断裂对石马山地区岩溶发育的控制

许欣雨， 陈清华, 孙 珂， 刘红英， 韩科龙

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东青岛 266580； 2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083)

目前，随着油气田勘探开发程度愈渐加大，岩溶缝洞型储层在油气勘探开发中占据了重要地位[1-2]，其中以塔河油田奥陶系和四川盆地二叠统储层为代表，这类油气埋藏深，开发困难，油气分布规律难以把握，故而地质工作者对岩溶发育的影响因素、分布特征以及发育规律的研究愈发重视。岩溶发育受诸多因素的影响，包括气候、地形、水文、岩性、构造等地质条件[3-4]，中国最早由谭周地[5]提出构造在岩溶发育过程中起主要控制作用，随着国内外学者研究的深入，认可了构造是岩溶发育的主控因素之一的观点[3，5-12]。构造对岩溶的控制主要有二方面内容，分别是褶皱和断裂。其中褶皱通过控制地形地貌，从而控制水系运移方向，间接控制溶蚀方向与强度，使得岩溶发育呈带状分布[11]；而断裂为岩溶水提供了优势通道，导致断裂带内及两侧裂缝发育部位和节理裂隙发育部位易发生岩溶作用，从而促进溶洞的形成，控制岩溶发育分布特征，前人根据众多研究建立了以天坑为代表的断裂控制岩溶的垂向发育模式[6-7]。Szczygial等[10]表征了裂缝对岩溶发育的控制作用，明确了张裂缝以及裂缝汇聚部位更容易发生溶蚀，且巨型溶洞多沿着较密集的裂缝带发育，并且Ennes-Silva等[12]研究时发现根据褶皱和裂缝发育方向可以预测洞穴发育方向。前人研究以不同类型构造对岩溶作用的影响为主，总结了岩溶作用的优势发育方向与岩溶分布，而对不同性质构造控制岩溶发育分布特点及发育模式的研究相对较少且不够深入。笔者以石马山岩溶区为例，研究断裂和岩溶的发育特征，从不同性质断层和裂缝展开对溶洞以及溶缝发育特征的研究，探讨溶洞和溶缝的优势发育位置以及发育规律，总结不同性质断裂对岩溶发育的控制作用，并建立不同性质断裂控岩溶的发育模式，以期对岩溶缝洞型储层的勘探开发提供新的研究思路。

1 研究区概况

研究区位于湖南省常宁市庙前镇石马山，东、西两侧分列大义山和塔山(图1(a))，经历了雪峰期、加里东期、海西期、印支期、燕山期构造运动[13-14]，褶皱和断裂极其发育。研究区在构造上属华南板块中段华南褶皱带(图1(a))，土地堂向斜核部北段(图1(b))，夹持于北北西向常宁-唐家村逆断层和北北东向狮子山正断层之间(图1(a))，地貌受中生代北北西向“大义山式断裂”构造的影响[15-16]。研究区发育的可溶岩系主要是石炭系和泥盆系(图1(a)和(c))，以灰岩和白云岩为主，露头地层主要是孟公坳组灰岩段[14，18]，为溶蚀作用提供了良好的物质基础，且研究区属亚热带季风气候[17-18]，发育湘江二级支流潭水上游宜水，是典型的喀斯特发育区，岩溶现象丰富[19]。

图1 研究区地质概况示意图Fig.1 Geological map of study area

2 方 法

2.1 地质调查

地质调查中主要使用高精度地质罗盘、红外线激光测距仪、GPS测量仪、米尺、相机等工具，完成岩溶洞穴规模相关几何参数(洞长、洞宽、洞深)、溶缝产状、野外岩溶现象相关影像采集和现象描述。

2.2 三维激光扫描技术

采用FAROⒸLaser Scanner FocusS高速三维激光扫描仪，工作原理是将红外线激光束射到旋转光学镜的中心，再将周围扫描对象的散射光反射回扫描仪，获取点数据并成像，精确采集几何地质参数，获取该溶洞的洞体轮廓以及规模，构建溶洞三维模型，实现溶洞空间结构的一比一还原[20]。完成以锡金洞为主的洞穴扫描工作，建立三维模型(图2)，绘制洞穴发育的平面图和剖面图。

图2 三维激光扫描成果Fig.2 Three-dimensional laser scanning model and pictures

3 结 果

3.1 石马山构造特征

3.1.1 断层

研究区位于NNW-NNE向展布的土地堂向斜核部北段(图3(a))，主要发育燕山早期形成的北北东向狮子山正断层和印支期形成的北北西向常宁-唐家村逆断层[15-16，18](图1(a))。区内断层以印支期和燕山期发育为主(图3(h)和(i))，断层活动强烈，次级断层数量多(图4)。从断层力学性质上，可归结为压性断层、张性断层以及扭性断层3大类。

