塔里木盆地经历了多旋回构造演化,盆地地质条件和油气分布极为复杂[1,2,3,4]。塔北隆起哈拉哈塘凹陷奥陶系碳酸盐岩作为塔里木盆地典型的多旋回构造控制下的产物,在沉积层序、构造演化和成岩等方面反映明显:该区奥陶系碳酸盐岩不仅经历了局限台地-开阔海台地-镶边台地-混积台地[5,6,7,8]的沉积演化和大台地-大斜坡-凹陷-南北构造反转为主的构造演化,而且经历了多期准同生-表生岩溶作用[9,10,11,12]。

表生岩溶发育在地表暴露期,大气淡水与土壤或大气中的CO2接触产生侵蚀性,对地表或地下碳酸盐岩体进行溶蚀[13],形成特征性的喀斯特地貌和伴生地下洞穴系统。随着埋藏深度的增加,岩溶洞穴系统会发生垮塌[13,14,15,16,17,18,19],形成岩溶垮塌体系,这在美国二叠盆地艾伦伯格群及瓜达鲁普群的圣安德鲁斯组最为典型。然而,尽管对地表露头及浅中埋深(<3000m)条件下岩溶体系的研究较容易,但受限于地震资料品质和分辨率,对超深层(>6000m)岩溶体系的表征和刻画却较困难;在研究对象方面,对洞穴垮塌特征的研究较多,而对地下洞穴系统发育形态和分布特征的研究较少,也未形成较好的刻画方法;在岩溶控制因素研究方面,前人研究更多基于露头研究,地下古实例研究却较少。

本次研究主要基于地震资料,首先识别了良里塔格组顶部喀斯特地貌要素,表征了的其剖面和平面特征,然后从岩心、镜下观察和测井解释入手,确定了岩溶垮塌体井上的基本特征,再应用地震属性融合技术,刻画了塔里木盆地哈拉哈塘地区奥陶系良里塔格组超深层洞穴系统的形态;最后结合区域地质背景,探讨了良里塔格组岩溶体系发育的控制因素。

1、地质概况

哈拉哈塘油田位于中国新疆库车县和沙雅县境内,东接塔河油田,西邻英买力油田,北为东河塘油田。其古生界在构造上位于塔里木盆地塔北隆起中部哈拉哈塘凹陷内,东邻轮南低凸起,西接英买力低凸起,北为轮台凸起,南邻满加尔凹陷,勘探面积约4300km2(图1)。

哈拉哈塘地区奥陶系层序地层及相互接触关系由图2所示。寒武纪到早-中奥陶世哈拉哈塘地区处于克拉通碳酸盐被动大陆边缘[20],为稳定碳酸盐岩台地沉积,依次沉积了蓬莱坝组(O1p)、鹰山组(O1-2y)和一间房组(O2y)[21];奥陶纪中期的中加里东运动使塔里木南缘由拉张转变为挤压的构造背景,塔北转为大型碳酸盐岩斜坡,依次沉积了吐木休克组(O3t)、良里塔格组(O3l)以及以碎屑岩为主的桑塔木组(O3s),其中一间房组、良里塔格组和桑塔木组顶部均发育不整合,并以良里塔格组顶部不整合面岩溶地貌特征最为明显;其后的海西、燕山和喜马拉雅构造运动不仅使哈拉哈塘地区由斜坡变为凹陷(图1),而且使之发生了南北掀斜式构造反转[22]。

图1塔里木盆地哈拉哈塘油田地理位置(a)及构造单元划分(b)

图2塔北隆起哈拉哈塘地区志留纪末期奥陶系南北向地层结构剖面(图1中A—A′剖面,据斯春松等[21]修改)

目的层良里塔格组是在塔北北部抬升时于吐木休克组深水斜坡上发育起来的镶边台地[8,23,24],并被其后的桑塔木组超覆。其台地边缘与盆地高差可达90m,该组整体由一个向上变浅的三级层序构成(图2),可进一步划分为低位(LST)、海侵(TST)和高位(HST)3个体系域(图3),其中低位域和高位域广泛发育进积的台地边缘相,岩性较纯净,以生屑颗粒石灰岩为主;海侵域整体陆源泥质含量较高,形成特征的瘤状灰岩,在台地内部与上、下两个体系域泥质含量差异明显。

