吴冰, 金鑫, 时志强, Nereo Preto, 杜怡星. (2018)川西北地区中三叠统顶部溶蚀型喀斯特特征及地质意义* [J]. 古地理学报, 20(1): 133-146
Wu Bing, Jin Xin, Shi Zhi-Qiang, Nereo Preto, Du Yi-Xing. (2018)Characteristics and geological significance of corrosion karst at the top of Middle Triassic in northwestern Sichuan Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(1): 133-146.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.01.009
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川西北地区中三叠统顶部溶蚀型喀斯特特征及地质意义*
吴冰1, 金鑫2, 时志强1, Nereo Preto2, 杜怡星1
1 成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059
2 Department of Geosciences,University of Padova,Via Gradenigo 6,35131 Padua,Italy
通讯作者简介 时志强,男,1972年生,教授,博士生导师,从事沉积学方面的研究。E-mail: szqcdut@163.com。

第一作者简介 吴冰,男,1990年生,硕士研究生,从事沉积学方面的研究。E-mail: 468090453@qq.com。

收稿日期:2017-08-07
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号:41572085,41272131)资助
摘要

中三叠统顶部溶蚀型喀斯特在什邡金河剖面及四川盆地大部分地区已有报道。在近期的野外工作中,在川西北地区绵竹汉旺观音崖、江油黄莲桥和江油马鞍塘剖面天井山组近顶部、顶部也识别出这一古特提斯面,其形成与强烈的构造活动或全球海平面下降造成的岩层长时间的暴露有关。其表现形式主要为: ( 1)暴露溶蚀间断沉积面;( 2)溶沟、溶缝及其内的碳酸盐、陆源碎屑充填物;( 3)暴露期黏土层;( 4)喀斯特角砾。其中暴露溶蚀间断沉积面上的沉积构造以鸟眼、层状孔洞构造最为典型,在绵竹汉旺观音崖剖面最为发育,孔、洞充填物主要为亮晶方解石和白云石;溶沟、溶缝及其内的碳酸盐、陆源碎屑充填物在江油马鞍塘、汉旺观音崖、什邡金河等剖面均有发育,这些溶缝、溶沟一般近于竖直发育,宽度及深度不一,被碳酸盐角砾、亮晶方解石、白云石或陆源黏土等所充填;暴露期黏土层主要见于江油黄莲桥剖面,共发育 2套,厚 5~20 cm,与铁质矿物共生,其上下发育深灰色潟湖沉积;喀斯特角砾主要见于汉旺观音崖剖面,喀斯特角砾最大可达 15×20 cm大小,呈棱角状充填于富含泥质和有机质的暗色碳酸盐基质中。天井山组近顶部溶蚀型喀斯特的发现可为区域地层等时对比提供依据,与其有关的古岩溶作用可在天井山组(或雷口坡组)顶部碳酸盐岩中形成以溶蚀孔、洞、缝为主要储集空间的古岩溶型储集层。

关键词: 喀斯特; 天井山组; 三叠系; 碳酸盐岩储集层; 川西北地区
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)01-0133-14
Characteristics and geological significance of corrosion karst at the top of Middle Triassic in northwestern Sichuan Basin
Wu Bing1, Jin Xin2, Shi Zhi-Qiang1, Nereo Preto2, Du Yi-Xing1
1 Insitute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chegndu 610059,Sichuan
2 Department of Geosciences,University of Padova,Via Gradenigo 6,35131 Padua,Italy
About the corresponding author Shi Zhi-Qiang,born in 1974,is a professor. He is mainly engaged in sedinentology. E-mail: szqcdut@163.com.

About the first author Wu Bing,born in 1990,is a master degree candidate. He is mainly engaged in sedinentology. E-mail: 468090453@qq.com.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41572085,41272131)
Abstract

The corrosion karst at the top of the Middle Triassic was widely found at the Jinhe section in Shifang and in most parts of the Sichuan Basin. With the recent field studies,we identified this karst surface in the Triassic sections at Hanwang Guanyinya in Mianzhu,Huanglianqiao and Ma'antang in Jiangyou along the northwest margin of the Sichuan Basin. The karst yielded in top Tianjingshan Formation and its origin is thought to be related to strong tectonic activity and global sea-level fall that resulted in long-time exposure of the Middle Triassic. The main forms of the karst are as follows: (1)exposed erosion and discontinuous sedimentary surfaces,(2)solution channels, solution fractures and associated carbonate and terrigenous clastic fillings,(3)exposed clay layer,and(4)karst breccia. The exposed erosion and discontinuous sedimentary surfaces are most typical of birdeye structures or stromatactis,and at the Hanwang Guanyinya section in Mianzhu, they are most developed. The fillings of solution channels and fractures are mainly carbonate and terrigenous debris,commonly developed at the Ma'antang section in Jiangyou,Hanwang Guanyinya section in Mianzhu and Jinhe section in Shifang. The related dissolution joints and dissolution ditches are nearly vertical,with different widths and depths,and are filled with carbonate breccia,sparite, dolomite or terrigenous clay. The exposure soil is mainly confined to Huanglianqiao section in Jiangyou where two sets of exposure soils,about 5~20 cm thick each,contain iron minerals and the overlying and underlying intervals are dark gray limestone deposited in a lagoon paleoenvironment. The karst breccia is most common at Hanwang Guanyinya section in Mianzhu,with a maximum breccia size of up to 15×20 cm. The angular karst breccia is surrounded by dark carbonate matrix rich in mud and organic matter. The discovery of the corrosion-type karst at or near the top of the Tianjingshan Formation can provide the basis for regional stratigraphic isochronous correlation. In addition,the paleo-karst oil/gas accumulations can be formed in the carbonate rocks at the upper Tianjingshan and Leikoupo Formations with dissolution pores and fractures as the main storage space.

