1)文中所指的溶沟、溶缝, 是特指垂向渗流岩溶带形成的纵向溶缝、扩溶缝、溶沟等, 是识别表生岩溶存在的最直接标志之一。野外及岩心观察显示, 长兴组碳酸盐岩中发育大规模溶沟、溶缝。例如: 在通江诺水河剖面, 长兴组顶部为静水环境沉积的深灰色薄— 中层状泥晶灰岩, 顶部见大型溶沟, 溶沟将碳酸盐岩角砾化, 角砾发生氧化呈现为褐色, 溶沟主要为碳酸盐岩砂、碳酸盐岩泥充填(图 2-a)。普光6井长兴组140余米的岩心段发育大规模溶沟, 溶沟在距长兴组顶110 m范围内密集发育, 主要为碳酸盐岩角砾、碳酸盐岩砂和碳酸盐岩泥充填(图 2-b至2-e)。大规模溶沟、溶缝的发育指示长兴组遭受了长期性大气淡水的淋滤作用。

图 2

Fig.2

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图 2 普光气田长兴组表生岩溶宏观与微观特征 a— 基岩被溶沟角砾化, 溶沟为碳酸盐岩砂、泥充填, 诺水河剖面; b— 高角度溶沟, 为碳酸盐岩角砾、砂、泥充填, 普光6井, 5278.3 m, 岩心; c— 高角度溶沟, 为碳酸盐岩角砾、砂、泥充填, 普光6井, 5299.2 m, 岩心; d— 溶沟充填物为碳酸盐岩角砾、砂、泥, 普光6井, 5278.3 m, 单偏光; e— 溶缝为碳酸盐岩砂、泥半充填, 普光6井, 5299.2 m, 单偏光; f— 囊状溶洞, 为碳酸盐岩角砾、砂、泥充填, 普光6井, 5303.3 m, 岩心; g— 囊状溶洞, 为碳酸盐岩角砾、砂、泥充填, 普光6井, 5318.2 m, 岩心; h— 岩溶角砾岩, 角砾间为巨晶方解石充填, 分3井, 岩心; i— 岩溶角砾岩, 角砾间为巨晶方解石充填, 分3井, 正交偏光; j— 岩溶角砾岩, 角砾间为碳酸盐岩砂、泥充填, 角砾内部发育溶蚀孔, 普光6井, 岩心; k— 葡萄花边状岩溶角砾岩, 角砾间为白云石半— 全充填, 角砾内部发育溶蚀孔, 普光304-1井, 岩心; l— 葡萄花边状岩溶角砾岩, 角砾间为白云石半— 全充填, 见压溶作用, 普光304-1井, 单偏光Fig.2 Macroscopic and microscopic characteristics of paleokarst in the Changxing Formation in Puguang Gasfield

2)囊状溶洞是垂向渗流岩溶带形成的、与溶沟伴生的中小型溶洞, 亦是识别表生岩溶存在的最直接标志之一。例如: 在普光6井长兴组取心段, 发育大规模囊状溶洞, 其在距长兴组顶110 m范围内密集发育, 囊状溶洞顶底与溶沟相连接, 主要为碳酸盐岩角砾、碳酸盐岩砂和碳酸盐岩泥充填(图 2-f, 2-g), 这些充填物与溶沟充填物成分一致, 为近地表溶蚀、破碎的碳酸盐岩经过溶沟运移堆积而成。大规模囊状溶洞的发育亦指示长兴组遭受了长期性大气淡水的淋滤作用。

3)岩溶角砾岩和不整合面是识别表生岩溶存在的重要标志之一。通过对普光气田长兴组钻井岩心的观察显示, 大量钻井发育岩溶角砾岩, 例如: 分3井长兴组顶部5 m取心段全为岩溶角砾岩(图 2-h), 角砾成分主要为云灰质微生物岩, 角砾间主要为巨晶方解石充填(图 2-i), 由于埋藏较深, 压溶作用强烈, 角砾之间广泛发育缝合线。普光6井长兴组取心段, 岩溶角砾岩在多个层段均有发育, 且单层角砾岩厚度在20~80 cm, 角砾成分主要为海绵骨架礁云(灰)岩和生屑云岩, 角砾间填隙物多为碳酸盐岩砂和碳酸盐岩泥, 角砾内部发育大量溶蚀孔洞(图 2-j)。同时, 在普光304-1井, 长兴组顶见葡萄花边状岩溶角砾岩, 角砾内部发育溶蚀孔洞, 角砾间主要为白云石和方解石充填(图 2-k, 2-l)。其成因机制为长兴组沉积后暴露, 形成岩溶洞穴, 洞壁和洞顶岩层发生垮塌充填于岩溶洞穴中而形成。野外和钻井岩心均见不整合面, 例如: 在通江诺水河剖面, 长兴组顶部除见大型溶沟外, 长兴组与飞仙关组之间为不整合接触, 不整合面之上直接为飞仙关组紫红色泥岩覆盖(图 3)。分3井长兴组顶部为块状岩溶角砾岩, 之上直接为飞仙关组深灰色薄层状泥晶灰岩覆盖(图 4), 长兴组与飞仙关组为典型的不整合接触, 指示长兴组发生过表生岩溶作用。

