海西早期的古地貌图显示, 塔河西部地区地貌东高西低且呈现出阶梯状(图 2-A)。李源和蔡忠贤(2016)观察到这一现象并首次在塔河东部主体区识别出了4个岩溶台面。岩溶台面的识别方法包括水系汇流点法、地层上超终止法和水系侵蚀阶地法(李源和蔡忠贤, 2016)。地层超覆现象与河床陡降段(裂点)可以作为台面划分的显著标志。基于塔河油田西北部东西向骨架对比剖面, 通过上超终止点标定, 以岩溶地貌为约束, 在研究区共识别出了3个岩溶台面(图 2-A)。以WE1剖面为例(图2-B), 石炭系有3处发生超覆(图 2-D, 2-E, 2-F)。东西向水系纵剖面上河床有2处明显陡降段(图 2-C, 2-G, 2-H), 说明研究区东西向水系跨越了3个岩溶台面, 分别为台面4、台面5和台面6。

图 2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 2 塔河油田海西早期古地貌图、东西向地震剖面与东西向河流纵剖面 A— 海西早期古地貌图; B— WE1原始地震剖面; C— 东西向水系原始地震剖面; D— WE1第1处地层超覆; E— WE1第2处地层超覆; F— WE1第3处地层超覆; G— 东西向水系第1处河流裂点; H— 东西向水系第2处河流裂点Fig.2 Early Hercynian paleogeomorphic map, east-west seismic profile, and east-west river longitudinal profile of Tahe oilfield

目前对于古岩溶地表水系的识别方法已经多有文献报道, 主要包括趋势面分析、RGB混频分色技术、精细相干属性、振幅属性以及倾角曲率属性等(鲁新便等, 2014; 郭川等, 2016; 李源等, 2016b)。不同方法对于不同背景下形成的水系所识别出的结果具有一定差异性。

本次研究通过提取塔河油田中下奥陶统风化壳趋势面图(图 3-A)、中下奥陶统顶部倾角曲率属性(图 3-B)、精细相干属性(图 3-C)和岩溶古地貌(图 3-D)对研究区岩溶古水系进行了重建。趋势面是在层位数据解释的基础之上对层位进行平滑处理, 得到一个平滑趋势面, 将原层位与平滑趋势面层位相减, 连续的负地形代表岩溶古水系。曲率属性对于构造变化较为敏感, 可以识别出较小的褶皱、凸起特征。向斜核部为最大负曲率处, 沿不整合面做瞬时切片, 最大负曲率值所构成的连续网络即是地表水系。精细相干属性是通过不整合面上的差异点对水系进行刻画。当不整合面上存在河道时, 在相邻地震道之间会产生差异性。精细相干属性可以追踪出这些差异点的平面几何形态, 从而将河道刻画出来。古地貌控制着水系的展布格局。地层构造抬升、挤压变形对于河道这种微地貌影响很小, 因此地表河道在地貌上保存较为完整(刘伟方等, 2013; 李源, 2016)。

图 3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 3 塔河油田西北部古岩溶地表水系刻画方法 A— 塔河油田西北部趋势面图; B— 塔河油田西北部倾角曲率属性; C— 塔河油田西北部精细相干属性; D— 塔河油田西北部古地貌图Fig.3 Characterization method of paleokarst surface water system in northwestern Tahe oilfield

主干水系在趋势面中呈现出紫色或深蓝色, 分支水系呈现出浅蓝色。其中主干水系在所有属性图中均较为清楚, 分支水系主要是依据趋势面和倾角曲率属性进行刻画。

TH121108CX井是位于主干水系旁的一口侧钻井, 侧钻方向为东南向, 水平侧钻距离为532 m(图 1-C), 为水系结构的验证提供了重要的参考资料。

TH121108CX井资料显示该井出现了地层重复现象(图 4-A)。 T74在该处的垂直深度为5847 m, 钻井侧钻点为5780 m。地层重复的原因是因为钻井在侧钻过程中首先从上覆巴楚组进入鹰山组, 然后穿过其地表V型河道, 最终再次进入鹰山组(图 4-B)。V型河道中的沉积物主要是奥陶系上覆地层的泥岩和含砾泥岩(图 4-A)。该井地层重复现象与沉积物特征说明通过上述方法所刻画出的地表水系较为准确。