Key words: karst; Tianjingshan Formation; Triassic; carbonate reservoir; northwestern Sichuan Basin

三叠纪是四川盆地形成演化史上的一个关键时期, 四川盆地在晚三叠世早期形成雏形(李勇等, 2011), 发生于中三叠世末期的地质运动使得扬子板块与华北板块拼合, 古特提斯洋的分支— 古秦岭洋闭合(吉让寿等, 1990), 这一变革性地质变化深刻影响了四川盆地构造和沉积格局, 造成了晚三叠世沉积发生由海向陆的关键转变, 中、上三叠统由海相碳酸盐岩系转变为海陆过渡相及陆相碎屑岩系(刘树根等, 2009)。

据已有的研究成果, 川西北地区在中三叠世晚期及晚三叠世早期位于特提斯洋东缘, 处在构造活动频繁剧烈、古生态环境和古气候复杂多变的地质历史时期。四川盆地中三叠统主要以雷口坡组、天井山组海相碳酸盐台地沉积为主, 一般认为以灰岩为主的天井山组局限分布于川西北龙门山前缘地区(邓康龄等, 1982), 上覆于雷口坡组白云岩之上, 再之上覆盖以上三叠统马鞍塘组鲕粒灰岩或颗粒灰岩(如在江油马鞍塘、安县雎水等剖面)。但在绵竹汉旺等地上三叠统马鞍塘组下部灰岩直接上覆于中三叠统白云岩之上, 显示中三叠统顶部存在同时异相或者在一些地区有地层缺失。近年来地质工作者们对雷口坡组、天井山组和马鞍塘组做了大量的地质研究工作, 从中取得了较多研究成果(曾德铭等, 2007; 杨荣军等, 2008; 时志强等, 2010a; 马治鸾等, 2012; 周志澄等, 2014; 金鑫等, 2015), 但是地层学上中/上三叠统界线一直没有确定, 更多的研究只是从岩性上进行区分, 等时对比较为困难, 这在一定程度上阻碍了对川西地区中、晚三叠世碳酸盐岩沉积环境、构造演变的认识。近年来, 随着川西地区彭州1井中— 上三叠统碳酸盐岩储集层油气勘探的突破, 对雷口坡组以及天井山组、马鞍塘组碳酸盐岩储集层成因的研究引起了油气地质工作者的重视。

作者近年来的研究显示, 川西绵竹汉旺、安县雎水等剖面马鞍塘组下部灰岩牙形石多出现上卡尼阶(即Tuvalian亚阶)分子, 显示下卡尼阶(即Julian亚阶, 为上三叠统第1个亚阶)有缺失。在川西野外多个剖面发现了暴露型喀斯特面发育于上三叠统马鞍塘组灰岩之下, 可能对该地区三叠系地层学认识以及中三叠统白云岩储集层研究有积极意义。

1 地质背景

已发现中三叠统顶部喀斯特面的什邡金河、绵竹汉旺观音崖、江油黄莲桥、江油马鞍塘等剖面均位于龙门山造山带, 该带为一条NE向延伸的的推覆与滑覆叠合构造带(李坤等, 2006)。自三叠纪印支期, 尤其是印支晚幕以来, 由于古太平洋板块持续推挤扬子板块, 造成上扬子板块不断向青藏板块之下俯冲潜滑, 从而在四川西部产生龙门山推覆构造带(边兆祥等, 1980; 吴熙纯和李培华, 2008)。

在古生代至中生代早期, 扬子板块西部为稳定的被动大陆边缘盆地, 沉积巨厚的海相碳酸盐岩(刘树根等, 2009)。由于受到印支构造作用的影响, 龙门山在晚三叠世开始由北端至南端逐渐隆升出水面, 四川盆地内的海水也在此时自东而西逐渐退去, 盆内沉积物逐渐转变为以陆相沉积为主(刘树根等, 2009; 陈洪德等, 2011; 张彪等, 2013)。川西前陆盆地经历了海相碳酸盐岩到海相碎屑岩再到陆相碎屑岩的转换和变迁, 这2个转变过程最终结束均在川西地区有所显示, 天井山组就处于前一个转换的节点上(刘树根等, 2009)。

