新疆西克尔地区下奥陶统鹰山组岩溶古地貌与古水系的关系

2020-11-09冯海霞

海洋石油 2020年3期

冯海霞

（中国石油化工股份有限公司胜利油田勘探开发研究院，山东东营 257015）

古岩溶系统的研究是以现代岩溶理论为基础的。我国南方地区大片碳酸盐岩地层裸露，岩溶非常发育，规模大。众多学者长期对南方岩溶区进行了实地考察工作，不断探索论证，形成了丰富的现代岩溶理论体系。对于塔里木地区，特别是塔河油田，前人普遍认为是古生界沉积时期多次构造运动引起的多期岩溶作用叠加改造形成了奥陶系岩溶缝洞型储层。本文将现代岩溶中成熟的理论用于分析西克尔地区的岩溶，探讨古地貌与古水系的关系，再现岩溶发育时期的演化过程，对于指导塔里木盆地的勘探开发具有重要意义。

1 区域地质概况

西克尔地区位于柯坪逆冲推覆构造带上（图1），其野外露头处于柯坪隆起与巴楚隆起交接处巴楚隆起边缘，地理位置位于西克尔镇北8 km的萤石矿区[1]。研究区露头呈纺锤状，其北端残留部分紫红色志留系柯坪塔格组，为紫红色砂岩或泥岩直接覆盖于鹰山组灰岩之上[2]，其余露头区出露地层均为鹰山组。

图1 西克尔区域构造地质图

西克尔地区岩溶发育表生期岩溶，受加里东运动（在塔里木盆地，从寒武系到志留系发生加里东运动，受北昆仑洋板块、阿尔金洋板块向塔里木俯冲影响，导致该运动时期呈现较大幅度抬升或冲断褶皱，形成了多个平行不整合面和角度不整合面）的影响，在晚奥陶世，西克尔地区抬升为陆进入区域性的古表生期大气水溶蚀作用阶段[3]。根据邓胜徽（2008）对塔里木盆地西部柯坪地区牙形石的分析，认为西克尔地区柯坪塔格组下段与下伏地层之间缺失地层年限在10～20 Ma或者有可能超过20 Ma[4]，表明西克尔地区奥陶系与志留系不整合面下发育地表岩溶（表1）。

表1 塔里木盆地部分地层简表

野外工作中，沿着有岩溶现象的现存谷地用GPS定位，共读取219个点，记录每个点的坐标值、海拔以及谷地的延伸方向，绘制出西克尔野外露头谷地分布图（图2）。研究区按照A.N.Strahler （1954）的河流分级方法，共分为3级谷地，主要存在3个洼地，分别命名为洼地1、洼地2和洼地3。

图2 西克尔野外露头谷地分布

2 西克尔地区奥陶系岩溶发育特征

2.1 岩溶地貌特征

西克尔野外露头区现今的岩溶地貌现象丰富多样，主要表现为一种溶丘、垄岗、岩溶洼地、嶂谷和侵蚀-溶蚀沟谷组合类型。

（1）溶丘

溶丘与岩溶洼地组合成亚热带岩溶区的主要类型，溶丘（图3）一般起伏不大，呈基座不相连的浑圆状孤立溶峰，高度小于25 m，高度与基座的直径之比小于0.75。

图3 产状平缓的志留系覆盖下的溶丘(23号剖面)

（2）垄岗

此类地貌单元是构造形迹控制下，长期受溶蚀作用形成的线状分布的岩溶正地形，垄岗（图4）由溶峰或溶丘组成，溶峰或溶丘山体基座相连，两侧地形坡度一般较大。该地貌类型区属大气降水补给区域，降水主要通过垂向渗滤或以片流形式向洼地、漏斗、落水洞汇流至地下形成地下径流。由于汇水面积较小，因而径流强度较弱，最后以分散状向四周低级台面或河谷排泄。