图 4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 4 塔河油田西北部TH121108CX井测井曲线与井轨迹 A— TH121108CX井测井曲线; B— TH121108CX井轨迹Fig.4 Logging curves and well trajectory of Well TH121108CX in northwestern Tahe oilfield

研究区发育3个大型地表流域结构, 自西向东分别为Rw4、Rw6和Rw8。Rw4呈北东— 南西向汇流, Rw6和Rw8呈南北向汇流。

其中, Rw4地表流域面积最大、汇水量最多, 主干水系南北向汇流为主, 汇聚了来自东西向分支水系的全部汇水量, 分支水系东西向汇流为主, 控制了南北向汇流的三级分支系统。主干水系东侧分支水系明显较为密集, 因此, Rw4地表流域呈现出不对称网络结构, 且无论是东西向分支水系还是南北向主干水系都展现出了明显的蛇曲特征(图 5)。

图 5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 塔河油田西北部古岩溶地表水系平面分布Fig.5 Plane distribution of paleokarst surface water system in northwestern Tahe oilfield

4.1.1 蛇曲形态学特征

本次研究从Rw4东西向分支水系中划分出15个单一河曲, 编号为D1-D15, 南北向主干水系中划分出12个单一河曲, 编号为N1-N12(图 5)。从平面几何形态学角度可以将单一河曲分为U型、V型和Ω 型, 其定义是作一条垂直于河曲轴长的线段, 从曲流顶部沿着河曲轴长向曲流颈方向移动, 若该线段一直增大则为V型河曲, 若线段先增大后变小则为Ω 型河曲, 若线段先增大后不变则为U型河曲(赵鑫, 2019)。

在Rw4东西向分支水系中, D2、D7、D10、D11、D12与D13属于Ω 型河曲, D1、D6、D8属于U型河曲, 其余可以归结为V型河曲(图 6-A)。其中在V型河曲中, D9属于较为宽缓的V型河曲, 其形态介于V型与U型之间。此外, 南北向主干水系所划分出的12个河曲同样具有这3种形态特征, N2、N7、N10属于U型河曲, N6、N11、N12属于Ω 型河曲, 其余为V型河曲(图 6-B)。

图 6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 6 塔河油田西北部Rw4水系单河曲形态 A— Rw4东西向水系单河曲形态; B— Rw4南北向水系单河曲形态Fig.6 Single meander pattern of Rw4 river system in northwestern Tahe oilfield

4.1.2 蛇曲表征参数

河曲表征参数包括单一河曲参数和河曲带参数(张斌等, 2007)。单一河曲参数包括L(曲流颈长)、S(水系长)、C(弯曲率)、e(封闭率)、M(河曲轴长)等。水系长S代表单一河曲的长度, 曲流颈长L为单个河曲颈部两侧间的宽度, 弯曲率可以表示河曲的弯曲程度, 在数值上等于水系长S与曲流颈长L的比值。河曲轴长M为曲流颈中点到河曲顶点的距离, 能够反映河曲侧向摆动的幅度。封闭率e同样也可以表示河曲的弯曲程度, 封闭率越接近于1, 则河曲的弯曲程度越大, 封闭率等于1时, 说明曲流颈被切穿, 河曲已经发生了截弯取直。弯曲率与封闭率的计算公式如下:

C=SLe=S(S+L)=C(C+1)

河曲带参数包括水系长S、河曲带轴长L、弯曲率C、振幅W、波长λ 以及分形维数D。振幅W也可以将其称之为河曲带宽度, 波长λ 表示河曲带中2个曲流波峰之间的距离。通常用河曲带振幅与波长2个参数的组合来表示河曲带弯曲程度, 若波长λ 为定值, 振幅W越大或者振幅W为定值, 波长越小则表示河曲带越弯曲。分形维数D是河流弯曲度的另一种参数表征。曲流带弯曲度越高, 形态越复杂, 则分形维数值就越大(范勇, 2013)。

