岩溶台面是指可溶岩分布区在一定岩溶发育期内, 岩溶水因水平运动和侧蚀作用而形成的较平坦的地面。后期构造抬升导致潜水面下降, 岩溶水转而以下蚀作用为主, 在新潜水面控制下, 形成新的补径排系统, 形成新的较平坦台面(沈继方等, 1996)。在划分岩溶台面前, 首先需要对海西早期的古地貌进行恢复。研究区上奥陶统剥蚀区被巴楚组泥岩段和双峰灰岩超覆, 双峰灰岩在全区广泛分布, 可作为重要标志层, 巴楚组泥岩段对古地貌起到填平补齐的作用, 全区基本趋于水平。因此, 采用层位拉平的技术, 对双峰灰岩段进行拉平, 从而恢复海西早期古地貌(康志宏, 2006)。通过对岩溶台面发育特点和台面划分难点的分析, 建立了以下几种有效的岩溶台面识别划分方法。

2.1.1 水系汇流点法 Mayer等(2003)对意大利中部马尔凯地区树枝状地表水系的发育与构造运动的关系进行系统研究, 并建立了地表水系的汇流结构特征和构造运动的关系模式。该区地层经历了3期幕式构造抬升运动, 水系发育演化主要分为3个阶段。第1阶段, 伴随着第1期构造抬升, 区域一定范围暴露地表, 逐渐形成了具有汇流结构特征的地表水系, 基准面一作为第1期地表水系的排泄基准面(潜水面), 控制着几条主干水系的排泄( 图 2);

图2

Fig.2

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	图2 水系网络发育模型(据Mayer et al., 2003)Fig.2 Model of stream network extension following emergence(after Mayer et al., 2003)

第2阶段, 随着构造继续抬升, 出现第2级暴露面, 形成新的排泄基准面二。先前的水系继承性向新暴露区域逐级汇流, 分支水系统十分发育, 有典型树枝状结构, 多组分支水系在基准面二区域前逐渐汇流成一支主干水系; 第3期构造抬升后, 主干水系继承性向南汇流, 分支系统不发育, 几条小的支流在接近基准面三前汇入主干水系。通过对3期构造抬升运动后水系的汇流结构特征可以看出, 多组地表分支水系一般在排泄基面附近逐渐汇流成一支主干水系, 而排泄基面处于岩溶台面发育边界。因此, 通过对地表水系汇流结构中主要几个汇流点的连线大致可以确定地表水系排泄基准面的位置, 排泄基准面附近即为岩溶台面的边界。

运用水系汇流点法对岩溶台面进行划分时, 首先需要对研究区地表水系进行刻画。根据目前的研究和认识, 塔河油田有效识别和刻画地表水系的方法, 主要有三维可视化技术、趋势面识别技术、精细相干分析和混频分色技术(刘其, 2011; 鲁新便等, 2014)。本次研究主要采用趋势面识别技术对主体区地表水系进行刻画。趋势面识别技术是在中下奥陶统顶面层位解释的基础上, 对层位进行平滑处理( 图 3), 形成一个平滑趋势面, 再将原层位与此平滑趋势面相减, 连续的负地形(岩溶洼地)即为地表古水系网( 图 4)。

图3

Fig.3

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	图3 趋势面原理图Fig.3 Principle map of trend surface

图4

Fig.4

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	图4 塔里木盆地塔河油田海西早期岩溶洼地Fig.4 Karst depression in the early Hercynian in Tahe Oilfield, Tarim Basin

主体区主要识别出8条主干水系(R1-R8), 为大型树枝状南北方向汇流结构特征, 分支系统十分发育( 图 5)。将水系上游段到下游段多组分支水系的汇流点连线, 作为相应岩溶发育期内区域潜水面的发育位置, 识别出了2期潜水面的大致发育位置。在水系上游段识别出了具有多条分支水系汇聚的5个汇流点( 图 5), 其连线为第1期排泄基准面发育的大致位置。水系下游段识别出10个汇流点, 多条分支水系在此流入主干水系后向南汇流, 10个汇流点连线为第2期潜水面发育的大致位置。

图5

Fig.5

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	图5 塔里木盆地塔河油田海西早期地表水系分布Fig.5 Distribution of river system in the early Hercynian in Tahe Oilfield, Tarim Basin