图4 24号剖面点附近缓丘状垄岗

（3）岩溶洼地

岩溶洼地亦称溶蚀洼地，是岩溶区一种常见的封闭状负地形。一般说来，岩溶洼地较平坦，覆盖着松散沉积物。洼地可以由漏斗扩大而成，而几个洼地又可进一步合并成为合成洼地。洼地常发育在背斜、向斜轴部或其他构造带。

本区主要发育2个较大规模的长轴状分布的岩溶洼地（图2）。

洼地1分布于研究区的东北部，海拔最高，由5～6个规模相对较小、高程相似的小洼地连接复合而成，因此实际上属于一个洼地群，单个小洼地的长轴有北东向和东西向两个延伸方向，洼地群则呈近东西向延伸。洼地内部局部地区仍残留有紫红色的志留系沉积（图5），在洼地边缘谷坡上发育石牙和溶沟（图6）。

图5 洼地1残留的志留系原状地层

图6 洼地1边缘石牙、溶沟发育

洼地2位于研究区中−西部，呈近北西西向延伸，几乎横跨半个研究区，长度约1 km，宽度约50 m，分布面积大于洼地群1。该洼地形态上属于一个相对完整的长条状洼地，中间没有分割，洼地两侧均被相对高度在30～50 m的垄岗和溶丘所围限夹持，谷坡相对较陡，横剖面形态呈“U”型，底部相对平坦，向东略有抬升。

洼地2的西部目前仍可见志留系的残留地层（25号剖面）沿着长轴分布（图7）。另外还可以在局部洼地的沟底见到原状志留系地层的残留，在洼地的边缘谷坡根部可见到明显的石牙、溶痕、溶沟和溶槽[5]痕迹（图8）。

图7 洼地2充填的志留系原状地层(25号剖面)

除此之外，如图2南部三级水系中，在宽阔的沟壁上可以见到发育良好的小规模石牙、溶痕、溶沟、溶槽群（图9），该点沟底的海拔是该区现今岩溶地貌沟谷体系中最低的，与洼地2之间在高程上有相当大的差异。虽然该点附近没有形成大规模的洼地，但相对扩张而开阔的负地形仍具有小型洼地的特征，定义为洼地3（图10）。

图8 洼地2谷坡溶沟发育

图9 洼地3发育的石牙、溶沟、溶痕

图10 洼地3发育的石牙和溶沟

（4）岩溶障谷、干谷、侵蚀-溶蚀沟谷

岩溶障谷有时称为岩溶箱状谷[6-7]，本区的岩溶障谷集中见于24号剖面点附近的各级沟系中，这些岩溶障谷所具有的共同特点是谷窄而深，谷底宽度一般小于5 m，谷壁陡立，横剖面以“U”型居多，谷底则相对平坦，而向沟系上游追踪时与上部岩溶基面（即与洼地1相当的岩溶基面）上延续过来的沟系间均有明显的陡阶跌崖存在。同时沿沟壁二侧普遍可见石牙、溶沟和溶槽等岩溶地貌现象。

干谷是指岩溶地区干涸的或间歇性有水的河谷，研究区的干谷系统主要发育于上部岩溶基面上，属于伴随第一个岩溶台面（最高的岩溶台面）瓦解破坏作用期形成的，这些沟系一般深度较浅，多数沟段呈浅切“V”字形，相对幅差约10余米，沟底宽度不大，约2～3 m，但相对较为平坦，略向下游端倾斜，并有少量细粒松散沉积物堆积。

侵蚀-溶蚀沟谷为研究区主要沟谷，发育于洼地2的中−上游段或二级水系中，这类沟谷在分布上最重要的特征是位于第二个岩溶台面向第三个台面（该区岩溶障谷的谷底）的坡降带，横剖面形态具有复合特征，即沟谷的上部，谷坡坡度较缓，横剖面呈“V”字形；下部为深而窄的“U”型谷，谷壁陡立，谷底宽度窄，一般＜1～2 m，深度可达2～5 m。沿上部“V”字形沟谷和下部窄“U”型谷的二壁均发育有非常好的石牙、溶痕、溶沟和溶槽。