本研究基于盒维数法对2条曲流带的分形维数进行计算。盒维数法基本原理是用正方形网格覆盖河曲带时, 会得到包含河曲带片段的正方形数目。当正方形边长e不断的变化时(e1, e2, e3······), 会得到一组包含河流片段的网格数目(N(e1), N(e2), N(e3)······)。以点(lge, lgN(e))为坐标作双对数图, 用最小二乘法可以拟合一条直线:

lgN(e)=A-Dlge

斜率D即为河曲带的分形维数。

4.1.3 曲流河表征结果

选用水系长S、曲流颈长L、弯曲率C和封闭率e对Rw4水系单河曲参数进行计算(表 1), 其中东西向水系的单河曲弯曲率最小值为1.65, 最大值为13.91, 平均值为4.14, 南北向主干水系的单河曲弯曲率最小值为1.79, 最大值为9.74, 平均值为3.87。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向单河曲参数 Table 1 Rw4 east-west and north-south single meander parameters in northwestern Tahe oilfield 河曲编号 水系长 S/km 曲流颈轴长 L/km 弯曲率C 封闭率e D1 2.09 0.73 2.86 0.74 D2 2.99 0.59 5.07 0.84 D3 1.67 0.57 2.93 0.75 D4 1.68 0.71 2.79 0.74 D5 1.96 0.86 2.28 0.70 D6 2.81 1.18 2.38 0.70 D7 6.12 0.44 13.91 0.93 D8 3.05 1.32 2.31 0.70 D9 3.61 2.19 1.65 0.62 D10 3.32 1.45 2.29 0.70 D11 7.18 1.74 4.13 0.80 D12 4.66 0.93 5.01 0.83 D13 4.12 0.50 8.24 0.89 D14 1.36 0.53 2.57 0.72 D15 1.49 0.40 3.73 0.79 N1 1.70 0.86 1.97 0.66 N2 1.78 0.22 8.09 0.88 N3 1.51 0.61 2.48 0.71 N4 1.10 0.40 2.75 0.73 N5 1.20 0.67 1.79 0.64 N6 4.19 0.43 9.74 0.91 N7 0.99 0.52 1.90 0.66 N8 2.40 1.03 2.33 0.70 N9 1.58 0.82 1.93 0.66 N10 0.98 0.48 2.04 0.67 N11 1.03 0.12 8.58 0.90 N12 1.86 0.64 2.91 0.74

表 1 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向单河曲参数 Table 1 Rw4 east-west and north-south single meander parameters in northwestern Tahe oilfield

沈玉昌和龚国元(1986)根据弯曲率大小, 将弯曲率大于1.5的河曲称之为蛇曲, 小于1.5的河曲称之为一般弯曲。从Rw4水系所划分出的单一河曲中, 其弯曲率的最小值均超过了定义蛇曲的弯曲率临界值。且东西向与南北向个别河曲封闭率已经超过了0.9, 几乎处于完全封闭的状态, 因此可以认为Rw4水系中的单一河曲具有典型的蛇曲特征。

对Rw4水系长、河曲轴长、弯曲率、振幅、波长(表 2)等河曲带参数进行计算, 东西向河曲带弯曲率为2.42, 波长为1.69 km, 振幅为0.76~3.24 km, 南北向河曲带弯曲率为1.78, 波长为2.68 km, 振幅为0.53~2.70 km。在张斌等(2007)统计的国内外典型的蜿蜒性河曲带参数中, 嘉陵江苍溪河曲带弯曲率为2.40, Seine河Rouen河曲带弯曲率为2.19, Shenandoah河南支河曲带弯曲率为1.98。Rw4河曲带弯曲率与国内外典型的蜿蜒性河曲带弯曲率差距较小, 甚至东西向河曲带弯曲率超过了国内外部分典型的蜿蜒性河曲带, 因此Rw4水系完全符合蜿蜒性河曲带标准。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向河曲带参数 Table 2 Rw4 east-west and north-south meandering belt parameters in northwestern Tahe oilfield 名称 水系长 S/km 河曲轴长 L/km 弯曲率 C 振幅 W/km 波长 λ /km 东西向河曲带 43.09 17.78 2.42 0.76~3.24 1.69 南北向河曲带 33.48 18.8 1.78 0.53~2.70 2.68

表 2 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向河曲带参数 Table 2 Rw4 east-west and north-south meandering belt parameters in northwestern Tahe oilfield

