大牛地气田马家沟组中下组合多成因岩溶发育机制

何 云，雷 涛，胥 旺，邓虎成，唐明远，崔 璐

(1.中国石化华北油气分公司，河南郑州 450006；2.成都理工大学能源学院，四川成都 610059；3.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，四川成都 610059)

奥陶纪末期加里东运动造成华北地台整体抬升，使得鄂尔多斯盆地马家沟组顶部遭受长达1.5亿年的风化、剥蚀和淋滤作用[1-2]，从而形成了大规模发育的风化壳岩溶储层。由于岩溶作用在储层形成过程中起着重要的改造作用，前人围绕风化壳顶部的古岩溶作用做了系统的研究工作，主要包括：①对岩溶作用造成的岩溶相进行识别与划分[3-6]；②利用残余厚度法、填平补齐法、标志层法等对岩溶古地貌进行恢复，并分析古地貌对储层的控制作用[7-12]；③对马家沟组顶部的岩溶作用类型进行识别和划分[13-15]；④基于岩溶发育特征建立岩溶旋回及岩溶模式[16-18]等。但前人研究侧重于岩溶作用对储层的影响，且以风化壳顶部古岩溶研究为主，对岩溶作用规律的研究以大范围岩溶地貌为背景，缺乏对局部以及不同岩性组合岩溶发育机制的针对性分析。此外，由于前期岩溶储层研究主要针对马家沟组上组合，目前随着垂向勘探层系不断拓深，除风化壳气藏之外，在大牛地气田马家沟组中下组合(马五6-10亚段、马四段-马一段)也发现了多套岩溶储层，单层厚度薄，局部产能好。这些新的勘探认识打破了前期将马五5亚段作为区域隔水层的认识。目前，对马五5亚段以下层位岩溶作用研究较少，尤其是对岩溶发育程度、分布范围、发育模式等的认识较为有限，仅见对马五6亚段和马五7亚段岩溶作用的讨论[17-18]，严重制约了对深部层位岩溶储层的评价。

本文采用岩心观察、薄片鉴定等岩石学方法，并充分结合常规测井和地球化学技术手段识别岩溶作用特征和岩溶作用类型，同时综合研究区沉积、构造地质背景，对大牛地气田马家沟组中下组合多成因岩溶发育机制进行研究，明确岩溶作用类型和发育规律，为中下组合岩溶储层评价奠定基础。

1 区域地质背景

1.1 构造演化特征

鄂尔多斯盆地是在太古代、古元古代结晶基底的基础上发育起来的多旋回叠合盆地[19]，先后经历了多期构造演化。其中，奥陶纪末期加里东运动造成华北地台整体抬升，从而使得奥陶系马家沟组经历了长期的风化、剥蚀和岩溶作用，一直持续到中石炭世晚期，华北地台才再次下降接受沉积。

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地东北部，构造分区上属于伊陕斜坡北部东段。伊陕斜坡位于盆地中部，为北东高-南西低的平缓大单斜，整体倾斜角度不大于1°，大型断层不发育，但局部构造普遍发育，以近东西走向的低幅度鼻状隆起构造为主，鼻隆顶端常出现背斜，具有定向延伸、区域性展布和继承性演化等特征[20-23]。燕山运动使盆地形成了沟壑纵横的古地貌景观，经历了湖进-湖退多次旋回。晚白垩世盆地整体抬升，遭受剥蚀，东部抬升幅度大，形成现今西倾斜坡的构造格局[24-26]。

1.2 沉积及地层发育特征

鄂尔多斯盆地马家沟组沉积期除西南边缘为过渡性沉积外，其余广大地区均为稳定的克拉通陆表海沉积，主要发育一套碳酸盐岩夹碎屑岩沉积建造，受奥陶纪末加里东构造运动抬升作用影响，鄂尔多斯整体抬升为陆地，盆地整体缺失志留纪至早石炭世沉积。

