寧超眾,胡素云,潘文慶,姚子修,李 勇,袁文芳
(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國石油 塔里木油田公司,新疆 庫爾勒 841000)
塔里木盆地經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造演化,盆地地質(zhì)條件和油氣分布極為復雜[1-4]。塔北隆起哈拉哈塘凹陷奧陶系碳酸鹽巖作為塔里木盆地典型的多旋回構(gòu)造控制下的產(chǎn)物,在沉積層序、構(gòu)造演化和成巖等方面反映明顯:該區(qū)奧陶系碳酸鹽巖不僅經(jīng)歷了局限臺地-開闊海臺地-鑲邊臺地-混積臺地[5-8]的沉積演化和大臺地-大斜坡-凹陷-南北構(gòu)造反轉(zhuǎn)為主的構(gòu)造演化,而且經(jīng)歷了多期準同生-表生巖溶作用[9-12]。
表生巖溶發(fā)育在地表暴露期,大氣淡水與土壤或大氣中的CO2接觸產(chǎn)生侵蝕性,對地表或地下碳酸鹽巖體進行溶蝕[13],形成特征性的喀斯特地貌和伴生地下洞穴系統(tǒng)。隨著埋藏深度的增加,巖溶洞穴系統(tǒng)會發(fā)生垮塌[13-19],形成巖溶垮塌體系,這在美國二疊盆地艾倫伯格群(Ellenburger Group)及瓜達魯普群(Guadlupe Group)的圣安德魯斯組(San Andres Formation)最為典型。然而,盡管對地表露頭及淺中埋深(<3 000 m)條件下巖溶體系的研究較容易,但受限于地震資料品質(zhì)和分辨率,對超深層(>6 000 m)巖溶體系的表征和刻畫卻較困難;在研究對象方面,對洞穴垮塌特征的研究較多,而對地下洞穴系統(tǒng)發(fā)育形態(tài)和分布特征的研究較少,也未形成較好的刻畫方法;在巖溶控制因素研究方面,前人研究更多基于露頭研究,地下古實例研究卻較少。
本次研究主要基于地震資料,首先識別了良里塔格組頂部喀斯特地貌要素,表征了的其剖面和平面特征,然后從巖心、鏡下觀察和測井解釋入手,確定了巖溶垮塌體井上的基本特征,再應用地震屬性融合技術,刻畫了塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系良里塔格組超深層洞穴系統(tǒng)的形態(tài);最后結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景,探討了良里塔格組巖溶體系發(fā)育的控制因素。
哈拉哈塘油田位于中國新疆庫車縣和沙雅縣境內(nèi),東接塔河油田,西鄰英買力油田,北為東河塘油田。其古生界在構(gòu)造上位于塔里木盆地塔北隆起中部哈拉哈塘凹陷內(nèi),東鄰輪南低凸起,西接英買力低凸起,北為輪臺凸起,南鄰滿加爾凹陷,勘探面積約4 300 km2(圖1)。
哈拉哈塘地區(qū)奧陶系層序地層及相互接觸關系由圖2所示。寒武紀到早-中奧陶世哈拉哈塘地區(qū)處于克拉通碳酸鹽被動大陸邊緣[20],為穩(wěn)定碳酸鹽巖臺地沉積,依次沉積了蓬萊壩組(O1p)、鷹山組(O1-2y)和一間房組(O2y)[21];奧陶紀中期的中加里東運動使塔里木南緣由拉張轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓的構(gòu)造背景,塔北轉(zhuǎn)為大型碳酸鹽巖斜坡,依次沉積了吐木休克組(O3t)、良里塔格組(O3l)以及以碎屑巖為主的桑塔木組(O3s),其中一間房組、良里塔格組和桑塔木組頂部均發(fā)育不整合,并以良里塔格組頂部不整合面巖溶地貌特征最為明顯;其后的海西、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運動不僅使哈拉哈塘地區(qū)由斜坡變?yōu)榘枷?圖1),而且使之發(fā)生了南北掀斜式構(gòu)造反轉(zhuǎn)[22]。
圖1 塔里木盆地哈拉哈塘油田地理位置(a)及構(gòu)造單元劃分(b)Fig.1 The location(a) and structural units(b) of the Halahatang oilfield,Tarim Basin
圖2 塔北隆起哈拉哈塘地區(qū)志留紀末期奧陶系南北向地層結(jié)構(gòu)剖面(圖1中A—A′剖面,據(jù)斯春松等[21]修改)Fig.2 Sequence stratigraphic framework of the Ordovician in the Halahatang area of the Tabei Uplift at the end of Silurian (see Fig.1 for the location of profile A—A′,modified from Si Chunsong et al.[21])
