四川盆地震旦系灯影组表生岩溶作用研究

郝 毅，杨 迅，王宇峰，陈 薇，谷明峰，厚刚福（1中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州 1002；2.中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室，浙江 杭州 1002；中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油621700）

四川盆地震旦系灯影组表生岩溶作用研究

郝 毅1，2，杨 迅3，王宇峰3，陈 薇1，2，谷明峰1，2，厚刚福1，2
（1中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州 310023；2.中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室，浙江 杭州 310023；3中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油
621700）

四川盆地灯影组是中国最为古老的海相碳酸盐岩沉积地层，也是年代最老的含气储集层之一，灯影组在漫长的地质历史时期中经历过多期次的岩溶作用改造，而表生岩溶作用是其中最为重要的一种。本文以野外露头以及钻井岩心样品的宏观、微观特征为基础，以不同结构组分进行微区取样的多参数实验分析方法为辅助手段，对灯影组白云岩表生岩溶作用进行了研究。灯影组表生岩溶作用主要发育在三个层位，即灯四段顶部，灯二段顶部以及灯二段中、下部。其中桐湾Ⅰ幕和桐湾Ⅱ幕构造运动是造成灯二段顶部以及灯四段顶部表生岩溶作用的主控因素，而灯二段早、中期的表生岩溶作用主要受气候等原因引起的大规模海平面升降所控制。

四川盆地；震旦系；灯影组；表生岩溶作用

引言

四川盆地是中国西部一个大型而又古老的含油气叠合盆地（图1），面积约19×104km2［1］，呈NE向菱形展布特征。全盆地共发育20多套含油气层系［2］，震旦系灯影组是其中最为古老的一套海相碳酸盐岩含气储集层。1964年，天然气探明地质储量达到400亿立方米的威远灯影组气藏被发现［3］，从此拉开了四川盆地灯影组的勘探序幕。虽然在此之后，以震旦系灯影组为目的层又钻探了多个构造，除资阳地区三口钻井达到工业气流标准外，未再有新的发现。直到2011年，高石梯地区震旦系灯影组终于实现了重大突破，风险探井高石1井在灯二段测试日产天然气达到百万立方米以上［4］，至此，四川盆地灯影组步入了快速勘探阶段。

表生岩溶作用是指松散的沉积物经过固结成岩后，由于构造抬升等原因使已经固结的岩石再次暴露地表，在富CO2的大气淡水作用下，岩石发生淋滤、溶解、侵蚀、搬运、再沉积等一系列作用，是众多岩溶作用中的一种。前人曾对四川盆地以及周缘地区灯影组的岩溶作用做过一些研究工作，研究地区主要在威远地区［5］、资阳地区［6－7］、川中地区［8－10］、全盆地范围［11－12］以及盆地外围地区［13］。研究普遍认为，四川盆地灯影组岩溶作用分为三个阶段，即准同生期岩溶、表生期岩溶以及埋藏期岩溶，其中表生岩溶主要发育在灯影组顶部，是灯影组优质储层的控制因素之一。本次通过研究细化了灯影组表生岩溶作用的期次,共分为三个阶段,并提出灯二段中下部“葡萄花边冶状白云岩是表生岩溶作用的一种表现形式,并从野外宏观、镜下微观特征、微区多参数实验方法等方面入手,详细解剖了该期表生岩溶作用的成因、主控因素及地质意义。

图1摇四川盆地灯影组主要露头及钻井地理位置图Fig.1摇Geographic location of main outcrops and wells in the Dengying Formation,Sichuan Basin

图2摇四川盆地震旦系地层柱状图Fig.2摇Stratigraphic column of the Dengying Formation in the Sichuan Basin