此次研究涉及的剖面主要为什邡金河、绵竹汉旺观音崖、江油黄莲桥和江油马鞍塘剖面, 研究的地层主要为上三叠统马鞍塘组(T3m)和中三叠统天井山组(T2t)、雷口坡组(T2l)。从岩石地层上来讲, 中三叠统自下而上可分为雷口坡组和天井山组, 雷口坡组以白云岩为主, 天井山组以灰岩为主, 二者呈整合接触(四川省岩石地层; 辜学达和刘啸虎, 1997); 雷口坡组主要为一套白云岩和(局部发育的)石膏岩沉积, 厚度大, 产状稳定, 在川西局部地区显示有良好的油气储量, 但一直以来对该套储集层分布规律还没有完全掌握, 白云岩成因仍存在争议, 主要原因可能是该套地层的储集岩成岩作用复杂(曾德铭等, 2007); 雷口坡组顶部(雷四段)岩性以浅灰、灰黄色薄至厚层灰岩、泥质灰岩为主, 夹硬石膏, 有时白云岩与硬石膏互层, 或风化为膏溶角砾岩(中国地层典· 三叠系; 杨遵仪和张舜新, 2000)。天井山组的分布仅限于川西北地区, 沿龙门山东缘出露, 主要为一套浅灰色、灰白色微晶灰岩和藻屑灰岩, 局部具鲕状及生物碎屑结构(刘持恒, 2015), 邓康龄等(1982)将天井山组归为中三叠统拉丁阶, 天井山组与下伏雷口坡组假整合接触, 与上覆上马鞍塘组轻微角度不整合(彭靖淞等, 2009), 但是王运生(1992)认为马鞍塘与天井山组为整合接触。马鞍塘组沉积后, 受印支期构造运动的影响, 川西地区生成宽缓隆起, 天井山组卷入其中(彭靖淞等, 2009)。中三叠统天井山组主要岩性为灰色厚层至块状石灰岩, 上部夹鲕粒、砂屑、生屑灰岩及硅质条带、结核, 但由于牙形石、菊石等化石的缺失, 天井山组上部生屑灰岩以及含燧石结核灰岩是否属于拉丁阶有异议, 作者倾向于其属于下卡尼阶。上三叠统马鞍塘组下部灰岩属于卡尼阶(Shi et al., 2017), 局限分布于龙门山前缘什邡金河到江油马鞍塘一带, 是一套海相地层, 马鞍塘组沉积早期川西地区属于开阔浅海环境并发育浅水碳酸盐岩沉积体系, 发育有鲕粒滩和海绵礁丘; 随着海侵继续, 沉积物中碎屑物质增多, 发育浅海碎屑岩沉积(孟昱璋等, 2015)。

2 剖面喀斯特特征

此次研究中发现的四川盆地西北部地区中三叠统上部产出的喀斯特, 属于经典的暴露溶蚀型喀斯特, 其形成与强烈的构造活动或全球海平面下降造成的岩层长时间的暴露有关。研究涉及的4个剖面均位于龙门山逆冲构造带上, 在四川盆地和青藏高原的交界附近, 剖面位置如图 1所示, 前人对什邡金河雷口坡组顶部喀斯特已有描述(中石化公司内部资料), 作者在绵竹汉旺观音崖、江油黄莲桥、江油马鞍塘等剖面野外也识别出了对应的喀斯特层位(图 2), 喀斯特面之下的岩性为叠层石碳酸盐岩, 之上则变为微晶灰岩(或颗粒灰岩), 实际工作中对喀斯特面上下的中、上三叠统进行了详细勘测和取样, 磨制了显微薄片进行分析研究。

图 1 川西北地区地质简图(A)和剖面位置(B)
B中剖面名称: 1— 什邡金河剖面; 2— 绵竹汉旺观音崖剖面; 3— 江油黄莲桥剖面; 4— 江油马鞍塘剖面Fig.1 Geological map of northwestern Sichuan Basin(A)and section locations(B)

图 2 川西北地区中三叠统(近)顶部喀斯特发育位置对比Fig.2 Correlation of the karst position at (near) the top of Middle Triassic in northwestern Sichuan Basin

2.1 江油马鞍塘剖面

对于该剖面, 邓康龄等(1982)将天井山组与马鞍塘组的分界线置于含燧石结核灰岩之下。但作者最新的牙形石资料显示其属于下卡尼阶, 燧石结核中常见卡尼期硅质海绵骨针。在安县雎水剖面, 天井山组与马鞍塘组的界线以白色叠层石灰岩的结束和灰色颗粒灰岩的出现为特征, 在马鞍塘剖面, 本次研究界定的马鞍塘组与天井山组界线也是以叠层石灰岩的结束为特征, 喀斯特即位于此界线处, 表现为岩性及颜色的突变, 下伏天井山组为灰白色叠层石灰岩, 因古风化作用而略呈黄色, 上覆马鞍塘组为灰色、白灰色藻屑微晶灰岩, 喀斯特面略成不规则状, 大致沿层面分布(图 3-A, 3-B)。在喀斯特面之下的天井山组中发育2种溶缝, 一为厘米级小溶缝, 长度一般小于10icm, 宽度小于0.5icm, 垂直或呈钝角斜交于该暴露溶蚀喀斯特面, 溶缝中充填亮晶方解石及碳酸盐颗粒、微晶基质; 另一种为长达5~10im的喀斯特溶缝, 与喀斯特面交角约为75° , 缝宽约为5~10icm, 充填喀斯特角砾等碳酸盐颗粒以及微晶、亮晶基质, 角砾通常为叠层石灰岩、微晶灰岩, 最大可达3× 8icm, 棱角明显。

图 3 川西北地区江油马鞍塘剖面喀斯特宏观特征
A、B— 天井山组叠层石灰岩与马鞍塘组含生屑微晶灰岩界线, 为不规则发育的喀斯特界面; C至E— 喀斯特面之下的溶缝(红色虚线所标范围)充填现象, 喀斯特角砾常见; F— 天井山组近顶部未被喀斯特影响的叠层石灰岩Fig.3 Macroscopic characteristics of the karst at Ma'antang section in Jiangyou, northwestern Sichuan Basin

