塔北哈拉哈塘地区奥陶系石灰岩缝合线发育特征及石油地质意义

陆 彬

塔北哈拉哈塘地区奥陶系石灰岩缝合线发育特征及石油地质意义

陆 彬

（长江大学地球科学学院，武汉 430199 ）

以岩心和薄片鉴定资料为基础，分析了塔北哈拉哈塘地区奥陶系石灰岩中缝合线特征、成因类型及石油地质意义。研究结果表明，研究区内石灰岩缝合线有3种类型，可作为油气生成的重要场所。缝合线内残余有机质丰度较高；缝合线是成岩流体流动的重要通道，沿缝合线附近可形成较多的溶蚀孔和溶洞；缝合线是油气运移的重要通道，沥青在缝合线中普遍存在。根据研究建立了研究区缝合线网络体系发育模式，推测了地质历史演化中各阶段缝合线的特征及其作用。

缝合线；石灰岩；储层；塔北哈拉哈塘

缝合线在碳酸盐岩中广泛发育，在灰岩中较常见，白云岩中发育密度相对降低。对于缝合线的成因，主流观点认为缝合线是压溶成因[1~4]。但也存在不同的观点，如Deelman D J C通过实验分析认为破裂和压实也能形成缝合线[5]。谭钦银等研究认为缝合线具有“四性特征”，即完整性、亲烃性、排孔性及胀裂-汇聚性[6]。在成因探讨之外，国内外学者多关注缝合线的石油地质学意义[7~15]。如EmanueleTondi等探讨了缝合线发育与构造应变的关系[10~14]。钟建华等探讨了缝合线的生烃潜力及其作为油气运移通道[15，16]。高岗等主要探讨了缝合线中有机质和基质有机质的生烃潜力，并探讨了其对生排运聚的影响[19]。以石灰岩作为研究的切入点，以塔北哈拉哈塘地区作为典型解剖区。岩心观察表明哈拉哈塘地区奥陶系灰岩中广泛发育裂缝和缝合线。但一直以来，在研究哈拉哈塘地区岩溶储层时，前人往往更重视构造溶蚀缝[20~21]，认为其对储层发育贡献大。而实际岩心观察表明，奥陶系灰岩中缝合线是重要的流体流动通道，沿缝合线可见到大量沥青和溶蚀孔和溶洞。在此基础上，针对石灰岩中缝合线的发育特征及模式，以塔北哈拉哈塘地区15口井的缝合线数据统计为例，利用岩心描述、薄片鉴定和荧光观察分析等手段，对该区灰岩中缝合线特征进行形态学和成因分类，最终以明确灰岩中缝合线的石油地质意义。

图1 哈拉哈塘地区相对构造区划图

1 地质背景

1.1 区域构造背景

塔北隆起具有基底隆起的特征，是前震旦系变质岩基底上发育的一个长期发展的古隆起，其最初形成时期可以追溯到塔里木运动(晋宁运动)。加里东时期该隆起继承性发育，保持了古隆起的地貌形态。海西早期运动在该区活动强烈，由于区域性挤压抬升形成向西南倾伏的北东向展布的大型鼻凸，隆起幅度加大，地层遭受强烈风化剥蚀，使凸起大部分地区缺失志留—泥盆系及中上奥陶统，下奥陶统也遭受了不同程度的剥蚀，石炭—二叠系不整合超覆于下伏地层之上。海西晚期运动是塔北隆起又一重要发展阶段，轮南潜山隆起构造带再次抬升暴露风化剥蚀，大部分地区仅保留下石炭统，局部地区奥陶系碳酸盐岩再次暴露剥蚀。由于沉积期后的强烈剥蚀作用而使奥陶系顶面地层残缺不全，且地层出露呈条带状分布以断块活动和强烈剥蚀为特征。该区中生代仍保持隆起状态，在构造高部位缺失三叠-侏罗系。新生界开始，由于喜马拉雅运动导致北部库车凹陷剧烈沉降，塔北隆起受其影响转化为一个往北倾斜的残余古隆起，新生界地层呈北厚南薄的形态（图1）。哈拉哈塘地区位于轮南潜山隆起构造带及英买力低凸起之间的斜坡部位，总体上区域构造作用形式单一，以南北翘倾为主。由于加里东期不均衡的区域构造抬升影响，使轮南-哈拉哈塘-英买力地区形成了一个大型南倾斜坡；早海西期受北西-南东方向上的挤压运动，在大斜坡背景上形成了一个北东-南西走向的大型轮南背斜，英买力地区则由于寒武系盐岩的挤压隆起发育形成英买力低凸起，二者之间发育形成了哈拉哈塘凹陷的雏形，后期地层正常沉积，呈现北高南低的特征。直至喜马拉雅期库车凹陷沉降，地层逐渐形成南高北低的沉积特征，发育形成现今的构造格局。