1摇灯影组表生岩溶作用发育阶段的划分

灯影组岩性复杂[14],其自下而上分为四个段[15](图2)。其中灯一段岩性主要为泥微晶白云岩,菌藻类不发育;灯二段为富菌藻类白云岩段,除了泥鄄粉晶白云岩外,富含菌藻类的砂屑、凝块、团块等含菌藻类白云岩普遍发育。此外在灯二段还可见“葡萄花边冶状白云岩;灯三段主要为一套碎屑岩为主的砂、泥岩,全盆地广泛分布,厚度从几十公分至几十米不等;灯四段主要为一套富含硅质的泥微晶白云岩,菌藻类纹层局部发育,硅质条带及硅质纹层是灯四段的主要识别标志。

表生岩溶作用主要发育在灯四段顶部、灯二段顶部以及灯二段中下部(表1),其表现形式以及控制因素在下文中进行探讨。

表1 四川盆地灯影组表生岩溶作用特征Table 1 Description of the supergene karstification in the Dengying Formation，Sichuan Basin

11 灯四段末期的表生岩溶作用

众所周知，震旦系灯影组与下寒武统之间存在一个大的不整合面，地层长时间暴露在地表，因此表生岩溶作用在灯影组末期广泛发育。该阶段表生岩溶作用发育的直接证据就是直径大于2mm的溶洞大量出现。从川中地区gs1、mx9以及mx10三口钻井的灯四段资料来看［8］，岩心溶洞发育段长度约25m，各类溶洞2301个（图3A、B）。溶洞发育层段洞密度926个／m，其中直径大于20mm的溶洞有141个［8］。

图4 灯影组二段孔洞发育特征A.含菌藻白云岩，溶蚀孔洞发育，gs6井，灯二段；B泥粉晶白云岩，溶孔较发育，直径多小于5mm，gk1井，灯二段；C.岩溶缝洞系统垮塌并被渗流粉砂、泥质充填，南江杨坝剖面，灯二段Fig.4 Characteristics of caves and vugs in the 2nd member of the Dengying Formation

由于灯影组末期暴露时间较长，形成的大型洞穴较多，但是从岩心以及薄片上无法直观地捕捉到这些信息，只能通过数学统计以及现代化钻井技术来实现。在威远和高石梯磨溪地区钻井过程中常遇到放空和井漏现象，如对威远气田钻达灯影组储层的78口钻井的统计表明，钻具放空的井共有15口，即使未考虑单井重复多次放空，其放空钻遇率也已经达1923%，远远高于茅口组放空钻遇率994%以及嘉陵江组的404%［3］。此外，继深1井距灯影组顶部7m处发生井漏之后，深1井距灯影组顶部1m处也发生了井漏［12］。这些放空、漏失的钻井主要在灯影组顶部，且并未钻遇断层，其成像测井颜色多表现为暗黑色，与其他岩性的橙色背景形成很大反差（图3C）。

12 灯二段末期的表生岩溶作用

四川盆地灯二段末期曾发生过一次构造抬升，其规模可能比不上灯影组末期，但也造成了长时间的沉积间断，岩层大范围暴露出水面，遭受了淋滤溶蚀作用。该期表生岩溶作用也造成了大量优质岩溶型储层的富集。从川中高石梯磨溪地区gs2、gs6、mx9、mx11这四口钻井灯二段的取心资料来看，溶洞发育段约98m，占整个岩心长度的915%。其中直径大于等于20mm的溶洞约277个，大于等于2mm但小于5mm的溶洞约755个，直径小于2mm的孔洞数量最多（图4A、B），超过6000个［8］。除了孔洞发育外，在野外也可以见到类似表生岩溶缝洞系统垮塌并被渗流粉砂、泥质物充填的现象（图4C）。

