湖南慈利龙王洞岩溶发育特征及模式

许欣雨，陈清华，冀东生，崔有维

（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a.新疆油田分公司 勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011；b.长庆油田分公司 第五采气厂，西安 710018）

随着以塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩为代表的岩溶缝洞型油藏勘探开发的推进[1-2]，尤其是顺北油田断溶体油气藏的发现[3-4]，对岩溶溶洞的研究日渐受到重视。溶洞是一种典型的岩溶构造，根据其控制构造，可分为断控型和缝控型2 类[5-8]。中国最早是由谭周地于1978 年提出地质构造在岩溶发育过程中起主要控制作用，并发现断裂带是岩溶发育的有利地带[9]。随着学者对岩溶研究的深入，认可了断裂是岩溶发育的主控因素之一[5-13]，总结了断裂控制岩溶的垂向分层和横向分带的特征[10-12]，建立了断控型岩溶垂向发育模式[9-10]和演化模式[12-13]。前人研究认为，裂缝对岩溶的主要控制作用是增加碳酸盐岩与岩溶水的接触面积，裂缝作为岩溶水运移溶蚀的优势通道，决定岩溶发育的规模与方向[14-16]；通过定性表征裂缝对岩溶发育的控制作用，总结了裂缝控制的岩溶发育分布特征，发现裂缝以及裂缝汇聚部位更容易发生溶蚀[9，14]，根据裂缝发育方向可以预测溶洞发育方向[15]。

本文以湖南慈利龙王洞为例，采用三维激光扫描技术，对溶洞进行扫描探测，精确采集溶洞几何地质参数，构建溶洞三维模型，并结合人工探测，分析该溶洞充填物规模及其分布规律、裂缝规模与分布特征等；探讨缝控型溶洞——慈利龙王洞的岩溶发育特征，总结裂缝对岩溶发育的控制作用，建立了湖南慈利龙王洞岩溶发育模式。

1 研究区概况

龙王洞位于湖南省慈利县江垭镇，地处澧水支流娄江中游，属于亚热带季风湿润气候，年平均温度13～18 ℃，年平均降水量1 200～1 800 mm[17]。研究区位于中扬子地台湘鄂西褶皱带桑植—石门复向斜，北接宜都—鹤峰背斜带，南以慈利—保靖断裂带为界[18-19]。桑植—石门复向斜呈北东东—南西西向展布，由多个次级褶皱组成，自西向东依次为凉水口向斜、二户溪背斜、桑植—官地坪向斜、人潮溪背斜、桑植—望月坪向斜、木耳山—向家溪背斜、尤潭湾向斜、庄塌背斜和三官寺向斜（又名江垭向斜[20]）。由古生界到三叠系组成，被白垩系不整合掩盖（图1）。其中，三官寺向斜呈北东东—南西西向展布，西北翼地层倾角为30°～45°，东南翼为10°～20°。三官寺向斜自下而上发育志留系、泥盆系、二叠系和三叠系，缺失上志留统和下泥盆统，志留系和泥盆系呈角度不整合接触（图2）。向斜核部为中三叠统嘉陵江组和巴东组，嘉陵江组上部为厚层白云岩夹灰岩，中部为中层灰岩夹角砾状灰岩，下部为白云岩；巴东组主要是紫红色泥质砂岩夹砂质灰岩。慈利龙王洞位于三官寺向斜东南翼，发育于中三叠统嘉陵江组灰岩中。

2 研究方法

2.1 人工测量与描述

主要使用高精度地质罗盘（哈光DQL-8）、高精度红外线激光测距仪（VCHON100S）、GPS 测量仪（UniStrong G120）、米尺、相机等工具，针对慈利龙王洞开展人工测量，收集该洞相关几何参数（洞长、洞宽和洞高）、溶蚀裂缝产状（走向）及影像资料（表1）。

表1 慈利龙王洞测点溶间及裂缝参数Table 1.Parameters of measuring points in Cili Longwang Cave

2.2 三维激光扫描

高速三维激光扫描仪（FARO®Laser Scanner FocusS）工作原理是将红外线激光束射到旋转光学镜的中心，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。慈利龙王洞内部为规模较大不规则结构体，共设置45个站点，建立溶洞三维模型（图3），实现溶洞空间结构1:1 还原，获取溶洞规模大小、构造产状、裂缝数量以及充填情况等。