图2 塔里木盆地哈拉哈塘地区奥陶系沉积特征

1.2 地层沉积特征

受多期构造运动影响，塔北地区沉积古地貌不断发生演化，总体趋势向南部倾斜。由于晚加里东运动的强烈作用，哈拉哈塘北部奥陶系遭受强烈剥蚀，桑塔木组地层局部缺失，底部良里塔格组地层也受到一定程度的剥蚀。总体上，从奥陶系−二叠系沉积期表现为海相碳酸盐岩沉积向海相碎屑岩沉积过渡，再经历海陆过渡相沉积。在此期间，沉积环境经历了漫长的演化过程，蓬莱坝沉积时期为半局限台地、鹰山组沉积时期为半局限台地−开阔台地，一间房组沉积时期为开阔台地环境，吐木休克组沉积时期转化为淹没台地环境，良里塔格组沉积时期变为沉积陆坡环境，桑塔木组沉积时期为混积陆棚环境，至志留系沉积时期则演化为海相碎屑发育的沉积陆棚环境（图2）。整体上，奥陶系是一套以灰岩为主的地层，为研究缝合线创造了条件。

2 缝合线分类、特征及成因

缝合线类型丰富，分类方案较多，钟建华等根据缝合线与层面的关系，将塔河油田的奥陶系碳酸盐岩油藏中的缝合线分为3类，顺层缝合线、倾斜缝合线和竖直缝合线[16]。唐玄[24]在其博士论文中提出了几种分类方法，如按缝合线的发育位置可分为层间缝合线和层内缝合线；按照缝合线产状可划分水平型缝合线、斜交型缝合线和随机型缝合线，其中随机型缝合线特指溶蚀孔和溶洞内部充填物上的随机发育的缝合线组合；按照形态可以分为波状缝合线、锯齿状缝合线、指状缝合线、箱状缝合线和网状缝合线。在本文中，根据哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩中缝合线非常发育的实际特点，以形态特征为主要依据将缝合线划分成条带状缝合线、网状缝合线和锯齿状缝合线3种类型；以成因为主划分成压实缝合线，压溶缝合线和构造缝合线3中类型。现以形态学为基础，与成因分类对应，从宽度、长度、岩性和充填物性质等角度阐述每种类型缝合线的特征。

2.1 条带状缝合线

条带状缝合现在研究区分布较局限，主要分布在泥晶石灰岩中，与层面的夹角一般小于15°，延伸长度一般都大于岩心宽度，规模较大。条带状缝合线较宽，宽度一般在2.5~9mm之间，充填物以泥质、黄铁矿和沥青质为主，黄铁矿含量相对较高，连通性一般。条带状缝合线振幅较大，一般在1~5mm之间，其波长较大，最长可达1.5cm（图3）。缝合线密度发育相对较稀，约每米发育5~10条。从几何学特征上，均匀稀疏，和谐对称或不对称，有的呈正弦曲线状，有的某段平直无齿，某段又突然有大齿(高于一般缝合线锯齿一倍到数倍)，大齿对称或偏态。缝合线面平直或略曲。从成因上属于压实缝合线，是由上覆地层产生的压应力、灰岩泥质含量和温度共同作用的结果。这类型缝合线产生的主要原因是受到上覆岩层静压力的影响，由于哈拉哈塘奥陶系普遍在6 200m以上，因此上覆围岩静压力非常大，较易于在最大主应力平面上被作用的岩层中的矿物或者其它物质产生调整，形成定向排列，从而形成条带状缝合线。高计县等[20]根据裂缝之间的相互切割关系，利用充填物之间的相互浸染关系，得到了裂缝与构造应力之间的匹配关系。

