馮海霞

（中國石油化工股份有限公司勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

古巖溶系統(tǒng)的研究是以現(xiàn)代巖溶理論為基礎(chǔ)的。我國南方地區(qū)大片碳酸鹽巖地層裸露，巖溶非常發(fā)育，規(guī)模大。眾多學(xué)者長期對南方巖溶區(qū)進(jìn)行了實(shí)地考察工作，不斷探索論證，形成了豐富的現(xiàn)代巖溶理論體系。對于塔里木地區(qū)，特別是塔河油田，前人普遍認(rèn)為是古生界沉積時期多次構(gòu)造運(yùn)動引起的多期巖溶作用疊加改造形成了奧陶系巖溶縫洞型儲層。本文將現(xiàn)代巖溶中成熟的理論用于分析西克爾地區(qū)的巖溶，探討古地貌與古水系的關(guān)系，再現(xiàn)巖溶發(fā)育時期的演化過程，對于指導(dǎo)塔里木盆地的勘探開發(fā)具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

西克爾地區(qū)位于柯坪逆沖推覆構(gòu)造帶上（圖1），其野外露頭處于柯坪隆起與巴楚隆起交接處巴楚隆起邊緣，地理位置位于西克爾鎮(zhèn)北8 km的螢石礦區(qū)[1]。研究區(qū)露頭呈紡錘狀，其北端殘留部分紫紅色志留系柯坪塔格組，為紫紅色砂巖或泥巖直接覆蓋于鷹山組灰?guī)r之上[2]，其余露頭區(qū)出露地層均為鷹山組。

圖1 西克爾區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖

西克爾地區(qū)巖溶發(fā)育表生期巖溶，受加里東運(yùn)動（在塔里木盆地，從寒武系到志留系發(fā)生加里東運(yùn)動，受北昆侖洋板塊、阿爾金洋板塊向塔里木俯沖影響，導(dǎo)致該運(yùn)動時期呈現(xiàn)較大幅度抬升或沖斷褶皺，形成了多個平行不整合面和角度不整合面）的影響，在晚奧陶世，西克爾地區(qū)抬升為陸進(jìn)入?yún)^(qū)域性的古表生期大氣水溶蝕作用階段[3]。根據(jù)鄧勝徽（2008）對塔里木盆地西部柯坪地區(qū)牙形石的分析，認(rèn)為西克爾地區(qū)柯坪塔格組下段與下伏地層之間缺失地層年限在10～20 Ma或者有可能超過20 Ma[4]，表明西克爾地區(qū)奧陶系與志留系不整合面下發(fā)育地表巖溶（表1）。

表1 塔里木盆地部分地層簡表

野外工作中，沿著有巖溶現(xiàn)象的現(xiàn)存谷地用GPS定位，共讀取219個點(diǎn)，記錄每個點(diǎn)的坐標(biāo)值、海拔以及谷地的延伸方向，繪制出西克爾野外露頭谷地分布圖（圖2）。研究區(qū)按照A.N.Strahler （1954）的河流分級方法，共分為3級谷地，主要存在3個洼地，分別命名為洼地1、洼地2和洼地3。

圖2 西克爾野外露頭谷地分布

2 西克爾地區(qū)奧陶系巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶地貌特征

西克爾野外露頭區(qū)現(xiàn)今的巖溶地貌現(xiàn)象豐富多樣，主要表現(xiàn)為一種溶丘、壟崗、巖溶洼地、嶂谷和侵蝕-溶蝕溝谷組合類型。

（1）溶丘

溶丘與巖溶洼地組合成亞熱帶巖溶區(qū)的主要類型，溶丘（圖3）一般起伏不大，呈基座不相連的渾圓狀孤立溶峰，高度小于25 m，高度與基座的直徑之比小于0.75。

圖3 產(chǎn)狀平緩的志留系覆蓋下的溶丘(23號剖面)

