塔北奥陶系古溶洞沉积的一个显著特点是发育大量包壳砾石和包壳砾岩。包壳砾石是由核心和钙质包壳2部分组成的具有似鲕粒结构的溶洞充填物, 而由包壳砾石组成的岩石即为包壳砾岩。包壳砾石横截面上大部分呈近圆形或扁圆形, 少部分形态不规则(图 3); 直径小者数厘米(图 4-1), 大者超过40, cm(图 4-4), 以10, cm左右的最为多见。包壳砾石可以分为核心和包壳2部分(图 3), 下面分别论述这2部分的特征。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 塔里木盆地北缘奥陶系古溶洞中包壳砾石和包壳砾岩的分布Fig.1 Distribution of the Ordovician coated gravels and coated conglomerates in northern margin of Tarim Basin

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 塔里木盆地北缘奥陶系岩性柱状图Fig.2 Lithological column of the Ordovician in northern margin of Tarim Basin

2.1.1 核心 核心是包壳砾石中心的原岩, 按岩性和结构可以分为4种类型:第1种以灰岩为主; 第2种以化学沉积— — 古钙华为主; 第3种以砂岩为主; 第4种以砾岩为主, 且主要见于硫磺沟3号溶洞。

1)灰岩核心。这种类型的包壳砾石最为常见, 核心是灰岩(图 3-1; 图4)。该种砾石大小悬殊, 大者超过40, cm, 小者不足1, cm, 以10, cm左右的多见。砾石磨圆度中等(图 4-1, 4-2)到差, 揭示了其在地下暗河或地表河流中的形成位置。

2)钙华核心(图 3-2; 图5-1, 5-2, 5-3)。核心为钙华。粒径一般较小, 多在10, cm以下, 以4~5, cm者多见。包壳明显, 以针柱状方解石为主, 纹层较薄, 多在1~2, mm以下。纹层与钙华核心的结合非常紧密, 很难剥离。以硫磺沟溶洞多见, 多产于古钙华发育的溶洞的清洁暗河中。包壳钙华砾石的核心形态多不规则, 大部分以1颗砾石为核心, 少数甚至由四五个小钙华包壳砾石组成(图 5-1, 5-2, 5-3), 表明溶洞至少发育2期钙华沉积。

3)砂岩核心。相对不发育, 核心以粉细砂岩为主(图 5-4)。粒径多在数厘米, 大者可达10~20, cm。包壳与核心容易剥离, 显示钙质包壳与硅质砾石之间的结合不太紧密。在硫磺沟3号溶洞以东以及柯坪西北部的早古生界露头中发现该类包壳砾石, 其核心可能大部分来自于志留系和泥盆系。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 不同类型包壳砾石的结构示意图Fig.3 Structural diagram of different types of coated gravel

图4

Fig.4

Figure Option ViewDownloadNew Window

图4 塔里木盆地北缘奥陶系灰岩核包壳砾石特征 1— 灰岩核包壳砾石, 椭圆形, 核心为灰岩, 略有磨圆, 包壳由钙质纹层组成, 该钙质纹层成分为柱状或针状方解石, 方解石垂直纹层排列, 其中下部的方解石纹层重结晶强烈、能看出纹层结构, 上部的方解石纹层重结晶较弱、纹层结构非常明显, 砾石与纹层之间有明显的结合缝, 沿此缝易于剥开, 奥陶系一间房组, 五道班2号溶洞; 2— 灰岩核包壳砾石, 次圆形, 核心为灰岩、略有磨圆, 包壳左侧偏厚、右下偏薄, 纹层有中等重结晶现象, 砾石与纹层之间见结合缝, 沿此缝易于剥开, 奥陶系一间房组, 五道班2号溶洞; 3— 灰岩核包壳砾石, 椭圆形, 核心为灰岩、呈鱼形、略有磨圆, 左上部的纹层可以分为2层, 纹层较薄、结构不明显、成分为粗晶方解石, 方解石垂直纹层排列, 砾石与纹层之间有明显的结合缝, 沿此缝易于剥开, 奥陶系一间房组, 硫磺沟2号溶洞; 4— 灰岩核包壳砾石, 次圆形, 规模较大, 边界模糊, 核心为灰岩、略有磨圆, 包壳厚度和结构不均匀、两侧偏厚、顶底偏薄, 纹层结构较模糊、因含油呈黄褐色, 砾石与包壳之间 结合紧密, 没有结合缝, 奥陶系一间房组, 塔北硫磺沟二号溶洞Fig.4 Features of the Ordovician coated gravels with core of limestone in northern margin of Tarim Basin