图3 典型条带状缝合线特征

a-哈12-1，6305.32m；b-哈15，6585.62m；c-哈902，6635.20m；d-哈902，6631.17m。

图4 典型的网状缝合线特征

a—哈12-1，6693.62m；b—哈15，6585.62m；c—哈601-18，6693.62m；d—哈601-1，6634.31m。

2.2 网状缝合线

网状缝合线是指缝合线呈网状相交，有锯齿状缝合线和条带状缝合线的混合，也只有两者分别呈网状相交，其中竖直部分与层面夹角75°与90°之间。网状缝合线通常较窄，缝宽在0.1mm~3.5mm之间变化，尺度变化较大，可从岩心上观察得到（图4）。这类缝合线一般充填严重，以沥青等有机质为主，连通性较好，对流体流动贡献较大，整个缝合线构成了一个网状流体流动体系，其中，在不同缝合线交汇处，溶蚀孔和溶洞发育，并且残余有大量的沥青质。网状缝合线是由不同成因类型的缝合线组合而成，主要包括压溶缝合线和构造缝合线。研究区内存在有多种促进压溶的作用，压溶作用始终贯穿于整个缝合线的形成过程中，哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩储层集中埋藏在6 200m以上，上覆岩层产生很大的静压力，流体温度较高，下奥陶统地层温度在120°左右，地温梯度平均为2.3〫C/100m，压力也较大。其次，岩石中粘土矿物较多，可促近缝合线两侧的物质溶解，加速缝合线的形成。溶蚀作用使得压溶缝合线以网状缝合线为主，但也包含少量的锯齿状缝合线。构造缝合线在哈拉哈塘地区普遍发育，反应了其所受构造应力的影响。与形态学分类对应于网状缝合线，少量锯齿状缝合线。网状缝合线在竖直方向上的线状主要受到水平构造应力作用的影响，水平方向线这受到垂直应力和上覆岩层压力的影响。锯齿状缝合线在压溶作用的基础上，也可能反映构造应力的作用。

2.3 锯齿状缝合线

锯齿状缝合线是指与层面呈锯齿状相交的缝合线。每个锯齿与层面夹角在45°左右居多，各种角度都有分布。缝合线宽度较窄，缝宽在0.3~2mm之间变化，充填物主要以沥青质和泥质为主。连续分布，锯齿状缝合线由于受到压溶的影响，对流体运移影响较大，是良好的通过。从成因上，锯齿状缝合线以压溶缝合线为主，少量构造缝合线。锯齿状缝合线与构造溶蚀缝伴生发育，主要有两种接触关系，缝合线切割构造溶蚀缝和构造溶蚀缝限定缝合线，这反映了压实应力与构造应力之间相对发育时期及大小。