良里塔格组沉积末期,整个台地暴露地表发育广泛的岩溶,形成典型的喀斯特地貌,伴有地下岩溶洞穴系统及其垮塌产物。该岩溶体系是本次研究的主要对象。

2、大气淡水岩溶体系发育模式

岩溶地貌(喀斯特地貌)是富含CO2的大气淡水在可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏和岩盐等)表面流动,通过溶蚀和侵蚀作用形成的特征性地貌,主要发育在地表暴露期,与此地貌伴生的还有地下岩溶洞穴系统,该类型溶洞占世界上近地表溶洞的90%[25]。岩溶地貌和地下岩溶洞穴系统构成一个相互关联的三维体系[13](图4),该三维体系由地表地貌要素(岩溶高地、岩溶洼地、落水洞和岩溶槽谷等)及地下要素(竖井、渗流带和潜流带通道等)构成。

溶蚀在近地表发育时首先形成渗流带或潜流带通道,构成初始洞穴系统[13]。当区域性潜水面下降时,先前的潜流带通道进入到渗流带,洞穴内水流向下侵蚀使洞穴扩大[13,26],水流也可携带地表沉积物在洞内沉积。同时,由于缺少了水体的浮力,处于渗流带的洞穴顶部开始发生垮塌,随着上覆地层的沉积负荷增大,洞穴可完全垮塌形成由垮塌角砾、洞穴沉积物及洞顶缝形成的岩溶垮塌体系(图5)。

3、岩溶地貌特征

哈拉哈塘地区良里塔格组顶面是一个三级层序边界,发育了非常明显的喀斯特地貌。该不整合面之下为良里塔格组碳酸盐岩,之上为桑塔木组泥岩为主混积岩,上、下较大的波阻抗差造成该面在地震上表现为强反射界面。通过追踪该界面地震同相轴建立解释层面,并进一步通过井资料约束即可实现对喀斯特形态的三维刻画。由于良里塔格组在岩溶末期被桑塔木组水平上超,可将地震体按桑塔木组顶部光滑后的趋势面进行拉平来近似恢复岩溶期古地貌。

图3塔里木盆地哈拉哈塘油田B1井良里塔格组综合柱状图

图4近地表大气淡水岩溶模式(据Loucks[13]修改)

图5单一河道洞穴垮塌充填模式(据Loucks[13]修改)

3.1岩溶地貌剖面特征

在过B1井的南北向地震剖面上,可见岩溶期良里塔格组顶面主体为一个大型岩溶斜坡(图6)。从岩溶改造程度来看,在北部靠近良里塔格组尖灭线的区域,高、低地貌区频繁交替变换,且良里塔格组与一间房组顶部同相轴出现合并现象,说明该区域岩溶强烈,地表河流分支较多,甚至影响至下伏一间房组;在中部良里塔格组较厚的区域,地貌变化频率减小,但出现了地形高差最大区,深切的槽谷与高地之间的高差可达150m,说明河流在该区河道数量减少,以深切和溶蚀作用为主;在南部台缘区,地形变化较小,台缘斜坡依稀可见,保留了镶边台地的特征形态,说明与北部地区相比该区岩溶发育并不强烈;盆地区看不到明显地形变化,说明岩溶不发育。

3.2岩溶地貌平面特征

良里塔格组顶面可识清晰别出岩溶高地、岩溶洼地、岩溶槽谷和落水洞等地貌要素,并反映各种地貌要素的分布(图7)。岩溶高地是与邻近区域相比古地形较高的部位,为正地貌区,主要分布在本区北部和中部,多处于岩溶发育区之间的孤立区。岩溶槽谷是地表河流溶蚀、深切及侧向迁移形成的谷地,保留了河道及其迁移的形态,大型的岩溶槽谷深度可达150m。小型的岩溶槽谷在北部更为发育,但有时呈现断续特征而不易识别;大型岩溶槽谷在本区的中部最易识别也最发育,槽谷在南部可识别度降低。落水洞是地表水流入地下的入口,表现为地表近圆形的凹陷区,主要分布在河流附近,在两河流之间尤为发育。岩溶洼地位于河流下游的低地势区,具有沿构造带发育的趋势,可能代表了近海沼泽或泻湖区域。

