张欣玥, 李凌, 张道锋, 易刚, 吴东旭, 钟寿康, 杨梦颖, 熊鹰, 肖笛, 谭秀成. (2022). 鄂尔多斯盆地马家沟组准层状岩溶角砾岩特征及其成因* [J]. 古地理学报, 24(4): 663-679.
ZHANG Xinyue, LI Ling, ZHANG Daofeng, YI Gang, WU Dongxu, ZHONG Shoukang, YANG Mengying, XIONG Ying, XIAO Di, TAN Xiucheng. (2022). Characteristics and genesis of quasi-stratified karst breccia of the Majiagou Formation in Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 24(4): 663-679.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2022.04.053
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鄂尔多斯盆地马家沟组准层状岩溶角砾岩特征及其成因*
张欣玥1,2, 李凌1,2, 张道锋3, 易刚4, 吴东旭5, 钟寿康1,2, 杨梦颖1,2, 熊鹰1,2, 肖笛1,2, 谭秀成1,2
1 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610500
2 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室,四川成都 610500
3 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710021
4 西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都 610500
5 中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023

通讯作者简介 谭秀成,男, 1970年生,教授,博士生导师,从事碳酸盐岩沉积与储层研究。 E-mail: tanxiucheng70@163.com。

第一作者简介 张欣玥,女, 1997年生,硕士研究生,从事碳酸盐岩沉积与储层研究。 E-mail: zhangxinyuesxbj@163.com。

收稿日期:2021-11-16 修回日期:2022-03-30
基金资助:*中国石油集团公司上游领域基础性前瞻性项目(编号: 2021DJ0501)资助
摘要

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组广泛发育岩溶角砾岩,结构特征复杂。近期研究发现,这些角砾岩的组构和分布特征难以能单纯地用经典的风化壳岩溶模式解释,各类角砾岩的成因机理值得进一步探究。文中基于大量岩心及薄片观察,对苏里格气田东区奥陶系马家沟组上组合不同层位角砾岩进行归纳和判识,明确其空间展布和序列结构特征,分析形成机理。研究发现: ( 1)根据成因与发育环境,苏格里气田东区奥陶系马家沟组上组合角砾岩可划分为 5类,分别是近原地解离角砾岩( B1)、近地表堆积角砾岩( B2)、洞穴堆积角砾岩( B3)、洞顶(壁)碎裂角砾岩( B4)和坍塌角砾岩( B5),它们具有纵向多层叠置、横向可对比的“准层状”特征; ( 2)不同类型角砾岩的纵向配置和演化与周期性的向上变浅沉积序列和暴露溶蚀有关,共归纳为 3种类型,即 B1主发育型、 B2- B3- B4组合发育型、 B5主发育型; ( 3)准层状角砾岩形成于早成岩期,受控于古地貌起伏背景下的高频海平面变化,由暴露溶蚀透镜体横向迁移连片和纵向多旋回叠置而成。研究结果不仅有助于了解鄂尔多斯盆地马家沟组多样化的岩溶角砾岩特征与成因,也为白云岩早成岩期岩溶研究提供了新的素材。

关键词: 岩溶角砾岩; 早成岩期岩溶; 高频层序; 马家沟组; 苏里格气田; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2022)04-0663-17
Characteristics and genesis of quasi-stratified karst breccia of the Majiagou Formation in Ordos Basin
ZHANG Xinyue1,2, LI Ling1,2, ZHANG Daofeng3, YI Gang4, WU Dongxu5, ZHONG Shoukang1,2, YANG Mengying1,2, XIONG Ying1,2, XIAO Di1,2, TAN Xiucheng1,2
1 State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
2 Research branch of southwest petroleum university,key laboratory of carbonate reservoirs,CNPC,Chengdu 610500,China
3 Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company of PetroChina,Xi'an 710021,China
4 School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan
5 PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology(HIPG),Hangzhou 310023,China

About the corresponding author TAN Xiucheng,born in 1970,is a professorat in Southwest Petroleum University. He is engaged in researches of sedimentology and reservoir geology. E-mail: tanxiucheng70@163.com.

About the first author ZHANG Xinyue,born in 1997,is a master's degree candidate in Southwest Petroleum University. Her studies focus on sedimentology and reservoir geology. E-mail: zhangxinyuesxbj@163.com.

Fund:Financially supported by the China National Petroleum Corporation Upstream Field Basic Forward-looking Project(No.2021DJ0501)
Abstract