除上述参数外, 分形维数D是河流弯曲度的另一种参数表征, 一般认为直线的分形维数是1, 河曲带分形维数越大表明河曲带越复杂。根据盒维数法计算得到东西向河曲带分形维数为1.340, 南北向河曲带分形维数为1.324(表3)。通过2条河曲带参数对比, 东西向水系的弯曲率与分形维数均高于南北向水系, 东西向水系相较于南北向水系蜿蜒性河曲特征更加显著。

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向河曲带分形维数 Table 3 Rw4 east-west and north-south meandering belt fractal dimension in northwestern Tahe oilfield 名称 分形维数D 相关系数 直线 1 东西向河曲带 1.340 0.9960 南北向河曲带 1.324 0.9958

表 3 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向河曲带分形维数 Table 3 Rw4 east-west and north-south meandering belt fractal dimension in northwestern Tahe oilfield

4.2.1 水系下切的形态学特征

为了研究Rw4水系的下切特征, 分别对其东西向分支水系和南北向主干水系的横剖面进行追踪与对比。其中东西向分支水系共构建了33条横剖面, 并按照台面界线将其划分为3个区段, 南北向主干水系构建27条横剖面, 并根据下切形态和程度划分为3个区段, 自北向南分别为AB段、BC段和CD段(图 7)。

图 7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 7 塔河油田西北部Rw4南北向与东西向水系横剖面所对应的水系形态 A— Rw4南北向水系形态; B— Rw4东西向水系形态Fig.7 Water system morphology corresponding to the north-south and east-west water systems cross sections of Rw4 in northwestern Tahe oilfield

如图 7所示, 自东向西, 台面4到台面6的水系下切形态整体上以V型为主。其中, 台面6的水系下切深度较为稳定, 变化不大, 整体下切较深。台面5水系下切深度不均匀, 变化较大, 但是最大与最小的水系下切深度均位于台面5中。台面4从E1到E9水系下切深度逐渐减小, 且相较于其他台面, 其下切深度最小。南北向AB与CD段水系呈现出单一V字型并且CD段的水系形态相对较为宽缓, 而BC段水系形态则呈现出复合V字型。从下切深度来看, BC段水系下切深度最大, 明显高于AB段和CD段, CD段水系下切深度最小。

4.2.2 水系下切的表征参数

通过垂直水系方向切取了横剖面从而对水系的宽度和深度进行统计, 其中E1-E9号水系横剖面位于台面4中, 其最大深度为169.46 m, 最小深度仅为54.82 m。台面5中, 由于水系较为曲折且台面相对较宽, 因此切取的横剖面数量较多, 包含E10-E23共14条横剖面, 其水系最大深度为209.89 m, 最小深度为34.95 m。台面6包含E24-E33共10条横剖面, 该台面水系最大深度为193.82 m, 最小深度为114.47 m(表4)。

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向水系宽深参数统计 Table 4 Statistics of width and depth parameters of east-west and north-south water systems of Rw4 in northwestern Tahe oilfield 横剖面 编号 水系宽度 /m 水系深度 /m 横剖面 编号 水系宽度 /m 水系深度 /m E1 393.41 117.88 E31 419.78 157.05 E2 547.72 169.46 E32 415.83 127.72 E3 551.17 168.65 E33 249.76 130.54 E4 346.57 149.09 S1 388.64 63.51 E5 593.57 133.40 S2 667.10 67.66 E6 298.75 76.65 S3 382.56 55.33 E7 546.73 101.71 S4 411.19 42.07 E8 360.87 86.35 S5 498.81 42.47 E9 357.50 54.82 S6 360.88 33.63 E10 455.53 76.32 S7 250.70 20.90 E11 314.04 148.28 S8 746.05 144.70 E12 344.61 107.69 S9 530.04 123.80 E13 499.90 122.08 S10 307.96 118.71 E14 254.39 92.01 S11 550.86 139.74 E15 830.71 169.14 S12 595.10 109.86 E16 563.50 189.35 S13 498.81 122.73 E17 231.31 34.95 S14 361.74 127.28 E18 458.01 115.80 S15 390.37 131.17 E19 249.76 99.23 S16 444.16 152.74 E20 523.25 209.89 S17 329.65 140.01 E21 309.07 114.47 S18 195.18 134.92 E22 519.29 198.96 S19 608.11 202.44 E23 461.30 193.99 S20 719.15 191.19 E24 315.00 193.82 S21 719.15 173.37 E25 501.50 141.64 S22 579.49 143.89 E26 398.70 136.34 S23 771.20 68.20 E27 628.69 160.52 S24 359.14 119.24 E28 377.61 141.64 S25 330.51 93.52 E29 377.61 114.47 S26 442.42 80.79 E30 523.91 114.97 S27 333.12 41.94

