2.1.1 管道— 厅堂联通型溶洞

管道— 厅堂联通型溶洞主要发育在三间房剖面和西克尔剖面, 五道班等剖面中分布较少, 考察共发现该类型溶洞约30个。该类溶洞的主要结构特征是厅堂通过管道相连, 从而构成一个大的储集空间, 从水流性质划分其属于潜流带型溶洞。以三间房剖面中的某一单个大型古溶洞为例说明该类溶洞的结构特征, 在该洞共发现6个厅堂, 每个厅堂大小(包括长、宽和高)分别为1.5 m× 2.8 m× 3 m(图 3-a)、5.5 m× 6.5 m× 3.5 m(图 3-b)、4.5 m× 10 m× 4 m(图 3-c)、13.5 m× 31.5 m× 6.5 m(图 3-d)、5.5 m× 6.5 m× 3.5 m(图 3-e)和3 m× 4 m× 2 m(图 3-f)。野外资料统计表明, 管道— 厅堂连通型溶洞一般沿着一个主方位发育, 包含1~8个大小不同的厅堂, 沿主方位上呈现不同形态。通过测量统计, 小厅堂体积仅50 m³左右, 大厅堂可达5000 m³以上; 溶洞总延伸长度从25 m到100 m以上不等; 单个岩溶管道宽度分布在2~5 m之间, 最大可达20 m以上。充填物以方解石、萤石和粉砂岩为主。

图3

Fig.3

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	图3 三间房剖面管道— 厅堂联通型溶洞的结构特征Fig.3 Architecture characteristics of pipe-hall￣connected paleocave in Sanjianfang section

2.1.2 单一管道孤立型溶洞

单一管道孤立型溶洞在各个露头剖面中均可发现, 一间房和硫磺沟剖面中最常见。考察共发现该类溶洞30个, 在剖面上溶洞常呈圆形、椭圆形和葫芦形等, 在平面上以单一管道为主, 按照水流性质为主要依据划分属于渗流带型溶洞(图 4)。通常情况下, 单一管道孤立型溶洞沿裂缝发育, 野外考察时可在洞顶观察到Ⅰ 级大裂缝。溶洞延伸长度一般在30 m以内, 宽度在2~5 m之间, 高度在2~3.5 m之间。例如, 图4-a至图4-c和图4-f中描述一个沿330° 方向长达35 m的流线型溶洞, 洞口宽1.5 m, 高2 m。图4-d和图4-e描述另一个沿178° 走向裂缝分布的流线型溶洞。从充填物的角度, 该类溶洞中充填碎屑岩和碳酸盐岩2大类, 包含有方解石、萤石、冰洲石、粉砂岩等, 仅从充填物的角度该类溶洞难以和管道— 厅堂联通型溶洞区分。

图4

Fig.4

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	图4 一间房剖面单一管道孤立型溶洞剖面和平面分布特征Fig.4 Single￣pipe￣isolated paleocave sectional and planar characteristic in Yijianfang section

2.1.3 流线型溶洞

流线型溶洞主要分布在西克尔剖面中, 在五道班剖面中也可见到。考察中发现该类溶洞25个以上, 在剖面上以椭圆形和流线型为主, 也包括豆荚状、扁豆状等(图 5-a, 5-b, 5-c), 按照水流性质归属于潜流带型溶洞, 分布在溶蚀沟道的两侧。通过野外统计, 溶洞宽度通常在1~25 m之间, 个别溶洞可达到50 m以上; 溶洞高度一般在1~5 m之间。该类溶洞受野外考察范围限制, 长度数据难于测量获取。为此, 这类溶洞的长度可以采用其他类型溶洞统计得到的基本数据计算得到。该类溶洞的分带性明显, 总体上可以分成溶洞主体带、洞顶强烈溶蚀垮塌破碎带、洞顶微弱溶蚀带、洞侧溶蚀影响带、洞底溶蚀破碎带(石书缘等, 2014)。从溶洞分布与底层接触关系上, 包括顺层发育溶洞(图 5-a, 5-b)和斜交地层型溶洞(图 5-c)2种。充填物以紫红色砂岩为主, 可见黄绿色粉砂岩(图 5-d)。

图5

Fig.5

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	图5 流线型溶洞的形态结构及充填物特征Fig.5 Architecture of streamlined paleocave and its filling rock