图5 典型锯齿状缝合线特征

a-哈12-3，6693.57m；b-哈902，6641.23m；c-哈601-1，6635.27m；d-哈803，6578.21m

3 油气地质意义及缝合线发育模式

薄片鉴定、荧光和红外光谱仪研究表明，缝合线可作为良好的生油场所，是哈拉哈塘地区奥陶系岩溶储层发育的重要通道，也是油气运移的重要通道。

3.1 缝合线是良好的生油场所，缝合线内残余有机质丰度较高

通过采用红外光谱仪测量得到了哈拉哈塘地区几口典型井奥陶系灰岩缝合线内黑色有机质充填物的光谱特征，包括黄绿色荧光和蓝白色荧光两种，其中光谱的主峰波长(λ)分别是540.89和460.19l两类，反映至少存在两期不同的油气充注（图6）。根据艾合买提江·阿不都热和曼等[15]的研究成果，缝合线有机质的丰度明显要高于碳酸盐岩围岩，纯基质岩石的平均有机质仅为0.10%，而缝合线内的有机质含量达到了0.57%。说明基岩中可溶组分部分溶解，使不溶有机质在缝合线中富集，说明缝合线的生烃能力优于基质生烃能力。

图6 缝合线内荧光及光谱图典型照片

a，新肯101井，6385.56m；b，哈7-1井，6571.78m；c，哈801井，6735.67m；d，哈15井，6586.73m；e，b处的荧光光谱图。

3.2 缝合线是成岩流体的重要通道，沿缝合线附近可形成较多的溶蚀孔和溶洞

在埋藏溶蚀作用阶段，溶蚀孔和溶洞的形成是碳酸盐的主要储层类型，缝合线和溶蚀缝构成的连通网络可增加碳酸盐岩地层的储集和渗透能力，成为更好的储集层。哈6井区多口井岩心观察表明，缝合线附近溶蚀孔和溶洞发育。故岩心实际现象观察，缝合线沟通了流体形成溶蚀孔和溶洞（图7）。结合岩心观察和物性测试结果统计分析，发现缝合线发育段孔隙度比非孔隙发育段提高1.5%，渗透率提高了15倍到50倍。

3.3 缝合线是油气运移的重要通道，沥青在缝合线中普遍存在

缝合线沟通其溶蚀形成的孔洞形成了油气运移的通道，在岩心和薄片上课观察到大量现象，其中缝合线及其附近溶蚀孔和溶洞发育段内残余沥青含量明显偏高（图8）。谭钦银等[6]通过研究也发现缝合线具有“四性特征”，即完整性、亲烃性、排孔性及胀裂-汇聚性。这说明前人也认为缝合线是油气运移的重要通道。从机理上，缝合线主要是岩石在负重或构造应力作用下烃类（或泥质）使岩石发生胀裂形成的一种锯齿状裂缝，可解释为烃类（或泥质）开辟的排烃通道。从形态学上，锯齿状缝合线的锯齿形态以倾斜为主，说明后期主要受到侧向应力的影响。缝合线在空间分布上受压溶作用的影响，后期流体运动强烈，是储层形成流体运移和油气运移的重要通道。

图7 缝合线沟通流体产生溶蚀孔和溶洞

图8 缝合线中残余沥青分布

图9 哈拉哈塘地区缝合线网络体系发育过程及模式图解

a、初始埋藏条件下发育以条带状缝合线为主；b、压溶作用阶段，构造溶蚀缝开始发育和构造缝合线的形成；c、褶皱变形后，应力加大，导致流体流动方向的改变；d、暴露阶段，进一步大气水沟通导致网状缝合线的形成。

3.4 缝合线发育期次厘定及缝合线网络体系发育模式

根据缝合线特征、分类和成因，综合石油地质意义分析，提出缝合线与岩溶发育过程模式（图9）。缝合线发育分成4个阶段：

第一阶段压实阶段，缝合线开始发育，以条带状缝合线为主，随着后期演化，后期有少量缝合线转变成形态学上的锯齿状缝合线；压溶作用的结果导致在缝合线内残留大量泥质及有机质，个别情况下可以作为有机质生烃。按照构造运动阶段属于晚加里东运动期，缝合线形成与正常的成岩阶段之后。

第二阶段是压溶作用阶段，构造溶蚀缝开始发育，沿着锯齿状压溶缝合线有大量流体通过，如果达到油气生烃条件，可能是油气运移的重要通道，在缝合线中通常残留有大量沥青质及其它有机质，从形态学上这种类型缝合线以网状缝合线为主，从成因上属于构造缝合线—压溶缝合线。结合裂缝与缝合线之间的关系，缝合线属于早海西期的产物。