2.1.2 水系侵蚀阶地法 水系的下切侵蚀作用, 形成了侵蚀阶地。当出现构造抬升或者海平面下降, 使得潜水面发生变化, 水系的下切侵蚀作用就会加强, 这样, 经过几期构造抬升作用以后, 就会在河谷纵剖面上形成几个明显的台阶, 比较平缓的部分对应构造稳定期, 陡峭的地方对应构造抬升期。缓坡段向陡坡段的转折点被称为裂点, 裂点是水系陡坡段向缓坡段或斜坡带转折的重要控制点, 也是岩溶台面的边界点(沈玉昌和龚国元, 1986)。因此, 通过河流阶地特征来反应该区的构造活动特征, 进一步对岩溶台面的划分起到关键作用。

对研究区主要的几条主干水系纵剖面进行研究( 图 6)。 图6-A和 图6-B中主干水系R2、R4纵剖面识别出4个侵蚀阶地和3个裂点, 反映出R2、R4水系发育区至少有4次重要的构造抬升, 潜水面经历4次下降。 图6-C、6-D、6-E中主干水系R8、R6、R7纵剖面识别出2个侵蚀阶地和1个裂点, 反应出R8、R6、R7水系发育区经历2次构造抬升, 潜水面经历2次下降。将研究区所有主干水系中裂点的平面位置进行标定, 裂点的连线大致为岩溶台面的边界位置。

图6

Fig.6

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	图6 塔里木盆地塔河油田海西早期主干水系纵剖面(剖面位置见图5)Fig.6 Vertical profile of trunk stream in the early Hercynian in Tahe Oilfield, Tarim Basin(profile location in Fig.5)

2.1.3 上覆石炭系地层上超终止法 上超现象形成于沉积层序的底部, 表示原始地层沿上倾方向依次超覆在前一个更陡的界面之上, 层序的底部逆原始倾斜面逐层终止。研究区内石炭系在地质历史时期, 由于海平面的上升, 逐渐超覆沉积在原有水平或微倾斜的地层之上。随着沉积范围的扩大, 当延伸到台面衔接部位时, 由于台面之间形成较为陡峭的坡折, 使上覆石炭系出现上超终止的现象( 图 7), 这种现象可以作为台面划分的一个显著标志。

图7

Fig.7

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	图7 塔里木盆地塔河油田碳系上超终止地震剖面图(位置见图5)Fig.7 Seismic section of onlap of the Carboniferous in Tahe Oilfield, Tarim Basin(location in Fig.5)

以塔河油田奥陶系岩溶地貌图为基础, 将水系汇流点法、侵蚀阶地法以及上覆石炭系地层上超相位终止法所刻画台面边界进行叠合( 图 8)。可以看出, 不同方法所刻画的台面边界具有一定差异性, 主要表现为以下3个方面:(1)台面1中地表水系不明显, 无法用汇流点法对台面边界进行刻画。(2)台面2中侵蚀阶地法预测边界在汇流点预测边界的下游端, 汇流点法与上超终止法预测台面边界较为吻合。(3)台面3中侵蚀阶地法预测边界在汇流点法预测边界的附近或上游段。

图8

Fig.8

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	图8 塔里木盆地塔河油田海西早期岩溶台面划分图Fig.8 Division of karst platform architecture in the early Hercynian in Tahe Oilfield, Tarim Basin

对于以上刻画结果的差异性, 主要原因如下:(1)岩溶台面1是本区最高一级的岩溶台面, 也是最古老台面, 经后期岩溶作用改造的时间也最久。因此, 地表沟谷系统到后期已成为干谷, 夷平瓦解较严重, 早期地表水系保存较差, 仅台面之间陡峭的坡折较好保留。(2)二级台面裂点在汇流点下游区, 主要与台面暴露时间和溯源侵蚀强度有关。汇流点一般在台面边界上游区域。而裂点初期位于台面边界地表水排泄口, 随着溯源侵蚀作用的开始, 裂点的位置逐渐向上游后退。台面2中裂点在汇流点以南, 说明岩溶发育期的构造稳定时间较短, 溯源侵蚀作用有限。由于岩溶台面2的形成时代较老, 台面边缘一定程度瓦解, 因此上超法刻画台面边缘是瓦解后的边缘。(3)台面3裂点“ 后退” 到汇流点附近或上游, 说明水系溯源侵蚀作用较为强烈, 该期岩溶作用的构造稳定期时间较长。由于暴露时间长, 且处于岩溶水系排泄区域, 具有汇流量大的特点, 水的溶蚀和侵蚀作用对台面边界的瓦解更为严重。