4、岩溶洞穴系统特征

4.1岩心、镜下及测井特征

良里塔格组岩溶洞穴均已发生垮塌,形成岩溶垮塌体系,在岩心上反映最明显。A1井为钻遇岩溶垮塌体系的典型实例,该井在良里塔格组取心7筒,进尺49.5m,收获岩心48.64m,综合收获率98.3%,钻井过程中无漏失放空。岩心显示在良里塔格组埋深6719.0～6730.0m及6750.0～6762.5m分别发育两段垮塌,角砾和杂基特征明显:角砾大小混杂,具有棱角,分选和磨圆差,角砾之间以线接触和凹凸接触为主;上段垮塌杂基以泥质和细小碎屑为主,下段垮塌杂基以红色泥质为主;角砾与杂基相互胶结致密(图8a,b);镜下显示角砾来源为良里塔格组泥灰岩和颗粒灰岩,杂基以陆源物质(泥质、石英和炭质碎屑)及碳酸盐岩碎屑为主(图8c,d),很明显受到陆源流体及其携带物质的影响。在成像测井上,垮塌角砾表现为明暗斑块杂乱分布(图8a,b)。

图6塔里木盆地哈拉哈塘油田过B1井南北向地震剖面(按桑塔木组顶趋势面拉平,图1中A—B剖面)

图7塔里木盆地哈拉哈塘油田奥陶系良里塔格组顶面地貌

a.校正后的良里塔格组古地貌(按桑塔木组顶部拉平);b.良里塔格组顶地貌三维显示(局部,图b中红框区域)

在第一段垮塌顶部(图8g中1处),通过成像测井可识别高角度裂缝发育(图8e),在该位置密度值及电阻率值降低,检测有烃类显示(图8g),说明该处裂缝充当了油流通道,可能代表了洞穴垮塌时产生的洞顶缝。在第二段垮塌上部识别出高含泥段(图8g中3处),该处GR值升高,电阻率值、声波和密度值降低,成像测井表现为的亮层和暗层交互,亮层颗粒显示定向性排列(图8f),为典型的砂泥互层沉积。Zeng和Loucks(2011)等通过对与哈拉哈塘邻近的轮南区块的岩溶垮塌体系的岩心观察研究,将垮塌洞穴内成层状的高泥质的沉积物定为洞穴沉积物[27];另外,西德克萨斯艾伦伯格群(Ellenburgergroup)典型的岩溶垮塌体系中垮塌段上部也见类似层状高泥质沉积物,Kerans(1988)也将其解释为洞穴沉积物,并将其成因解释为洞穴部分垮塌后洞穴内水流的再沉积作用[28]。因此A1井该处沉积极有可能代表了洞穴沉积物。

另外,由成像测井识别出两垮塌段底面距良里塔格组顶不整合面距离分别为20m和50m。其中,下段垮塌通道代表了不整合面在被侵蚀过程中形成的最新一期洞穴系统(图4,图8g),其底部距不整合面的距离大致指示了岩溶洞穴系统形成时在地表之下发育的深度,这与Kerans(1988)得出的艾伦伯格群(EllenburgerGroup)洞穴系统主要发育在地表不整合之下30～90m内的结论基本一致[28]。

4.2地震响应特征

4.2.1平面特征

良里塔格组岩溶垮塌体系在地震上表现为高于围岩的强振幅。均方根振幅属性为平均地震反射波振幅值平方和的算术平方根,它对地震波绝对值大的振幅反映敏感[29],可凸显岩溶垮塌体强振幅及其连续变化;方差属性反映相邻道地震信号之间的相似性,可以突出垮塌体的边界。将均方根和方差属性进行融合,并将融合体按鹰三段顶进行拉平,在良里塔格组平面上,可显示垮塌强振幅体的平面形态及分布(图9)。