Karst breccia with complex structural characteristics is widely developed in the Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin. It is found that the classical model can not explain the fabric and distribution characteristics of breccia,and the genetic mechanism is required further studied. Based on observation of cores and thin sections,different types of breccias of upper Ordovician Majiagou Formation in the eastern Sulige Gas Field are summarized and identified to clarify the spatial distribution,sequence structure characteristics and the formation mechanism. The results showed that(1)five types of breccia can be identified according to the occurrence and origin,including nearly in situ dissociation breccia(B1),near surface accumulation breccia(B2),cave accumulation breccia(B3),height(wall)fractured breccia(B4)and solution breccia(B5). They are multilayer overlapping in the vertical direction and have the “quasi stratified”characteristics which can be comparable in the horizontal direction;(2)The vertical configuration and evolution of different breccias are related to the periodical upward shallower sedimentary sequence and exposure dissolution,which can be classified into three types: main development type of B1,combined development type of B2-B3-B4 and main development type of B5;(3)The quasi-stratified breccia formed in the early diagenetic stage and was controlled by the high frequency sea level change under the background of low geomorphic relief,the multi-cycle superposition in the vertical direction,transverse migration and interlocking process of exposed dissolution lens. The research is helpful for understanding the characteristics and genesis of diversified karst breccia in Majiagou Formation,Ordos Basin,which also provides new materials for the study of dolomite karstification at the early diagenesis period.

Key words: karst breccia; early diagenetic karst; high-frequency sequence; Majiagou Formation; Sulige Gas Field; Ordos Basin

开放科学(资源服务)标志码(OSID)

古岩溶指早期通过水文系统或地表风化作用形成的岩溶(Fu, 2019), 是原始岩溶特征被保存、充填、埋藏的产物(Lø nø y et al., 2021)。因溶洞崩塌或岩溶流体溶蚀、搬运、堆积而成的岩溶角砾岩(李志强等, 2011), 是与古岩溶作用有紧密成因联系的典型岩溶沉积建造(沈继方等, 1993)。

岩溶角砾岩作为古岩溶作用最明显的识别标志, 是判断岩溶作用过程中古水文状况及恢复古地貌最有利的证据之一(张银德等, 2014), 因而对岩溶角砾岩进行合理分类和成因探讨, 是研究古岩溶作用最重要的基础工作(张兵等, 2011)。对表生期岩溶的研究常以岩溶洞穴作为研究载体(Wright, 1982; Loucks, 1999), 主要开展岩溶系统及相关作用机理等方面的研究, 并建立溶洞岩溶角砾岩的分类方案(Loucks, 1999)。反观早成岩期岩溶作用研究, 岩溶角砾岩的划分方案尚未统一, 普遍沿用Loucks(1999)的分类方案(丁晓琪等, 2016; 贾会冲和丁晓琪, 2016; 祁壮壮等, 2021), 存在不同类别的角砾岩特征相似、普适性不高等问题。

鄂尔多斯盆地马家沟组上组合地层广泛发育岩溶作用, 具有多旋回叠合、差异性分布等特征, 形成了类型众多的岩溶角砾岩, 同时也引发了关于角砾成因与分类的讨论。前人关于马家沟组上组合岩溶角砾岩的分类可根据划分标准分为2类, 即按照角砾岩对储层贡献划分(何江等, 2013)和采用Loucks(1999)关于表生岩溶作用中溶洞充填角砾划分方案进行分类(丁晓琪等, 2016; 贾会冲和丁晓琪, 2016; 祁壮壮, 2021), 且这些分类方案多基于对马家沟组上部发育表生期岩溶作用的认知(侯方浩等, 2005; 何江等, 2013; 苏中堂等, 2015)。近年来, 早成岩期岩溶作用在马家沟组上部被识别出来(Xiao et al., 2019; 谢康等, 2020; 池鑫琪等, 2021), 这些伴生的岩溶角砾岩具有准层状、塑性变形、近原地解离等明显区别于表生期岩溶角砾岩的特征, 同时在岩石组构特征(包括角砾成分、形态、排列方式, 填隙物类型与含量等)方面也具有显著差异。

鉴于此, 笔者基于鄂尔多斯盆地苏里格气田奥陶系马家沟组上组合丰富的岩心和薄片资料, 深入剖析角砾岩特征、宏观序列以及横向展布特征, 明确岩溶角砾岩形成时间与多样化成因机制, 探索适用于鄂尔多斯盆地准层状岩溶角砾岩的划分方案。在丰富岩溶作用理论研究的同时, 解译研究区多类型岩溶角砾岩成因, 讨论岩溶角砾岩的形成模式, 期望该研究结果能为丰富角砾岩的研究提供新的素材。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部, 是一个矩形构造盆地, 面积约2.5× 105 km2。研究区位于苏里格气田的东部(图1-a), 靠近伊盟隆起。伊盟隆起位于鄂尔多斯盆地北部, 西临桌子山断裂, 东至离石断裂, 北以黄河断裂为界与河套盆地相邻, 南与天环向斜、伊陕斜坡和晋西挠褶带逐渐过渡, 自结晶基底形成以来一直处于隆起剥蚀状态, 直至晚石炭世才普遍接受沉积(解国爱等, 2005)。鄂尔多斯盆地“ 一隆三凹” 的古构造格局自寒武纪早中期形成后未发生大规模变动(冯增昭和鲍志东, 1999), 至奥陶纪末因加里东运动使盆地整体抬升, 经历了1.3亿多年的沉积间断, 缺失泥盆系— 石炭系(侯方浩等, 2003)。