图 3

Fig.3

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	图 3 四川盆地通江地区诺水河剖面长兴组顶部不整合面Fig.3 Unconformity on top of the Changxing Formatin from Nuoshuihe outcrop in Tongjiang area, Sichuan Basin

图 4

Fig.4

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	图 4 四川盆地普光气田分3井长兴组顶部不整合面Fig.4 Unconformity on top of the Changxing Formatin from Well Fen 3 in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

碳氧同位素作为判断表生岩溶存在的重要标志之一, 在各大盆地中得到了较好的应用, 在表生岩溶发育的地区, 碳同位素常常表现为严重的负偏移。通过对普光气田雷北1井、大湾3井和老君2井长兴组顶部44个泥晶灰岩、溶孔状泥晶灰岩、白云岩样品的碳氧同位素测定, 结果显示3种岩石类型的氧同位素分布范围较为稳定(图 5), 但均呈现负偏移, 然而, 碳同位素表现为严重的差异性。泥晶灰岩与白云岩的碳同位素为正偏移, 指示基岩的同位素特征, 而溶孔状泥晶灰岩的碳同位素呈现为严重的负偏移, 指示其经历了大气淡水的长期淋滤作用。

图 5

Fig.5

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	图 5 四川盆地普光气田长兴组碳酸盐岩C-O同位素关系图Fig.5 C-O diagram of carbonate of the Changxing Formation in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

由于成像测井能够直观观察井下岩层孔、洞、缝的发育特征, 其在各大盆地中得到了广泛的应用。通过对普光气田成像测井的观察揭示, 长兴组发育大规模的溶蚀孔、洞、溶沟, 例如: 普光6井成像测井显示(图 6), 长兴组顶部5236~5338 m, 岩心观察显示主要为生屑白云岩、海绵骨架礁白云岩, 溶蚀孔洞、囊状溶洞和溶沟发育, 囊状溶洞和溶沟主要为生屑白云岩和海绵骨架礁白云岩角砾、砂泥半— 全充填, 成像测井显示垂直状溶沟、囊状溶洞亦发育, 且主要为碳酸盐岩角砾等半— 全充填, 与岩心揭示吻合, 为垂直渗流岩溶带典型特征。井段5338~5393.5 m, 岩心观察显示主要为生屑白云岩、海绵骨架礁白云岩、海绵障积礁灰岩, 发育蜂窝状溶蚀孔洞和大型岩溶洞穴, 囊状溶洞和溶沟不发育, 岩溶洞穴主要为生屑白云岩、海绵骨架礁白云岩、海绵障积礁灰岩角砾、砂泥充填半— 全充填, 成像测井亦揭示溶蚀孔洞和岩溶洞穴发育, 且岩溶洞穴为碳酸盐岩角砾等半— 全充填, 与岩心揭示吻合, 为水平潜流岩溶带特征。因此, 纵向上可清晰的划分出垂直渗流岩溶带和水平潜流岩溶带, 揭示表生岩溶作用的存在。

图 6

Fig.6

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	图 6 四川盆地普光气田普光6井长兴组岩溶划分图Fig.6 Karst division map of the Changxing Formation of Well Puguang 6 in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

依据岩性、沉积序列、电测曲线等特征, 将普光气田长兴组细化为4个四级层序, 长一段由1个四级层序构成(层序Ⅰ ), 长二段由3个四级层序构成(层序Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ )。对比过台地内部、台地边缘、斜坡相带的四级层序地层发现(图 7), 位于台地内部的普光3井和下斜坡相带的川岳84井地层保存较好, 但位于台地内部的坡1井和台地边缘相带的普光5井仅保存了四级层序Ⅰ 和层序Ⅱ , 缺失四级层序Ⅲ 和层序Ⅳ 。长兴组四级层序地层的缺失是古岩溶不整合面存在有力的证据。