综合考虑上述3种方法及研究区岩溶台面的发育特征, 对塔河油田海西早期岩溶台面进行划分。岩溶台面1由于水系保存条件较差而无法识别, 台面边界主要采用上超相位终止法进行划分, 陡坎处即为台面边界位置。岩溶台面2发育时, 由于裂点的溯源侵蚀作用有限, 而台面有一定程度瓦解, 因此, 台面边界的划分主要考虑将汇流点以南裂点的连线作为岩溶台面的边界位置。台面3由于溯源侵蚀作用和台面边界瓦解较为严重, 且部分上超终止法刻画台面边界位于裂点、汇流点上游。因此, 将裂点法和汇流点法连线区域范围作为岩溶台面3的边界。

在岩溶流域内, 洞穴层总是沿着稳定的潜水面发育(James and Choquette, 1988), 同一个稳定潜水面附近发育的洞穴系统称之为洞穴层, 可以按照等时原则进行横向对比。因此, 利用岩溶台面作为约束条件, 就可以初步对不同古潜水面控制下的洞穴层进行横向等时对比。在地震剖面上对单井洞穴段进行标定并对洞穴进行横向对比( 图 9)。塔河主体区洞穴具有以下特征:(1)洞穴具有明显的呈层状分布特征, 大体可以拟合出3套洞穴层。洞穴层大致分布在由北向南逐渐降低的3个不同岩溶台面上。除了台面1无实钻资料外, 其他岩溶台面都控制着1套洞穴层的发育, 台面3的洞穴规模最大。(2)3套洞穴层在垂向上并不构成大范围重叠, 仅台面3控制的洞穴层与台面2的洞穴层有部分重叠。

图9

Fig.9

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	图9 塔里木盆地塔河油田海西早期洞穴层对比图(剖面位置见图8)Fig.9 Cave level correlation in the early Hercynian in Tahe Oilfield, Tarim Basin(profile location in Fig.8)

研究区洞穴层的发育特征, 与洞穴的发育机制、潜水面所处的构造稳定期长短密切相关。洞穴的发育往往从潜水面附近岩溶泄水口开始, 逐渐向上游源头溯源侵蚀(徐国强等, 2005)。构造稳定期越长, 潜水面控制下洞穴的溯源侵蚀作用越强烈, 能够溯源侵蚀进入上一级岩溶台面内部, 与上级岩溶台面控制下的洞穴层形成相互叠置的现象。与美国Mammoth多套洞穴层之间相互叠置不同的是, 塔河油田洞穴层系统在垂向上并不构成大范围重叠, 表明本区潜水面所处的构造稳定期时间不长, 不同岩溶台面控制下洞穴的溯源侵蚀范围有限。仅台面3的构造稳定期较长, 溯源侵蚀到台面2内部, 与台面2控制下的洞穴层形成相互叠置。这种溯源侵蚀作用较弱并不意味着在每一个台面上只有一套层洞, 对于一个洞穴来说, 不少地段表现为层楼状结构, 上层和下层之间通过竖井状或倾斜通道相连结。这种层楼溶洞可能是渗流溶蚀带形成的洞穴或与断裂相关的洞穴, 并非潜水面控制下的洞穴系统, 不属于洞穴层对比范畴。

塔河油田海西早期经历多期次幕式构造抬升, 形成了一个自北东向南西倾伏的古隆起(云露等, 2001), 且发育了多个岩溶台面和多套大型洞穴层。综合岩溶台面划分结果、洞穴层发育特征和区域构造演化史, 建立了塔河主体区洞穴层发育模式( 图 10), 其形成主要有以下几个阶段。

图10

Fig.10

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	图10 塔里木盆地塔河油田海西早期洞穴层发育模式Fig.10 Cave level model in the early Hercynian in Tahe Oilfield, Tarim Basin

海西早期, 随着塔河油田的强烈隆生, 岩溶台面1区域暴露地表, 由于上覆地层遭受强烈的剥蚀而使中下奥陶统碳酸盐岩暴露地表经历岩溶作用, 岩溶水系向南部排泄, 南部海平面作为区域稳定的潜水面, 在潜水面附近形成了一套高程相当的洞穴层。随着构造的抬升, 岩溶台面2暴露地表, 由于抬升幅度不大, 暴露面积较为有限, 同样在潜水面附近形成1套洞穴层。第3期构造抬升是区域最重要的1期构造运动, 抬升幅度较大, 潜水面快速下降, 使塔河主体区区大范围暴露地表, 这一期稳定潜水面控制下洞穴发育的时间最长, 经历了充足的大气淡水岩溶作用, 形成了复杂的洞穴系统网络, 洞穴层溯源侵蚀穿越至上一级岩溶台面内部。随着第4期的构造抬升, 并控制着1套洞穴层的发育, 最终形成了塔河油田主体区复杂的大型洞穴系统。