图5

Fig.5

Figure Option ViewDownloadNew Window

图5 塔里木盆地北缘奥陶系一间房组硫磺沟2号溶洞底部包壳砾石特征 1— 钙华核心包壳砾石, 核心是钙华, 系先期形成的钙华壳被破碎成砾石后再度被包壳包裹形成; 2— 钙华核心包壳砾石, 核心是钙华砾岩, 由3~4个次级的钙华砾石组成, 后被钙华包壳包裹, 包壳厚度不均, 左上角最薄、圈层不明显, 右上角最厚、圈层非常明显, 钙华圈层因含油而呈褐色; 3— 钙华核心包壳砾石, 核心是钙华砾岩, 由4~5个次级的形态和结构都非常复杂的钙华砾石和包壳砾石组成, 尔后又被钙华包壳包裹, 钙华圈层因含油而呈褐色; 4— 砂岩核包壳砾石, 核心为粉砂岩, 圈层发育, 含油Fig.5 Features of coated gravels of the Ordovician Yijianfang Formation at bottom of Liuhuanggou cave 2 in northern margin of Tarim Basin

图6

Fig.6

Figure Option ViewDownloadNew Window

图6 塔里木盆地北缘奥陶系砾岩核包壳砾石和包壳砾岩特征 1— 巨大的包壳砾石, 核心为成分复杂的砾岩, 磨圆较好, 包壳相对较薄, 基本连续, 与砾石结合紧密, 不含油, 溶洞口明河河床滞留沉积, 奥陶系鹰山组, 五道班2号沟; 2— 砾岩核包壳砾石群或包壳砾岩, 砾石核心为分选较差、磨圆中等的砾岩, 砾石成分较复杂, 包壳发育不均衡, 左侧较清晰、圈层较明显, 右侧圈层不明显, 溶洞口明河河床滞留沉积, 奥陶系鹰山组, 五道班2号沟; 3— 砾岩核包壳砾石, 整体呈近球形、直径多为3~4, cm, 砾岩核心较小, 由直径数毫米的细砾组成, 包壳发育, 圈层结构不大明显, 由一系列针柱状方解石组成, 奥陶系鹰山组, 硫磺沟2号溶洞; 4— 草莓状包壳砾石, 灰岩砾石表面着生了1层晶粒粗大的方解石, 方解石晶体的尖锥向外, 被 石油浸染成褐色, 砾石之间残留孔发育, 奥陶系一间房组, 硫磺沟2号溶洞Fig.6 Features of the Ordovician coated gravels and coated conglomerates with core of conglomerate in northern margin of Tarim Basin

4)砾岩核心。核心以细砾岩为主(图 3-6; 图6), 主要见于五道班附近溶洞口明河沉积中, 与河床滞留形成的砾岩层共生。有的核心为砾岩形成的复砾石, 直径从十余厘米到几十厘米(图6-1)。有的核心砾岩成分复杂, 为灰岩、砂岩和火山岩等。这种包壳砾石的特点是:(1)形态不规则; (2)粒径一般较大; (3)包壳不很发育, 一般比较薄、多在1, cm以下, 厚度不稳定, 连续性也不好(图 6-3); (4)多发育在溶洞口的明河中。

2.1.2 包壳 包壳是包裹在砾石核心外部的圈层状化学沉积, 与鲕粒的圈层非常相似。按包壳的性质和结构可以分为4种:针柱同心环状、粗大晶粒放射状、细小颗粒均匀状和复合状。

1)针柱同心环状包壳。其砾石核心外圈被1层或多层呈同心环状的针柱状方解石包裹(图 3-1; 图7-2), 基本圈层厚1~5, mm, 由一系列垂直圈层的针状或柱状方解石组成, 其中柱状方解石的直径多在0.2~2, mm, 长1~5, mm。从颜色上看, 主要有灰白和黄褐色2种, 其中黄褐色者含油, 偶见黑色含油者(图 7-2)。一般圈层多达10~30层。这种砾岩较致密, 砾石颗粒间基本没有残留孔洞。圈层的发育表明水质呈周期性变化, 但其是与季节变化有关还是其他因素导致的, 值得以后探讨。