图1 苏里格气田东部马家沟组上组合地层分布与岩性柱状图
a— 苏里格气田东北部石炭系沉积前古地质图(据谢康等, 2020; 有修改); b— 马五段柱状剖面示意图(据何江等, 2013; 有修改)Fig.1 Distribution and lithologic column of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field

中奥陶世马家沟期, 鄂尔多斯盆地古气候发生由湿热向干热的周期性反复(侯方浩等, 2003), 经历3次海进与海退(侯方浩等, 2011), 其中马家沟组第五段(马五段)沉积期处于“ 震荡式” 海退(侯方浩等, 2002; 辛勇光等, 2010)。由于古气候以及相对海平面震荡的影响, 造成马五段内部沉积分异大。总体来看, 盆地西缘和南缘发育盆地和缓坡沉积(谢锦龙等, 2013); 盆地中东部主要发育潮坪相(冯增昭等, 1999; 李文厚等, 2012; 谢锦龙等, 2013), 各微相环绕米脂凹陷呈环带状分布, 平面展布变化大, 且上组合(马五1-马五4亚段)与中组合(马五5— 马五10亚段)沉积环境差异较大: 中组合主要发育局限— 蒸发潟湖、台内滩、滩间海、微生物丘和台坪沉积(席胜利等, 2017), 地貌变化较大; 上组合主要发育膏云坪、云坪、泥云坪沉积(谢锦龙等, 2013), 地貌较平缓, 岩性以泥晶白云岩、(含)溶模孔泥晶白云岩、泥质云岩、岩溶角砾岩等为主(图1-b)(熊鹰等, 2016; 谢康等, 2020)。

2 准层状角砾岩岩石学特征和分类

基于大量的岩心观察发现, 鄂尔多斯盆地马家沟组上组合沉积序列内均发育特征各异的岩溶角砾岩, 宏观上呈现多旋回叠置的特征(图1-b)。笔者将这些角砾岩称为“ 准层状岩溶角砾岩” , 其类型多样、形态复杂, 具体可分为5类。

2.1 B1型角砾岩

B1型角砾岩在研究区内广泛发育, 位于高频旋回的中上部, 单套角砾岩规模较大, 最厚可达3 m。该类角砾岩具有如下典型特征: (1)角砾颜色和成分与围岩一致, 多为浅灰色— 褐灰色含膏模孔泥粉晶云岩(图2-a, 2-b, 2-c); (2)角砾大小混杂, 形态多变, 但以次棱角— 棱角状为主(图2-a), 一些角砾因溶蚀而圆化(图2-d), 一些角砾因具港湾状溶蚀边而呈塑性假象(图2-e, 2-f); (3)邻近角砾多具可拼接性(图2-b, 2-e), 个别角砾具一定程度的旋转和位移(图2-f); (4)角砾间充填物与角砾成分相近, 多为围岩岩溶形成的渗流粉砂, 但黏土含量增加、颜色较围岩变深(图2-a, 2-d)。

图2 苏里格气田东北部马家沟组上组合B1(a-f)和B2(g-i)型角砾岩特征
a— 浅灰色角砾与褐灰色填隙物, 角砾内可见膏模孔, 3307.55 m, 马五4亚段, SD47-42井; b— 灰色角砾与褐灰色填隙物, 角砾具可拼合特征, 3236.00 m, 马五1亚段, T36井; c— 膏模孔泥粉晶云岩, 虚线部分勾绘的为不规则角砾雏形, 3446.37 m, 马五4亚段, Zh97井; d— 大小、形态各异的角砾, 邻近角砾可拼接, 3445.06 m, 马五3亚段, 单偏光, T51井; e— 具溶蚀港湾状边缘和示顶底构造的角砾, 3309.28 m, 马五4亚段, 单偏光, SD47-42井; f— 具港湾状溶蚀边(右下)和旋转位移(左上)的角砾, 3659.81 m, 马五4亚段, 单偏光, T44井; g— 高频暴露面, 之上为后期高频海侵泥质沉积, 之下为后期泥质填隙的不规则角砾, 3126.65 m, 马五3亚段, G1-13井; h— 泥质角砾岩, 见泥粉晶云岩(左下)、纹层状泥粉晶云岩(左上)及膏模孔泥粉晶云岩(右上)角砾, 3400.70 m, 马五4亚段, 单偏光, T60井; i— 泥粉晶灰岩角砾与粘结砂屑灰岩角砾, 残余砾间孔被泥质充填, 3599.41 m, 马五4亚段, 单偏光, T13井Fig.2 Characteristics of B1(a-f)and B2(g-i)breccias of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field

2.2 B2型角砾岩

B2型角砾岩多发育于高频旋回顶部, 厚度多小于1 m。该类型角砾岩具如下特征: (1)角砾形态和大小同样多变, 从溶蚀形成的假塑性到磨圆状皆存在(图2-g, 2-h, 2-i); (2)角砾成分较B1型复杂, 可见泥粉晶云岩、纹层状泥粉晶云岩、泥粉晶灰岩及粘结砂屑灰岩等多种类型角砾(图2-h, 2-i), 指示这些角砾为同期沉积并暴露角砾化后, 再经近源搬运混合而成; (3)角砾间多被后期高频初始海侵泥质沉积物充填(图2-h), 或被方解石胶结充填后再充填泥质沉积物(图2-i); (4)角砾可因较长时间暴露发生去云化(图2-i)。