2.2 江油黄莲桥剖面

在江油黄莲桥剖面, 马鞍塘组与天井山组的分界依旧以(天井山组)叠层石灰岩的结束为特征, 该界线位于含燧石结核灰岩之下约6im处(图 2)。在该剖面的野外露头中共发现了2期喀斯特(图 4-A, 4-B), 二者均显示为明显的喀斯特暴露期黏土沉积, 其中第1期喀斯特发育在天井山组近顶部, 第2期喀斯特发育在天井山组顶部, 之间相隔约8im。第1期喀斯特位于采石场下部, 易于观察, 喀斯特面沿层面不规则状分布, 发育1层灰色、浅灰白色喀斯特标志性黏土层, 厚约20icm, 黏土呈白色或淡褐色, 铁质含量较高时呈铁锈色。在第1期喀斯特黏土层之上下层位见深灰色灰岩呈透镜状或纹层状产出(图 4-C至4-E), 被解释为水深变浅的潟湖相沉积, 有机质含量较高。值得注意的是, 第1期喀斯特之下未见喀斯特溶缝, 喀斯特溶孔、溶洞仅发育在黏土层之下15icm范围, 白云岩亦不发育, 其发育特点有别于其他剖面。

图 4 川西北地区江油黄莲桥剖面喀斯特宏观特征
A— 采石场天井山组上部及马鞍塘组底部灰岩, 发育2期喀斯特; B— 第1期喀斯特宏观特征, 与A所显示照片取景方向不同; C、D— 第1期喀斯特暴露期黏土沉积; E— 喀斯特黏土之上沉积, 显示黏土层之上发育深灰色潟湖相沉积纹层Fig.4 Macroscopic characteristics of the karst at Huanglianqiao section in Jiangyou, northwestern Sichuan Basin

2.3 绵竹汉旺观音崖剖面

如前所述, 绵竹汉旺观音崖剖面马鞍塘组与雷口坡组界线以白云岩/灰岩岩性突变为特征, 缺失天井山组灰岩, 雷口坡组顶部叠层石白云岩与上覆马鞍塘组灰岩分界面平直(图 5-F)。喀斯特位于该剖面雷口坡组上部, 发育至少6层暴露溶蚀型喀斯特(图 2), 以喀斯特角砾(包括喀斯特溶蚀后的灰岩)充填为主要特征(图 5-A, 5-B)。暴露溶蚀喀斯特面常呈不规则状, 发育大型溶缝、溶洞充填(图 5-B), 并可见大量的喀斯特角砾(图 5-C至5-E), 角砾棱角明显, 大小不一, 最大可达15× 20icm(图 5-D)。雷口坡组上部的喀斯特面之上覆盖有灰岩(图 5-A, 5-B), 显示出该地区曾发生多次暴露且每次暴露后有海侵期灰岩沉积。绵竹汉旺观音崖剖面雷口坡组(天井山组)上部喀斯特溶蚀现象较江油马鞍塘、黄莲桥剖面强烈, 且白云岩发育, 而江油马鞍塘、黄莲桥剖面喀斯特之下发育叠层石灰岩或微晶灰岩(图 2), 显示绵竹汉旺地区在中三叠世晚期暴露更为明显, 水深更小, 更易受到相对海平面下降的影响。

图 5 川西北地区绵竹汉旺观音崖剖面喀斯特宏观特征
A— 天井山组上部喀斯特界面为白云岩和灰岩岩性突变面, 地层倒转, 喀斯特面不规则; B— 喀斯特溶洞及喀斯特角砾, 地层倒转, 被侵蚀岩层为叠层石白云岩(曾被称为层纹石白云岩); C至E— 为天井山组近顶部喀斯特角砾层, 图中数字为不同位置的采样序号; F— 雷口 坡组叠层石白云岩(T2?)/马鞍塘组(T3)界线, 地层倒转, 界面平直, 但经历了较长时间的沉积间断(不整合)Fig.5 Macroscopic characteristics of the karst at Hanwang Guanyinya section in Mianzhu, northwestern Sichuan Basin

3 喀斯特充填物微观特征

本次研究重点对喀斯特充填物及充填现象进行了细致研究, 磨制了显微薄片进行镜下微观特征分析。

3.1 溶缝充填

在江油马鞍塘剖面, 天井山组顶部溶缝中充填大小不一的角砾、微晶基质和少量亮晶方解石胶结物(图 6-A, 6-B), 可见溶孔(图 6-B), 显示了喀斯特发育时期及成岩演化过程中溶缝未被完全充填。在绵竹汉旺观音崖剖面, 从镜下可以观察到雷口坡组(天井山组)白云岩中喀斯特溶缝明显发育, 为近乎竖直的溶缝, 宽度大小不一, 可贯穿数个叠层石纹层, 但未贯穿岩石(图 6-C至6-E)。溶缝开口处与溶洞相连, 溶洞中充填有与溶缝充填物一致的微晶白云石(图 6-C)。除了微晶白云石充填物, 溶缝中还可能有陆源粉砂、泥和有机质的充填(图 6-E); 根据溶缝宽度变化可清楚地分辨显微薄片中原始地层的顶底, 即变窄变细的一端指向岩层底面(图 6-C, 6-E)。溶缝发育的白云岩中普遍见中— 粗晶亮晶鞍形白云石(图 6-F), 被解释为喀斯特溶蚀作用发育的白云岩孔、渗条件较好, 为后期较高温度的地层流体流动提供了通道, 有利于白云石重结晶。