图 7

Fig.7

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	图 7 四川盆地普光气田长兴组层序地层对比图Fig.7 Sequence stratigraphic correlation map of the Changxing Formation in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

同时, 地震剖面也显示, 斜坡带、台地边缘、台地内部长兴组厚度差异较大, 长兴组顶部地震反射特征差异明显。例如, 过普光气田普光主体的地震剖面显示(图 8), 普光5井和普光2井所在的台地边缘生物礁沉积区域, 长兴组厚度较大, 发育四级层序Ⅰ 和层序Ⅱ , 缺失四级层序Ⅲ 和层序Ⅳ , 其与上覆飞仙关组一段(飞一段)为不整合接触, 飞一段直接超覆于长兴组生物礁之上, 长兴组顶界为弱反射。在川岳84井所在的斜坡区, 长兴组厚度较薄, 顶界为连续强反射, 地层保存全, 在台地边缘过渡区, 四级层序Ⅲ 和层序Ⅳ 超覆于四级层序Ⅱ 之上; 川岳84井录井显示, 四级层序Ⅲ 和层序Ⅳ 为深灰色、灰黑色硅质岩和泥灰岩互层, 与广元上寺剖面对应关系较好。在普光4井和普光3井所在的台内洼地沉积区, 长兴组厚度介于台地边缘和斜坡区之间, 顶界为连续中强反射, 地层保存全, 与台地边缘过渡区, 四级层序Ⅲ 和层序Ⅳ 超覆于四级层序Ⅱ 之上; 普光3井录井显示, 四级层序Ⅲ 和层序Ⅳ 为深灰色泥灰岩, 与广元上寺剖面和通江诺水河剖面飞一段潮坪— 潟湖相泥灰岩、泥岩(含石膏)具有显著差异, 且测井曲线与川岳84井、广元上寺剖面实测伽马等的变化特征亦一致。

图 8

Fig.8

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	图 8 四川盆地普光气田长兴组地震层序地层对比图Fig.8 Seismic profile showing sequence stratigraphic correlation of the Changxing Formation in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

普光气田长兴组以碳酸盐岩沉积为主, 这为岩溶作用的发育提供了物质基础。长兴组沉积时期, 高频的海平面变化引起的准同生岩溶主要形成具组构选择性的粒间溶孔、粒内溶孔和铸模孔等, 难以形成规模大、分布广、影响深度大的岩溶(Yang et al., 2017), 因此, 岩石学、地球化学、成像测井和层序地层学证据综合表明, 普光气田长兴组非组构选择性溶蚀特征为表生岩溶作用形成, 指示长兴组碳酸盐岩经历了长时间的暴露溶蚀。

表生岩溶是重大海平面下降或构造运动所导致的陆地大面积暴露而形成(王宝清和张金亮, 1996; 鲍志东等, 2006; 陈景山等, 2008)。在长兴组沉积时期, 台地和台地边缘等相带相对于斜坡— 陆棚区碳酸盐沉积物的堆积速率较快, 沉积地层厚度较大, 形成了海底地貌高地, 为表生岩溶提供了有利的地形条件。在台内局部地带, 例如普光3井区, 碳酸盐沉积物的堆积速率相对较低, 沉积地层厚度减小, 为海底地貌高地中的局部低洼区(图 9)。

图 9

Fig.9

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	图 9 普光气田长兴组沉积末期古地貌图Fig.9 Palaeogeomorphic map at the Late Changxing Stage in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

二叠纪末的海退事件已得到较多研究成果的支持, 长兴组遭受长时间的暴露溶蚀, 说明引起表生岩溶的海退事件不是发生在二叠系— 三叠系界线上, 而是位于长兴阶顶部地层内, 与前人的研究成果一致(Hallam and Wignall, 1999; Enzo et al., 2007; 杜永灯等, 2009; 罗冰等, 2010; Yin et al., 2014; 黎虹玮等, 2015)。通过四级层序地层对比揭示(图 7), 海退事件发生于四级层序Ⅱ 沉积之后的某个时期。为厘清表生岩溶发生的具体时期, 对野外剖面进行了自然伽马的测试, 并开展了普光气田与野外露头长兴组顶部四级层序地层对比(图 10), 结果显示, 在广元上寺剖面和川岳84井等所在的陆棚和斜坡区, 以及普光3井等所在的台内洼地, 地层对比关系好, 4个四级层序保存完整, 而在毛开1井等所在的上斜坡区域, 缺失四级层序Ⅲ , 保存四级层序Ⅳ 。四级层序地层的叠置关系表明, 该海退事件发生于四级层序Ⅱ 沉积末期, 一直持续到四级层序Ⅲ 的末期, 从而造成在古地貌高处缺失四级层序Ⅲ ; 同时, 在四级层序Ⅳ 沉积期间, 相对海平面发生一定幅度的上升, 但上升幅度有限, 从而形成在上斜坡等地区接受四级层序Ⅳ 沉积, 如毛开1井地区, 而古地貌高地仍处于暴露状态, 缺失四级层序Ⅳ , 如普光5井、普光6井和坡1井等地区。