2.3 B3型角砾岩

B3型角砾岩主要位于高频旋回中下部的洞穴中, 单层厚度变化大, 介于0.1~1.5 m之间。该类型角砾岩特征如下: (1)角砾大小多变, 具一定程度磨圆, 角砾支撑为主(图3-a, 3-b, 3-c, 3-d); (2)与B2型角砾比较, 其成分仍为近同期、近源的泥晶云岩、鲕粒云岩及纹层状泥晶云岩等复成分碳酸盐岩角砾(图3-c, 3-d); (3)角砾间被方解石或渗流粉砂充填, 少见后期沉积的泥质充填(图3-c, 3-d)。

图3 苏里格气田东北部马家沟组上组合B3(a-d)-B4(e, f)-B5(g, h)型角砾岩特征
a— 褐灰色角砾岩, 3448.06 m, 马五4亚段, Zh97井; b— 浅灰色角砾岩, 3540.84 m, 马五4亚段, T58井; c— 角砾岩, 角砾呈次圆— 次棱角状, 角砾间为渗流粉砂和方解石充填, 3448.06 m, 马五4亚段, 单偏光, Zh97井; d— 岩类多样的碳酸盐岩角砾, 3657.24 m, 马五4亚段, 单偏光, T44井; e— 洞顶的碎裂角砾岩, 3599.52 m, 马五4亚段, T13井; f— 洞壁的碎裂角砾岩, 3402.85 m, 马五2亚段, T42井; g— 杂乱堆积的坍塌角砾岩, 3405.25 m, 马五4亚段, T60井; h— 杂乱堆积的坍塌角砾岩, 3545.73 m, 马五4亚段, T39井Fig.3 Characteristics of B3(a-d)-B4(e, f)-B5(g, h)breccias of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field

2.4 B4型角砾岩

这类角砾发育位置不固定, 常见于B3型和B5型角砾岩的边缘和顶部, 厚度一般小于0.2 m。该类角砾岩性与基岩一致(图3-e, 3-f); 角砾边界较为平直, 可拼合性好(图3-e, 3-f); 角砾间多被亮晶方解石充填(图3-e)。从其产状、特征及充填物类型可与其余几类角砾岩很好地区分。

2.5 B5型角砾岩

B5型角砾岩在各高频旋回中发育频率较低, 多出现于高频旋回下部, 单套角砾岩厚度规模普遍大于1 m。与其余类型角砾岩相比, 其典型特征为: (1)与B3型、B4型角砾岩一样, 角砾成分为该旋回沉积的多样化岩类(图3-g, 3-h); (2)砾径差异最大, 多为角砾支撑, 角砾间被渗流砂、较小的砾石以及后期方解石胶结物充填(图3-g, 3-h); (3)角砾杂乱堆积, 产状从直立到水平状多样变化(图3-g)。

3 准层状角砾岩分布特征
3.1 纵向序列特征

为深入剖析不同类型角砾岩的特征差异、成因联系, 以及其与向上变浅序列和岩溶作用的关系, 本次研究系统梳理了29口取心井140个岩溶发育的向上变浅序列, 并归纳总结为3种典型类型。

3.1.1 序列Ⅰ : B1主发育型序列

整个序列以B1型角砾岩主要发育为特征(图4), 依据岩性差异与纵向岩溶作用发育特征, 由底至顶可划分为5个单元。

图4 苏里格气田东北部马家沟组上组合B1主发育型序列特征(马五1亚段, T36井)Fig.4 Characteristics of Type B1 main developmental sequence of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field (Ma51 sub-member, Well T36)

单元1: 深灰色块状泥云岩, 属旋回初期快速海侵产物, 与下伏褐灰色粉屑灰岩呈岩性突变接触。单元2: 灰褐色泥晶云岩, 向上变为含膏模孔泥晶云岩, 膏模孔向上变大并含量增加, 扩溶现象逐渐明显。单元3: B1型角砾与膏模孔互层段, 由下至上B1型角砾渐次明显, 切割破坏膏模孔泥晶云岩组构而使膏模孔向上减少; B1型角砾岩以水平状产出, 内部与边缘发育膏模孔。单元4: B1型角砾岩段, 角砾具弱水平状定向排列, 邻近角砾具较好的可拼接性。单元5: B1型角砾岩段, 角砾因溶蚀而圆度增高, 较单元4角砾化特征更为明显, 邻近角砾可拼接性变差。上覆褐灰色纹层状泥晶云岩而呈突变接触, 指示下一旋回的开始。

B1主发育型序列实际上是岩溶优势通道切割的假角砾化现象, 其向上的变化特征可与早期岩溶分带相对应, 单元2上部与深部缓流岩溶带相对应; 单元3和单元4岩溶特征指示其对应水平潜流岩溶带; 单元5对应垂直渗流岩溶带。从岩溶特征来看, 向上变浅序列的上部岩溶作用增强, 膏模孔特征遭到破坏而不明显; 但因岩溶强度较小, 水平潜流岩溶带的洞穴系统尚未发育, 序列顶部也未进一步改造为B2型角砾。