（2）壟崗

此類地貌單元是構(gòu)造形跡控制下，長期受溶蝕作用形成的線狀分布的巖溶正地形，壟崗（圖4）由溶峰或溶丘組成，溶峰或溶丘山體基座相連，兩側(cè)地形坡度一般較大。該地貌類型區(qū)屬大氣降水補(bǔ)給區(qū)域，降水主要通過垂向滲濾或以片流形式向洼地、漏斗、落水洞匯流至地下形成地下徑流。由于匯水面積較小，因而徑流強(qiáng)度較弱，最后以分散狀向四周低級臺面或河谷排泄。

圖4 24號剖面點(diǎn)附近緩丘狀壟崗

（3）巖溶洼地

巖溶洼地亦稱溶蝕洼地，是巖溶區(qū)一種常見的封閉狀負(fù)地形。一般說來，巖溶洼地較平坦，覆蓋著松散沉積物。洼地可以由漏斗擴(kuò)大而成，而幾個洼地又可進(jìn)一步合并成為合成洼地。洼地常發(fā)育在背斜、向斜軸部或其他構(gòu)造帶。

本區(qū)主要發(fā)育2個較大規(guī)模的長軸狀分布的巖溶洼地（圖2）。

洼地1分布于研究區(qū)的東北部，海拔最高，由5～6個規(guī)模相對較小、高程相似的小洼地連接復(fù)合而成，因此實(shí)際上屬于一個洼地群，單個小洼地的長軸有北東向和東西向兩個延伸方向，洼地群則呈近東西向延伸。洼地內(nèi)部局部地區(qū)仍殘留有紫紅色的志留系沉積（圖5），在洼地邊緣谷坡上發(fā)育石牙和溶溝（圖6）。

圖5 洼地1殘留的志留系原狀地層

圖6 洼地1邊緣石牙、溶溝發(fā)育

洼地2位于研究區(qū)中?西部，呈近北西西向延伸，幾乎橫跨半個研究區(qū)，長度約1 km，寬度約50 m，分布面積大于洼地群1。該洼地形態(tài)上屬于一個相對完整的長條狀洼地，中間沒有分割，洼地兩側(cè)均被相對高度在30～50 m的壟崗和溶丘所圍限夾持，谷坡相對較陡，橫剖面形態(tài)呈“U”型，底部相對平坦，向東略有抬升。

洼地2的西部目前仍可見志留系的殘留地層（25號剖面）沿著長軸分布（圖7）。另外還可以在局部洼地的溝底見到原狀志留系地層的殘留，在洼地的邊緣谷坡根部可見到明顯的石牙、溶痕、溶溝和溶槽[5]痕跡（圖8）。

圖7 洼地2充填的志留系原狀地層(25號剖面)

除此之外，如圖2南部三級水系中，在寬闊的溝壁上可以見到發(fā)育良好的小規(guī)模石牙、溶痕、溶溝、溶槽群（圖9），該點(diǎn)溝底的海拔是該區(qū)現(xiàn)今巖溶地貌溝谷體系中最低的，與洼地2之間在高程上有相當(dāng)大的差異。雖然該點(diǎn)附近沒有形成大規(guī)模的洼地，但相對擴(kuò)張而開闊的負(fù)地形仍具有小型洼地的特征，定義為洼地3（圖10）。

圖8 洼地2谷坡溶溝發(fā)育

圖9 洼地3發(fā)育的石牙、溶溝、溶痕

圖10 洼地3發(fā)育的石牙和溶溝

（4）巖溶障谷、干谷、侵蝕-溶蝕溝谷

巖溶障谷有時稱為巖溶箱狀谷[6-7]，本區(qū)的巖溶障谷集中見于24號剖面點(diǎn)附近的各級溝系中，這些巖溶障谷所具有的共同特點(diǎn)是谷窄而深，谷底寬度一般小于5 m，谷壁陡立，橫剖面以“U”型居多，谷底則相對平坦，而向溝系上游追蹤時與上部巖溶基面（即與洼地1相當(dāng)?shù)膸r溶基面）上延續(xù)過來的溝系間均有明顯的陡階跌崖存在。同時沿溝壁二側(cè)普遍可見石牙、溶溝和溶槽等巖溶地貌現(xiàn)象。