图 10

Fig.10

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	图 10 四川盆地普光气田长兴组上部层序地层对比图Fig.10 Sequence stratigraphic correlation map of the Upper Changxing Formation in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

根据长兴组碳酸盐岩岩溶发育特征、单井岩溶相带解剖, 以及古地貌和海平面变化分析结果, 结合普光气田长兴组岩相古地理展布特征, 建立了长兴组碳酸盐岩表生岩溶发育模式(图 11)。在长兴组四级层序Ⅲ 沉积时期, 发生大规模海退事件, 由于台地边缘、台内和台缘上斜坡地区沉积地层厚度较大, 古地貌较高, 地层广泛发生暴露, 遭受大气淡水淋滤作用, 形成溶沟、溶缝和溶蚀孔洞等, 岩溶储集层发育, 且以台地边缘礁滩储层物性最好, 例如普光6井区、普光2井区, 台内和台缘上斜坡非礁滩储层物性次之, 如毛开1井区。而下斜坡、陆棚和台内洼地, 由于古地貌较低, 海平面下降幅度小于其原始沉积古深水, 地层未曾暴露于大气成岩环境, 四级层序Ⅲ 发生沉积, 例如明1、川岳84、普光4等井区(图 11-a)。在四级层序Ⅳ 沉积期, 海平面开始发生上升, 但上升幅度较小, 台地边缘礁滩和台内广泛地带仍暴露于大气成岩环境, 持续遭受大气淡水淋滤, 先期形成的孔、洞、缝进一步发生溶蚀扩大, 同时形成大型岩溶洞穴、落水洞、囊状溶洞等, 储集层进一步被改造。而在台地边缘与台内洼地或盆地过渡地带的局部区域, 随着海平面的上升发生淹没, 并接受四级层序Ⅳ 的沉积, 例如毛开1等井区(图 11-b)。

图 11

Fig.11

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	图 11 四川盆地普光气田长兴组岩溶演化模式 a— 四级层序Ⅲ 沉积期间岩溶发育特征; b— 四级层序Ⅳ 沉积期间岩溶发育特征Fig.11 Paleokarst evolution model for the Changxing Formatin in Puguang Gasfield, Sichuan Basin

普光气田长兴组表生岩溶的发现对今后普光气田乃至整个四川盆地长兴组碳酸盐岩油气勘探都具有重要的指导意义。

1)长兴组表生岩溶的发现突破了对长兴组礁滩相碳酸盐岩油气储集层的传统认识。以往的研究认为, 四川盆地长兴组礁滩相碳酸盐岩储集层形成的溶蚀作用为同生、准同生和埋藏溶蚀作用, 然而随着表生岩溶作用的发现, 必然会引起对长兴组储集层成因的重新认识, 对储集层形成机理的认识也将更加趋于完善。

2)二叠纪末期的海平面变化一直是争论的焦点, 长兴组表生岩溶的发现揭示二叠纪末期大规模的海退事件发生在长兴阶顶部地层内, 突破了以往认为的主要发生在二叠系— 三叠系界线上, 表明二叠纪末期的海平面升降过程较为复杂, 必然会引起地学界对二叠纪末期海平面变化研究的重新审视。

3)以往对长兴组的油气勘探主要针对台地边缘和台内礁滩储集层, 本次研究表明, 二叠纪末期为大规模的海退事件, 台地边缘和台内地区古地貌较高, 长兴组广泛发生暴露, 均具有发生表生岩溶的地质条件, 除形成礁滩储集层外, 台内礁滩间泥晶灰岩具有形成不整合岩溶储集层的条件, 同时, 台地前缘斜坡具有碳酸盐岩建隆沉积的古地貌隆起, 也具有形成不整合岩溶储集层的地质条件。因此, 表生岩溶的发现拓展了整个四川盆地长兴组油气勘探领域。