施澤進(jìn) 夏文謙 王勇 田雪松 王長城

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都理工大學(xué)，成都 610059 2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059

3.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院地球化學(xué)系，成都 610059

鑒于古巖溶在世界油氣勘探中的重要地位，其一直是石油地質(zhì)工作者關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)(Wang and Al-Aasm，2002;Sean et al．，2007;Kang et al．，2012)。中國的諸多盆地，如塔里木盆地(Zhang et al．，2004;鄔光輝等，2012)、柴達(dá)木盆地(Feng et al．，2013)、鄂爾多斯盆地(夏明軍等，2007)及四川盆地(張兵等，2011)等均發(fā)現(xiàn)了大量的古巖溶型儲(chǔ)層，并且建成了諸如塔河、輪南、長慶及威遠(yuǎn)等大中型油氣田，因此開展古巖溶的研究對(duì)海相油氣勘探具有重要意義(賈振遠(yuǎn)和蔡忠賢，2004;劉光鼎，2007;蘇中堂等，2010)。四川盆地茅口組古巖溶普遍發(fā)育，一直是川東南探區(qū)一個(gè)重要的油氣勘探目的層，經(jīng)過幾十年的勘探曾在赤水取得過重大的突破(馬東洲等，2009)，近期LS1井、FS1井(向斜區(qū))在茅口組相繼獲得勘探突破，表明研究區(qū)茅口組具有較大的勘探潛力(郭旭升等，2012)。

由于茅口組古巖溶的發(fā)育規(guī)模普遍較小，沉積后遭受風(fēng)化剝蝕的時(shí)間僅為3～5Myr(李興平等，2008)，并且經(jīng)歷了構(gòu)造及成巖等地質(zhì)作用的改造，使得對(duì)茅口組古巖溶型儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)緩慢而不斷修正的過程。在20世紀(jì)90年代以前，認(rèn)為茅口組主要為裂縫型氣藏，儲(chǔ)層主要由喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的裂縫及沿裂縫溶蝕形成的孔洞構(gòu)成(吳康，1989);90年代至2000年期間，人們逐步認(rèn)識(shí)到在茅口組可能存在古巖溶，并且古巖溶的發(fā)育情況與天然氣的聚集有著密切的關(guān)系;2000年以后，茅口組存在古巖溶的觀點(diǎn)已經(jīng)被人們普遍接受(陳宗清，2007;胡明毅等，2012;郭旭升等，2012)，并且認(rèn)為茅口組發(fā)育了沉積期巖溶、風(fēng)化期巖溶、埋藏期巖溶及褶皺期巖溶等多種不同類型的古巖溶。此后石油地質(zhì)工作者在油氣勘探過程中都無不強(qiáng)調(diào)古巖溶對(duì)茅口組油氣勘探的重要性(He et al．，2010;Hu et al．，2012)。對(duì)古巖溶型儲(chǔ)集體的勘探來講，核心是如何尋找、識(shí)別和預(yù)測它們(王勇等，2011)。然而，不同類型古巖溶的發(fā)育規(guī)模不同，造成它們對(duì)油氣勘探的重要程度亦有所不同，但在野外及鉆井中，除非遇到比較典型的巖溶發(fā)育帶，否則很難做到對(duì)每個(gè)地方的古巖溶類型都能做出準(zhǔn)確地判斷，尤其是在有多種古巖溶同時(shí)發(fā)育、經(jīng)歷了較為復(fù)雜的構(gòu)造及成巖作用改造疊加的區(qū)域，這一問題就顯得更為突出。以野外工作為基礎(chǔ)進(jìn)行地球化學(xué)方面的研究，建立不同巖溶類型的地球化學(xué)響應(yīng)模式，可以較為準(zhǔn)確地判斷古巖溶的類型。對(duì)古巖溶類型的準(zhǔn)確識(shí)別，無疑對(duì)理解茅口組儲(chǔ)層的發(fā)展演化過程及判斷其發(fā)育規(guī)模具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文中樣品包裹體測試完成于油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，儀器為英國Renishaw invia系列新型激光共焦顯微拉曼光譜儀;同位素分析方法可參閱文獻(xiàn)(施澤進(jìn)等，2011，2013)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地的大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)偏西北一側(cè)，是揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的一個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元。本次研究區(qū)位于四川盆地東南部，屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的三級(jí)大地構(gòu)造單元，構(gòu)造主體位置跨越四川盆地川東南弧形高陡褶皺帶和南部的低陡褶皺區(qū)(圖1)。在加里東期及海西期，地殼運(yùn)動(dòng)以與張裂活動(dòng)伴生的升降運(yùn)動(dòng)為特征，未發(fā)生過與擠壓活動(dòng)有關(guān)的斷褶運(yùn)動(dòng)(張渝昌等，1989)。晚加里東運(yùn)動(dòng)使地殼持續(xù)抬升，發(fā)育近東西向的拉張斷陷盆地，致使川東坳陷基底起伏不平，總體特征是西高東低，存在“三隆三洼”的古地貌特征(胡光燦和杜尚明，1992)。二疊紀(jì)早期全球性海侵，淹沒了整個(gè)上揚(yáng)子陸塊，沉積了正常淺海相的棲霞組及茅口組灰?guī)r。茅口期末，由于受東吳運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)和影響，整個(gè)上揚(yáng)子盆地大部分地區(qū)地殼隆起，形成瀘州和開江兩個(gè)大型古隆起的雛形，造成了上下二疊統(tǒng)之間的沉積間斷(張渝昌等，1989)。隨后印支期的地殼運(yùn)動(dòng)由張裂活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閴号せ顒?dòng)，使整個(gè)四川盆地結(jié)束了海相沉積階段，變?yōu)殛懴喑练e盆地。燕山運(yùn)動(dòng)造成褶皺抬升，再次隆起，形成與褶皺伴生的燕山期裂縫，最后喜山運(yùn)動(dòng)使盆地內(nèi)的沉積地層發(fā)生了強(qiáng)烈的斷褶作用，形成如今的構(gòu)造面貌。