干谷是指巖溶地區(qū)干涸的或間歇性有水的河谷，研究區(qū)的干谷系統(tǒng)主要發(fā)育于上部巖溶基面上，屬于伴隨第一個巖溶臺面（最高的巖溶臺面）瓦解破壞作用期形成的，這些溝系一般深度較淺，多數(shù)溝段呈淺切“V”字形，相對幅差約10余米，溝底寬度不大，約2～3 m，但相對較為平坦，略向下游端傾斜，并有少量細(xì)粒松散沉積物堆積。

侵蝕-溶蝕溝谷為研究區(qū)主要溝谷，發(fā)育于洼地2的中?上游段或二級水系中，這類溝谷在分布上最重要的特征是位于第二個巖溶臺面向第三個臺面（該區(qū)巖溶障谷的谷底）的坡降帶，橫剖面形態(tài)具有復(fù)合特征，即溝谷的上部，谷坡坡度較緩，橫剖面呈“V”字形；下部為深而窄的“U”型谷，谷壁陡立，谷底寬度窄，一般＜1～2 m，深度可達(dá)2～5 m。沿上部“V”字形溝谷和下部窄“U”型谷的二壁均發(fā)育有非常好的石牙、溶痕、溶溝和溶槽。

2.2 巖溶古地貌恢復(fù)

前人研究表明：三疊紀(jì)之后塔里木陸塊不斷向北漂移經(jīng)歷了濕潤海洋性氣候向炎熱干燥大陸性氣候的轉(zhuǎn)變[8]（圖11）。故在三疊紀(jì)以后研究區(qū)氣候轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣稍锎箨懶詺夂?，現(xiàn)今的氣候類型已不具備發(fā)生巖溶的條件，現(xiàn)今存留下來的巖溶現(xiàn)象均為三疊紀(jì)之前的古巖溶。

圖11 塔里木盆地中志留世—新近紀(jì)演化示意圖(據(jù)李永安等，1999)

從野外露頭地層出露情況分析，該區(qū)主要出露地層為鷹山組，部分地區(qū)地層特征為產(chǎn)狀近似水平的志留系直接覆蓋在鷹山組上，在這兩組地層的不整合面處，鷹山組地貌形態(tài)主要表現(xiàn)為大型的石牙，志留系紫紅色砂泥質(zhì)充填在一系列石牙間的溶溝和溶槽中（圖12）。前已述及，研究區(qū)地層晚奧陶世抬升，柯坪塔格組下段與下伏地層缺失地層年限在10～20 Ma。綜上，分析得出該區(qū)區(qū)域性缺失上奧陶統(tǒng)，受加里東中期運(yùn)動的影響，晚奧陶世地層抬升遭受剝蝕，鷹山組暴露地表遭受剝蝕并接受大氣淡水溶蝕，形成各種類型的巖溶地貌，而后志留系以填平補(bǔ)齊的方式覆蓋在鷹山組上，由此可以判斷露頭區(qū)存在產(chǎn)狀水平的志留系覆蓋的地貌均為古地貌（圖3、圖4和圖7）。

圖12 產(chǎn)狀水平的志留系覆蓋在鷹山組上

前已證實(shí)：產(chǎn)狀水平的志留系以填平補(bǔ)齊的方式覆蓋在兩溶丘上（圖13），溶丘為古地貌，因此兩溶丘之間部位為古溝谷。研究中還發(fā)現(xiàn)附近谷底地面出露志留紀(jì)原狀地層（圖14），由此證實(shí)該區(qū)洼地均為古洼地。

圖13 產(chǎn)狀平緩的志留系覆蓋下的溶丘

圖14 洼地出露志留紀(jì)原狀地層

3 古地貌與古水系的關(guān)系

前已證實(shí)圖13中兩溶丘間部分為古溝谷，其上游河口一直延伸到洼地，露頭區(qū)有許多這樣的侵蝕-溶蝕溝谷。溝谷兩側(cè)邊緣溶丘上大型石牙、溶溝溶槽極為發(fā)育，大型巖溶地貌必定具有良好的水循環(huán)系統(tǒng)。溝谷的繼承性分析可以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)古水系的恢復(fù)（圖2）。