表 4 塔河油田西北部Rw4东西向与南北向水系宽深参数统计 Table 4 Statistics of width and depth parameters of east-west and north-south water systems of Rw4 in northwestern Tahe oilfield

在南北向3段水系中, S1-S7号水系横剖面位于CD段, 该段水系最大下切深度为67.66 m, 最小下切深度为20.90 m。BC段中包含了S8-S24共17条横剖面, 该段水系深度基本上全部超过100 m, 最大值达到了202.44 m。AB段仅含有3个水系横剖面, 最大水系深度为93.52 m(表4)。南北向水系中, 无论是从水系剖面形态上或是从统计的的水系深度参数上来看, BC段水系下切深度最大, CD段水系下切深度最小。

4.2.3 水系下切的表征结果

为了探明东西向不同台面下所对应的水系下切深度的差异性, 进一步统计了东西向的水系宽深比(表 5)并绘制了水系宽深比折线图(图 8)。南北向水系的下切深度差异性明显, 这里便不再进一步阐述。在东西向水系中, 台面4、5、6水系宽度平均值分别为444.04 m、429.61 m、420.83 m, 在水系宽度差距较小的情况下, 水系宽深比能够较好地反映出水系下切深度的差异性。

表 5

Table 5

表 5(Table 5)

表 5 塔河油田西北部Rw4东西向水系宽深比统计 Table 5 Statistics of breadth depth ratio of east-west water system of Rw4 in northwestern Tahe oilfield 横剖面编号 宽深比 横剖面编号 宽深比 E1 3.34 E18 3.96 E2 3.23 E19 2.52 E3 3.27 E20 2.49 E4 2.32 E21 2.70 E5 4.45 E22 2.61 E6 3.90 E23 2.38 E7 5.38 E24 1.63 E8 4.18 E25 3.54 E9 6.52 E26 2.92 E10 5.97 E27 3.92 E11 2.12 E28 2.67 E12 3.20 E29 3.30 E13 4.09 E30 4.56 E14 2.76 E31 2.67 E15 4.91 E32 3.26 E16 2.98 E33 1.91 E17 6.62

表 5 塔河油田西北部Rw4东西向水系宽深比统计 Table 5 Statistics of breadth depth ratio of east-west water system of Rw4 in northwestern Tahe oilfield

图 8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 8 塔河油田西北部Rw4东西向水系宽深比折线图Fig.8 Rw4 line chart of width to depth ratio of east-west water system of Rw4 in northwestern Tahe oilfield

其中台面4水系宽深比介于2.32~6.52之间, 平均值为4.06。台面5水系宽深比介于2.12~6.62之间, 平均值为3.52。台面6水系宽深比介于1.63~4.56之间, 平均值为3.03。台面5水系宽深比数值变化较大, 在台面6与台面5交界处水系宽深比较小, 随着向台面4方向延伸, 水系宽深比整体上有逐渐增大的趋势(图 8)。这说明台面5中水系下切深度极不均匀, 在靠近台面6一侧的水系下切较深, 靠近台面4一侧的水系下切较浅。宽深比反映出台面6水系整体下切最深, 台面5次之, 台面4最小。

自由蛇曲一般发育在冲积平原或者河漫滩上, 河谷对于河床约束较小, 水系能够自由摆动。自由蛇曲的形成要求地形相对平缓、有一定坡度但不能太大, 流量充足, 河流以侧向侵蚀为主。Rw4流域水系极为发育, 流量充足, 研究区位于西北部缓斜坡区, 未遭受剥蚀前上覆志留系松散的碎屑岩沉积序列, 完全符合自由河曲发育的条件。