茅口組整合于棲霞組之上，上與龍?zhí)督M不整合接觸，沉積相為開闊臺(tái)地相。巖性主要為灰白、灰、深灰色微晶灰?guī)r、方解石斑晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，含燧石結(jié)核(團(tuán)塊)灰?guī)r。茅口灰?guī)r在研究區(qū)內(nèi)沉積厚度變化不大(一般為200～300m)，后經(jīng)歷風(fēng)化剝蝕及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用形成了多種不同類型的古巖溶。

2 茅口組古巖溶的地質(zhì)特征

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造簡圖(據(jù)郭川等，2011修編)Fig．1 Position of the research area and structural graph(modified after Guo et al．，2011)

據(jù)前人研究(顏其彬和龐雯，1993;陳宗清，2007)及野外剖面觀察，茅口組主要存在四種類型的古巖溶，分別為沉積期巖溶、表生期巖溶、埋藏期巖溶及褶皺期巖溶。

2.1 沉積期巖溶

四川盆地東南部茅口組灰?guī)r在沉積過程中，因短暫暴露地表，多次遭受大氣水淋濾(顏其彬和龐雯，1993)，伴隨淡水滲透作用而發(fā)生了小規(guī)模的巖溶，每個(gè)巖溶帶上界面為巖相或巖性的突變面，為沉積間斷暴露面(溶蝕)，巖性為深灰色微晶灰?guī)r;下界面為巖相或巖性的漸變面，巖性為淺色微晶灰?guī)r。在南川水江、習(xí)水二郎和豐都狗子水等剖面的淺灰褐色灰?guī)r中可看到形態(tài)各異、大小不等的溶蝕孔洞，這些溶蝕孔洞的形成具有明顯的選擇性，大多數(shù)被方解石充填，形成形似鳥眼構(gòu)造的方斑(圖2a，b)，在陰極射線下不具發(fā)光性(圖2c)。這一類型的巖溶發(fā)育規(guī)模較小，對(duì)茅口組儲(chǔ)層的意義不大。