2)粗大晶粒放射状包壳。这种砾石的外壳被1层或数层粗大晶粒的方解石层所包裹。横截面上可见到其是由一系列粗大的方解石晶粒垂直砾石外表紧密排列形成, 有时形成放射状圈层。共有2种类型:第1种方解石颗粒的直径多在数毫米, 长度大部分大于直径, 状如马牙或叶片, 垂直砾石周缘排列, 呈菊花状或草莓状(图 6-4; 图7-1; 图8-1); 第2种方解石晶体呈柱状, 垂直砾石呈放射状排列(图 7-1), 有的呈平行状排列(图 7-2), 有的呈针簇状、收敛点在砾石表面(图 7-3)。一般来说, 这种包壳砾石的直径较小, 多在数厘米。这种砾岩的最大特点是砾石外层的晶体之间往往有大量残留孔洞, 在显微镜下也可见到大量的晶间孔和晶间缝(图 8-2, 8-3, 8-4, 8-5), 是很好的油气储集空间。此外, 方解石晶体内部还发育了一系列微缝, 也是油气的储集空间, 但储集能力极为有限。

值得注意的是, 有的方解石晶体具有石英的完美晶型和晶面条纹。此外, 硫磺沟2号溶洞的颗粒状包壳砾石因受到石油浸染多呈褐(黑)色; 颗粒状包壳与砾石之间一般结合非常紧密, 表明其是在结晶空间很大的条件下形成的。

3)均匀状包壳(图 3-4)。由一系列细小的、呈粉砂状的方解石颗粒或均匀致密的方解石围绕砾石形成。方解石的粒径多在1, mm以下, 构成一个数毫米厚的圈层, 圈层内部较均一, 分层不明显。

4)复合包壳(图 3-5)。由晶粒粗大的圈层与晶粒细小的圈层组合形成。大部分复合壳的内圈为粗大晶粒的放射状包壳, 外圈为细小晶粒的均匀状包壳或呈针状和纤维状包壳。包壳由大小不同的方解石晶体构成, 不同圈层的方解石晶体大小差异明显。

总的来说, 这4种包壳大多数在观察面上都是连续或近连续的、对称或近对称的, 但不能排除在三维空间它们是非连续和非对称的。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 塔里木盆地北缘奥陶系一间房组硫磺沟2号溶洞包壳砾岩的包壳特征 1— 颗粒状包壳砾岩, 从外缘看包壳砾石呈草莓状, 周缘被颗粒状方解石包裹, 硕大的马牙状方解石垂直砾石表面生长, 包壳砾石之间有硕大的残留孔; 2— 多层结构的包壳, 至少可以见到8层, 每层的晶体形态和大小都有所不同; 3— 大型包壳表面的方解石, 外形上与石英晶体非常相似, 实际上是米切尔方解石Fig.7 Features of coats of the Ordovician Yijianfang Formation coated conglomerates in Liuhuanggou cave 2 in northern margin of Tarim Basin

图8

Fig.8

Figure Option ViewDownloadNew Window

图8 塔里木盆地北缘奥陶系一间房组硫磺沟2号溶洞包壳砾石包壳的显微特征 1— 颗粒状包壳, 明显可以见到3层粒径不同的方解石颗粒圈层, 内、外层颗粒均较小, 中间层颗粒较粗大、而且颜色较深、含油较多; 2— 球粒状包壳, 微晶方解石集合成球粒, 在球粒内部的微晶方解石之间发育有微缝, 而在球粒间发育有较大的粒间孔, 普通透射光; 3— 粗粒状方解石包壳, 内部有微裂纹, 晶间缝发育, 普通透射光; 4— 细粒状方解石包壳, 粒状方解石内部有微裂纹, 晶间缝发育, 普通透射光; 5— 细粒状包壳的横截面照片, 可见到呈粒状的方解石, 在粒状方解石之间有很好的残留孔, 晶粒间 微缝发育, 铸体薄片, 普通透射光Fig.8 Micro-features of coats of the Ordovician Yijianfang Formation coated gravels in Liuhuanggou cave 2 in northern margin of Tarim Basin

对粗大晶粒放射状包壳和细小颗粒均匀状包壳进行了显微鉴定:第1种是晶粒在1~2, mm的粗大方解石包壳(图 3-3; 图7-1), 可见方解石晶体内部有极微小的晶内缝, 晶粒之间有很宽的晶间缝(0.1~0.2, mm)(图 8-2), 是很好的储集空间和油气运移网络。第2种是粒径在0.1~0.4, mm的细粒方解石包壳(图 3-4; 图8-1), 也见到晶间缝很发育, 但因为极其窄小(图 8-3)而导致储集和运移能力有限; 第3种是纤维状方解石包壳(图 3-3), 纵截面上方解石晶体呈柱状, 横截面上呈颗粒状, 但晶间缝和晶间孔(图 8-4)都比较发育, 是良好的储集空间; 第4种是微晶集合形成的球粒状包壳(图 6-3), 微晶之间发育微缝, 球粒之间孔洞很大, 是很好的储集空间(图 8-5)。

