礁滩相碳酸盐岩岩溶作用及其对孔隙分布的控制——以塔中东部上奥陶统良里塔格组为例

屈海洲，王振宇，杨海军，张云峰，于红枫，王茜

（1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室；2. 西南石油大学资源与环境学院；3. 中国石油塔里木油田公司）

1 研究背景及研究区概况

广义上的碳酸盐岩岩溶作用可发生在大气水环境及埋藏环境中[1-4]，James等从地层学角度，将大气水环境中的古岩溶分为沉积古岩溶、局部古岩溶和区域古岩溶3种类型[5]，沉积古岩溶是指沉积期海平面变化及沉积物快速沉积导致短暂暴露，大气水主要对不稳定矿物产生的选择性溶蚀作用[6-8]；区域古岩溶则主要指沉积物经历了中—晚成岩阶段后，在表生期长时间暴露于大气环境中，形成大规模缝洞体及可作为层序边界的区域不整合面的岩溶作用[9]；局部古岩溶发生阶段则介于上述二者之间，指同沉积期构造运动使得碳酸盐台地部分暴露发生岩溶作用，且暴露时间不同，岩溶发育程度差别很大。国内学者多依据成岩阶段进行岩溶作用的分类及命名，其中，同生岩溶及风化壳岩溶分别对应于沉积古岩溶及区域古岩溶[6-9]。开放体系下大气水环境中的岩溶作用最有利于孔隙的形成，岩溶作用与沉积相、白云石化、埋藏期溶蚀作用、构造破裂等因素的合适组合，可以形成有利的碳酸盐岩储集层[10-18]。但是，受成岩阶段上的不连续性及埋藏期成岩作用改造的影响，目前还缺少对两种大气水环境中的岩溶作用（同生岩溶及风化壳岩溶）砌合关系及其对孔隙发育、分布影响的研究实例。

塔中Ⅰ号断裂形成于早奥陶世末期的强烈冲断作用，垮塌剥蚀后形成北倾的坡折带[19]，呈北西—南东走向（见图 1）。晚奥陶世良里塔格组沉积时期，古气候温暖，海平面稳定上升，塔中—巴楚台地沉积水体循环条件好，盐度正常。断裂坡折带处的水体浅、波浪作用强，有利于生物的繁育，碳酸盐产率高，形成生物礁与颗粒滩的复合沉积体即礁滩复合体[20-21]。塔里木盆地台盆区上奥陶统良里塔格组与上覆桑塔木组之间为区域不整合接触[22]，该时期古岩溶不能称为局部古岩溶，但是其形成于沉积期后的挤压抬升、暴露时期，成岩阶段不属于表生期，因此也不能称之为区域古岩溶，笔者从岩溶作用阶段、范围考虑，将该期古岩溶定义为早成岩近地表岩溶。鉴于研究区特殊的地质背景，本文探讨塔中东部地区上奥陶统良里塔格组大气水环境中的岩溶作用及其对孔隙分布的控制机理。

图1 研究区构造位置图

2 研究区岩溶作用

研究区良里塔格组礁滩相碳酸盐岩受到了同生岩溶作用及早成岩近地表岩溶作用。同生岩溶是指在同生（准同生）期具有正向地貌特征的礁滩复合体暴露于大气环境中而形成大气成岩透镜体，受到不饱和大气淡水的淋滤、渗透，不稳定矿物产生选择性溶蚀作用。早成岩近地表岩溶指沉积期结束后，沉积物未经过中—晚成岩阶段的埋藏成岩环境就抬升、暴露于大气环境中，大气水对其进行非选择性的较大规模的溶蚀、充填等作用。

2.1 大气淡水成岩透镜体

沉积期，生物礁、颗粒滩相的沉积物相对滩（礁）间海沉积物的沉积速率更快、厚度相对更大，沉积地貌相对较高。一旦海平面相对下降，岛状的礁、滩沉积复合体便暴露于大气环境中，形成内部分带的大气淡水成岩透镜体，对文石、高镁方解石等不稳定矿物进行溶蚀，形成大量选择性溶蚀孔隙。

2.1.1 溶蚀胶结特征

大气淡水成岩透镜体可以分为潜水面之上的渗流带及之下的潜流带。渗流带对大气圈而言是开放体系，孔隙内同时存在大气水与空气。未饱和碳酸盐矿物的大气水在流动过程中，会对颗粒之间及其内部、生物体腔内的不稳定矿物如文石、高镁方解石进行选择性溶蚀，形成粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔等（见图 2a—2c）。溶解了碳酸盐矿物的孔隙水运移至颗粒之间，受表面张力及重力作用的影响，形成新月形或悬垂形方解石胶结物（见图2d）。具有较高流速的孔隙水携带粉砂级碎屑沉积物，在溶蚀孔洞下部充填形成渗流粉砂，与上部的亮晶方解石形成示顶底构造（见图2e）。潜流带顶部流体（潜水面附近）CO2含量相对下部更高，孔隙水不饱和，准稳定的碳酸盐组分更易溶解，形成一个溶蚀孔隙的集中发育带。溶解于孔隙水中的CaCO3可在棘屑的周边形成共轴生长等典型成岩现象（见图2f）。2.1.2 纵向发育特征