3.1.2 序列Ⅱ : B2-B3-B4组合发育型序列

该序列发育多种类型岩溶角砾岩(图5), 根据岩性差异与纵向岩溶特征, 由底至顶可划分为10个单元。

图5 苏里格气田东北部马家沟组上组合B2-B3-B4组合发育型序列发育特征(马五4亚段, Zh97井)Fig.5 Developmental characteristics of B2-B3-B4 combination sequence of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field (Ma54 sub-member, Well Zh97)

单元1: 黑色块状泥云岩, 代表海侵初期沉积。单元2: 代表岩溶改造弱的基岩段, 并因岩溶优势通道的开始形成而呈初始角砾化, 或向B1型角砾岩初始转变。单元3: B3型角砾岩段, 代表水平潜流带溶洞开始形成, 洞穴内角砾具有近源搬运和磨圆特征。单元4: B4型角砾岩段, 其形成与下部溶洞洞顶因失去支撑和后期沉积导致的碎裂有关。单元5: B3型为主角砾岩段, 角砾形态以次圆状— 次棱角状为主。单元6、8: 这2个单元的下部皆为B4型, 中部为改造较弱的围岩特征, 上部仍为岩溶优势通道切割的B1型角砾特征。单元7、9: B1型角砾岩段。单元10: B2型角砾岩段。上覆后期初始海侵的灰色泥云质沉积。

与序列Ⅰ 相较, 序列Ⅱ 岩溶强度增大, 并发育出单元3的水平潜流岩溶带洞穴角砾组合(B3-B5型)和单元10的近地表岩溶带的B2型角砾, 其间的单元4— 单元9为垂直渗流与水平潜流岩溶带的优势岩溶通道切割形成的B1型角砾, 但两带之间界线模糊。

3.1.3 序列Ⅲ : B5主发育型序列

该序列以发育B5型角砾岩为主要特征(图6-旋回2), 根据岩性差异与纵向岩溶特征, 由底至顶可划分为2个单元。

图6 苏里格气田东北部马家沟组上组合连续序列发育特征(旋回1为B2-B3-B4组合发育序列, 旋回2为B5主发育序列, 马五3亚段, T44井)Fig.6 Characteristics of continuous sequence of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field(Cycle 1 is the B2-B3-B4 combination and cycle 2 is the B5 main sequence , Ma53 sub-member, Well T44)

单元1: 角砾为旋回1顶部的B2型角砾, 泥质支撑, 为后期海侵搅动并与泥质沉积物混合而成。单元2: 总体为B5型角砾岩, 顶部具B2型角砾特征。

B5主发育型序列特征表明, 随岩溶强度的进一步增强, 水平潜流岩溶带洞穴系统持续扩大, 最终失去支撑而整体坍塌, 从而整个序列整体角砾化。

3.1.4 高频海平面升降与岩溶角砾岩多旋回叠置

前已述及, 当岩溶强度较强时, 同一旋回可出现多种类型的多旋回角砾岩(图5), 而马五1-4亚段高频海平面升降频繁, 高频暴露岩溶势必会形成多旋回准层状角砾岩。

以T58井为例(图7), 根据岩心的精细描述与解译发现, 马五4亚段的取心段(3539.5~3546.0 m)由上至下可识别出4个高频旋回, 涵盖3种典型序列。旋回1、2为B5主发育型序列; 旋回2顶部暴露时间段, 溶沟开始切割形成初始角砾化; 旋回3为B1主发育型序列; 旋回4为B2-B3-B4组合发育型, B4型角砾位于序列底部和中上部, B1、B3型角砾发育于序列中部, B2型角砾发育在序列顶部。

图7 苏里格气田东北部马家沟组上组合高频旋回发育特征(马五4亚段, T58井)Fig.7 Characteristics of high frequency cycle of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field (Ma54 sub-member, Well T58)

3.2 角砾岩横向展布特征

根据前述分析发现, 研究区马五1-4亚段普遍发育3种类型的角砾, 且在垂向上频繁叠置。为分析各高频暴露旋回横向分布稳定性, 笔者利用研究区丰富的取心资料, 通过岩电标定发现, 马五1-4亚段内GR值正向漂移与高频初始海侵的富泥沉积能一一对应, 因而利用GR值高低旋回性变化可划分未取心井高频旋回并进行旋回对比。分析表明, 当GR值为30 API左右、AC值介于60~110 μ s/ft之间时为岩溶角砾岩段。

为说明角砾岩的横向展布稳定性, 笔者针对马五 41亚段的5口皆有部分取心的井, 对未取心段按前述原则进行岩性标定解释和旋回对比。结果表明, 马五 41亚段可划分出4个向上变浅序列, 而岩溶角砾岩发育在旋回中上部, 各旋回上部角砾岩横向可追踪对比, 仅厚度规模出现差异(图8)。同时, 这也指示岩溶角砾岩的发育与高频沉积旋回密切相关。