通过整理国内外典型河曲参数(表 6)发现, 由于国内外典型河曲都属于Ω 型河曲, 因此其弯曲率与封闭率值都普遍较大。将Rw4南北向主干水系与东西向分支水系河曲参数与国内外典型曲流的河曲参数进行对比, Rw4的水系长、曲流颈长这2个参数上与世界上典型的河曲仍然存在着一定的差距, 但是对于用来衡量河流弯曲度的弯曲率与封闭率这2个参数, Rw4的东西向与南北向水系均存在接近世界上典型河曲的曲流, 甚至有些曲流的弯曲率超过了世界上典型曲流的弯曲率。同样Rw4东西向的个别曲流的封闭率也达到甚至超过了世界上典型曲流的封闭率, 南北向主干水系的封闭率相对与东西向分支水系较差一些, 但是依然存在封闭率达到0.9的曲流存在, 因此可以认为Rw4的东西向分支水系与南北向主干水系的曲流带中, 个别曲流段可以和世界上典型的曲流相媲美。

表 6

Table 6

表 6(Table 6)

表 6 国内外典型曲流及其参数 Table 6 Typical meanders at home and abroad and their parameters 河曲名称14.4 水系长 S/km0.9 曲流颈轴长 L/km16.00 弯曲率 C0.94 封闭率 e嘉陵江马回曲流 嘉陵江青居曲流 17.1 0.4 42.75 0.98 黄河辖曼河曲 10.7 0.9 11.89 0.92 渠江锡溪曲流 9.4 0.5 18.80 0.95 黑龙江红旗渠曲流 15.6 1.2 13.00 0.93 黑龙江红旗岭曲流 32.5 1.3 25.00 0.96 黑龙江江湾曲流 17.0 0.8 21.25 0.96 德涅斯特河奥柏町曲流 28.2 1.6 17.63 0.95 摩泽尔河采耳曲流 9.7 0.9 10.78 0.92 巴西茹鲁瓦河 帕特罗波利斯曲流 14.3 0.3 47.67 0.98 马恩河Saint曲流 13.7 1.2 11.42 0.92 尼罗河Biltan曲流 7.5 0.8 9.38 0.90 注: 表中数据来自张斌等(2007)。

表 6 国内外典型曲流及其参数 Table 6 Typical meanders at home and abroad and their parameters

深切曲流是在自由曲流已经形成的基础之上, 由于地壳构造抬升或其他因素导致基准面下降、水系发生下蚀作用使得河谷加深所形成。

加里东中期, 塔里木盆地性质由被动大陆边缘盆地向挤压型盆地转变, 阿克库勒凸起的最大主应力方向为南北向(张小兵等, 2011)。姜应兵(2021)恢复的塔河油田西北部加里东中期Ⅲ 幕岩溶古地貌, 整体上呈现北高、南低的特点。加里东晚期, 该区古地貌格局为北东高、南西低(云露等, 2001)。到了海西早期, 古地貌图显示该区岩溶古地貌呈现为东高、西低(图 2-A)。由此可知, 自加里东中期到海西早期, 塔河西北部地区古构造格局发生了转变。

通过塔河西北部东西向骨架对比剖面所识别出的研究区3个岩溶台面来看, 加里东晚期— 海西早期的构造抬升是逐步发生的。王增银等(1995)在湖北恩施地区岩溶台面的研究中指出, 每个岩溶台面的形成代表了1期稳定的构造抬升运动。因此, 研究区在加里东晚期— 海西早期至少经历了3期构造抬升运动。这构成了研究区Rw4流域地表水系逐步发生深切作用的源动力。

通过以上定性与定量分析, 可以认为Rw4是一条典型的深切曲流河, 这种深切曲流与中国南方嘉陵江的深切曲流具有非常类似的特征。江华军等(2014)将嘉陵江的深切河谷称为叠置河谷, 这种河谷是指一开始在松散沉积地层形成的自由河曲, 因地壳快速抬升、基准面下降, 河曲保持原有的形状发生下切, 其下切深度达到了不同地质构造的碳酸盐岩地层之中。因此, 参考现代岩溶深切曲流的形成与演化模式, 本研究提出塔河油田西北部Rw4深切河曲的演化过程可以划分为自由曲流与深切曲流2个阶段。