对研究区25口井约360 m岩心、300张薄片的观察发现，塔中地区良里塔格组单个礁、滩沉积旋回的大气淡水透镜体厚度为10～30 m，纵向上发育多个期次的透镜体，大多分布在礁滩复合体主要建造的良三段—良一段中。晚奥陶世良里塔格组良三段—良一段沉积时期，塔中Ⅰ号坡折带东部地区处于高位体系域的加积（或进积）准层序组，沉积物可容纳空间增大，沉积了3～5期总厚度巨大的礁滩复合体。单个礁、滩沉积旋回表现为在格架岩、障积岩、黏结岩等建造的生物礁之上发育砂屑滩、生屑滩等颗粒滩沉积，单个旋回厚度可达50～100 m。由于礁滩复合体的快速向上营建及海平面的波动，一旦礁滩体暴露于大气环境中，就受到大气淡水的成岩溶解作用形成大量的粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、生物体腔孔等选择性溶蚀孔、洞，形成大气淡水成岩透镜体。

图2 塔中东部地区良里塔格组礁滩相碳酸盐岩单偏光铸体薄片照片

2.2 早成岩近地表岩溶作用带

薄片中普遍可观察到颗粒错断较少、颗粒间点接触频率低、少见线状（或曲面）接触等成岩现象，表明礁滩复合体未经历埋藏环境下压实等成岩作用，在固结程度较弱、早期原生孔隙较高的早成岩阶段，就抬升暴露于温暖湿润的近地表大气环境中，受到大气水的淋滤、冲刷、溶蚀、充填，形成被灰绿色泥质、角砾等半—全充填的非选择性溶蚀的孔、洞、缝，并在纵向上表现出一定的分带特征。笔者将这种与不整合面有关但有别于区域、局部古岩溶的作用称为早成岩近地表岩溶作用。

2.2.1 溶蚀充填特征

早成岩近地表岩溶作用自上而下可分为表层岩溶带、垂向渗滤岩溶带、径流岩溶带和深部缓流溶蚀带，各带具有不同的孔隙类型和溶蚀、充填特征。表层岩溶带位于包气带上部，直接与大气环境接触，溶蚀动力来源于富含 CO2的大气降水、地表径流等，岩溶作用强烈（见图3a），形成的溶蚀空间规模不大，但是连通性较好。垂向渗滤岩溶带位于包气带下部，溶蚀动力来源于大气水的垂向流动、侵蚀，形成高角度溶缝、溶沟（见图3b、3c），该带内的大气水横向流动性不强，形成的缝洞空间横向连通性较差。径流岩溶带主要位于潜水面之下的饱水带内，地下水沿裂缝或早期孔隙近水平流动，多形成一系列近水平的溶蚀孔、洞、缝（见图3d）；溶蚀空间规模相对较大，并且连通性较强。深部缓流溶蚀带内，地下水对碳酸盐矿物饱和程度显著增高，流速也相对较慢，溶蚀作用弱。

图3 塔中东部地区良里塔格组礁滩相碳酸盐岩早成岩近地表岩溶作用特征

2.2.2 纵向发育特征

以图4中TZ62井为例，依据岩心观察及成像测井、常规测井曲线特征，可识别出表层岩溶带、垂向渗滤岩溶带、径流岩溶带，钻遇厚度分别为30.00 m、29.00 m、16.00 m，该井未钻遇深部缓流溶蚀带。4 685.00～4 715.00 m井段的表层岩溶带对应的自然伽马值相对较高，成像测井图像上可见暗斑、斑团等，显示溶蚀孔、洞发育，岩心证实该段发育被角砾、泥质半—全充填的溶洞。4 715.00～4 744.00 m的垂向渗滤岩溶带中可见正弦状或“V”型深色条纹/条带、暗斑亮斑混杂的成像测井图像特征，对应深度的岩心上发育高角度溶缝、溶沟，被泥质、角砾半—全充填（见图3b、3c）。4 744.00～4 760.00 m的径流岩溶带对应的成像测井图像上可见近水平深色低电阻率条纹/条带、扁长状的暗斑、暗色斑团等特征，岩心上可见囊状溶蚀孔洞发育，顺层分布，近水平溶缝及网状缝较发育，被灰绿色泥、角砾半—全充填，岩心局部破碎。该带内的宏观孔洞缝明显更加发育，连通性也较好。

3 孔隙分布特征

研究区良里塔格组良三段—良一段是孔隙集中发育段，具有以下3方面的典型特征：①孔隙类型多样，粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、生物体腔孔等选择性溶蚀孔隙与溶缝、溶沟、溶洞等非选择性溶蚀孔隙并存；②化学沉淀作用形成的新月形、悬垂形方解石等矿物与灰绿色泥质、角砾等暴露时期机械作用形成的充填物并存；③孔隙有效性较好，同生岩溶形成的选择性溶蚀孔隙未经历中—晚成岩阶段，压实、胶结程度较弱时，又被早成岩近地表岩溶进行非选择性的溶蚀、叠加改造，充填程度中等，孔隙整体保存较好。