2.2 表生期巖溶

茅口組沉積之后，受東吳運(yùn)動(dòng)的影響，茅口組整體抬升，開始接受大氣淡水的淋濾，這一淋濾過程大約持續(xù)了3～5Myr(李興平等，2008)，剝蝕厚度為50～350m(何斌等，2004)。在茅口組的中上部形成了一定數(shù)量的溶蝕孔洞。該類巖溶產(chǎn)生的地質(zhì)背景較沉積期巖溶有重大變化，其碳酸鹽沉積物已固結(jié)成巖，孔滲顯著變差。這類巖溶的宏觀特征主要表現(xiàn)為:①溶解作用不受組構(gòu)限制，形成不規(guī)則的溶洞、溶縫和少量溶孔，溶蝕型溶洞和溶塌型溶洞均發(fā)育;②洞穴中的塌積物主要由巖石角礫、泥鐵質(zhì)及風(fēng)化鋁土質(zhì)構(gòu)成(圖2d);③主要分布于茅口組頂部。鏡下可見大面積的孔洞，以充填中-粗晶方解石為主(圖2e)，在陰極射線下發(fā)暗褐色或者暗橙紅色光，或兩者共有而具環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2f)，局部可見到少量的滲濾砂，包裹體均一溫度為57～65℃(表1)。此類巖溶發(fā)育規(guī)模大，是茅口組油氣勘探關(guān)注的重要巖溶類型。

2.3 埋藏期巖溶

圖2 不同類型古巖溶的宏觀、微觀及陰極發(fā)光特征(a)-選擇性溶蝕形成的方斑，太平渡剖面;(b)-選擇性溶孔被細(xì)-中晶方解石充填，單偏光，林灘場剖面;(c)與(b)同視域，陰極發(fā)光;(d)-溶蝕形成的溶蝕角礫巖，雞公嶺剖面;(e)-表生期巖溶被粗晶方解石充填，單偏光，太平渡剖面;(f)與(e)同視域，陰極發(fā)光;(g)-埋藏期巖溶沿早期方斑邊緣發(fā)生，金雞1井;(h)-埋藏溶孔被細(xì)-中晶方解石充填，單偏光，狗子水剖面;(i)與(h)同視域，陰極發(fā)光;(j)沿裂縫形成的溶蝕擴(kuò)大溶孔，林灘場剖面;(k)-與裂縫相關(guān)的溶孔被細(xì)-中晶方解石充填，單偏光，水江剖面;(l)與(k)同視域，陰極發(fā)光Fig．2 Macroscopic，microscopic，and cathodeluminescent features of different types of karst

大約在晚三疊世時(shí)，二疊系烴源巖(龍?zhí)督M以及茅口組本身)開始成熟生烴(朱光有等，2006;騰格爾等，2008;龔浩等，2010)，有機(jī)酸運(yùn)移(主要在早期的溶蝕孔洞中及裂縫中)，使得早期的溶蝕孔洞及裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，并形成了少量新的溶孔。這類巖溶多沿早期的薄弱部位如縫合線、溶縫及方斑邊緣發(fā)生，有機(jī)質(zhì)浸染嚴(yán)重，常與殘存的瀝青共存(圖2g)。溶孔中以充填細(xì)-中晶方解石為主(圖2h)，局部可被同期的白云石充填，陰極射線下以發(fā)暗褐色光為主(圖2i)，包裹體均一溫度為108～135℃(表1)。此類巖溶總體發(fā)育規(guī)模不大。