压性断层发育以NE、NNE和NNW向为主(图3(b))，数量最多，少数压性断层仅上盘出露，因挤压拖曳作用在断层面形成的擦痕，地表水沿擦痕流下，溶蚀形成溶痕(图4(a))。多数压性断层在断裂带两侧尤其是上盘高角度裂缝发育，溶蚀强烈(图4(c))。

张性断层发育以NW向为主(图3(c))，发育数量次之，在断层两侧发育与断面平行或斜交的高角度裂缝，岩溶作用强烈，但沿层面方向岩溶发育较弱(图4(b))。

图3 构造产状分析图Fig.3 Stereogram of tectonic occurrence

扭性断层发育以NE向为主(图3(d))，发育较少，通常在断裂带附近溶蚀作用较强(图4(d))，或者沿断层派生裂缝发生溶蚀，形成一系列小型溶孔、溶洞等(图4(e))。

图4 研究区断层和裂缝野外露头照片Fig.4 Photos of fault and fracture in study area

3.1.2 裂 缝

研究区裂缝十分发育(图4(f)～(h))，主要发育NNW、NNE、NWW、NEE向(图3(g))。利用节理恢复构造应力场分析发现，研究区主要经历了两期构造应力场，应力方向分别为NNE和NNW向，与研究区构造演化吻合[13，15-18]。证实研究区以印支期、燕山期剪裂缝发育最广泛，主要形成时间与该区断裂活动时间(印支期、燕山期)一致(图3(h)、3(i))。

根据力学性质，裂缝可分为剪裂缝和张裂缝。研究区剪裂缝十分发育，主要以NNW、NNE、NWW、NEE向发育为主(图3(e))，常在剪裂缝交汇部位形成小型溶孔、溶洞，或沿缝溶蚀形成溶缝(图4(h))；而张裂缝以NNW和NEE向发育为主(图3(f))，沿张裂缝走向易发育一系列串珠状小型溶孔、溶洞，多数溶蚀作用发育在张裂缝走向改变位置和张裂缝交汇部位(图4(f)和(g))。

3.2 岩溶发育特征

3.2.1 溶 洞

石马山地区发育多处溶洞，其中锡金洞、无底洞、月光洞相互连通构成了研究区主要的岩溶系统(图5和6)，即锡金洞-月光洞岩溶系统。该系统共有3层(图6)，从上至下分别是：一层月光洞，二层锡金洞，三层暗河溶洞(暗河出口是晴雨泉)。

图5 锡金洞-月光洞系统相关岩溶现象照片Fig.5 Photos of karst phenomena in Xijin cave-Yueguang cave karst system

图6 锡金洞-月光洞系统剖面和平面形态示意图Fig.6 Schematic diagram of section and plane morphology of Xijin cave-Yueguang cave karst system

一层是月光洞(图5(a))，洞内主要由SN向厅堂洞和NE向廊道洞组成(图5(b))，洞内以砂泥质沉积物和化学沉积物充填为主(图5(a)和(d))，垮塌充填较少(图5(b))，逆断层和走滑-逆断层十分发育，在断层交汇处形成了规模巨大的厅堂洞(图5(c))，裂缝以NNW、NEE和NE向为主(图6(b))。

二层锡金洞，以竖井与月光洞相连通(图5(b))，是典型暗河型溶洞，NW向展布，以流水沉积(图5(e))、垮塌堆积物充填(图5(f))为主，化学充填较少(图5(i))。裂缝以NW、NWW、NE、NEE向为主。

三层暗河溶洞，以高角度逆断层与二层相连通(图5(k))，并切穿二层锡金洞顶板与地表相连，化学沉积物充填程度高，且规模巨大，洞穴规模较大，是锡金洞-月光洞岩溶系统的主体部分。

总之，锡金洞-月光洞岩溶系统通过断裂与地表连通，形成典型层楼式岩溶洞穴，构成石马山岩溶单元主体，表明研究区岩溶发育在垂向上具有分层性特征。

3.2.2 溶 缝

地表水沿可溶性岩石的节理、裂隙流动，不断地对可溶岩进行溶蚀和侵蚀，使岩石表面形成槽形，称为溶蚀裂隙[21]。通常地质学上使用的概念是“溶蚀裂缝”，即“溶缝”。石马山地区溶缝十分发育，以磨眼里峡谷为代表(图7(k))，发育数量众多、规模不一、特征各异的溶蚀裂隙、溶缝(带)和断溶谷(图7)。通过大量溶缝数据统计(图7)，结合裂缝溶蚀与断层溶蚀现象的特点研究，建立了“溶缝—断溶序列”，见表1。