3 慈利龙王洞岩溶发育特征

岩溶发育具有不均一性[10，21]，即岩溶发育受到各种因素的共同影响，在发育程度、发育规模和空间分布上具有不均一性，这种不均一性使得同一地区不同位置的岩溶具有不同特点。慈利龙王洞岩溶发育具有分段性特征，岩溶发育程度与裂缝发育程度呈正相关关系。

3.1 溶洞特征的分段性

结合所采集的溶洞几何参数（表1），依据溶洞延伸走向和溶洞规模的变化，以及充填类型和充填程度的变化，将慈利龙王洞沿暗河流向划分为西段、中段和东段（图4），西段为溶洞底—千叶琴（Scan057—Scan038），中段为千叶琴—金花宝塔（Scan037—Scan022），东段为金花宝塔—龙舞厅的末端直至洞口（Scan021—Scan009）。

（1）西段 溶洞走向呈北东东—南西西向，长度为430.26 m，平均宽度为27.13 m，平均高度为20.80 m，以化学充填为主，机械流水沉积充填次之，充填程度较高；石钟乳大规模发育，超大型（长度大于5.00 m）和超密集（密度不小于1 个/m2）石钟乳主要发育在此段（图3中切片BB’、CC’和DD’，表2）。

（2）中段 整体呈北北东—南南西向展布，长度约为210.09 m，平均宽度为15.17 m，平均高度为13.78 m，充填物以垮塌堆积为主，化学沉积充填次之，充填程度高（图2中切片EE’和FF’，表2），发育少量中—小规模石钟乳，以长度小于3.00 m的石钟乳为主。根据断层活动走向，中段可分为4 小段，中一段为北东—南西向（Scan037—Scan036），中二段为北西—南东向（Scan035—Scan031），中三段为南北向（Scan030—Scan029），中四段为北东—南西向（Scan028—Scan022）。

（3）东段 走向近东西向，长度为305.26 m，平均宽度为19.25 m，平均高度为8.91 m，充填物以化学沉积和机械流水沉积为主，充填程度较低，发育数量中等的中—大型石钟乳，石钟乳长度以1.00～5.00 m 为主（表2）。该段可分为2 小段，东一段为龙舞厅末端—断柱群（Scan021—Scan016），走向为北东东—南西西向，以化学充填为主，发育数量较多的石柱、石笋、石钟乳、壁流石等；东二段为断柱群到洞口（Scan015—Scan009），走向近东西向，局部仍有地下水汇集，洞口有小股水流流出，石钟乳规模较大（图3 中切片GG’），溶洞底部有大量以砂泥质为代表的机械流水沉积充填。

表2 慈利龙王洞各扫描站点石钟乳发育情况Table 2.Development of stalactites at the scanning points in Cili Longwang Cave

龙王洞由西向东地势降低，溶洞规模整体变小，溶洞充填程度与充填物规模也发生改变，结合溶洞走向变化，证实了溶洞内岩溶发育的不均一性，岩溶发育特征具有分段性。

3.2 岩溶发育程度与裂缝发育具有相关性

构造是岩溶发育的主要控制因素[5，8-9，14]，岩溶的发育与断裂有着不可分割的关系，断裂使得碳酸盐岩等可溶性岩层能够透水含水，发生溶蚀，控制岩溶发育方向和强度。从慈利龙王洞的三维模型和平面图上可以看出（图3、图4），慈利龙王洞是典型缝控型岩溶，受控于北北东—南南西向的裂缝带，溶洞沿该裂缝带发育，溶洞中段转折是由另一条北北西—南南东向的走滑逆断层所致。其中，西段主要发育北东东—南西西向、北东—南西向和南北向3 组裂缝，裂缝数量最多，达306 条，裂缝密度最大；中段发育北北—东南南西向、东西向和南北向3 组裂缝，受后期北北西—南南东向走滑逆断层改造，垮塌充填严重，可测裂缝有162 条，裂缝密度较小；东段发育北北西—南南东向、北西—南东向和北东—南西向3 组裂缝，裂缝数量为204条，裂缝密度中等。