2.4 褶皺期巖溶

四川盆地在褶皺過程中(主要指喜山期)由于斷層、裂縫大量形成，導(dǎo)致地層水互串，大氣淡水進(jìn)入深部循環(huán)，進(jìn)而形成了一定規(guī)模的古巖溶。該期巖溶主要沿著斷層、裂縫進(jìn)行，形成構(gòu)造溶蝕縫和少量孔洞。溶蝕多與裂縫相關(guān)，多形成沿裂縫的溶蝕擴(kuò)大縫或與裂縫相通的方斑(圖2j，k)，陰極射線下不發(fā)光或發(fā)暗褐色光(圖2l)，包裹體均一溫度為58～110℃(表1)，均一溫度分布范圍較廣，可能與褶皺期巖溶的流體來源相對(duì)復(fù)雜有關(guān)，因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷層不僅溝通了地表淡水，也溝通了茅口組地層與其他地層流體。此類巖溶發(fā)育具有普遍性，也是茅口組中所需關(guān)注的另一類重要的古巖溶類型。

表1 不同類型古巖溶包裹體均一溫度測試結(jié)果Table 1 Homogenization temperature test results of different types of karst

3 同位素地球化學(xué)特征及討論

古巖溶的碳、氧、鍶同位素地球化學(xué)特征對(duì)研究碳酸鹽巖的沉積環(huán)境、成巖作用、膠結(jié)充填物的起源和形成條件具有重要意義(張兵等，2011)。不同類型的巖溶在形成過程中經(jīng)歷了不同的流體環(huán)境，因此用地球化學(xué)的方法可以較好地識(shí)別和區(qū)分溶蝕作用的類型。由于沉積期巖溶發(fā)育規(guī)模較小，對(duì)茅口組儲(chǔ)層的意義不大，因此本文重點(diǎn)討論后面3種類型的古巖溶。

3.1 碳同位素特征

對(duì)于碳同位素來說，由于自然界碳基本上儲(chǔ)藏在有機(jī)碳(還原碳)和無機(jī)碳(氧化碳)兩大碳庫內(nèi)，兩者的δ13C平均值相差大約25‰(陳錦石等，1995)。因此，在影響海相碳酸鹽巖碳同位素的眾多因素中，當(dāng)時(shí)的有機(jī)碳氧化與相對(duì)埋藏量是最重要的(黃思靜，1997)，此外，大氣降水、沉積水介質(zhì)鹽度及生物發(fā)育狀況都會(huì)引起碳同位素組成的變化(Clayton and Degens，1959;Keith and Weber，1964)。

圖3 不同類型巖溶充填物碳氧同位素散點(diǎn)圖Fig．3 Scatter diagram of C and O isotopes of different types of karst

從所測的碳同位素?cái)?shù)據(jù)來看(圖3)，基巖的碳同位素值介于3.56‰～5.20‰，表生期巖溶充填物的碳同位素值介于0.26‰～3.43‰，埋藏期巖溶充填物的碳同位素值介于－1.44‰～－0.92‰，而褶皺期巖溶充填物的碳同位素值則介于1.58‰～4.07‰。不同類型的巖溶充填物的碳同位素和茅口組基巖的碳同位素相比均有負(fù)偏移的特征，其中埋藏期巖溶充填物的碳同位素值負(fù)偏移明顯，均為負(fù)值，可與表生期巖溶和褶皺期巖溶充填物很好地區(qū)分開，但表生期巖溶和褶皺期巖溶充填物的碳同位素值有較大的重疊區(qū)域，難以完全區(qū)分。

對(duì)于埋藏期巖溶來講，由于溶蝕作用發(fā)生在有機(jī)質(zhì)大量成熟排烴之后，因其形成于有機(jī)質(zhì)成熟排烴的環(huán)境中，其形成過程必然會(huì)受到有機(jī)碳的影響，而有機(jī)碳是一個(gè)低δ13C的碳源。諸多學(xué)者曾測試過天然氣中的碳同位素，其數(shù)值都非常低，例如樊然學(xué)等(2005)測得的川西坳陷南段天然氣藏甲烷的同位素大多小于－33‰，而普光氣田甲烷碳同位素值則主要在－29.0‰～－34‰范圍內(nèi)，平均值為－31‰(馬永生，2008)，也具有非常低的碳同位素值。因此在有機(jī)碳大量存在的環(huán)境下形成的埋藏溶蝕孔洞膠結(jié)物，其必然會(huì)有較低的碳同位素值。