如图9所示,岩溶垮塌体强振幅在平面上具有分区性,据此可将本区岩溶垮塌体系划分为5个主要发育区。其中4区垮塌体系平面连续性最好(图9,图10a),因此将4区单独划出进一步研究。通过分别给予融合体中均方根振幅和方差截断值,去除振幅及方差低值部分,可以对岩溶垮塌体进行三维雕刻(图10b)。雕刻体显示该区岩溶体系平面形态复杂,类似网状河体系,显然垮塌体系形态即代表了原始的岩溶通道的形态,但该岩溶通道呈现出与该区地表河流体系显著不同的特征:明显分为主干和分支;大型主干较为平直;分支小且数量多,位于主干之间形成网状。该区岩溶洞穴系统沿流向可追踪距离达十几千米,平面覆盖范围达三十多平方千米。

图8塔里木哈拉哈塘油田A1井岩溶垮塌体系岩心、镜下特征及测井解释

a.良里塔格组上段垮塌角砾岩,角砾为灰白色,基质为灰黑色,埋深6727.00m,对应g中2处;b.良里塔格组下段垮塌角砾岩,角砾与基质均为红色,埋深6755.50m,对应g中4处;c.角砾岩,角砾为颗粒灰岩和泥灰岩,单偏光,埋深6729.20m;d.角砾岩基质,基质由石英碎屑、碳酸盐岩碎屑和泥质组成,正交光,埋深6729.20m;e.上垮塌段顶部裂缝,成像测井,埋深6715.90～6718.60m;f.砂泥互层,成像测井,埋深6740.00～6742.75m;g.测井综合解释

图9塔里木盆地哈拉哈塘油田(部分)良里塔格组均方根振幅和方差融合体平面

图10塔里木盆地哈拉哈塘油田良里塔格组岩溶垮塌体系地震平面和剖面特征

a.良里塔格组均方根振幅和方差体融合平面(窗长40m);b.雕刻的三维岩溶垮塌体系三维显示;c.岩溶垮塌体系与地表河流体系平面叠合;d,e.地震剖面,分别对应图a中D—D′和E—E′位置,红色箭头位置指示了图a的剖面位置,注意左、右两图中的串珠为同一串珠,但左图并未穿过串珠中心

4.2.2剖面特征

在过A1井并横切该岩溶通道体系的地震剖面A—A′上(图10a,d),见岩溶垮塌体系呈现出较强的振幅,类似一间房组和鹰山组的串珠强振幅,但振幅小于串珠强振幅;在过A1井并沿岩溶通道的剖面B—B′上(图10a,e),整个良里塔格组均呈现出强振幅,表明岩溶通道形成的洞穴系统的连续垮塌。

另外,在垮塌体系之上紧挨良里塔格组的桑塔木组底部同相轴下陷,并出现振幅增强,向上振幅逐渐减弱(图10d,e),说明岩溶洞穴系统的垮塌可能影响到了上覆桑塔木组。Loucks(1999,2002)[14,16]将该现象其定义为垮塌造成的上覆地层变形,以地层下陷和伴生断裂为特征。该现象与A1井良里塔格组顶部的洞顶缝一起说明了岩溶垮塌对上覆地层造成的影响。

5、岩溶体系发育控制因素

岩溶体系地表地貌形态的表征和地下洞穴系统分布的精细刻画为研究其主控因素提供了更好的依据。本研究主要从层序、构造和水文等因素出发探讨了岩溶洞穴系统发育的控制因素。

5.1低位域期持续、广泛的暴露及层序边界形成

广泛暴露是近地表发生岩溶的基本条件之一,往往发生在低位域时期的层序边界上,受构造运动、海平面变化共同控制[30]。良里塔格组高位域末期已发育成典型的镶边台地,此时塔北北部继续抬升,海平面大幅度下降至台缘之下,良里塔格组顶面广泛暴露,形成I型层序边界及低位域。该低位域期的广泛暴露造成了良里塔格组地表及地下岩溶的形成,该过程一直持续到良里塔格组成为一个大型斜坡并被桑塔木组上超。海平面下降及I型层序边界可由以下3个特征识别:①广泛发育的地表河流及特征性喀斯特地貌(图7);②后期桑塔木沿良里塔格组顶部的上超(图6);③深入斜坡及盆地的岩溶通道(图9,图11)。