慈利龙王洞所在的中三叠统嘉陵江组中部主要为灰岩。溶洞内暗河由西向东流经，并无支流；垂向上没有分层，是单层溶洞，溶蚀环境较为简单。洞内裂缝规模相差较小，裂缝长度大多在3.00 m 以下，洞内差异溶蚀主要受控于裂缝密度，当裂缝密度较大时，岩层渗水能力强，溶蚀速率快，溶洞规模大。

根据慈利龙王洞洞内发育溶洞宽度和裂缝密度相关性分析来看：裂缝密度较大时，溶洞宽度较大，即溶洞溶蚀程度较高（图5）。结合龙王洞内石钟乳发育规模与密集程度统计分析（表2、图4），发现裂缝数量越多，石钟乳越发育，证实岩溶发育程度与裂缝发育具有正相关性。

4 慈利龙王洞岩溶发育模式

4.1 岩溶发育主控因素

控制研究区岩溶发育的因素主要为可溶岩、水文和构造。其中，可溶岩与水文是大气淡水岩溶发育的基本要素，构造是大气淡水岩溶发育的主控因素[17，22-23]。慈利龙王洞发育于中三叠统嘉陵江组中部可溶岩灰岩中（图2），属于亚热带季风湿润气候，位于澧水支流娄江中游[17]，拥有良好的溶蚀条件。慈利龙王洞发育在三官寺向斜东南翼，靠近向斜核部，裂缝发育，为岩溶水提供了优势通道，是优势汇水区。

慈利龙王洞沿北东东—南西西向裂缝带发育，是典型的缝控型溶洞。缝控型岩溶是指裂缝带作为岩溶水流通通道，溶蚀作用强，裂缝带控制岩溶发育的延伸方向、形态和规模等，这种类型的岩溶通常表现为顺层岩溶和切层岩溶，或为两者组合型[6，8]。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、性质等[5，9，14-16，24-29]。

裂缝的产状控制岩溶的优势发展方向。大气降水或地下水接触可溶性岩石表面，通常沿着裂缝延伸方向流动并不断溶蚀，裂缝方向控制水流方向[15-16]，故而控制着溶蚀方向，影响溶洞的空间形态。慈利龙王洞的发育方向与洞内裂缝走向基本一致，溶洞分段性主要是根据裂缝走向和溶洞走向划分。此外，裂缝的倾角也会影响岩溶的发育[15]，高角度裂缝有利于大气降水的渗流，常形成高角度溶缝带；低角度裂缝虽不利于垂向溶蚀，但有益于岩溶水的长期赋存和溶蚀，有利于岩溶横向发展[24-25]，慈利龙王洞就是沿裂缝带发生横向溶蚀形成。裂缝密度是控制岩溶强度的重要因素，受构造应力场、岩石力学性质、岩层厚度等因素影响；在裂缝产状、延伸长度和开度相近的情况下，裂缝密度越大，可溶岩的孔隙度和渗透率越大，溶蚀作用越强[6，8，26-27]。不同规模裂缝对岩溶的控制作用也不同，通常条件下，规模较大的裂缝促进中—大型岩溶的发育；反之，小规模裂缝控制小型岩溶。不同性质裂缝的发育，对岩溶的控制作用也不尽相同[28-29]。

4.2 岩溶发育模式

慈利龙王洞西段位于逆断层上盘，中段位于断裂带内，东段位于逆断层下盘。断裂带内地层破碎，垮塌严重。逆断层倾向南西西，倾角近80°，断层断面上有向北北西倾伏的近水平擦痕，因此是一条走滑逆断层，断面产状为倾向247°，倾角80°。