自由曲流阶段主要发生在加里东中期— 加里东晚期, 塔河地区的古构造格局由北高、南低逐渐转变为北东高、南西低, 此时水系发育在奥陶系上覆志留系碎屑岩地层之上, 河流以侧向侵蚀为主, 从而形成自由曲流(图 9-A)。深切曲流阶段主要发生在加里东晚期— 海西早期, 塔河地区的古构造格局逐步演变为东高、西低, 研究区自东向西奥陶系先后经历了3期构造抬升运动, 形成了3期岩溶台面和3个阶段地表河流的下切作用。因此, Rw4的深切过程并非一蹴而就的, 而是分阶段演化形成的。多阶段的构造抬升作用导致基准面对应发生多期的下降, 河流的主导性地质营力由侧向侵蚀作用转变为强烈的下蚀作用, 河流的快速下切使其依然能够保持原有的蛇曲形态(图 9-B至9-D)。

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 9 塔河油田西北部中下奥陶统加里东中期— 海西早期古水系发育模式 A— 加里东中期— 加里东晚期, 自由曲流阶段; B— 加里东晚期— 海西早期第1期抬升, 台面4水系深切; C— 加里东晚期— 海西早期第2期抬升, 台面5水系深切; D— 加里东晚期— 海西早期第3期抬升, 台面6水系深切Fig.9 Development model of the middle Caledonian-Early Hercynian paleowater system in the Middle to Lower Ordovician in northwestern Tahe oilfield

在岩溶演化的稳定时期, 深切水系往往成为区域范围内岩溶水的最低排泄基准面, 因此这类水系不仅仅控制了地表流场的汇聚, 同时也控制了地下流场的排泄, 水系两侧具有极其活跃的岩溶水动力场(李源等, 2017)。塔河地区西北部Rw4地表流域的东西向分支水系下切作用显著, 其V字型的深切河谷两侧的岩溶缝洞储集层异常发育, 且以大型的岩溶暗河为主, 包括了暗河型、伏流型、穿洞型、顺河潜流型、渗流入流型等5种类型(张长建等, 2022b)。这些大型岩溶暗河总体上均呈现出自深切河谷两侧向河谷中心延伸的特点。

值得指出的是, 自东向西, Rw4地表流域东西向深切曲流两侧的岩溶暗河的类型和规模呈现出显著的差异性。这与岩溶台面的逐级发育、水系结构的差异演化是密切相关的。台面4发育时期, 该台面内水系的下切作用最先发生, 与该下切水系相适应的岩溶暗河开始形成, 并逐步构成了台面4控制下的独立的岩溶水循环系统(图 10-A, 剖面位置见图 1)。台面5发育时期, 台面4控制的地区岩溶暗河已经成型, 由于基准面的下降, 台面4深切河谷中的地表水快速向台面5汇聚, 使得台面5内水系下切作用随之发生, 从而促进了台面5控制下的岩溶暗河和第2套独立的岩溶水循环系统的发育(图 10-B)。台面6发育时期, 台面4和台面5中的岩溶暗河基本定型, 为了适应新的排泄基准面的变化, 台面4和台面5深切河谷中的地表水均向台面6聚集, 台面6内的水系出现强烈的下切作用, 并控制了水系两侧岩溶暗河和第3套独立的岩溶水循环系统的形成(图 10-C)。由于在台面4到台面6的形成与演化过程中, 不同台面内部水系的下切深度逐渐加大, 加之水系两侧的导水断裂分布的差异性, 因此, 岩溶暗河的类型和规模完全不同。

图 10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 10 塔河油田西北部中下奥陶统古水系演化与岩溶缝洞发育模式 A— 台面4水系演化与缝洞发育; B— 台面5水系演化与缝洞发育; C— 台面6水系演化与缝洞发育Fig.10 Paleodrainage system evolution and development pattern of karst caves in the Middle to Lower Ordovician in northwestern Tahe oilfield

很显然, 这与“ 欧洲褶皱山区” 4种不同岩溶地貌条件下岩溶强度差异性发育模式完全不同。“ 欧洲褶皱山区” 发育统一的岩溶排泄基准面, 因而不同岩溶地貌中岩溶垂向分带结构不同(Lewin and Woodward, 2009), 而塔河地区西北部东西向深切曲流区发育3级岩溶台面, 每个岩溶台面具有统一的岩溶排泄基准面, 尽管深切曲流贯穿了不同岩溶台面, 然而, 不同岩溶台面中形成了完全不同的岩溶水循环系统和岩溶暗河结构。