表生期巖溶和褶皺期巖溶兩者都受到了大氣淡水的影響，并且表生期巖溶發(fā)育帶因巖層相對(duì)薄弱，容易受到褶皺期巖溶的疊加改造，因此，在野外或巖芯上已經(jīng)很難完全將兩者區(qū)分開來，兩者的碳同位素值也具有較大的分布范圍，且相互重疊，難以單獨(dú)劃分出分布范圍，但兩者的碳同位素值還是明顯小于茅口組圍巖的碳同位素值，應(yīng)當(dāng)是受到大氣淡水的影響所致。

3.2 鍶同位素特征

由于鍶同位素的特殊性，其被廣泛地應(yīng)用于海相地層定年(Dingle et al．，1997;Denison et al．，1998)、全球地質(zhì)事件對(duì)比(Crame et al．，1999;江茂生等，2002)、成巖流體分析(黃思靜等，2004;Roger et al．，2004)及古氣候古海洋環(huán)境分析(黃思靜等，2002;史忠生等，2005;劉靜和季宏兵，2008)等領(lǐng)域。近年來亦有學(xué)者(文華國等，2009;鄭榮才等，2009)將其應(yīng)運(yùn)于古巖溶的分析和研究，取得了較好的效果。

表2 不同類型巖溶的鍶同位素測試結(jié)果Table 2 Sr isotope test results of different types of karst

從茅口組鍶同位素比值測試結(jié)果來看(表2)，兩個(gè)茅口組圍巖樣品具有非常低的鍶同位素值，都在0.7038左右。由于在茅口組沉積的時(shí)候，峨眉山地幔柱活動(dòng)加劇，峨眉山玄武巖已經(jīng)開始噴發(fā)(何麗娟等，2011)，造成大量的幔源物質(zhì)進(jìn)入海水，使同時(shí)期的海水鍶同位素比值明顯降低，低于正常碳酸鹽巖0.708的鍶同位素比值組成。

表生期巖溶充填的鍶同位素比值主要集中在0.7044～0.7049之間，相比圍巖有所升高。茅口組沉積之后受東吳運(yùn)動(dòng)的影響整體抬升，開始接受大氣淡水的溶蝕，盡管溶蝕和膠結(jié)充填物沉淀的流體主要為大氣淡水，但溶蝕孔洞充填物的物質(zhì)來源應(yīng)該主要來自茅口組本身，因?yàn)榇藭r(shí)茅口組地層上面并未有其他地層沉積，因此表生溶蝕孔洞中的充填物的鍶同位素比值雖然有所升高，但仍然相對(duì)較低。

表3 不同類型巖溶的識(shí)別模式Table 3 Recognition model for different types of karst

經(jīng)歷了3～5Myr的風(fēng)化之后，茅口組開始接受沉積，被上覆地層龍?zhí)督M覆蓋，茅口組開始進(jìn)入埋藏階段。大約在晚三疊世時(shí)，二疊系烴源巖(龍?zhí)督M以及茅口組本身)開始成熟生烴，有機(jī)酸運(yùn)移(主要在早期的溶蝕孔洞中及裂縫中)，使得早期的溶蝕孔洞及裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，并形成少量的新的溶孔。由于埋藏期溶蝕發(fā)生時(shí)，有機(jī)酸主要來源于茅口組本身和上覆地層龍?zhí)督M(李興平等，2008)，因此其物質(zhì)交換也主要集中在茅口組本身和上覆地層龍?zhí)督M之間，其鍶同位素比值也基本反映了茅口組和龍?zhí)督M的鍶同位素特征。