参考石书缘等(2014)对溶洞群的定义, 研究中遇到的是一系列大型溶洞成群成层状排列分布, 这些溶洞形成于一定的历史时期, 在形态上较相似, 成因上相近, 它们作为一个整体构成一个巨大的空间, 破碎带发育, 可作为良好的储集体。通常情况下, 溶洞群中可包含6~15个溶洞, 溶洞类型以管道— 厅堂联通型溶洞和流线型溶洞为主, 单一管道型溶洞相对较少, 且单个溶洞群中以同类型溶洞为主。如西克尔剖面中某一溶洞群包含11个管道— 厅堂联通型溶洞, 硫磺沟的溶洞群中包含9个溶洞(图 6)。溶洞群中充填物包括不同类型单个溶洞中充填物的组合, 如砂岩、方解石和萤石等。

图6

Fig.6

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	图6 溶洞群中溶洞个数及分布位置Fig.6 Paleocave number in paleocave group and their locations

对溶洞的特征参数测量, 重点统计了管道— 厅堂联通型溶洞和单一管道孤立型溶洞的结构参数, 发现溶洞的宽度和长度之间存在一定的关系。为此, 建立了露头区延伸长度大于10 m的溶洞主体参数统计表(表 1)。并通过数据分析拟合后发现溶洞宽度和长度存在较好的正相关关系(图 7), 相关系数达到0.781, 其中拟合的相关公式为:

L=13.58×W-4.35(1)

其中, 公式中L表示测量的溶洞长度, W表示测量的溶洞宽度。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 露头剖面中溶洞结构主体参数 Table 1 Main architecture parameters in measured paleocaves of outcrops

表1 露头剖面中溶洞结构主体参数 Table 1 Main architecture parameters in measured paleocaves of outcrops

图7

Fig.7

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	图7 溶洞结构主体中溶洞长度与宽度之间的拟合关系Fig.7 Relationship between paleocave length and width

为此, 可对露头剖面中不能测量的所有流线型溶洞的空间结构及分布形态利用该类溶洞在野外测量得到溶洞宽度进行推算, 推算后可得到溶洞空间的体积, 进而可得到溶洞群为主要计算单元的储集空间体积, 为与塔北奥陶系串珠进行体积对比提供了定量化的数据支撑。

利用拟合得到的经验公式对研究区仅出露剖面的溶洞系统计算其延伸的长度, 从而得到未能直接测量的溶洞系统体积, 进而可获得研究区内考察溶洞的空间分布特征和体积。根据溶洞形态特征、大小和分布特点, 按照溶洞体积大小将研究区溶洞划分成特大型(大于1000 m³)、大型(在1000~200 m³之间)、中型(在200~50 m³之间)、小型(小于50 m³)4种类型。以此为基础对研究区内不同露头区139个溶洞进行分类(表 2)。发现一间房和硫磺沟剖面中古溶洞以中小型为主; 三间房和五道班剖面中古溶洞以特大型和大型为主; 西克尔剖面中古溶洞分布4种类型(表 2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 露头区大型溶洞特征及数量统计 Table 2 Large paleocave characteristics and their number statistic in outcrops

表2 露头区大型溶洞特征及数量统计 Table 2 Large paleocave characteristics and their number statistic in outcrops

通过对2种存在形式下的3类溶洞特征进行总结, 从溶洞尺寸、主要发育层位及发育的构造位置等角度对不同类型溶洞特征进行对比, 不同类型溶洞发育在不整合面、断裂和溶蚀沟道等不同部位(表 3)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同类型溶洞特征对比 Table 3 Characteristics comparison among different paleocaves

表3 不同类型溶洞特征对比 Table 3 Characteristics comparison among different paleocaves

3.1.1 管道— 厅堂联通型溶洞主要受不整合面控制

对研究区内管道— 厅堂联通型溶洞特征及其与不整合面距离进行统计, 发现溶洞通常位于不整合面下20~50 m范围内。经统计发现研究区内在不整合面下共发育溶洞约80个, 其中小溶洞约65个, 在文中不予阐述, 仅对不整合面下几个典型的较大的管道— 厅堂联通型溶洞特征进行总结(表 4)。且在溶洞中容易见到角砾岩, 其 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 同位素比值在0.710之下(数据参考石书缘等, 2014), 为典型的风化壳岩溶特征, 故可以证实其受到不整合面的控制。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 几个典型管道— 厅堂联通型溶洞特征及其距离不整合面的距离 Table 4 Some pipe-hall-connected paleocaves and their distance to unconformity surface