图 6 川西北地区中三叠统喀斯特溶缝充填沉积微观特征
A、B— 溶缝中充填的角砾大小不一, 黄色箭头所指为溶孔, 江油马鞍塘剖面, 单偏光; C、D— 典型的喀斯特竖直溶缝, 充填有粉晶白云石, 溶缝宽度变化大, 未贯穿叠层石白云岩, 绵竹汉旺观音崖剖面, 单偏光; E— 喀斯特溶缝穿过白云岩基岩的纹层, 被微晶白云石、陆源物质(泥、粉砂等)充填, 绵竹汉旺观音崖剖面, 单偏光; F— 晶白云石充填喀斯特溶缝, 镜下可见鞍形白云石, 推测为成岩期重结晶 所致, 绵竹汉旺观音崖剖面, 单偏光Fig.6 Microscopic characteristics of the Middle Triassic karst seam fillings in northwestern Sichuan Basin

3.2 喀斯特角砾

剖面中所见喀斯特角砾多为厘米级和分米级, 镜下看到的喀斯特角砾多为角砾边缘一部分, 大都呈棱角状、次棱角状被富含有机质的碳酸盐基质包绕(图 7-A, 7-B)。喀斯特角砾岩性多为叠层石白云岩, 角砾有的发生断裂(图 7-A), 为岩层溶蚀垮塌所致; 包绕角砾的基质中白云石晶体大小不一, 有机质与泥质含量较高, 而叠层石白云岩角砾晶体大小变化不大(图 7), 显示为已经固结(图 7-A)或半固结(图 7-B)的角砾垮塌后掉入偏软的基质, 预示着喀斯特发育时期为准同生期。

图 7 川西北地区绵竹汉旺观音崖剖面中三叠统喀斯特角砾微观特征
A— 角砾因岩层溶蚀垮塌发生断裂, 单偏光; B— 角砾呈半固结状态垮塌后掉入偏软的基质; 预示着喀斯特发育时期为准同生期, 单偏光。A、B中显示出的喀斯特角砾多为角砾边缘一部分, 大都呈棱角状、次棱角状被富含有机质的碳酸盐基质包绕Fig.7 Microscopic characteristics of the Middle Triassic karst breccia at Hanwang Guanyinya section
in Mianzhu, northwestern Sichuan Basin

3.3 溶蚀孔、洞充填物

在江油黄莲桥剖面, 喀斯特黏土之下10icm处见溶孔被亮晶方解石完全充填(图 8-A), 但在之下的地层中, 溶孔并不发育, 显示该地区喀斯特溶蚀作用不甚强烈。绵竹汉旺观音崖剖面喀斯特的强烈发育, 不仅形成了大小不一的溶缝和喀斯特角砾, 也使得白云岩基岩发生强烈的溶蚀作用, 形成大量溶蚀孔、洞(图B-D), 局部可形成鸟眼或层状孔、洞构造(图 8-C, 8-D)。溶蚀孔、洞中不仅充填有准同生期沉淀的亮晶白云石(白云石在成岩期发生重结晶而形成中— 粗晶鞍形白云石; 图 8-C, 8-D), 亦有渗滤成因的微晶基质、泥质或有机质, 亦发育亮晶方解石, 推测为表生期从碳酸钙过饱和孔隙水沉淀所致。溶蚀孔、洞的发育为准同生期渗滤物质和表生期碳酸钙过饱和孔隙水的流动迁移提供了条件, 该溶蚀孔、洞有部分未被充填(图 8-C, 黄色箭头所指), 可作为良好的油气储集空间, 使得中三叠统上部喀斯特溶蚀作用有明显的储集层意义。

图 8 川西北地区中三叠统喀斯特溶洞充填微观特征
A— 喀斯特黏土之下10icm处见溶孔被亮晶方解石充填, 江油黄莲桥剖面, 单偏光; B— 藻屑云岩中喀斯特溶蚀孔、洞主要被不等晶白云石晶体充填, 其他为有机质、微晶白云石杂基和少量亮晶方解石沉淀物, 图片上方发育分叉的喀斯特溶缝, 绵竹汉旺观音崖剖面, 单偏光; C— 藻云岩、藻屑云岩中发育层状孔、洞构造, 溶蚀孔、洞中充填亮晶白云石与微晶白云石, 未被充填的溶蚀孔隙依旧得以保存(黄色箭头所指), 绵竹汉旺观音崖剖面, 单偏光; D— 藻云岩为叠层石白云岩, 之中发育层状孔洞构造, 溶蚀孔、 洞中主要充填微晶白云石, 鞍形粗晶白云石(黄色箭头所指)沿成岩期裂缝发育, 绵竹汉旺观音崖剖面, 单偏光Fig.8 Microscopic characteristics of the Middle Triassic karst cave fillings in northwestern Sichuan Basin