慈利龙王洞发育在三官寺向斜南东翼靠近向斜核部（图2），裂缝十分发育（图4）；溶洞整体沿裂缝带溶蚀发育，呈北东东—南西西向展布，是典型缝控型溶洞。结合本文中慈利龙王洞发育特征及裂缝对岩溶发育控制规律的研究，建立了缝控型溶洞—慈利龙王洞的岩溶发育模式（图6），总结了溶洞发育的4 个阶段。第一阶段：沿三官寺向斜走向，在靠近向斜核部的东南翼附近形成一条北东东—南西西向的裂缝带（图6a）。第二阶段：岩溶水沿裂缝带自西向东流经，开始发生溶蚀作用，初始溶洞形成，并伴随化学沉积，开始形成钟乳石类化学充填物（图6b）。第三阶段：北北西—南南东向走滑逆断层发育，错断初始溶洞，形成初始S 型平面形态，溶蚀主方向仍沿初始裂缝带由西向东发生；在断裂带破碎部位因垮塌充填严重，阻碍岩溶水横向流动，岩溶水在中二段汇聚，部分水流继续通过断裂带向东流动，局部发生差异溶蚀，中二段的规模明显大于中段其他部分；东段沿裂缝分布密集位置优先发生溶蚀，呈现串珠状特征；因此，西段溶蚀程度高于中段和东段（图6c）。第四阶段：溶洞继续发育，由于溶洞内部裂缝发育数量和规模不同，差异溶蚀程度加大，西段溶洞进一步扩大，东段一系列溶洞扩大而逐渐连通成一体，钟乳石类化学充填继续堆积，西段岩溶作用明显高于东段；中段继承上一阶段的溶蚀特点，溶蚀作用弱于东段和西段（图6d）。

5 研究成果对油气勘探的意义

以塔河油田TH10421单元的断溶体为例，在靠近断层控制的裂缝分布密集区域优先发生溶蚀作用，形成规模较大、储渗能力好的溶洞型储集体，随着与断层距离增大，裂缝密度降低，溶蚀能力减弱，依次形成储渗能力较好的溶蚀孔洞型和储渗能力中等的裂缝—孔洞型储集体[12，30]。慈利龙王洞内岩溶发育程度与裂缝发育密度呈正相关，即溶蚀作用优先发生在裂缝密度大的位置，这与塔河油田TH10421单元的断溶体储集体发育分布特征相互对应。

结合慈利龙王洞岩溶发育分段性特征和岩溶发育模式分析，溶洞中段受北北西—南南东向走滑逆断层影响，断裂带内地层破碎严重，垮塌充填程度高，溶蚀程度弱于西段和东段，溶洞规模小于西段和东段，说明压性断层不利于溶蚀作用的发生。与顺北1 号断裂带形成的断溶体进行对比[4]，顺北1 号断裂带分为拉分段、平移段和压隆段，拉分段形成的储集体规模大且连通性好，而压隆段内次级逆断层和裂缝发育由压应力所控，虽然裂缝密度大，但储集层非均质性强，储集体规模较小。

通过对慈利龙王洞发育特征和发育模式开展研究，明确了岩溶相关的储集体分布特点和发育规律，旨在为岩溶缝洞型油气藏的勘探开发提供借鉴。

6 结论

（1）慈利龙王洞发育具有分段性特征。溶洞划分为西段、中段和东段。西段为北东东—南西西向展布，以化学充填为主，充填程度较高，石钟乳发育数量最多，规模也最大；中段为北北东—南南西向展布，以垮塌充填为主，充填程度高，发育数量中等小规模石钟乳；东段近东西向展布，以化学充填和机械流水沉积充填为主，充填程度较低，发育中等数量、中—大型规模的石钟乳。

（2）慈利龙王洞内岩溶发育程度与裂缝发育具有正相关性，当溶洞裂缝密度较大时，溶洞宽度较大，石钟乳发育数量较多，溶洞溶蚀程度也较高。

（3）慈利龙王洞受控于北东东—南西西向展布的裂缝带，是典型缝控型溶洞。发育经过4 个阶段：沿三官寺向斜走向发育北东东—南西西向裂缝带；岩溶水沿裂缝带自西向东流经，开始发生溶蚀作用，初始溶洞形成；初始溶洞被北北西—南南东向走滑逆断层错断，局部发生差异溶蚀，西段溶蚀程度高于中段和东段；溶洞继续发育，差异溶蚀程度加大，西段溶洞进一步扩大，东段溶洞连成一体，中段继承上一阶段的溶蚀特点，溶蚀作用中段最弱，东段次之，西段最强。