13 灯二段早、中期的表生岩溶作用

该时期表生岩溶作用的主要表现形式是“葡萄花边”状白云岩出现［16］。该类岩石从正面看像一颗颗的“葡萄”（图5A），从侧面看则像一层层的“花边”状纹层（图5B、C）。单个纹层厚度约01～1mm，颜色可以为灰色、浅灰色、深灰色、黑灰色，或者几种不同颜色的纹层呈不规则互层状，形成独特的玛瑙纹构造。“葡萄”与“花边”两者一同构成一个有机整体。“葡萄花边”状白云岩的发育产状有三种：顺岩层面生长（图5B）、沿角砾外缘包绕生长（图5B、C）、垂直或斜交岩层面生长（图5D）。另外，“葡萄花边”状白云岩从结构组分上可以分为围岩、“葡萄花边”状纹层、亮晶胶结物三种（图5E、F）。“葡萄花边”构造与灯影组另一种大规模发育的“纹层状”白云岩最大的区别是，“葡萄花边”的生长有明显的对称性。大家所熟悉的叠层状、纹层状菌藻类岩石为沉积型成因，因此其生长方向都是自下而上符合生物向上生长的规律。而在野外露头及岩心中见到的“葡萄花边”状纹层，其生长时具有明显的对称性（图5E、F）。“葡萄花边”另外一个特征是可以穿过层面生长，沉积型的藻纹层往往都是在岩层表面依附生长，即使生长形态略有起伏，也不会垂直或斜交层面发育。而“葡萄花边”纹层则经常可以见到其穿过层面生长，即在垂向为主的裂缝中生长（图5D）。

本次针对这种特殊岩石类型，分别对围岩、“葡萄花边”胶结物、亮晶白云石胶结物三种不同结构组分（图5E、F）进行了微区取样，并做了碳、氧、锶同位素分析。由于围岩（以泥晶白云岩为主）是正常海水环境下的沉积产物，因此，围岩的碳、氧、锶同位素数值基本反映了正常海水沉积物的特征。（碳、氧同位素，送样单位：中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室；执行标准：《SY／T52382008有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》；使用仪器：DELTA V Advantage同位素比质谱仪；检测环境：温度：24℃，湿度：50%RH。精度：小数点后2位。锶同位素，送样单位：中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室；执行标准：《岩石中铅、锶、钕同位素测定方法》GB／T 176721999；使用仪器：热电离同位素比质谱仪TRITON PLUS；测试条件：单带：Ta带，电离温度：1450℃；检测环境：温度：20℃，湿度：40%RH。精度：小数点后6位；误差：±2σ）

从碳、氧同位素数据可以明显地看到（图6），“葡萄花边”和围岩的δ18O值较为接近，反映了成岩流体的盐度和形成温度都近似于正常海水；而粗晶白云石的δ18O数值明显偏负很多，反映了其形成的盐度较低，且成岩时间较晚、成岩温度较高，形成环境可能与热液流体有关。三种组分δ13C数值比较接近，但相对最低的是“葡萄花边”，表明成岩过程中可能有少量大气淡水的参与（表生环境）。从锶同位素数据来看（图7），除一个围岩样品数据出现异常外，其余围岩和“葡萄花边”样品的87Sr／86Sr值较为接近且整体偏低，反映了同时期海水中以幔源锶为主的特征。而粗晶白云石中的87Sr／86Sr值则明显偏高，说明其成岩流体明显不同。结合碳、氧同位素判断，粗晶白云石的成岩流体可能来自深部，并受古老的壳源碎屑沉积物所影响（研究区灯影组下部存在南沱组观音崖组碎屑岩地层以及更为古老的浅变质碎屑岩地层），因此87Sr／86Sr值偏高。

图5 灯影组二段“葡萄花边”状白云岩宏观和微观特征A.“葡萄花边”状白云岩正面特征，像一颗颗“葡萄”，峨边先锋剖面，灯二段；B.“葡萄花边”状白云岩侧面特征，犹如一层层“花边”，四川峨边先锋剖面，灯二段；C.“葡萄花边”状白云岩野外近照，南江杨坝剖面，灯二段；D.“葡萄花边”状白云岩，穿层生长，南江杨坝剖面，灯二段；E.“葡萄花边”状白云岩宏观结构特征，箭头方向为“花边”生长方向，w117井灯二段；F.“葡萄花边”状白云岩镜下微观特征，箭头方向为“花边”生长方向，w117井灯二段，普通薄片（正交偏光）Fig.5 Macroscopic and microscopic characteristics of“Botryoidal＆lacelike”dolostone in the Dengying Formation