表4 几个典型管道— 厅堂联通型溶洞特征及其距离不整合面的距离 Table 4 Some pipe-hall-connected paleocaves and their distance to unconformity surface

3.1.2 单一管道孤立型溶洞主要受断裂系统控制

经过大区地质背景调研, 塔里木盆地西北缘走滑断裂发育, 沿着断裂产生大量裂缝, 包括竖直缝和水平缝2种。实际观察表明, 沿着断裂伴生的裂缝控制了单一管道孤立型溶洞的分布, 可从宏观分布形态(图 4-d, 4-e, 4-f)和地球化学数据2个方面证实。溶洞充填物中也包含了大量通过断裂沟通的热液矿物, 如硫磺、萤石、石膏、硬石膏等(图 8)。通过对这些岩石样品的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 同位素值, 变化范围在0.710~0.715之间, 根据前人研究的观点来源于壳源锶(张涛等, 2005; 张清和蒙希源, 2007), 结合宏观特征上其主要沿着裂缝分布, 故⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值也是热液改造孤立型溶洞的一个标志, 从而证实单一孤立型溶洞受断裂系统控制。

图8

Fig.8

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	图8 单一管道型溶洞中热液充填物证据Fig.8 Hydrothermal filling proofs in single-pipe-isolated paleocaves

3.1.3 流线型溶洞主要受溶蚀沟道和断裂系统控制

综合Google Earth影像图(图 9-a, 9-b)和野外资料, 将溶洞位置投影到影像图上发现其主要沿着溶蚀沟道两侧10~50 m范围之内, 距离沟道高度在5~25 m之间。故通过充填物性质(图 5-c, 5-d)和距离可明确流线型溶洞主要受到溶蚀沟道的控制(图 9)。

图9

Fig.9

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	图9 流线型溶洞沿着溶蚀沟道分布Fig.9 Streamlined paleocave distributed along corrosion channel

从图9-c中还可见到多期裂缝发育, 控制了溶洞的形态, 说明其对溶洞的形成也有控制作用, 证实断裂系统也是其控制因素。对研究区围岩和充填物的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值分析, 发现围岩及充填方解石的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 同位素值在0.710之下; 而如图5-d中的碎屑岩充填物则由于陆源锶的加入, 其值相对较高, 以大于0.715为主, 也反应了溶蚀沟道沟通上述碎屑岩的充填作用; 部分溶洞中见到萤石和巨晶方解石等充填物, 且具有较高的锶同位素值, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值以0.710~0.715为主, 预示着的壳源锶的混入, 反映了断裂系统对溶洞的进一步改造作用。

由于溶洞群通常由管道— 厅堂联通型溶洞和流线型溶洞组成, 前文有描述管道— 厅堂联通型溶洞主要受到风化壳不整合面的控制, 流线型溶洞主要受到溶蚀沟道的控制, 而溶洞群是多个单一溶洞构成的集合体, 故其受到多种因素的耦合控制。可进一步从碳氧同位素及充填物本身之间的切割关系上, 反映出溶洞受到多期次改造及建造, 同样也可证实其受多因素耦合共同控制(石书缘等, 2014)。主要针对西克尔剖面分析了大量围岩和充填物的碳、氧同位素数据, 以此来说明溶洞的充填期次和成岩流体活动期次。在文中进一步综合其他几个露头剖面中所有的数据, 去掉个别畸异点, 发现具有同样相似的规律。从而将充填物划分成5个区。第1类为垮塌角砾岩和碎屑充填物, δ13CPDB值介于0‰ ~1‰ 之间, δ18OPDB值介于-5.5‰ ~-7.5‰ 之间; 第2类充填物为被钙化比较严重的碎屑岩充填物, δ13CPDB值介于-0.1‰ ~-0.8‰ 之间, δ18OPDB介于-5.5到-8.5‰ 之间; 第3类充填物为紫红色中— 细砂岩充填, δ13CPDB值大于0.9‰ , δ18OPDB值介于-13‰ ~-14‰ 之间; 第4类充填物以微晶方解石为主, δ13CPDB值小于-1.5‰ , δ18OPDB值介于-10‰ ~-16‰ 之间。第5类以热液矿物为主, 包括石膏、热液方解石等, δ13CPDB值大于1‰ , δ18OPDB值介于-6‰ ~-7‰ 之间。围岩基本可以划分成2个区, 与充填物的Ⅰ 区和Ⅱ 区的数据基本一致(图 10)。从上述的碳氧同位素数据中, 可反应溶洞群中的溶洞既受到了溶蚀沟道的影响, 充填了碎屑物质, 也受到断裂系统影响, 充填了热液萤石等物质。该证据可与上文描述的 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值描述相对应。