图8 苏里格气田东北部Zh97-T6井马五 41亚段横向对比(剖面位置见图1-a)Fig.8 Lateral comparison of the Ma 541 submember of Majiagou Formation from Well Zh97-T6 in northeastern Sulige Gas Field(section location shown in Fig.1-a)

前已述及, 不同类型的岩溶角砾岩纵向发育位置存在差异:B2型岩溶角砾岩发育于序列顶部; B3型、B4型岩溶角砾岩发育于序列中下部; B1型、B5型岩溶角砾岩可在整个序列发育。然而, 同一旋回的同类型岩溶角砾岩在横向上连续性差, 推测与沉积地貌控制的暴露时间差异有关。

4 讨论
4.1 准层状岩溶角砾岩与风化壳角砾岩的区别

前人研究普遍认为, 鄂尔多斯盆地马家沟组上组合角砾岩形成于加里东期风化壳岩溶阶段(何江等, 2013; 丁晓琪等, 2016)。本次研究发现研究区内尽管也存在与前人报道特征相符的风化壳岩溶角砾岩, 但其与笔者所重点剖析的准层状角砾岩仍有显著差异, 两者可能为不同时期的岩溶产物。具体而言, 风化壳岩溶角砾颜色与填隙物反差大, 角砾间多充填陆源砂和铝土质泥(图9-a, 9-e, 9-f, 9-h)。而准层状角砾颜色与围岩和填隙物一致, 或填隙物颜色略深(图2-a); 因角砾多为优势通道切割围岩而成, 故其成分与围岩一致, 且邻近角砾可拼合; 角砾间充填物多为围岩溶蚀产生的渗流物(图2-d), 或为后期高频初始海侵沉积物混合充填(图2-h)。同时, 陆源碎屑充填的加里东期风化壳系统切割早期岩溶形成的B1型角砾(图9-e, 9-g), 表明准层状岩溶系统发育时期更早。

图9 苏里格气田东北部马家沟组上组合加里东期风化壳岩溶角砾岩特征
a— 风化壳岩溶角砾岩, 角砾间充填陆源砂、铝土质泥岩, 3544.15 m, 马五2亚段, T13井; b— 杂色风化壳角砾岩, 角砾呈土黄色, 3482.17 m, 马五1亚段, T39井; c— 暗紫色风化壳岩溶角砾岩, 3221.30 m, 马五1亚段, Sh243井; d— 杂色风化壳角砾岩, 角砾间为铝土质泥充填, 3220.89 m, 马五1亚段, Sh243井; e— 加里东期溶沟切割B1型岩溶角砾岩, 3443.55 m, 马五4亚段, S5井; f— 风化壳岩溶角砾, 填隙物为陆源砂, 3544.15 m, 马五2亚段, 正交光, T13井; g— e图局部素描; h— f图局部放大照片, 左侧单偏光, 右侧正交光, T13井Fig.9 Characteristics of Caledonian weathering crust karst breccia of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field

综合前述宏、微观特征, 可以总结出这类准层状岩溶具有如下的识别标志:(1)高频暴露面频繁发育, 角砾间或岩溶系统中充填后期高频初始海侵的富泥沉积物(图2-g); (2)优势通道切割形成的角砾化具典型的可拼合特征(图2-b); (3)岩溶角砾与围岩岩性一致(图2-d), 或是近源的复成分碳酸盐岩(图2-h); (4)角砾间填隙物成分、颜色为与围岩一致的渗流粉砂, 或不同程度地混入下一次海侵旋回的富泥沉积物(图2-e); (5)优势岩溶通道形状可约束角砾港湾状边缘, 使角砾呈不规则状或塑性角砾的假象(图2-c, 2-e)。上述特征与其他学者研究提出的高频海平面变化驱动的早成岩期岩溶具有角砾、填隙物皆为基岩离解和近原地充填的观点(Xiao et al., 2019; 谢康等, 2020)是一致的。

此外, 通过对58个韵律层状角砾岩段和22个风化壳角砾岩段的单层厚度进行统计(图10-a), 发现两者的发育规模也存在显著差异:韵律层状角砾单层厚度主要集中于0~1.5 m之间; 而加里东期角砾段厚度变化大, 单层厚度主要介于5.0~9.0 m之间。韵律层状角砾岩虽单层厚度小, 但发育层位稳定, 可对比性强, 纵向上多旋回叠置; 相较而言, 加里东期风化壳岩溶虽影响深度一般小于60 m, 但横向变化快(侯方浩等, 2005)。同时, 准层状角砾岩在不同小层发育程度也存在差异, 统计表明自马五1亚段向马五3亚段角砾岩占比略微增大, 马五4亚段角砾岩最为发育(图10-b), 这一特征可能是向上风化壳岩溶叠合改造干扰所致。

图10 苏里格气田东北部马家沟组上组合角砾岩分布发育统计
a— 单层岩溶角砾岩厚度分布频率; b— 各亚段准层状岩溶角砾岩占比Fig.10 Distribution and development statistics of breccia of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field