图6 碳、氧同位素图版Fig.6 Chart of carbon and oxygen isotopes

图7 锶同位素图版Fig.7 Chart of87Sr／86Sr isotopes

2 灯影组表生岩溶作用的控制因素

21 构造抬升运动引起的表生岩溶作用

对于灯二段顶部以及灯四段顶部的表生岩溶作用来讲，构造运动是造成该时期地层抬升、暴露、溶蚀的主控因素。四川盆地震旦纪灯影组发生过两期主要的构造运动，即桐湾Ⅰ幕和桐湾Ⅱ幕运动，分别发生在灯二末期和灯四末期（图2），因此桐湾Ⅰ幕和桐湾Ⅱ幕构造运动分别是造成灯二段顶部以及灯四段顶部的表生岩溶作用的主控因素。

22 海平面升降引起的表生岩溶作用

“葡萄花边”状白云岩的发育有着明显的规律性。虽然纵向上只发育在灯影组二段中、下部，但在平面上分布甚广且稳定，在大的沉积相带未发生变化的情况下，四川盆地及周缘地区的野外露头和钻井岩心中几乎都可以见到。该层位目前还没有发现大的不整合标志，因此，很可能是在海平面大规模下降的背景下，发育了范围如此之广的表生岩溶作用。海平面再次上升时，已经存在的裂缝洞穴体系中便会形成多期次的海水纤状胶结物。当地层继续埋深后，海水胶结物逐渐停止发育，而相对晚期形成的亮晶胶结物则继续充填残留的缝洞空间，因此，灯二段早中期的表生岩溶作用主要受大规模海平面下降所控制（图8）。此外，考虑到地球在震旦纪早期刚经历冰期环境，因此海平面大规模下降的原因则可能与温度等气候因素的急剧变化有关。

图8 “葡萄花边”与海平面变化关系Fig.8 Relationship between“Botryoidal＆lacelike”dolostones and sea level changes

3 结论

在灯影组中，溶蚀作用主要经历了三个阶段：（准）同生期大气淡水溶蚀作用阶段、表生期的岩溶作用阶段以及埋藏期溶蚀作用阶段，其中表生成岩环境形成的溶蚀孔洞对灯影组优质储层的形成有着巨大的贡献。研究认为，灯影组表生岩溶作用主要发育在三个时期，即灯四末期，灯二末期以及灯二早、中期。桐湾Ⅰ幕和桐湾Ⅱ幕构造运动是造成灯二段顶部以及灯四段顶部表生岩溶作用的主控因素，而灯二段早、中期的表生岩溶作用主要受大规模海平面下降所控制。表生岩溶作用的地质意义在于，其不但是灯影组储层发育的重要因素，而且对灯影组各个时期沉积古地貌的研究具有指导意义。

［1］ 冉隆辉.论四川盆地天然气勘探前景［J］.天然气工业，2006，26（12）：42－44.

［2］ 魏国齐，杨威，谢武仁，等.四川盆地震旦系＿寒武系大气田形成条件：成藏模式与勘探方向［J］.天然气地球科学，2015，26（5）：785－795.

［3］ 陈宗清.四川盆地震旦系灯影组天然气勘探［J］.中国石油勘探，2010，（4）：1－14.

［4］ 洪海涛，谢继容，吴国平，等.四川盆地震旦系天然气勘探潜力分析［J］.天然气工业，2011，31（11）：37－41.

［5］ 罗啸泉，郭东晓，蓝江华.威远气田震旦系灯影组古岩溶与成藏探讨［J］.沉积与特提斯地质，2001，21（4）：54－60.