图10

Fig.10

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	图10 露头区围岩和充填物的碳氧同位素数据Fig.10 Carbon and oxygen isotope cross plot of paleocave filling rock

通过分析研究区内大小不同的古溶洞139个, 发现其主要分布层位在鹰山组, 少量发育在一间房组, 这主要反映岩性对溶洞的控制, 一间房组中主要发育一套生物碎屑灰岩, 而鹰山组则以砂屑灰岩为主。进一步通过研究发现, 西克尔剖面的古溶洞系统受溶蚀沟道和断裂系统控制, 且主要以溶洞群的形式存在, 通过考虑地质背景等因素, 该剖面可对应塔北奥陶系井下的齐古、英买力和轮南; 一间房和硫磺沟剖面的古溶洞系统主要受断裂系统的控制, 溶洞常常独立分布, 以溶洞群的形式存在相对较少, 与哈6区块南部、热普和金跃系区块可对比; 三间房和五道班剖面的古溶洞系统受不整合面的控制, 也以溶洞群为主, 对应于哈拉哈塘北部潜山区。这为溶洞地质模型中考虑各露头剖面溶洞系统特征及主要控制因素, 并列表做出对比说明(表 5)。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 露头区溶洞分布形式及控制因素对比 Table 5 Paleocave distribution characteristic and its controlling factor in outcrop section

表5 露头区溶洞分布形式及控制因素对比 Table 5 Paleocave distribution characteristic and its controlling factor in outcrop section

总体上, 研究区内不同类型溶洞发育齐全, 重点分析了不整合面和溶蚀沟道、断裂系统对溶洞发育的控制。通过详细的露头工作, 将研究区溶洞系统分为单一溶洞和溶洞群, 强调溶洞群中缝洞连通性对储集层的贡献。并深入分析了露头区岩溶控制因素, 结合研究区溶洞系统特征, 建立露头区溶洞发育概念地质模型, 并分别对应于塔北奥陶系井下研究区块。溶洞发育地质模型中综合了岩溶发育特征和塔里木盆地西北缘奥陶系各岩溶露头剖面特点、溶洞系统特征及溶洞型岩溶储集层的主要控制因素(图 11)。

图11

Fig.11

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	图11 溶洞发育概念地质模型Fig.11 Paleocave geological model of studied outcrops

从前人所述野外地质现象中, 明确单个溶洞的高度一般在1.5~5 m之间, 且溶洞多层发育, 综合多个剖面考察得出溶洞多层次发育, 以溶洞群存在, 单个溶洞群中通常包括5~15个溶洞, 可发育3层及以上(图 6)。其中, 三间房剖面中溶洞群可测量到大小溶洞12个, 最长的溶洞测量长度达85 m, 包括6个厅堂。硫磺沟溶洞群中包含溶洞9个, 其中最大的溶洞长度达35 m, 包含5个厅堂。在井下覆盖区, 对地震数据体进行相关处理, 其中, 通过提取相干体属性得到溶洞及溶蚀沟道在平面上的分布(图 12-a)。在地震剖面上通过叠前振幅刻画岩溶串珠。单个串珠反射最长可达到8 ms, 速度约3800 m/s, 这可折算成高度30 m左右的溶洞群(图 12-b)。该数据与露头区考察所测量到的3层及以上溶洞反映的高度基本一致。在地震解释时, 发现单个串珠最多可在多达12条以上的地震剖面中出现, 说明溶洞长度可延伸100 m以上。与前人研究得出的结果对比, 串珠体积可达 10 000 m³以上(杨鹏飞等, 2013)。采用前文方法计算得出露头区溶洞群的体积可达到5000 m³以上, 与串珠体积计算结果基本相同。故可采用溶洞群的观点解释井下串珠在剖面上及层面上的分布情况。总之, 从溶洞空间大小上, 露头区的溶洞群作为一个整体可与地震剖面串珠相对应, 说明溶洞发育露头地质模型可对井下地震资料解释, 进而为油气勘探提供指导。

图12

Fig.12

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	图12 井下地震现象的地质解释Fig.12 Seismic phenomenon in geological interpretation