奥陶系马家沟组沉积期经历了3次较大规模的海侵、海退旋回，自下而上划分为六个岩性段，其中马一段、马三段、马五段为海退期沉积，以局限台地相和蒸发台地相为主；马二段、马四段、马六段为海侵期沉积，以开阔台地相为主，其中马六段风化剥蚀严重，保存极少[5]。马五段自上而下可划分为10个亚段，马五1-4亚段为马家沟组上组合，马五5-10亚段为马家沟组中组合，马四段-马一段为马家沟组下组合。上组合马五1-4亚段发育局限台地相膏云坪沉积，岩溶角砾岩发育。中下组合自下而上发育蒸发台地、开阔台地和局限台地沉积，其中，马五5-10亚段以云坪沉积为主，除马五5亚段海侵期发育灰岩外，其他层段岩性主要为白云岩；马四段发育灰坪和云灰坪沉积，岩性以灰岩为主，夹薄层白云岩、灰质云岩；马三段-马一段为膏盐湖、膏云坪沉积，岩性以含膏云岩和膏盐岩为主[27]。本文主要针对研究区马家沟组中下组合的岩溶发育特征进行研究。

2 中下组合岩溶发育特征

2.1 岩溶识别标志

岩石学标志、测井标志、地层标志、微量元素和同位素地球化学标志等是古岩溶作用识别最直接的标志。不同类型的岩溶作用表现为不同的岩溶特征，据此可以对其进行有效甄别。通过对区内马家沟组中下组合岩溶特征分析，并结合生产实践，将区内岩溶识别标志分为同生岩溶作用标志和表生岩溶作用标志两类。

2.1.1 表生岩溶作用标志

岩石学标志是识别岩溶作用最直接的证据。基于岩心观察和野外实地考察，马五6亚段泥质白云岩、含膏云岩垮塌严重，形成不同类型的岩溶角砾岩，同时可见方解石半充填溶孔和缝网。马五7-10亚段局部见溶孔、小溶洞，方解石半充填。根据岩溶角砾组构特征，可将岩溶角砾岩划分为三种类型：①角砾零散分布，大小不一，具有一定磨圆度和定向性，部分具有流水搬运特征(图1a)；②角砾未明显错位，角砾间充填有方解石和泥质等，角砾紊乱，且大小不一，见粗晶方解石充填(图1b、c)；③角砾棱角分明，具边溶边垮特征(图1d)，薄片中可见石膏溶孔和微裂缝发育(图1e、f)。

a.Daog井，马五4，搬运角砾；b.Ddh井，马五5，破裂角砾；c.Daog井，马五10，破裂角砾；d.大深a井，马五6，垮塌角砾；e.Dabd井，马五6，微裂缝，破裂角砾；f.Dge井，马五6，石膏溶孔，垮塌角砾

前人研究表明，碳、氧、锶同位素组成可以有效指示大气淡水的改造作用[28-29]。马五6亚段白云岩及方解石充填物的碳、氧同位素含量与未遭受岩溶作用的灰岩相比，氧同位素值明显偏轻，碳同位素变化较小(图2)，指示可能遭受大气淡水的改造使得氧同位素组成偏轻。马五6亚段、马五10亚段样品的87Sr/86Sr比值为0.708 5～0.709 9(表1)，且多数样品的87Sr/86Sr比值明显高于同期海水的87Sr/86Sr值(0.709 0)，锶同位素值整体上明显偏重，指示受大气淡水改造作用明显。方解石的流体包裹体均一温度主要分布在60～90 ℃，整体偏低，指示为大气淡水成因方解石。

图2 马家沟组不同层段碳氧同位素组成特征与未遭受岩溶作用灰岩对比

表1 马家沟组不同层段样品87Sr/86Sr比值

大气淡水和海水中Fe、Mn含量具有较大差异，经大气淡水改造的碳酸盐岩具有较高的Fe、Mn含量，因而碳酸盐岩中Fe、Mn含量可以作为识别古岩溶作用的方法之一[29]。通过对DKac-FPh井马五6亚段、马五7亚段全取心样品的Fe、Mn元素含量变化特征(图3)分析，马五6亚段Fe、Mn元素含量明显高于马五7亚段。虽然目前没有统一的识别大气淡水改造作用的Fe、Mn含量标准，但通过Fe、Mn元素含量的相对变化，可以反映出马五6亚段所遭受的大气淡水改造作用比马五7亚段更明显。