不同类型包壳砾石和包壳砾岩的形成环境不同, 尤其是水文和水化学条件明显不同, 反映它们可能不是同一期次形成的。一种类型包壳砾石的形成需要很长时间相对稳定的沉积环境、水文和水化学条件, 只有这种沉积要素发生明显改变后新类型包壳砾石和包壳砾岩才会形成。所以根据这4种不同类型的包壳砾石推断硫磺沟古溶洞发生过4期明显可分的化学充填。

此外, 还有一点非常值得讨论:包壳砾石在形态结构上很像鲕粒(直径小于2, mm), 但鲕粒是在一种不断跳跃、悬浮的过程中形成的, 据此推论, 包壳砾石可能在相同的过程中形成。砾径粗大的砾石(直径多为3~5, cm)能不时地被流水搅起, 形成近对称的纹层, 从这点上看, 包壳砾石形成于高速的水流及特殊岩溶环境中。在四川九寨沟溪流中也有这种现代包壳砾石(图 9), 因此有必要对四川九寨沟现代的包壳砾石进行研究来求解硫磺沟古溶洞包壳砾石和包壳砾岩的成因。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 四川九寨沟现代包壳砾岩 1— 四川九寨沟溶洞口现代包壳砾岩; 2— 现代包壳砾岩的包壳, 呈海绵状, 孔隙十分发育Fig.9 Coated gravels in Jiuzhaigou area of Sichuan Province

塔北包壳砾石和包壳砾岩有特定的产出位置。通过初步观察发现, 包壳砾石和包壳砾岩一般产在溶洞地下暗河的中下部和地下暗河流出溶洞口的不远处, 前者如塔北地区发现的包壳砾石(图 3), 后者如九寨沟地区发现的现代包壳砾石(图 9)。此外, 在鄂尔多斯盆地、柴达木盆地均发现了这种包壳砾岩, 似乎也多与岩溶有关。

无疑, 包壳砾石和包壳砾岩是溶洞的典型标志沉积, 其中含有重要的地质信息, 值得重视。此外, 在硫磺沟2号溶洞中的包壳普遍含油, 周围的化学充填体和裂缝中的方解石脉也普遍含油, 揭示了化学沉积形成于油气成藏之前, 也从另一个角度表明化学沉积(包括包壳)是一种古钙华, 而不是现代钙华。

包壳砾石的形成机理本质上与鲕粒相似。内核是外源砾石或先期化学成因的砾石, 且沿砾石的表面发育化学成因的包壳。包壳形成的首要条件是CaCO₃必须饱和, 而CaCO₃饱和的先决条件是地表水或大气降水必须在碳酸盐岩表面或裂缝中流经足够长的距离, 所以只有在岩溶区才具备包壳砾石发育的基本条件; 其次, 溶洞内或溶洞口的水质要比较清洁、碎屑少、化学沉积比较活跃, 这与现代溶洞的钟乳石发育条件相同。

无疑, 包壳砾石的发育关键是其外部化学圈层的形成。每一个包壳圈层都对应了一次水化学条件的变化, 图10简示了2层包壳圈层的形成过程:第1个过程是具有第1圈层水化学特点的包壳形成; 随后化学条件发生变化, 第1个过程被取代, 发育了第2层包壳圈层。依次下去形成多个、甚至数十层这种化学圈层包壳。不能排除包壳砾石在形成过程中可能被流水翻动过, 形成了这种近对称的连续性包壳。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 (2层)包壳砾石的形成示意图Fig.10 Idealized diagrams showing development of coated gravel(two layers)

无论是纤维状、针柱状还是颗粒状方解石包壳, 都是经过后期成岩形成的, 其原岩物质均是非晶质的古钙华(一种多孔的CaCO₃), 并在成岩过程中转变成方解石晶体。有的古钙华转变成纤维状、针柱状方解石, 而有的转变成颗粒状方解石, 这与古钙华原来的性质和成岩过程中地下物理化学条件有关。

钙华的沉积机制前人做过很多研究(张英达, 1982; 朱学稳, 1990; 刘再华, 1993, 2003, 2014; Liu et al., 1995, 1997; 李华举, 2006), 高速水流对钙华的沉积影响得到普遍的认同。溶洞地下暗河的中下部和地下暗河流出溶洞口由于地势高差的影响, 砾石在出口处堆积, 水流速度大, 高速水流产生低压水泡, 掺气水泡以及射流水沫加速了钙华的沉积, 而高速水流中砾石在流水的作用下不停旋转, 并以砾石为质点在表面形成了包壳。受季节性水流及暗河流速的影响, 砾石的包壳呈现不同的类型, 进而形成呈季节性变化的包壳形态。