5.2断裂及裂缝

区域性的岩溶垮塌体系通常都是直线型的,这种线型样式可能是原始洞穴系统沿先期断裂系统发育形成的[13,14,17,27]。本区岩溶洞穴系统拥有众多主干和分支,主干多较平直,延伸方向相交为“X”型,分支在主干之间形成网状系统(图12),该主干和分支的延伸趋势与分布特征与典型的走滑断裂极为相似,说明早期的区域断裂和裂缝可能控制了岩溶通道的发育。该时期断裂和裂缝的发育与当时的构造背景密不可分:受塔里木盆地南部的昆仑洋闭合活动影响,从晚奥陶世开始,塔北由拉张开始变为挤压环境[6,31,32],在良里塔格组岩溶期塔北更是发生剧烈抬升,并最终变为桑塔木组上超的斜坡,该构造运动一方面造成了潜流带南北高地势差,促进溶蚀流体的快速流动,另一方面也产生了众多走滑断裂及伴生裂缝,为潜流带溶蚀流体提供了运移通道。

5.3地表河流体系

奥陶纪是全球的暖湿气候期,塔里木板块处于南纬20°赤道附近的热带-亚热带地区[6,33,34],有利于碳酸盐岩的沉积和风化剥蚀。湿润的气候使良里塔格组在低水位期地表河流发育(图7)。地表河流体系对地表地貌和地下洞穴发育均有重要作用。

地表河流是形成喀斯特地貌的主要动力之一,地表河流发育特征控制了地貌的特征:河流在上游河道小,分支多,迁移迅速,使岩溶地貌在北部变化频繁;河流在中游水量增大,河道数量减少,大型河道增多,河道的深切作用形成大型岩溶槽谷;在下游随地势降低,河流发散,能量减弱,形成沼泽或汇入大型湖泊等水体,形成岩溶洼地。

图11伸入塔里木盆地哈拉哈塘油田良里塔格组斜坡及盆地的垮塌岩溶体系

a.近地表岩溶洞穴发育位置与水体分带关系模式(据Choquette和James[30]修改);b.沿岩溶垮塌体系的地震剖面;c.RMS和方差融合体上岩溶垮塌体系平面。海岸线一般代表潜流带岩溶洞穴系统向海方向发育的极限位置(图a),深入盆地的岩溶垮塌体系说明低位域海退期海岸线曾到达G位置附近,该位置指示了良里塔格组末期海退最大位置的下限

图12塔里木盆地哈拉哈塘油田区4岩溶洞穴系统与可能的先存断裂关系

岩溶洞穴系统在空间上主要发育在地表河流之下或附近,在流向上与地表河流基本一致(图9,图10c,图13),说明地表河流与地下岩溶通道是一个完整的体系,地表河流为地下岩溶通道的发育提供了水源。原始洞穴系统分布的另一个重要特点是主要发育在河流的中游和下游,这可能与河流在中下游流量增大有关系。增大的水量一方面在重力作用下更易沿断裂和裂缝深入,另一方面可以保证溶解的碳酸钙能够迅速被带走,使溶蚀不断进行。

6、结论

1)哈拉哈塘地区奥陶系良里塔格组顶部喀斯特发育岩溶高地、岩溶槽谷、岩溶洼地和落水洞等地貌要素,不同的地貌要素具有不同的分布特征:岩溶高地分布在北部,大型岩溶槽谷分布在中部,岩溶洼地分布在南部,落水洞主要分布在岩溶槽谷附近。

2)良里塔格组内部岩溶垮塌体系在岩心、镜下和成像测井上特征明显,并表现出强压实现象;在地震上岩溶垮塌体系表现为连续的强振幅,通过RMS与方差融合体可以刻画其特征性的直线状形态,该垮塌体系展布同样指示了原始岩溶通道体系的展布。

3)哈拉哈塘良里塔格组岩溶体系发育受低位域期广泛暴露、断裂及裂缝、地表河流体系等因素控制。

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基金:中国石油集团专项(2019D-4410).