图3 DKac-FPh井不同深度Fe、Mn元素含量变化特征

2.1.2 同生岩溶作用标志

通过对比分析未遭受岩溶作用的灰岩和马五7亚段白云岩的碳、氧稳定同位素特征，马五7亚段白云岩氧同位素值中等偏轻(图2)，且分布范围小，指示该时期可能受到大气淡水的淋滤作用。然而，马五7亚段87Sr/86Sr比值为0.708 7～0.708 9，均低于同期海水锶同位素比值(0.709 0)，表明该时期地层暴露地表时间较短，未遭受明显的大气淡水改造作用，更有可能是同生期的短暂暴露所致。

岩心、薄片中可见组构选择性溶孔，主要有粒间溶孔、粒内溶孔、晶间溶孔、铸模孔、膏岩模孔、不规则小溶洞、小溶沟和溶缝等(图4)。粒间溶孔由同生期岩溶作用在台内浅滩砂、砾屑中形成，属于原生粒间孔中的第一期纤状或马牙状白云石环边胶结物部分溶蚀后的产物，溶孔被渗流粉砂充填，是大气淡水渗流带的典型标志之一。膏模孔主要分布在潮坪相含膏盐质泥-粉晶白云岩中，膏质组分在大气淡水的作用下溶解形成膏盐模孔，不溶残余物充填于膏盐模孔、洞的底部，形成示底构造。野外剖面可见成层分布的针孔状膏溶孔，破裂角砾被方解石半充填。

a.DKac-FPh井，马五7，3 064.74 m，膏模孔；b.DKac-FPh井，马五7，3 064.85 m，膏溶孔半充填；c.DKac-FPh井，马五7，3 064.85 m，膏溶孔部分充填；d.Dabf井，马二，3 319.18 m，生屑白云岩；e.Dabf井，马二，3 324.02 m，粒间溶孔；f.Dabf井，马二，3 324.02 m，粒间溶孔

2.2 岩溶相识别及划分

前人根据岩溶角砾的组构特征对岩溶岩进行了岩溶相划分，区分出裂纹角砾岩、混杂角砾岩和洞穴沉积砂砾岩等。这种划分将岩溶作为一种成岩相，是可溶性沉积物与流体发生水岩相互作用的结果。但此类划分缺少对岩溶形成环境的讨论，而形成环境是分析岩溶发育机制的关键。因此，本文在前人组构类型划分的基础上，充分考虑角砾的分选、磨圆度、定向性、接触关系、形成环境等因素，并结合不同组构的化学组成差异，提出了具有成因意义的岩溶相划分方案，即将岩溶相划分为破裂相、垮塌相、搬运相和膏溶针孔相四类，具体划分依据及标准见表2和图5。

a.DKac-FPh井，马五6，泥质云岩，破裂相；b.石o井，马五6，云质灰岩，破裂相；c.大深a井，马五6，泥晶云岩，垮塌相；d.Dge井，马五6，含膏云岩，垮塌相；e.Daog井，马五3，白云岩，搬运相；f.石o井，马五6，白云岩，搬运相；g.DKac-FPh井，马五10，灰岩，膏溶针孔相；h.DKac-FPh井，马五7，灰岩，膏溶针孔相