研究区良里塔格组孔隙垂向分布具有如下规律：选择性溶蚀孔隙发育于礁、滩沉积旋回的中上部，多旋回的礁、滩组合沉积特征使得良三段—良一段中形成多套孔隙（洞）层，单层厚度约为10～30 m。早成岩近地表岩溶则主要作用于距离良里塔格组顶部 100 m深度范围内的礁滩体中，以上部表层岩溶带、潜水面之下的径流岩溶带孔隙最为发育、连通性最好。据岩心、薄片的观察统计，大气成岩透镜体可增加3%～4%的绝对孔隙度，早成岩近地表岩溶可增加 4%～8%的绝对孔隙度，二者叠加作用形成了礁、滩相碳酸盐岩主要的有效孔隙，是形成塔中地区深层良里塔格组优质储集层的关键因素。如图4中TZ62井加积准层序组厚达62 m。岩心、测井资料综合研究发现，早成岩近地表岩溶对4 685.00～4 715.00 m、4 744.00～4 760.00 m井段宏观孔洞缝的形成有着积极作用。该井有效储集层总厚度为68.80 m，储集层厚度占地层总厚度之比为91.00%。储集层级别以Ⅰ、Ⅱ类优质储集层为主，厚度为 48.40 m，占地层总厚度的 64.20%；Ⅲ类储集层厚 20.40 m，占地层总厚度的 26.80%。尤其在4 744.00～4 760.00 m井段，大气成岩透镜体与径流溶蚀带叠合发育，两类孔隙均较发育，形成了该段厚度大、级别高的优质储集层，隔夹层不发育。

图4 TZ62井上奥陶统良里塔格组孔隙发育特征及分布图（Rd—深电阻率；Rs—浅电阻率）

4 岩溶作用对孔隙分布的控制作用

研究区良里塔格组经历的大气水环境中的两种岩溶作用与沉积相、构造演化密切相关，成岩阶段上具有连续性，空间上具有良好继承性。成岩阶段上，塔中地区经历了早期的海侵后，开阔台地—台地边缘—斜坡—盆地沉积体系已经形成；后期良三段—良一段沉积期，处于台地边缘的研究区的高位体系域内以加积准层序组堆砌为主，沉积了巨厚的具有明显隆起的生物礁、颗粒滩复合体。沉积期海平面波动频繁，较高沉积地貌的礁滩复合体容易呈岛状暴露于大气淡水环境中，在每期礁滩复合体的中上部形成大气淡水成岩透镜体，同生岩溶进行选择性溶蚀，形成孔隙（洞）层（见图5a）。沉积期后，礁滩复合体未经历埋藏阶段的压实等成岩作用，在固结程度较弱、早期孔隙有效性较高时，即抬升暴露受到早成岩近地表岩溶的非选择性溶蚀、充填。因此，两种岩溶作用时间上具有连续性。空间上，因沉积速率的差异，镶边台地体系中的礁滩复合体与滩间海可以形成几米至十多米高度的沉积地貌差异，同生岩溶选择性溶蚀形成的孔隙（洞）分布在较高地貌的礁滩复合体中上部；沉积期后的抬升暴露，较高的礁滩复合体沉积地貌转化为岩溶古地貌的高部位，滩（礁）间海沉积处则为古地貌较低部位，两种地貌在空间上具有继承性。高部位的礁滩复合体岩块通过自身捕获的大气降水，在表层岩溶带及潜水面之下的径流岩溶带中形成有效性及连通性较高的缝洞体（见图5b）。因此，两种岩溶作用成岩阶段具有连续性、形成的孔隙分布空间具有继承性，这种良好的时空耦合关系是形成良里塔格组良三段—良一段有效孔隙集中发育段及优质储集层的关键因素。

图5 塔中东部地区良里塔格组礁滩相碳酸盐岩孔隙分布的成因模式图

5 结论

塔中东部地区上奥陶统良里塔格组礁滩相碳酸盐岩受到两种大气水岩溶作用：同生岩溶及早成岩近地表岩溶。同生岩溶形成具有大量选择性溶蚀孔隙的大气淡水成岩透镜体，发育于各期礁、滩沉积旋回的中上部，形成了良三段—良一段多套早期孔隙（洞）层，单个孔隙（洞）层厚10～30 m。早成岩近地表岩溶主要作用于距良里塔格组顶部100 m深度范围内，以上部表层岩溶带、潜水面之下的径流岩溶带孔隙最为发育，有效性及连通性较好。同生岩溶作用可增加3%～4%的绝对孔隙度，早成岩近地表岩溶可增加 4%～8%的绝对孔隙度，两种孔隙纵向叠置发育位置是礁、滩相碳酸盐岩有效孔隙的分布位置。两种岩溶作用成岩阶段具有连续性、形成的孔隙空间分布具有继承性，这种良好的时空耦合关系是形成研究区良里塔格组良三段—良一段有效孔隙集中发育段及优质储集层的关键因素。

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