4.2 准层状岩溶角砾岩成因分类方案

早成岩期岩溶作用受次级沉积旋回和海平面升降变化的控制, 在海退和向上变浅的沉积序列中, 伴随海平面暂时性相对下降, 时常出露海面或处于淡水透镜体内, 接受富含CO2的大气淡水淋溶(陈景山等, 2007)。具体到鄂尔多斯盆地奥陶纪马家沟组沉积时期, 古气候干热, 海平面频繁升降(侯方浩等, 2011), 加之沉积地貌平缓、沉积水体浅, 极易发生较大范围的准同生期暴露溶蚀作用。

大量岩心观察发现, B1型角砾岩的基岩以泥粉晶云岩为主, 早成岩期未经历强烈埋藏、压实、压溶和胶结作用, 具有高孔隙度和渗透率, 岩溶流体非选择性溶蚀, 在粒(晶)间呈漫流式流动(谭秀成等, 2015)。缓慢流动过程中不断对基质进行溶解使岩石渗透率升高, 使更多的岩溶流体进入并沿先期扩大的路径流动, 从而形成岩溶管道(图2-d)(Moore et al., 2010), 并在三维空间内构成网状交织系统(Xiao et al., 2019; 谢康等, 2020; 金民东等, 2020), 将基岩切割成B1型角砾(图2-a)。此外, 石膏类不稳定矿物在早成岩期易被选择性溶蚀形成粒内溶孔、铸模孔(陈景山等, 2007), 这些溶孔成为岩溶流体优先汇聚和溶解的区域, 它们被扩大并连通形成管道, 未溶蚀部分也会形成B1型角砾(图2-c), 这也是B1型角砾常与膏模孔伴生的原因。

B1型角砾岩的形成, 因岩溶强度不同可分为3个阶段:(1)当岩溶强度较小、岩溶优势通道开始形成时, 优势通道可混入后期高频初始海侵的暗色沉积物而具不规则角砾的雏形(图2-c); (2)随着岩溶强度持续增强, 发育的优势岩溶通道切割基岩而呈较为典型的近原地角砾化, 角砾具可拼合特征, 且一些角砾边缘具溶蚀港湾(图2-b); (3)当岩溶强度进一步增强时, 一些角砾可因溶蚀而圆化, 可拼合性变差, 但仍可从角砾充填物成分判识其具有近原地角砾化特征(图2-a)。

岩溶流体对近地表处碳酸盐岩具有高度不饱和性(肖笛, 2017), 当岩溶流体供给增加, 溶解速率增大, 管道持续扩大变为溶沟(Xiao et al., 2019)。其内部溶解物质被流体搬运, 未被溶解的物质原地堆积, 成为B2型角砾(图2-g)。后期海平面短暂上升, 大量泥质沉积物灌入B2型角砾内部(图2-h), 或淹没在海底潜流环境中被方解石胶结(图2-i)(陈景山等, 2007)。

当岩溶流体向下运移与水平潜流带流体混合时, 会造成对碳酸盐不饱和并产生溶蚀作用(Bö gli, 1980), 且潜流带流体流速快、溶蚀作用强, 更易形成大型管道和溶洞(Xiao et al., 2019)。岩溶流体携带溶解物质、不溶残余物以及邻近地层产生的角砾(Farrant and Smart, 2011), 同海水中的细粒沉积物(肖笛等, 2015)一起在溶洞内部沉积, 构成B3型角砾(图3-a)。

伴随着溶蚀程度的增加以及溶洞系统向深部的扩展, 留有残余空间的洞穴顶部与洞壁因压力增加而发生破裂(Loucks, 1999), 产生B4型角砾(图3-e)和裂缝。若应力完全释放, 洞穴发生坍塌(Loucks, 1999; Kerans, 1988), 不同类型的角砾混杂堆积, 便产生B5型角砾(图3-g)。

依据不同类型角砾的形成原因, 结合角砾产状、发育位置, 对其进行命名(表1)。

表1 苏里格气田东北部马家沟组上组合岩溶角砾岩特征 Table1 Characteristics of karst breccia of the upper Majiagou Formation in northeastern Sulige Gas Field
4.3 准层状岩溶角砾岩发育模式

由高频海平面变化驱动的(准)同生期暴露溶蚀作为早成岩期岩溶的一种特例(Vacher and Mylroie, 2002), 其发育分布受海平面变化的直接控制(鲍志东等, 2007)。海平面下降时, 生物礁、颗粒滩等浅水沉积体出露海面或处于淡水透镜体内接受岩溶作用的改造(鲍志东等, 2007; 陈景山等, 2007; 张宝民等, 2009)。高频海平面升降使浅水沉积体频繁暴露, 最终使得溶蚀作用在垂向上呈多旋回叠置出现, 横向上可对比(谭秀成等, 2015)。