2.2 岩溶古地貌恢复

前人研究表明：三叠纪之后塔里木陆块不断向北漂移经历了湿润海洋性气候向炎热干燥大陆性气候的转变[8]（图11）。故在三叠纪以后研究区气候转变为炎热干燥大陆性气候，现今的气候类型已不具备发生岩溶的条件，现今存留下来的岩溶现象均为三叠纪之前的古岩溶。

图11 塔里木盆地中志留世—新近纪演化示意图(据李永安等，1999)

从野外露头地层出露情况分析，该区主要出露地层为鹰山组，部分地区地层特征为产状近似水平的志留系直接覆盖在鹰山组上，在这两组地层的不整合面处，鹰山组地貌形态主要表现为大型的石牙，志留系紫红色砂泥质充填在一系列石牙间的溶沟和溶槽中（图12）。前已述及，研究区地层晚奥陶世抬升，柯坪塔格组下段与下伏地层缺失地层年限在10～20 Ma。综上，分析得出该区区域性缺失上奥陶统，受加里东中期运动的影响，晚奥陶世地层抬升遭受剥蚀，鹰山组暴露地表遭受剥蚀并接受大气淡水溶蚀，形成各种类型的岩溶地貌，而后志留系以填平补齐的方式覆盖在鹰山组上，由此可以判断露头区存在产状水平的志留系覆盖的地貌均为古地貌（图3、图4和图7）。

图12 产状水平的志留系覆盖在鹰山组上

前已证实：产状水平的志留系以填平补齐的方式覆盖在两溶丘上（图13），溶丘为古地貌，因此两溶丘之间部位为古沟谷。研究中还发现附近谷底地面出露志留纪原状地层（图14），由此证实该区洼地均为古洼地。

图13 产状平缓的志留系覆盖下的溶丘

图14 洼地出露志留纪原状地层

3 古地貌与古水系的关系

前已证实图13中两溶丘间部分为古沟谷，其上游河口一直延伸到洼地，露头区有许多这样的侵蚀-溶蚀沟谷。沟谷两侧边缘溶丘上大型石牙、溶沟溶槽极为发育，大型岩溶地貌必定具有良好的水循环系统。沟谷的继承性分析可以实现研究区古水系的恢复（图2）。

从洼地1至洼地3，海拔逐渐降低，洼地1与洼地2间的海拔高差约为72 m，洼地2与洼地3的海拔高差约为48 m。沿着通向洼地的沟或洼地的边缘，石牙、溶痕、溶沟和溶槽很发育，说明每个洼地相当于一个汇水区，控制了一个水文系统，但所代表的基准面可能不同，三个不同高程的洼地代表了三个不同的基准面。以鹰山组古水系图（图2）为基础，结合野外考察的地形、地貌以及岩溶形态分析，识别出分水岭和河谷等水文地貌单元，从而对古水系结构进行精细刻画。

古水系分布在不同的地貌类型上，古地貌的变化与水系的发育有着密切的关系。

3.1 洼地控制岩溶水系汇流方向

西克尔地区的岩溶主要发育在鹰山组，在这个时期地层大幅度隆起，而造成地层的重大缺失，使志留系直接覆盖在下奥陶统鹰山组上，无疑在这样漫长的地质时期中因暴露于大气介质之中，推动了下奥陶统鹰山组发生碳酸盐岩的岩溶作用。

常规流水地貌流域，是指由分水岭所限而有径流流入干流及其支流的集水面积[9]。

岩溶流域，是指特殊的含水介质（可溶岩双重含水介质）和特殊的流域边界（地表、地下双重分水岭）、独特的地貌 - 水系结构及水文动态耦合的地域综合体。用系统论的观点来概括的话，即在特定的流域边界条件约束下，一组结构有序和功能互补的水文地貌要素集合，且会随时间的推进，而处于有序动态变化的一个三维空间地域系统[10]。