4 喀斯特发育特征
4.1 喀斯特类型及表现形式

“ 喀斯特(karst)” 作为国际术语被广泛运用在地质领域中开始于19世纪末至20世纪初(车用太和鱼金子, 1985; Andrej, 2011), 喀斯特(karst)的概念发展至今, 已有大量的研究者针对这一分布广泛且丰富多样的地貌、地质现象开展了深入详细的研究。通常喀斯特的发育需要以下几个条件: (1)在地表和近地表附近有节理发育的致密石灰岩; (2)中等到较大的降雨量; (3)畅通的地下水循环系统。其形成常常与地层的暴露以及淡水的冲刷淋滤密切相关(杜怡星等, 2017), 常表现为石灰岩(碳酸钙)在略有酸性的水中容易发生溶解。雨水沿水平的和垂直的裂缝渗透到石灰岩中, 将石灰岩溶解并带走。造就喀斯特现象的地层暴露可能是由于构造抬升, 也可能是由于全球海平面的下降导致(田景春等, 2009; 谭秀成等, 2015; Xiao et al., 2016)。当然这种“ 暴露” 也可能处于水下, 因为当岩层位于潜水面之上时, 其就有可能受到淡水的冲刷, 从而形成喀斯特(杜怡星等, 2017)。喀斯特作用发展至今出现了2种模式, 一种是“ 一般模式” , 也作为经典模式, 其对应的是晚成岩期喀斯特, 也叫硬岩喀斯特; 另一种模式称作“ 加勒比模式” , 其对应的是早成岩期喀斯特, 也叫软岩喀斯特(Esteban, 1991)。晚成岩期喀斯特主要基于过去对大陆型喀斯特的研究, 是在沉积物基本已经固结成岩且经历过成岩作用之后发育的喀斯特。早成岩期喀斯特多成层发育, 岩石表面常可见花斑状构造以及蜂窝状或海绵状溶孔, 镜下常见泥晶化颗粒、生物碎屑、碳酸盐以及陆源碎屑颗粒等充填物(谭秀成等, 2015; 杜怡星和时志强, 2017)。川西北地区中三叠世晚期发育的喀斯特, 总体符合经典模式的晚成岩期喀斯特, 但其发育的时期也有准同生期的暴露溶蚀, 即也带有早成岩期喀斯特的特点, 如层状孔洞构造发育的蜂窝状或海绵状溶孔碳酸盐岩。值得注意的是, 中三叠世晚期川西北地区喀斯特暴露溶蚀作用最为显著的是白云岩, 而在江油马鞍塘、黄莲桥等喀斯特面以下灰岩发育的剖面, 溶蚀作用却并不明显, 溶蚀孔隙不发育, 其成因值得深入研究。总体来说, 川西北地区暴露溶蚀型喀斯特发育具有以下特征:

1)溶缝、溶洞充填。喀斯特在形成的过程中各种流体对碳酸盐岩的淋滤、溶蚀、溶解必然会造成碳酸盐岩发育大量的孔、洞、缝。这些溶蚀作用形成的孔、洞、缝类型多样, 大小也不一, 小的孔缝只有在显微镜下才能看到, 而大的洞穴则可以达到数平方公里, 裂缝有的也可以达到数十米长(王宝清和张金亮, 1996; 艾合买提江, 2009), 其成因及规模主要是受地层、构造运动、地貌、水动力、气候等因素综合控制的。当喀斯特发育到一定程度或者随着后期构造运动的影响, 岩石崩塌、破碎, 坍塌下来的物质就会充填这些孔缝(张少妮, 2012), 川西北地区该类充填物在江油马鞍塘和绵竹汉旺观音崖剖面较为发育。在绵竹汉旺观音崖剖面, 喀斯特溶蚀作用强, 受喀斯特影响的地层厚度大, 向下侵蚀形成的溶洞充填物常是下一次海侵时沉积的灰岩(图 5-A, 5-B), 且与喀斯特角砾共生(图 5-B), 喀斯特微观溶缝也非常发育。

2)暴露期黏土层。暴露成因的喀斯特, 经常会发育一些标志性的黏土层, 这些黏土矿物是碳酸盐岩经过岩溶作用后形成的蚀余不溶物, 携带了二氧化碳的酸性水溶液对碳酸盐岩产生侵蚀, 伴随岩溶作用均有蚀余物— — 黏土矿物形成(雷国良和张忠敏, 1995)。川西北地区暴露期黏土层主要发育在江油黄莲桥剖面(图 4-C, 4-D), 黏土层上下发育的富有机质灰岩, 为水体变浅的潟湖相沉积。喀斯特黏土层中见较多的燧石岩屑, 黏土层之下溶蚀孔、洞不甚发育, 显示着该时期的暴露不明显, 喀斯特黏土主要沉积于潟湖环境, 为近源的碳酸盐岩溶蚀后的残余物质被搬运而来沉积所致。

3)暴露间断沉积面。喀斯特之上往往存在着一个不整合面, 沉积物暴露的时间越长, 岩溶作用对沉积物的改造越彻底, 经过长期的暴露造成地层之间的不整合接触(王雪莲等, 2005)。因此通常在喀斯特面附近会观察到明显的沉积间断或不整合面地形及其之下的岩溶洞穴(非充填或完全充填)及洞穴沉积物(张少妮, 2012)。川西北地区天井山组顶部、近顶部的暴露沉积间断面在各个剖面均有不同程度发育, 通常表现为受溶蚀作用影响的不规则的岩性突变面, 如在绵竹汉旺观音崖、江油马鞍塘剖面。

