左右(图3a),并在上盘形成一条孔隙度0.2%～0.5%脱空通道(图10b)。

5 断弯褶皱-大气水岩溶形成过程

5.1 喜马拉雅运动与第四纪气候条件

喜马拉雅运动可以分为早、中、晚3期,分别对应于始新世晚期、古近纪与新近纪之间、新近纪与第四纪之间构造活动[34]。天山在中新世以来(23 Ma)或距今25 Ma发生强烈构造挤压隆升,发育了大量东西向的逆冲-走滑断裂带和背斜构造。位于南侧的东西向构造的东秋里塔格背斜北翼的褶皱-隐伏断层,利用热释光确定的年龄为距今25 100 a±1 900 a～2 669 a±102 a[35]。

在第四纪的2.5 Ma内,由多个冰期和多个间冰期组成(5次寒冷和4次温暖期),时间尺度均在0.1 Ma左右,显著变冷为玉木(大理)冰期,规模最大为里期(庐山)冰期,间冰期最显著为民德-里期(大姑-庐山)间冰期,距今约为680～370 ka[36]。由于青藏高原隆升,不仅通过增强冬季亚洲高压(西伯利亚高压)使冬季风增强,使东亚季风区冰期气候更加干燥寒冷,而且还可以通过增强夏季亚洲低压,使夏季风增强、间冰期气候可能更加温暖湿润[37]。

图10 羊吉坎剖面中脱空空间VSD模拟计算结果(a)及能干层在断弯褶皱变形中的脱空空间展布(b)Fig.10 Disengaging space based on VSD(a)and its distribution of competent layers in the disengaging space of a fault-bend fold(b) at Yangjikan section

5.2 孔隙形成及时间估算

若将以多层由中厚层组成的“强干层”断弯褶皱变形的主体,即如图2所示,其高(长)为153～213 cm,其溶蚀充填高(长)(钙华)为75～80 cm,未充填(有效)的高(长)(钙华)为40～60 cm,初步估算的充填率为37.6%～49%,现今有效空洞率为26.14%～28.17%。而由断弯褶皱变形中的产生脱空的0.2%～0.5%孔隙率,仅占目前有效空洞率的1/50～1/100,虽然微不足道,但起了“溶蚀前锋的通道”或“涌流-管涌”触发器的功能,变形中的中厚层碳酸盐岩(灰岩)能干层中的孔隙相对发育带及裂隙带所构成的网络,可能是强烈的大气水作用下产生巨型岩溶缝洞体发育的主要载体。

5.3 形成过程及演化推断

根据对柯坪-羊吉坎大湾沟组碳酸盐岩岩溶剖面的结构分析、岩溶充填物的岩石学及地球化学分析认为:形成现今的未充填的洞穴、岩溶角砾带和不同类型的钙华及长柱状-马牙状结晶方解石为主的岩溶景观及其岩溶分带可简化为以下地质与地球化学过程(图11)。

1) 喜马拉雅期构造挤压形成了轴面向NW倾的不等称的斜歪背斜(东北翼稍陡、西北翼平缓),沿轴部或翼部的断裂-裂隙以及沿层面挤压-滑脱变形,形成了脱空层或裂隙带,为大气水向下渗流或季节性山洪-河流的层流创造了条件。

2) 由于大气水中不断补充的CO2在河流-气界面的传输(洞穴溪流为1 mm/a,裸露灰岩为0.03 mm/a)；在富含CO2水与碳酸盐岩围岩形成了扩散边界层DBL,在开放的三相不平衡的开放系统中[30],沿轴部(枢纽带)或滑脱层、翼部的断裂-裂隙带及发生碳酸盐岩的溶解作用,早期可能以孔隙的弥漫流-达西流为主,由于虹吸效应,很快进入与褶皱层面近平行的“相对高的孔渗”发生溶蚀-管流；

图11 与挤压褶皱-层间滑脱脱空-大气水溶蚀作用有关的喜马拉雅中晚期的岩溶模式(图例见图2b)Fig.11 Karst model of the middle and late Himalayan movement,associated with fault-bend fold,interlayer disengaging void,and meteoric water dissolution at Yangjikan section(see Fig.2b for the legend)a.挤压褶皱-横张裂隙-层间滑脱沿枢纽管道流;b.大气降水-季节性河流沿轴部或翼部脱空间层发生富CO2的溶蚀作用;c.岩溶角砾岩—层状钙化(钙质包壳-豆荚-海绵-砂糖状)-巨晶马牙状方解石发生的韵律沉淀

3) 在开放体系中、温湿气候下,由于大量大气水不断侵蚀与溶解作用，在相对干旱气候下(或冬秋),水动力相对稳定期间或在紊流条件下碳酸钙接近于饱和状态。由于成核多、生长快、分别形成了细粒的钙质包壳、豆荚状、海绵状、层状或砂糖状的钙华,构成了较为稳定的管状壁；在更为稳定缓慢的层流或管流条件下,或自形、长柱状-马牙状结晶方解石分别从壁边向中心生长,两者构成韵律层。由于褶皱隆升,大气水潜流面的向下移动,类似于“河流向下侵蚀-形成阶地”,导致部分孔洞的上覆岩层发生破碎、坍塌并被流水改造形成了“岩溶角砾岩”。因此,即自下而上溶蚀充填物时代愈新,直至位于潜水面以上，溶蚀减弱，干洞穴部分得以保存,气候-水动力条件、流体-岩石作用中的温度和二氧化碳分压等因素控制上述岩溶过程。

6 结论

1) 柯坪羊吉坎碳酸盐岩岩溶剖面发育了较弱岩溶改造带、岩溶角砾岩带、洞穴及钙华沉积物或缝洞方解石等,均为典型的大气水岩溶作用的产物。

2) 钙华沉积物中的碳、氧同位素负偏程度、δ34S(V-CDT)自上而下增强，揭示了早期半潮湿-干旱-中期或中晚期相对潮湿、较充沛的水量(水动力)至现今半潮湿-干旱气候。

3) 自上而下的缝洞方解石碳、氧同位素负偏、δ34S(V-CDT)减弱、反映陆源Al2O3等减小,反映出晚期风化程度以及氧化程度减弱；与钙华一样,其碳、氧等稳定同位素可作为水动力强度或岩溶作用强度有效指示参数之一。

4) 从钙华、巨粗晶粒状方解石至发育(长)柱面的偏三角面体聚形方解石等产物中的Al2O3，FeO，MgO，K2O，Na2O以及Mg/Ca相对降低,而MnO和P2O5相对富集；Sr，Sr/Mn，Fe/Mn，Sr/Ba比基岩均较低,多呈“弱正铕负铈”的“帽型”配分模式,后二者以单相盐水溶液包体为主，主要反映了大气水的岩溶作用。

5) 相比大气水的溶蚀作用,断弯褶皱变形中的脱空0.2%～0.5%的孔隙率,虽然仅占目前有效空洞率1/50～1/100,但具有“溶蚀(前锋)的通道”或具有“涌流-管涌”触发器的功能；羊吉坎剖面的1.5～2.0 m高度大小的溶洞体,在潮湿气候、较强的水动力条件下,可在小于5 ka年内形成，而在相对干旱期间,则需要更长时间形成。