從洼地1至洼地3，海拔逐漸降低，洼地1與洼地2間的海拔高差約為72 m，洼地2與洼地3的海拔高差約為48 m。沿著通向洼地的溝或洼地的邊緣，石牙、溶痕、溶溝和溶槽很發(fā)育，說明每個洼地相當(dāng)于一個匯水區(qū)，控制了一個水文系統(tǒng)，但所代表的基準(zhǔn)面可能不同，三個不同高程的洼地代表了三個不同的基準(zhǔn)面。以鷹山組古水系圖（圖2）為基礎(chǔ)，結(jié)合野外考察的地形、地貌以及巖溶形態(tài)分析，識別出分水嶺和河谷等水文地貌單元，從而對古水系結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫。

古水系分布在不同的地貌類型上，古地貌的變化與水系的發(fā)育有著密切的關(guān)系。

3.1 洼地控制巖溶水系匯流方向

西克爾地區(qū)的巖溶主要發(fā)育在鷹山組，在這個時期地層大幅度隆起，而造成地層的重大缺失，使志留系直接覆蓋在下奧陶統(tǒng)鷹山組上，無疑在這樣漫長的地質(zhì)時期中因暴露于大氣介質(zhì)之中，推動了下奧陶統(tǒng)鷹山組發(fā)生碳酸鹽巖的巖溶作用。

常規(guī)流水地貌流域，是指由分水嶺所限而有徑流流入干流及其支流的集水面積[9]。

巖溶流域，是指特殊的含水介質(zhì)（可溶巖雙重含水介質(zhì)）和特殊的流域邊界（地表、地下雙重分水嶺）、獨(dú)特的地貌 - 水系結(jié)構(gòu)及水文動態(tài)耦合的地域綜合體。用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)來概括的話，即在特定的流域邊界條件約束下，一組結(jié)構(gòu)有序和功能互補(bǔ)的水文地貌要素集合，且會隨時間的推進(jìn)，而處于有序動態(tài)變化的一個三維空間地域系統(tǒng)[10]。

可見，巖溶流域與常規(guī)流水地貌流域的含義一樣，均是由分水嶺作為邊界的系統(tǒng)。如圖1中，以虛線為界，自西向東分為兩個流域，分別為流域Ⅰ和流域Ⅱ。在流域中，洼地控制其匯流方向。

前面對西克爾地區(qū)古地貌特征的分析中，本區(qū)主要發(fā)育2個較大規(guī)模的長軸狀分布的巖溶洼地。每個洼地相當(dāng)于一個匯水區(qū)，在巖溶發(fā)育的不同階段充當(dāng)不同的排泄基準(zhǔn)面。巖溶洼地間的分水地塊，隨著洼地的發(fā)育而不斷瓦解。通常，沿著地下水流方向，兩相鄰的洼地之間是以管道流的方式溝通，使之產(chǎn)生水力聯(lián)系。如果洼地間的高差較大，高洼地的地下水往往以低位洼地作為它的相對排泄基準(zhǔn)面[11]。當(dāng)洼地1作為排泄基準(zhǔn)面時，第一個巖溶階段開始發(fā)育，而后地貌高程變化，第二階段巖溶發(fā)育，以洼地2為排泄基面，如圖1，研究區(qū)北部的分支水系自志留系尖滅線和洼地1延伸到洼地2，從分支水系的結(jié)構(gòu)判斷出其匯流方向，均往西南方向匯入到洼地2中。分布在上下游的洼地高程不同，存在著一定的水位差，這種水位差就迫使巖溶水必須選擇一條阻力最小的路徑運(yùn)移。在一定條件下，巖溶作用的連續(xù)，這條路徑也就成為最主要的管道[12]。正如洼地1與洼地2間存在著高程差，在此水位差的作用下，形成最主要的巖溶管道-嶂谷，巖溶水主要通過嶂谷往洼地2中匯流。巖溶作用后期，巖溶作用更進(jìn)一步深入，使得第二巖溶臺面開始瓦解，洼地3作為排泄基面控制水系往南匯流。