4)喀斯特角砾。喀斯特角砾岩又称溶洞角砾岩、岩溶角砾岩, 是发育于碳酸盐岩地区、因溶洞崩塌或岩溶水短距离搬运堆积而成的角砾岩(王增银等, 1998)。角砾成分以碳酸盐岩为主, 属原地来源, 角砾分选极差, 磨圆度也差, 充填在角砾之间的基质为富含泥质的碳酸盐岩(朱智鹏等, 2013)。川西北地区岩溶角砾岩主要发育在绵竹汉旺观音崖剖面, 角砾分选、磨圆差, 大小不一, 推测与孔缝的大小及崩塌作用的强度有关。需指出的是, 绵竹汉旺观音崖剖面马鞍塘组与雷口坡组分界线尽管平直, 并不代表其为整合界面, 在马鞍塘组下部灰岩中没有发现卡尼期湿润气候事件启动时全球一致的碳同位素负偏现象, 我们近期的研究已经在江油马鞍塘剖面识别出该碳同位素异常, 因此可以推断该剖面至少缺失了下卡尼阶部分地层(即下Julian亚阶)。其平直的岩组接触面仅是局部现象, 在全区范围(尤其是该剖面的南部地区)仍可发现喀斯特发育, 即马鞍塘组与雷口坡组依旧是以喀斯特面分界(图 2), 代表了至少3iMa(早Julian亚期)的不整合。其下伏的雷口坡组顶部叠层石白云岩的形成很可能与该时期喀斯特暴露有关。

4.2 喀斯特发育模式

在什邡金河剖面(图 1), 雷口坡组与马鞍塘组灰岩不整合接触(图 2), 雷口坡组溶蚀残余厚度仅有174.6im, 远小于区域上雷口坡组厚度(绵竹汉旺为480.9im, 其他地区一般为500~1000im), 显示什邡金河地区在中三叠世晚期— 晚三叠世早期处于溶蚀高地(时志强, 2006), 雷口坡组上部地层遭受强烈剥蚀。绵竹汉旺地区缺失天井山组灰岩, 马鞍塘组灰岩不整合覆盖于雷口坡组白云岩之上, 且雷口坡组上部层位喀斯特极为发育; 而江油黄莲桥与马鞍塘剖面喀斯特面之下发育灰岩, 白云岩少见, 喀斯特暴露时间相对较为短暂, 因此中三叠世末期喀斯特发育模式如图 9所示: 黄莲桥地区发育在地势相对较低的潟湖环境, 喀斯特黏土发育, 但暴露时间短暂, 白云岩不发育; 而绵竹汉旺地区和江油马鞍塘地区总体位于喀斯特斜坡之上, 但汉旺地区岩层受溶蚀更为强烈, 喀斯特角砾发育, 且白云石化作用强(图 9)。

图 9 川西北地区中三叠世末期喀斯特发育模式Fig.9 Developing pattern of the latest Middle Triassic karst in northwestern Sichuan Basin

绵竹汉旺观音崖剖面中三叠统顶部为叠层石白云岩, 而在之北约10ikm处的安县雎水剖面, 以及江油黄莲桥、马鞍塘剖面, 中三叠统顶部为叠层石灰岩, 二者岩性差别明显, 但都为叠层石碳酸盐岩, 岩性的突变可能源于2种可能: 一是同时异相的叠层石灰岩遭受中三叠世末期及晚三叠世早期喀斯特暴露的时间不同, 绵竹汉旺观音崖剖面受到了更长时间的暴露、侵蚀及白云石化作用; 二是天井山组灰岩在绵竹汉旺、什邡金河等地缺失, 叠层石灰岩在该地区因为中三叠世晚期不整合发育而根本没有沉积。这2种可能都可能预示着绵竹汉旺和安县雎水之间有造成岩性突变的古构造作用, 即绵竹汉旺和什邡金河地区有构造抬升, 龙门山前缘断裂(如彭灌断裂等)在中、晚三叠世多表现为正断层性质(时志强等, 2010b), 因此从区域地质背景分析, 作者推测该地区有正断层发育(图 9)。

5 溶蚀型喀斯特的地质意义
5.1 地层学及岩石学意义

一直以来, 研究者对于马鞍塘组与天井山组(雷口坡组)的接触关系有争议, 且对于天井山组顶界的位置看法不一, 本次研究根据新发现的天井山组顶部喀斯特面将二者重新进行了厘定, 即天井山组的顶界发育喀斯特, 马鞍塘组微晶灰岩与天井山组叠层石灰岩呈沉积间断接触, 不整合发育的时间较为短暂, 这主要体现在江油马鞍塘和江油黄莲桥剖面(图 2, 图 9), 本研究未发现天井山组与马鞍塘组呈轻微角度不整合接触的直接证据, 但可以肯定马鞍塘组与天井山组不是整合接触。但在什邡金河、绵竹汉旺观音崖等地, 雷口坡组白云岩直接下伏于马鞍塘组灰岩之下, 其地层厚度、地球化学特征显示了二者为不整合接触, 二者之间缺失天井山组, 雷口坡组遭受暴露、剥蚀的程度由北而南急剧变强, 喀斯特溶蚀作用均显示了极为强烈的特点。什邡金河剖面不整合的发育以及雷口坡组厚度的急剧减少, 预示着雷口坡组上部被强烈剥蚀, 该不整合至少存在于晚三叠世最早期(早Julian亚期)及晚拉丁期(天井山组沉积时期), 其时间跨度可能超过了4~5iMa。但是目前的研究资料依旧无法证实绵竹汉旺观音崖剖面中三叠统顶部叠层石白云岩与之北的安县雎水、江油黄莲桥、马鞍塘剖面中三叠统顶部叠层石灰岩是否是同时异相, 还需进行深入的相关地层学研究。