图7 石马山地区溶蚀裂缝照片Fig.7 Photos of dissolved fracture in Shimashan area

表1 溶缝-断溶序列划分

4 讨 论

4.1 断裂对岩溶的控制

4.1.1 断层对岩溶的控制

断裂是岩溶发育的主要控制因素之一[5-10]。宏观上，断裂对局部地区的地形、地貌具有显著控制，且断裂构成地表水系与地下水系的优势渗流通道，有利于地表水与地下水在可溶岩中运动，从而促使岩溶作用的发生[5-6]。局部来说，断层对岩溶的控制作用体现在不同断层发育时期、产状、规模、性质等方面[4-8，22-27]。本文中以不同性质断层对岩溶的控制展开表述，可归为压性断层、张性断层及扭性断层3类。

(1)压性断层。压性断层形成初期，在主应力作用下形成裂缝，压性断裂下盘常被上盘铲刮，岩石相对破碎，裂缝较上盘发育(图4(c))，更易发生溶蚀；随着应力作用增强，压性断层规模较大时，断裂带内因发育断层泥、糜棱岩，形成渗透性差的隔水层[22]，不利于大气降水、地下水的径流与储存，岩溶作用较弱；而逆断层上盘会形成拖曳褶皱(背斜)，上升盘一侧易发育大量低级序断层或张性裂缝，形成一定规模的裂缝带[24-25]，为岩溶水提供了优势通道；并随着后期主压应力逐渐释放，构造反转，逆断层引张，断层上盘容易发生溶蚀作用，沿着压性断层上盘裂缝带形成一定规模的岩溶带(图8)。

图8 压性断层岩溶发育模式Fig.8 Karst development pattern of compression fault

(2)张性断层。张性断层一般破碎带较宽，断层岩多为粒径差异大的断层角砾岩、碎裂岩，断裂带附近多发育开度较大的张裂缝，有利于大气降水和地下水的渗流，从而提高岩溶强度，故沿张性断层溶蚀强度往往较之压性断层更强[3,23]。研究区内发育小型张性断层数量较少，且规模不大，但溶蚀强度较大，断层核部基本都被溶蚀殆尽，个别断层表现为滑塌角砾，仅残留了断层两壁形成断溶谷(图9(a))。断裂带两侧裂缝诱导带以发育溶缝为主，高角度裂缝优先溶蚀，多组裂缝的交汇处易形成小型溶孔溶洞，岩溶强度随裂缝发育密度由断层核部向两翼减小而递减(图9(b))。

图9 张性断层照片及岩溶发育模式Fig.9 Photo and karst development pattern of extension fault

(3)扭性断层。扭性断层，一般破碎带较窄，断面呈高角度或直立，垂向延伸较长，岩溶形态表现为窄条带状或串珠状(图4(d)和(e))。很多垂向连通性好的大型溶洞、切割较深的溶蚀谷常沿着扭性断层张扭段或张扭性断层发育[4,23,26-27]。研究区内扭性断层发育极少，其岩溶强度介于张性和压性断层之间。剖面上，岩溶水沿断面溶蚀，形成沿着断面垂向发育的串珠状近椭球形溶洞，且溶洞之间多以小型溶缝相连通；平面上，在断层拐弯部位，由于岩溶水沿扭性断层走滑派生的张性裂缝(或断层)强烈溶蚀可形成较大菱形溶洞，可沿断层主走滑位移带发育一系列串珠状落水洞(图10)。

图10 扭性断层照片及岩溶发育模式Fig.10 Photo and karst development pattern of torsion fault

4.1.2 裂缝对岩溶的控制

裂缝对岩溶的控制作用体现在多方面，如裂缝产状、密度、规模和性质等[1,4,6-10,28]。裂缝的产状控制岩溶的优势发展方向。如锡金洞内各点溶蚀方向与裂缝方向一致(图6(b))。高角度裂缝有利于大气降水的渗流，常形成高角度溶缝带(图7(d)～(j))。低角度裂缝对于岩溶水长期赋存和溶蚀有益，有利于横向岩溶发育[29]。裂缝密度也是控制岩溶强度的重要因素[3,4,28-29]，裂缝密度越大，溶蚀作用越强，反之，岩溶作用则弱(图9)。不同规模裂缝对岩溶的控制也不同，通常规模较大的裂缝控制中大型岩溶现象的发育，小规模裂缝控制小型岩溶现象的形成(图4(f)～(h)、图7)。

不同性质裂缝的发育，对岩溶的控制作用也不同[4,7,9]，本文中着重研究剪裂缝和张裂缝两者对岩溶的控制作用。

(1)剪裂缝对岩溶的控制。研究区剪切缝通常以共轭剪节理的形式出现，在节理交叉部位，岩层破碎，地下水及地表水垂直入渗循环畅通，为岩溶的形成提供了良好的构造条件和水流条件，使得岩溶在交叉部位集中发育，形成小型的溶孔、溶洞、溶缝(图4(h)、图7(b))。受剪节理控制的溶洞走向变化较小，且在单一走向上延伸距离较远[30]，从锡金洞则追踪NWW剪裂缝带可以证实(图6(b))。