褶皺期溶蝕充填物的鍶同位素比值明顯高于圍巖和其他類型的巖溶充填物。經(jīng)過大量的野外及鏡下觀察，并未發(fā)現(xiàn)茅口組有被深部流體改造的跡象，包裹體均一溫度測試結(jié)果也顯示，褶皺期溶蝕充填物的形成環(huán)境溫度接近或低于茅口組在深埋藏時(shí)(埋藏期巖溶)的溫度，因此可以排除褶皺期巖溶受到深部硅鋁質(zhì)地層的流體影響的可能。褶皺期溶蝕充填物的鍶同位素比值偏高且分布范圍較寬，可能是由于褶皺期巖溶發(fā)生時(shí)，茅口組之上已經(jīng)有多套地層沉積，地表淡水及不同地層的流體被斷層溝通后，對(duì)茅口組進(jìn)行溶蝕和方解石的沉淀作用，由于流體來源較復(fù)雜，造成褶皺期巖溶充填物的鍶同位素組成比較復(fù)雜，分布范圍較寬。鍶同位素比值整體高于其他類型的巖溶充填物，則與上覆地層都具有較高的鍶同位素組成及可能與受到殼源硅鋁質(zhì)巖石風(fēng)化產(chǎn)物的影響有關(guān)。

綜上所述，不同類型的古巖溶的識(shí)別可總結(jié)如表3所示。對(duì)不同類型古巖溶的識(shí)別無疑具有重要的意義，但僅靠野外觀察難以完全準(zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別。將野外觀察及地球化學(xué)方法結(jié)合起來，可以取得較好的識(shí)別效果，但要求在野外觀察取樣的過程中必須做到仔細(xì)觀察、細(xì)致取樣，尤其是在地質(zhì)條件復(fù)雜、多種古巖溶疊加發(fā)育的區(qū)域，更要注意判斷所取樣品的代表性，否則可能造成漏判，甚至可能獲取錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)而影響到對(duì)古巖溶的識(shí)別效果。

4 結(jié)論

(1)川東南地區(qū)茅口組主要發(fā)育沉積期巖溶、表生期巖溶、埋藏期巖溶及褶皺期巖溶四種類型的古巖溶，其中表生期巖溶和褶皺期巖溶發(fā)育規(guī)模較大，是茅口組油氣勘探關(guān)注的重點(diǎn)。表生期巖溶發(fā)育區(qū)可見大量的溶蝕孔洞，孔洞以充填中-粗晶方解石為主，在陰極射線下常具環(huán)帶結(jié)構(gòu)，包裹體均一溫度為57～65℃;褶皺期巖溶發(fā)育區(qū)可見大量裂縫及與裂縫相關(guān)的溶蝕擴(kuò)大縫或方斑，裂縫及方斑在陰極射線下不發(fā)光或發(fā)暗褐色光，包裹體均一溫度介于58～110℃。

(2)埋藏期巖溶因其常與有機(jī)質(zhì)共存，且其碳同位素明顯偏負(fù)，易與其它類型的古巖溶進(jìn)行區(qū)分。表生期巖溶通常被褶皺期巖溶疊加改造，溶蝕孔洞充填物的碳同位素及包裹體均一溫度在分布范圍上都有一定的重疊，難以將兩者完全區(qū)分開，但通過宏觀特征結(jié)合鍶同位素比值可以將兩者加以區(qū)分。

(3)表生期巖溶與埋藏期巖溶孔洞充填物的物質(zhì)來源主要來自茅口組本身及上覆地層龍?zhí)督M，因此這兩類巖溶充填物的鍶同位素比值都比較低，并且與茅口組圍巖的鍶同位素比值基本相似;而褶皺期巖溶的溶蝕孔洞充填物因物質(zhì)來源比較復(fù)雜，鍶同位素比值分布范圍較大，且比值相對(duì)較高。褶皺期巖溶充填物具有較高的鍶同位素比值是其與表生期巖溶進(jìn)行區(qū)分的重要標(biāo)志。

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