在绵竹汉旺观音崖剖面中, 雷口坡组上部的白云岩多位于多期喀斯特面之下, 且白云岩中所夹灰岩一般沉积于喀斯特发育期之后的海侵期, 灰岩厚度一般较小, 显示白云岩化与喀斯特的发育有较为密切的成因联系, 可解释为相对海平面的下降诱发了海水的蒸发与浓缩, 促进了大规模白云岩化的产生。

5.2 油气地质意义

碳酸盐岩在地表或近地表的大气水溶蚀过程中可形成大量孔、洞、缝, 因而地质历史中古岩溶作用通常可形成以溶蚀孔、洞、缝为主要储集空间的古岩溶型储集层(陈培元等, 2014)。这些古岩溶地貌和储集层的时空展布和演化规律, 对后期的油气运移、聚集成藏有明显控制作用, 具有重要的研究意义(张厚淼, 2010)。一般来说, 白云岩结构较疏松、原始孔渗性好, 溶蚀作用可形成大孔、大洞和大缝, 也可在基质岩中发育密集成带的各种溶孔、溶洞和溶缝(马治鸾等, 2012), 在研究区的绵竹汉旺观音崖剖面, 喀斯特溶蚀作用对雷口坡组白云岩影响显著, 但准同生期、成岩期的渗滤作用、胶结作用形成的(白云石化)灰泥杂基及亮晶白云石胶结物充填溶蚀孔、洞现象较为普遍, 尽管如此, 还是有少量溶蚀孔隙得以保存(图 6-C), 这也是川西地区雷口坡组优质碳酸盐岩储集层形成的基础。

石灰岩较白云岩结构致密, 在暴露溶蚀的过程中方解石易溶, 因而溶蚀作用主要形成大孔、大洞、大缝, 但基质岩结构很少受溶蚀作用影响, 仍具很强的抗压和抗垮塌性(马治鸾等, 2012)。在江油马鞍塘剖面, 喀斯特面之下的天井山组岩性以叠层石灰岩、微生物灰岩以及含云灰岩为主, 岩石普遍较为致密, 但喀斯特溶缝中可见仍保存着的溶孔(图 6-B), 反映了喀斯特溶缝作为油气运移通道的潜力。诚然, 喀斯特溶缝中溶孔可能主要形成于第四纪暴露期, 但鉴于溶缝两侧岩石主要为致密的叠层石灰岩, 难以见到孔隙, 作者认为溶缝中溶蚀孔隙如果主要形成于第四纪, 也是在前期残存的少量喀斯特溶蚀孔隙的基础上进一步溶蚀发展而来的。

此次研究认为什邡金河剖面在晚拉丁期和早卡尼期(即Julian亚期)早期位于喀斯特溶蚀高地, 而绵竹汉旺地区位于喀斯特溶蚀斜坡之上, 由此可以推测, 其临近的彭州1井同样位于喀斯特溶蚀高地或喀斯特溶蚀斜坡之上, 喀斯特溶蚀作用强烈, 其中三叠统白云岩优质储集层很可能受到了喀斯特溶蚀作用的影响。

6 结论

1)在川西北地区绵竹汉旺观音崖、江油黄莲桥和江油马鞍塘剖面天井山组近顶部、顶部发现溶蚀型古特提斯面, 其形成与强烈的构造活动或全球海平面下降造成的岩层长时间的暴露有关。

2)川西北地区中三叠世晚期喀斯特的表现形式主要为: 暴露溶蚀间断沉积面, 溶沟、溶缝及其内的碳酸盐、陆源黏土充填物, 暴露期黏土层和喀斯特角砾。其在不同地区、不同剖面的表现形式有所不同。

3)川西北地区喀斯特发育模式显示什邡金河地区在中三叠世晚期— 晚三叠世早期处于溶蚀高地, 江油黄莲桥地区发育在地势相对较低的潟湖环境, 喀斯特黏土发育, 但暴露时间短暂, 而绵竹汉旺地区和江油马鞍塘地区总体位于喀斯特斜坡之上, 但汉旺地区岩层受溶蚀更为强烈。

4)川西北地区中三叠统顶部、近顶部溶蚀型喀斯特的发现可为区域地层等时对比提供依据, 喀斯特可能对雷口坡组白云岩化有促进作用。与其有关的古岩溶作用可在雷口坡组上部碳酸盐岩中形成以溶蚀孔、洞、缝为主要储集空间的古岩溶型储集层, 在溶缝中残存的溶孔对油气运移有积极意义。

致谢 参加野外工作的还有段雄、杨小康、陈彬、王小端、肖凯、李振宇和张晓宇,感谢评审专家的意见和建议。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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