第三阶段是中海西期构造应力的作用下，网状缝合线进一步发育，连同构造溶蚀缝溶蚀大量原岩，产生可观的溶蚀孔和溶洞，这阶段是溶蚀孔隙和孔洞发育的最重要阶段。

第四阶段是在晚海西期构造应力的影响下，碳酸盐岩地层进一步变形，构造溶蚀缝更发育，与缝合线沟通，沿着缝合线和构造溶蚀缝交汇处发育大量溶蚀孔和溶洞，缝合线两侧也发育大量溶蚀孔和溶洞。

4 结论

1）通过对塔北哈拉哈塘地区奥陶系石灰岩中缝合线发育，根据形态特征可分为条带状缝合线、网状缝合线和锯齿状缝合线3种类型；根据成因，可分为压实缝合线，压溶缝合线和构造缝合线3种类型。其中，条带状缝合线以压实为主，网状缝合线和锯齿状缝合线以压溶为主。

2）缝合线内残余有机质丰度较高，是良好的生油场所；岩心和薄片观察证实沿缝合线附近可形成较多的溶蚀孔和溶洞，缝合线既是成岩流体的重要通道，也是油气运移的重要通道，沥青在缝合线中普遍存在。

3）利用裂缝与缝合线的关系，确定了各期次缝合线发育情况。将研究区缝合线发育分成4个阶段。第一阶段压实阶段，缝合线开始发育，以条带状缝合线为主，后期形成少量锯齿状缝合线；缝合线内残留大量泥质及有机质，个别情况下可以作为有机质生烃。第二个阶段是压溶作用阶段，构造溶蚀缝开始发育，可作为油气运移的重要通道，以网状缝合线为主，从成因上属于构造缝合线—压溶缝合线。第三个阶段是在加里东中期构造应力的作用下，产生可观的溶蚀孔和溶洞，是溶蚀孔隙和孔洞发育的最重要阶段。第四个阶段是在海西运动的影响下，构造溶蚀缝更发育，与缝合线沟通，沿着缝合线和构造溶蚀缝交汇处及缝合线两侧发育大量溶蚀孔和溶洞。

[1] 赵健, 罗根明, 曾佐勋, 等. 缝合线研究的新进展—以湖北大冶铁山地区为例[J]. 现代地质, 2005, 19(4): 501-507.

[2] 李方正, 张俊华, 孙晓猛. 论缝合线构造的地质意义[J]. 辽宁地质, 1990, 7(2): 149-156.

[3] Smith J V. Three-dimensional morphology and connectivity of stylolites hyper activated during veining [J]. Journal of Structural Geology, 2000, 22(1):59–64.

[4] Mark A. Evans, R. Douglas Elmore. Fluid control of localized mineral domains in limestone pressure solution structures[J]. Journal of Structural Geology , 2006, 28(1): 284-301.

[5] Deelman D J C. Lithification analysis - Experimental observations[J]. GeologischeRundschau, 1976, 65(1): 1055-1078.

[6] 谭钦银, 王瑞华, 牟传龙, 等. 缝合线成因新认识[J]. 地学前缘, 2011, 18(3): 241-249.

[7] Leythaeuser D, Borromeo O, Mosca F, Primio R D, Schaefer M R G. 1995. Pressure solution in carbonate source rock s and its control on petroleum generation and migration[J]. Marine and Petroleum Geology, 12 (7) : 717~733.

[8] Primio R D, Leythaeuser D. 1994. Quantification of the effect of carbonate redistribution by pressure solution in organic-rich carbonates[J]. Marine and Pertroleum Geology, 12 (7): 735~ 739.