［6］ 向芳，陈洪德，张锦泉.资阳地区震旦系古岩溶作用及其特征讨论［J］.沉积学报，2001，19（3）：421－424.

［7］ 包强，肖梅，施文.资阳地区震旦系古岩溶储层特征及测井评价［J］.矿物岩石，1999，19（3）：52－55.

［8］ 罗冰，杨跃明，罗文军，等.川中古隆起灯影组储层发育控制因素及展布［J］.石油学报，2015，36（4）：416－426.

［9］ 林刚，王兴志，刘志尧，等.川中灯影组碳酸盐岩岩溶地层测井响应特征［J］.沉积与特提斯地质，2014，34（4）：59－67.

［10］ 周进高，姚根顺，杨光，等.四川盆地安岳大气田震旦系一寒武系储层的发育机制［J］.天然气工业，2015，35（1）：36－44.

［11］ 杨雨，黄先平，张健，等.四川盆地寒武系沉积前震旦系顶界岩溶地貌特征及其地质意义［J］.天然气工业，2014，34（2）：1－6.

［12］ 杨威，魏国齐，赵蓉蓉，等.四川盆地震旦系灯影组岩溶储层特征及展布［J］.天然气工业，2014，34（3）：1－6.

［13］ 曹建文，梁彬，张庆玉，等.黔中隆起及周缘地区灯影组古岩

溶储层发育特征和控制因素［J］.地质通报，2012，31（11）：1902－1909.

［14］ 斯春松，郝毅，周进高，等.四川盆地灯影组储层特征及主控因素［J］.成都理工大学学报（自然科学版），2014，41（3）：266－273.

［15］ 姚根顺，郝毅，周进高，等.四川盆地震旦系灯影组储层储集空间的形成与演化［J］.天然气工业，2014，34（3）：31－37.

［16］ 郝毅，周进高，陈旭，等.四川盆地灯影组“葡萄花边”状白云岩成因及地质意义［J］.海相油气地质，2015，20（4）：57－64.

Supergene karstification in the Sinian Dengying Formation，Sichuan Basin

HAO Yi1，2，YANG Xun3，WANG Yu－feng3，CHEN Wei1，2，GU Ming－feng1，2，HOU Gang－fu1，2
（Hangzhou Institute of Petroleum Geology，PetroChina，Hangzhou 310023，Zhejiang，China；2.Key Laboratory of Carbonate Reservoirs，CNPC，Hangzhou 310023，Zhejiang，China；3.Northwest Sichuan Division，Southwest Oil＆Oil Field Company，PetroChina，Jiangyou 621700，Sichuan，China）

The Sinian Dengying Formation strata in the Sichuan Basin are interpreted to be the oldest marine carbonate strata and gas reservoirs in China.In the last geologic periods，the Dengying Formation underwent multiple phases of karstification，of which the supergene karstification have played an important part in the formation of the excellent reservoir rocks in the Formation.Therefore，the emphasis in the present paper is placed on the supergene karstification in the Sinian Dengying Formation on the basis of macroscopic and microscopic features，and multi－parameter experimental analysis of samples from the field outcrops and drilled cores in the Sichuan Basin.The supergene karstification occurs dominantly in three horizons，including the topmost parts of the 4th member and the 2nd member，and lower and middle parts of the 2nd member of the Dengying Formation.The tectonic movements during the Tongwan I and II episodes are believed to be the main controlling factors for the supergene karstification in the topmost parts of the 4th member and 2nd member of the Dengying Formation.The supergene karstification in the lower and middle parts of the 2nd member of the Dengying Formation is mostly constrained by the large－scale sea level changes caused by climatic variations..

Sichuan Basin；Sinian；Dengying Formation；supergene karstification

P512.2

A

10093850（2017）01004807

20161024；改回日期：20161127

郝毅（1981－），男，工程师／硕士学位，专业：沉积学。Email：haoy＿hz＠petrochinacomcn

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2016ZX05004002）；中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“深层油气勘探开发关键技术研究”（2014E32）