表2 岩溶相划分依据及划分标准

3 中下组合岩溶发育控制因素

3.1 表生岩溶作用控制因素

通过对区内马家沟组中下组合岩溶发育特征分析，认为区内表生岩溶作用控制因素主要有岩性、层序、岩溶分带叠加和断裂等。

3.1.1 岩性对岩溶相的控制作用

石膏易溶，溶解后SO42-浓度增加，可以促进白云石溶解，岩溶通道随之增加，从而加速整体的溶蚀垮塌。通过统计不同岩溶相的岩性组成特征，区内含灰泥晶云岩和灰岩易形成破裂相；含膏云岩和含灰泥晶云岩易形成垮塌相；含灰泥晶云岩和云质灰岩多发育搬运相；含膏白云岩易发育膏溶针孔相。通过对比不同岩性的垮塌程度，从云质灰岩→泥晶云岩→含膏泥晶云岩，垮塌程度依次增强，即含膏越多，溶蚀作用越强(图6)。

a.Dge井，2 955.67 m，5(x)，云质灰岩；b.Dge井，2 956.12 m，5(x)，泥晶云岩；c.Dge井，2 956.20 m，5(x)，含膏泥晶云岩，半充填膏模孔

3.1.2 层序对岩溶的控制作用

马家沟组整体对应三级层序，马一段至马五段边界对应四级层序，各段内部对应高频层序。在马五5亚段及以上为潜水面之上的典型风化壳岩溶，近地表(马五1-2亚段)遭受表生期大气淡水溶蚀；马五6亚段岩溶作用受三级层序控制，属承压水风化壳岩溶，岩溶水垂向和侧向补给，侧向补给特征致使岩溶发育具有顺层性，以中上部含膏白云岩溶蚀为主；马五7亚段的同生溶蚀作用受高频层序控制，沉积期海平面相对变化，呈间歇性暴露，受大气淡水溶滤改造，并发生组构选择性溶蚀，发育膏模孔。对比马五6亚段与马五7亚段元素组成，马五6亚段Sr、Mn元素富集，为淡水改造特征，而马五7亚段淡水改造作用相对较弱。

3.1.3 水平和垂向岩溶叠加对岩溶的影响

受控于岩性及层序界面，岩溶作用在垂向上呈现分带特征。厚层灰岩和泥岩的致密性导致岩溶水垂向下渗受到阻隔，产生隔水层，明显影响上层岩溶发育强度，渗流带岩溶水下渗弱，但以水平运移为主的潜流带隔水层对岩溶影响不明显，邻近隔水层为未溶蚀白云岩。垂向岩溶叠加可以导致岩溶相差异，渗流带与潜流带叠加形成以搬运相+垮塌相、垮塌相为主的岩溶特征；深部缓流带以溶蚀破裂相为主；多期潜流带叠加，垂向上多层溶蚀形成垮塌相；深部缓流带与潜流带叠加，形成以破裂相、搬运相为主的溶蚀特征。

3.1.4 断裂对岩溶的影响

马家沟组主要发育构造裂缝和风化岩溶裂缝，其中构造裂缝以高角度斜交缝为主，主要包括了NE、NEE向和NW、NWW向两组，马家沟组由深至浅裂缝组系从以NE、NWW向占优势逐步转变为以NW、NEE向占优势，而到马家沟组顶部(马五1-5亚段)裂缝组系较杂乱，优势不明显。马家沟组裂缝的成因类型由深至浅发生了改变，往上风化裂缝逐渐占据主体地位(图7)。

图7 大牛地气田马家沟组由深至浅裂缝组系展布

平面上在靠近岩溶高地的北部及西部为淡水补给区，地下水溶解能力强，马家沟组中下组合溶蚀作用强；向岩溶洼地方向，地下水溶解能力变弱，最终岩溶水于岩溶洼地汇聚沉淀。纵向上马五6亚段岩溶作用最强。泥晶云岩遇水易膨胀，在上覆地层的压力下，溶蚀、垮塌严重，形成垮塌相；微晶云岩、含膏云岩，裂缝及溶蚀孔洞发育，形成垮塌相、破裂相，物性好且分布稳定。同时，基底断裂活化区岩溶作用最强，且断裂及裂缝可以拓展岩溶深度，加里东期断裂为岩溶水运移提供通道，有利于岩溶改造。