结合在野外观察到不同岩溶阶段共轭剪裂缝控制的岩溶特点(图4(h)、7(b))，建立了共轭剪裂缝岩溶模式(图11(a))：岩溶初期，溶洞多沿共轭的两条裂缝的交汇处或其附近发育，呈土豆状或条带状分布，溶洞间连通性差；岩溶中期，随着溶蚀加剧，邻近的小型溶洞合并为一个较大的溶洞，呈带状分布；岩溶后期，随着溶蚀作用加强或者长时间溶蚀作用下，掀起溶洞相互贯通逐渐形成一个更大规模的溶洞，直至原岩溶蚀殆尽。

图11 裂缝岩溶演化模式Fig.11 Karst development pattern of fracture

(2)张裂缝对岩溶的控制。溶洞沿张裂缝主要发育于两种位置，其一为不同方向张裂缝汇聚的部位，其二为单条张裂缝走向发生改变且曲率较大的转折端位置。岩溶发育方向严格受控于张节理的追踪方向和节理密度，沿张裂缝常形成一系列串珠状小型溶洞。

根据野外实际观测和分析，建立张裂缝岩溶模式(图11(b))：岩溶初期，岩溶水沿着张裂缝开始溶蚀，在张裂缝交汇处或拐弯处溶蚀形成小型溶孔溶洞(图4(f)和(h))，形成一系列串珠状小型溶洞(图4(h))；岩溶中期，溶蚀作用进一步加强，溶洞开始合并并逐渐形成线性溶蚀沟槽或者规模更大的溶洞(图7(f)中①)；岩溶后期，溶蚀沟槽随着溶蚀加强变成更大规模的溶缝(带)(图7(a)和(c))，若规模较大则可形成断溶谷或者大型溶洞。

4.2 岩溶发育模式

基于对研究区岩溶发育特征、构造特征以及不同性质断裂控岩溶发育规律与模式的研究，建立研究区断裂控岩溶的综合发育模式(图12)。模式表明：锡金洞-月光洞系统发育于研究区南部，受控于NWW和NNW共轭剪裂缝，溶洞走向主要追踪NWW向裂缝发育；在与多条断层交汇处发育厅堂洞和大规模滑塌灰岩角砾，溶洞末端被砂泥质充填(图6)。磨眼里峡谷是研究区规模最大的断溶谷，受控于NNW向高角度压扭性断层；断层受燕山期近南北向挤压应力场控制，溶蚀作用沿着断裂带最为发育；且断裂带两侧发育的数量较多的高角度剪裂缝溶蚀作用也较强，形成大量溶缝(带)，溶缝交汇处常发育中小型溶洞和小型溶孔。锡金洞-月光洞岩溶系统联合以磨眼里峡谷为代表的溶缝(带)-断溶谷地表岩溶系统，构成了石马山岩溶区。

图12 石马山地区岩溶发育模式Fig.12 Karst development pattern of Shimashan area

5 结 论

(1)断裂构成地表水系与地下水系的优势渗流通道，有利于岩溶作用的发生，不同性质断层因断裂带及派生裂缝发育不同，对岩溶的控制作用不同。压性断层上盘容易发生溶蚀作用，沿着压性断层上盘裂缝带可形成一定规模的岩溶带，溶蚀强度较小；张性断层沿断裂带及其两侧的高角度裂缝发育处岩溶作用最为发育，断裂带两侧岩溶强度随裂缝发育密度减小而递减，溶蚀强度最大，易形成断溶谷；扭性断层一般沿破碎带溶蚀或在断层拐弯部位和沿扭性断层走滑派生的张性裂缝(或断层)处溶蚀，岩溶形态表现为窄条带状或串珠状，溶蚀强度介于张性和压性断层之间。

(2)裂缝对岩溶的控制作用体现在多方面，裂缝的产状控制岩溶的优势发展方向，裂缝密度控制溶蚀作用强度，裂缝规模控制岩溶现象发育的规模，裂缝性质控制岩溶发育位置。研究区的剪切缝通常以共轭剪节理的形式出现，在节理交叉部位，岩层破碎，易形成小型的溶孔、溶洞、溶缝；溶洞沿张裂缝主要发育于两种位置，其一为不同方向张裂缝汇聚的部位，其二为单条张裂缝走向发生改变且曲率较大的转折端位置，岩溶发育方向严格受控于张节理的追踪方向和节理密度。沿张裂缝常形成一系列串珠状小型溶洞。