[9] ZviKarcz, C H. Scholz. The fractal geometry of some stylolites from the CalcareMassiccio Formation, Italy[J]. Journal of Structural Geology , 2003, 25: 1301-1316

[10] D.C.P. Peacock, I.N. Azzam. Development and scaling relationships of a stylolite population[J]. Journal of Structural Geology , 2006, 28: 1883 -1889

[11] Antonio Benedicto, Richard A. Schultz.Stylolites in limestone: Magnitude of contractional strain accommodated and scaling relationships[J]. Journal of Structural Geology , 2010, 32: 1250 -1256

[12] 李国蓉. 碳酸盐岩中缝合线的形成机制及其储集意义讨论[J]. 矿物岩石, 1997, 17(2): 49-54.

[13] Marcus Ebner, Sandra Piazolo, Francois Renard, et al. Stylolite interfaces and surrounding matrix material: Nature and role of heterogeneities in roughness and microstructural development [J]. Journal of Structural Geology , 2010, 32: 1070-1084

[14] EmanueleTondi, Marco Antonellini, AtillaAydin, et al. The role of deformation bands, stylolites and sheared stylolites in fault development in carbonate grainstones of Majella Mountain, Italy[J]. Journal of Structural Geology , 2006, 28(1): 376-391

[15] 艾合买提江·阿不都热和曼, 钟建华, 李阳, 等. 塔河油田奥陶系缝合线特征及石油地质意义[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2010, 34(1): 7-12.

[16] 钟建华, 孔凡亮, 李阳, 等. 塔河油田四区奥陶系碳酸盐岩油藏中的缝合线研究[J]. 地质论评, 2010, 56(6): 841-850.

[17] 高岗. 缝合线对碳酸盐岩油气生排运聚的作用[J]. 西安石油学院学报(自然科学版), 2000, 15(4): 32-34.

[18] 高岗. 碳酸盐岩缝合线研究及油气地质意义[J]. 天然气地球科学, 2013, 24(2): 218-226.

[19] 高岗, 柳广弟, 王成云, 等. 碳酸盐岩缝合线与基质有机质特征对比[J]. 天然气地球科学, 2014, 25(8): 1205-1209.

[20] 高计县, 唐俊伟, 张学丰, 等. 塔北哈拉哈塘地区奥陶系一间房组碳酸盐岩岩心裂缝类型及期次[J]. 石油学报, 2012, 33(1): 64-73.

[21] 石书缘, 刘伟, 姜华, 等. 塔北哈拉哈塘地区古生代断裂-裂缝系统特征及其与奥陶系岩溶储层关系[J]. 中南大学学报:自然科学版, 2015(12): 4568-4577.

[22] 王轩, 高岗, 李佳烨, 等. 碳酸盐岩缝合线与基质的排烃效应——以川东地区石炭系和奥陶系碳酸盐岩为例[J]. 石油与天然气地质, 2017, 38(3):534-542.

[23] 高岗, 王轩, 张维维, 等. 缝合线有机质富集及流体运移意义 ——以鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩为例[J]. 石油科学通报, 2017, 2(1).

[24] 唐玄, 金之钧, 杨明慧, 等. 碳酸盐岩裂缝介质中微观二维油水运移聚集物理模拟实验研究[J]. 地质论评, 2006, 52(4):570-576.

Stylolite Development and Its Petroleom Geological Significance of the Ordovician Limestone in Hanikatam, Xinjiang

LU Bin

(College of Earth Science, Yangtze University, Wuhan 430199)

This paper deals with stylolite and its genetic typesin the Ordovician limestone in Hanikatam, north Tarim, Xinjiang and their petroleum geological significance based on core observation and thin section identification. The study indicates 3 stylolite types as oil and gas accumulation site. A model for stylolite network system development is established which is applied to make an approach to characteristics and role of stylolite development in various historic stages.

Tarim basin; Ordovician; limestone; stylolite; carbonate reservoir; genesis

2018-07-30

陆彬（1993-），男，湖南邵阳人，硕士研究生在读，主要研究方向：沉积岩

P53

A

1006-0995（2019）02-0199-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.005