3.2 同生期岩溶控制因素

同生期岩溶的发育与沉积环境及海平面的相对变化密切相关，主要发生于沉积同生期或准同生期的大气淡水环境中。区内碳酸盐岩台地沉积物因较高的沉积速率加积及海平面间歇性下降，局部区域会短暂出露地表，从而遭受大气淡水的淋滤溶蚀作用。同生岩溶作用具有组构性选择的特性，不稳定的文石、高镁方解石、石膏等矿物会被最先溶解，从而形成粒内溶孔、铸模孔等。区内同生期岩溶作用主要发育于马五7亚段、马三段和马二段，这些层段沉积时均有海平面相对下降及大气降水充足的特征，为同生溶蚀提供了必要的条件。以大深a井同生期岩溶作用为例，在马二段(3 278.25 m)有生物格架孔发育的部位，白云岩的孔隙度明显增加，并且岩心上可以观察到明显的针状小孔。同生期岩溶作用改变了岩层的物性特征，使得孔渗条件变好。另外，后期表生岩溶作用阶段岩溶水也更容易在同生溶蚀的基础上进行搬运和溶蚀。

4 多成因岩溶发育模式

根据岩溶作用时期、控制岩溶发育的岩性、岩溶水供给方式、断裂等因素的差异，建立马家沟组中下组合“浅层侧向补给+断裂沟通+易溶岩相+水平扩展”的立体岩溶模式(图8)。马五6亚段、马五8亚段、马五10亚段为海退期，沉积时气候干热，形成富膏易溶白云岩，岩溶物质基础好。表生期膏质强烈溶蚀形成溶而未垮或垮塌相岩溶角砾岩，叠加天然裂隙，形成膏溶孔、溶洞和裂缝，为储层的发育奠定了良好的基础。马五6亚段上覆地层薄，顶部马五5亚段灰岩支撑，底部泥云岩可以作为隔水层，西侧岩溶水进入含膏地层可以一直向东运移，在马五6亚段小层内形成顺层岩溶带。马五8亚段、马五10亚段由于上覆地层较厚，溶完以后易被压垮堵塞，从而不具备岩溶水顺层运移条件，主要以断裂和裂缝沟通易溶岩性为主。马五7亚段、马五9亚段总体为局限台地沉积，往上水体略有加深，岩性由含膏白云岩、白云岩过渡为灰质白云岩、白云岩。含膏云岩在同生期暴露发生溶蚀，形成针状膏溶孔，且粉晶白云岩发育晶间孔、晶间溶孔，形成溶孔-晶间孔型储层。马三段、马二段局部的颗粒滩发育同生期组构选择性溶孔。此外，中下组合断裂控制的岩溶范围可以相互叠加，从而使岩溶在纵向和横向上叠置连片分布。

图8 大牛地气田马家沟组中下组合岩溶发育模式

5 结论

(1)基于岩溶岩的组构及地球化学等因素特征，提出了具有成因意义的岩溶相划分方案，即破裂相、垮塌相、搬运相和膏溶针孔相，并明确了不同岩溶相指示岩溶作用的类型、强度和形成条件。

(2)大牛地气田马家沟组中下组合主要发育表生期和同生期岩溶作用，表生期岩溶表现为侧向和垂向岩溶水叠加改造，在马五6-10亚段均有发育，以马五6亚段最为强烈。表生期膏质强烈溶蚀形成溶而未垮或垮塌相岩溶角砾岩，叠加天然裂隙，形成膏溶孔、溶洞和裂缝。同生期岩溶在马五7亚段、马五9亚段和马三段、马二段发育，以相对海退期大气淡水弱改造为主，泥-粉晶、粉-细晶白云岩发育晶间孔，且在此基础上叠加岩溶形成晶间溶孔。

(3)根据马家沟组中下组合岩溶作用时期、控制岩溶发育的岩性、岩溶水供给方式、断裂等因素的差异，建立了“浅层侧向补给+断裂沟通+易溶岩相+水平扩展”的立体岩溶模式，为中下组合岩溶储层展布规律认识和预测提供依据。