马家沟组沉积期属加里东构造阶段, 华北地台整体稳定抬升(王鸿祯, 1982)。此时期气候干热, 海平面因华北地台缓慢地阶段性抬升而呈“ 震荡式” 波动(侯方浩等, 2002; 辛勇光等, 2010)。由于马五6亚段巨厚膏盐层的填平补齐效应(黄道军等, 2021), 马家沟组上组合沉积地貌相较于中下组合更为平缓, 在整体浅水和频繁海平面变化的背景下, 有利于发生较大范围的准同生期暴露溶蚀。具体来说, 当海平面缓慢下降时, 相对地貌高地易出露水面接受大气淡水淋滤改造(图11-b中g和f), 此时地貌高部位发生短暂沉积间断, 而其两侧的地貌相对低处则由于可容空间充足, 沉积作用持续进行, 地貌的横向起伏差异进一步缩小(图11-c)。在下一旋回的海侵— 海退过程中, 先期地貌相对低处也可能暴露于海面之上(图11-d), 大气淡水透镜体在纵向叠置的同时发生横向迁移和邻接。不同沉积旋回、不同暴露阶段形成的岩溶(角砾)系统在空间上逐渐呈现出纵向叠置、横向连续可对比的展布特征, 最终构成研究区独具特色的“ 准层状” 岩溶角砾岩分布模式(图11-e)。

图11 苏里格气田马家沟组上组合准同生期暴露溶蚀及准层状角砾岩发育模式
a— 海平面快速上升时期; b— 海平面缓慢下降, 地势高处暴露, 发生岩溶作用, 地势低处仍接受沉积; c— 海平面快速上升, 携带大量碎屑颗粒和泥质沉积物充填于早期形成的岩溶系统内; d— 海平面缓慢下降, 局部地貌高处再次发生暴露, 接受岩溶改造, 大气淡水透镜体在纵向叠置的同时发生横向迁移和相接; e— 海平面多旋回周期性升降后, 研究区角砾岩呈现出纵向叠置、横向对比的“ 准层状” 分布模式; f— B1主发育型序列, 上部为近原地解离角砾, 下部发育溶孔; g— B2-B3-B4组合发育型序列, 岩溶系统完整发育, 见溶沟、溶洞、近地表堆积角砾、洞穴坍塌角砾和洞穴堆积角砾; h— B5主发育型序列, 坍塌角砾杂乱堆积, 内部富泥质沉积物Fig.11 Exposure dissolution and development model of parasimbedded breccia of the upper Majiagou Formation in Sulige Gas Field

岩溶序列内部的差异性则受暴露时间或岩溶强度控制: 当暴露时间较短或岩溶流体供给不持续时, 岩溶强度较弱, 主要以扩散渗流和少量管道形式切割基岩, 形成B1主发育型序列(图11-f)。当暴露时间中等或岩溶流体供给相对稳定时, 岩溶流体将长时间处于不饱和状态(鲍志东等, 2007), 顶部岩层持续溶解并发育为近地表堆积角砾(图5中单元10; 图6中旋回1单元7), 中下部将发育溶孔、溶沟以及近原地解离角砾、洞穴堆积角砾和洞顶(壁)碎裂角砾(图5中单元2-9; 图6中旋回1单元2-6), 构成B2-B3-B4组合发育型序列(图11-g)。当暴露时间过长或岩溶流体供给充足时, 岩溶流体的溶解能力达最大, 快速的溶解与堆积导致洞穴内外压差过大发生坍塌, 不同类型的岩溶角砾岩混杂堆积(图6中旋回2), 形成B5主发育型序列(图11-h)。

5 结论

1)根据成因与产状特征, 将鄂尔多斯盆地马家沟组上组合准层状岩溶角砾划分5类, 分别是近原地解离角砾(B1型角砾)、近地表堆积角砾(B2型角砾)、洞穴堆积角砾(B3型角砾)、洞顶(壁)碎裂角砾(B4型角砾)、坍塌角砾(B5型角砾)。不同类型的角砾岩可构成多套向上变浅序列, 总结为3类: B1主发育型、B2-B3-B4组合发育型、B5主发育型, 整体呈纵向多期叠置、横向连续的准层状特征。

2)角砾岩的差异性主要受岩溶强度和序列结构控制: 基岩被网状管道切割成角砾状, 称为近原地解离角砾(B1型角砾); 近地表岩石被岩溶流体溶解, 不溶物质原地堆积成为近地表堆积角砾(B2型角砾); 溶洞内部堆积洞内以及邻近地区的角砾, 称为洞穴堆积角砾(B3型角砾); 洞顶及四周压差过大产生裂纹形成洞顶(壁)碎裂角砾(B4型角砾); 岩溶强度过大沉积序列整体坍塌, 成为坍塌角砾(B5型角砾)。

3)研究区内地貌高地在阶段性海退过程中发生准同生期暴露溶蚀形成岩溶角砾岩系统, 整体浅水、沉积可容空间变化和频繁海平面波动使得大气淡水透镜体在纵向叠置, 同时发生横向迁移和相接, 最终呈现出纵向多旋回叠置、横向连续可对比的“ 准层状” 岩溶角砾岩空间分布特征。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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