可见，岩溶流域与常规流水地貌流域的含义一样，均是由分水岭作为边界的系统。如图1中，以虚线为界，自西向东分为两个流域，分别为流域Ⅰ和流域Ⅱ。在流域中，洼地控制其汇流方向。

前面对西克尔地区古地貌特征的分析中，本区主要发育2个较大规模的长轴状分布的岩溶洼地。每个洼地相当于一个汇水区，在岩溶发育的不同阶段充当不同的排泄基准面。岩溶洼地间的分水地块，随着洼地的发育而不断瓦解。通常，沿着地下水流方向，两相邻的洼地之间是以管道流的方式沟通，使之产生水力联系。如果洼地间的高差较大，高洼地的地下水往往以低位洼地作为它的相对排泄基准面[11]。当洼地1作为排泄基准面时，第一个岩溶阶段开始发育，而后地貌高程变化，第二阶段岩溶发育，以洼地2为排泄基面，如图1，研究区北部的分支水系自志留系尖灭线和洼地1延伸到洼地2，从分支水系的结构判断出其汇流方向，均往西南方向汇入到洼地2中。分布在上下游的洼地高程不同，存在着一定的水位差，这种水位差就迫使岩溶水必须选择一条阻力最小的路径运移。在一定条件下，岩溶作用的连续，这条路径也就成为最主要的管道[12]。正如洼地1与洼地2间存在着高程差，在此水位差的作用下，形成最主要的岩溶管道-嶂谷，岩溶水主要通过嶂谷往洼地2中汇流。岩溶作用后期，岩溶作用更进一步深入，使得第二岩溶台面开始瓦解，洼地3作为排泄基面控制水系往南汇流。

综上所述，从水系分布图（图2）来看，以岩溶洼地2为界，分为南北两个部分。北部的分支水系很发育，且大部分水系呈北东—南西向分布。北部再分为东西两个流域[13]，即流域Ⅰ和流域Ⅱ，受洼地2这个排泄基准面的控制，流域Ⅰ的几条水系汇流后全部汇入岩溶洼地2；流域Ⅱ的几条水系总体上是往西南方向汇流，在实测剖面21号点附近汇集后再整体往南汇流。岩溶作用后期，洼地3作为排泄基准面，南部由岩溶洼地2分出的两条三级河谷整体往南汇流，其中一条与东部汇流的三级河谷再次汇集往南继续汇流。

3.2 岩溶水系汇流方向形成三期岩溶地貌

在岩溶作用下，以不同高程洼地作为排泄基准面，本区岩溶大致可以分为三个阶段，前两个阶段的岩溶发育占主导地位，第三个阶段的岩溶刚开始发育，到目前为止还没有发育完全。

研究区最高一级岩溶台面上发育一些低矮的溶丘，相对幅度低于20 m，部分溶丘与志留系地层直接接触，这是鹰山组岩溶发育最早阶段的产物。随着最高一级岩溶台面的瓦解，一些裂缝较为发育的部位岩溶作用强烈形成地势低洼的区域，这些区域成为岩溶水汇流区，即构成了洼地1，洼地1作为早期岩溶水排泄基准面，在第一个岩溶台面上发育岩溶洼地、岩溶残丘起伏的地面及早期发育的石牙、溶沟、溶槽和小型河谷[14-15]。随着高程的变化，造成另一阶段的岩溶发育。此时，洼地2作为排泄基准面[16]，第二个岩溶台面[17-18]的岩溶发育。洼地1处于较高部位，其排泄基准面逐渐瓦解，洼地1的水逐渐汇入洼地2中，造成洼地2垂向上的岩溶很发育。此阶段的岩溶是这两个阶段岩溶共同作用形成的。在深切嶂谷之上的平缓地面（第一阶段岩溶化地面），有沟谷悬挂在嶂谷之上，而造成岩溶悬谷即是证明（图15、图16）。最后，第二个岩溶台面开始瓦解，在研究区南部的三级沟系中发育洼地3，此时以洼地3为排泄基准面，洼地边缘发育石牙、溶沟、溶槽和溶痕。