綜上所述，從水系分布圖（圖2）來看，以巖溶洼地2為界，分為南北兩個部分。北部的分支水系很發(fā)育，且大部分水系呈北東—南西向分布。北部再分為東西兩個流域[13]，即流域Ⅰ和流域Ⅱ，受洼地2這個排泄基準(zhǔn)面的控制，流域Ⅰ的幾條水系匯流后全部匯入巖溶洼地2；流域Ⅱ的幾條水系總體上是往西南方向匯流，在實(shí)測剖面21號點(diǎn)附近匯集后再整體往南匯流。巖溶作用后期，洼地3作為排泄基準(zhǔn)面，南部由巖溶洼地2分出的兩條三級河谷整體往南匯流，其中一條與東部匯流的三級河谷再次匯集往南繼續(xù)匯流。

3.2 巖溶水系匯流方向形成三期巖溶地貌

在巖溶作用下，以不同高程洼地作為排泄基準(zhǔn)面，本區(qū)巖溶大致可以分為三個階段，前兩個階段的巖溶發(fā)育占主導(dǎo)地位，第三個階段的巖溶剛開始發(fā)育，到目前為止還沒有發(fā)育完全。

研究區(qū)最高一級巖溶臺面上發(fā)育一些低矮的溶丘，相對幅度低于20 m，部分溶丘與志留系地層直接接觸，這是鷹山組巖溶發(fā)育最早階段的產(chǎn)物。隨著最高一級巖溶臺面的瓦解，一些裂縫較為發(fā)育的部位巖溶作用強(qiáng)烈形成地勢低洼的區(qū)域，這些區(qū)域成為巖溶水匯流區(qū)，即構(gòu)成了洼地1，洼地1作為早期巖溶水排泄基準(zhǔn)面，在第一個巖溶臺面上發(fā)育巖溶洼地、巖溶殘丘起伏的地面及早期發(fā)育的石牙、溶溝、溶槽和小型河谷[14-15]。隨著高程的變化，造成另一階段的巖溶發(fā)育。此時，洼地2作為排泄基準(zhǔn)面[16]，第二個巖溶臺面[17-18]的巖溶發(fā)育。洼地1處于較高部位，其排泄基準(zhǔn)面逐漸瓦解，洼地1的水逐漸匯入洼地2中，造成洼地2垂向上的巖溶很發(fā)育。此階段的巖溶是這兩個階段巖溶共同作用形成的。在深切嶂谷之上的平緩地面（第一階段巖溶化地面），有溝谷懸掛在嶂谷之上，而造成巖溶懸谷即是證明（圖15、圖16）。最后，第二個巖溶臺面開始瓦解，在研究區(qū)南部的三級溝系中發(fā)育洼地3，此時以洼地3為排泄基準(zhǔn)面，洼地邊緣發(fā)育石牙、溶溝、溶槽和溶痕。

圖15 第二個巖溶臺面上干谷前方發(fā)育一穿洞(穿洞北面)

圖16 16號剖面點(diǎn)附近三級水系中發(fā)育的巖溶障谷和穿洞(穿洞南面)

古地貌控制著古水系的發(fā)育，古水系的發(fā)育會造成古地貌變化。總而言之，古地貌與古水系的關(guān)系密不可分。

4 結(jié)論

（1）從研究區(qū)氣候條件出發(fā)，綜合野外巖溶地貌特征，證實(shí)西克爾野外露頭區(qū)發(fā)育鷹山組巖溶，用GPS沿著存在豐富巖溶現(xiàn)象的谷地定位，得到野外露頭谷地分布圖。結(jié)合研究區(qū)的構(gòu)造、氣候等條件，從野外現(xiàn)象中找證據(jù)實(shí)現(xiàn)巖溶古地貌和古水系的恢復(fù)。

（2）西克爾野外露頭區(qū)古地貌特征與鷹山組構(gòu)造運(yùn)動密切相關(guān)。本區(qū)通過野外實(shí)地考察可識別出的古地貌包括溶丘、壟崗、洼地、干谷、巖溶嶂谷和侵蝕?溶蝕溝谷等。

（3）綜合分析本區(qū)構(gòu)造和巖溶發(fā)育特征，認(rèn)識到古地貌與古水系間的關(guān)系是密不可分的，初步探討了兩者間的關(guān)系：洼地控制了巖溶水系的匯流方向；巖溶水系匯流方向形成三期巖溶地貌。