目的層良里塔格組是在塔北北部抬升時于吐木休克組深水斜坡上發(fā)育起來的鑲邊臺地[8,23-24],并被其后的桑塔木組超覆。其臺地邊緣與盆地高差可達90 m,該組整體由一個向上變淺的三級層序構(gòu)成(圖2),可進一步劃分為低位(LST)、海侵(TST)和高位(HST)3個體系域(圖3),其中低位域和高位域廣泛發(fā)育進積的臺地邊緣相,巖性較純凈,以生屑顆粒石灰?guī)r為主;海侵域整體陸源泥質(zhì)含量較高,形成特征的瘤狀灰?guī)r,在臺地內(nèi)部與上、下兩個體系域泥質(zhì)含量差異明顯。
良里塔格組沉積末期,整個臺地暴露地表發(fā)育廣泛的巖溶,形成典型的喀斯特地貌,伴有地下巖溶洞穴系統(tǒng)及其垮塌產(chǎn)物。該巖溶體系是本次研究的主要對象。
巖溶地貌(喀斯特地貌)是富含CO2的大氣淡水在可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏和巖鹽等)表面流動,通過溶蝕和侵蝕作用形成的特征性地貌,主要發(fā)育在地表暴露期,與此地貌伴生的還有地下巖溶洞穴系統(tǒng),該類型溶洞占世界上近地表溶洞的90%[25]。巖溶地貌和地下巖溶洞穴系統(tǒng)構(gòu)成一個相互關聯(lián)的三維體系[13](圖4),該三維體系由地表地貌要素(巖溶高地、巖溶洼地、落水洞和巖溶槽谷等)及地下要素(豎井、滲流帶和潛流帶通道等)構(gòu)成。
溶蝕在近地表發(fā)育時首先形成滲流帶或潛流帶通道,構(gòu)成初始洞穴系統(tǒng)[13]。當區(qū)域性潛水面下降時,先前的潛流帶通道進入到滲流帶,洞穴內(nèi)水流向下侵蝕使洞穴擴大[13,26],水流也可攜帶地表沉積物在洞內(nèi)沉積。同時,由于缺少了水體的浮力,處于滲流帶的洞穴頂部開始發(fā)生垮塌,隨著上覆地層的沉積負荷增大,洞穴可完全垮塌形成由垮塌角礫、洞穴沉積物及洞頂縫形成的巖溶垮塌體系(圖5)。
哈拉哈塘地區(qū)良里塔格組頂面是一個三級層序邊界,發(fā)育了非常明顯的喀斯特地貌。該不整合面之下為良里塔格組碳酸鹽巖,之上為桑塔木組泥巖為主混積巖,上、下較大的波阻抗差造成該面在地震上表現(xiàn)為強反射界面。通過追蹤該界面地震同相軸建立解釋層面,并進一步通過井資料約束即可實現(xiàn)對喀斯特形態(tài)的三維刻畫。由于良里塔格組在巖溶末期被桑塔木組水平上超,可將地震體按桑塔木組頂部光滑后的趨勢面進行拉平來近似恢復巖溶期古地貌。
圖3 塔里木盆地哈拉哈塘油田B1井良里塔格組綜合柱狀圖Fig.3 Composite stratigraphic column of layers in Well B1 of the Halahatang oilfield,Tarim Basin
圖4 近地表大氣淡水巖溶模式(據(jù)Loucks[13]修改)Fig.4 Schematic diagram showing the near-surface meteoric karstification model (modified from Loucks[13])
圖5 單一河道洞穴垮塌充填模式(據(jù)Loucks[13]修改)Fig.5 A block diagram showing the collapse and filling of a single channel cave(modified from Loucks[13])
在過B1井的南北向地震剖面上,可見巖溶期良里塔格組頂面主體為一個大型巖溶斜坡(圖6)。從巖溶改造程度來看,在北部靠近良里塔格組尖滅線的區(qū)域,高、低地貌區(qū)頻繁交替變換,且良里塔格組與一間房組頂部同相軸出現(xiàn)合并現(xiàn)象,說明該區(qū)域巖溶強烈,地表河流分支較多,甚至影響至下伏一間房組;在中部良里塔格組較厚的區(qū)域,地貌變化頻率減小,但出現(xiàn)了地形高差最大區(qū),深切的槽谷與高地之間的高差可達150 m,說明河流在該區(qū)河道數(shù)量減少,以深切和溶蝕作用為主;在南部臺緣區(qū),地形變化較小,臺緣斜坡依稀可見,保留了鑲邊臺地的特征形態(tài),說明與北部地區(qū)相比該區(qū)巖溶發(fā)育并不強烈;盆地區(qū)看不到明顯地形變化,說明巖溶不發(fā)育。
良里塔格組頂面可識清晰別出巖溶高地、巖溶洼地、巖溶槽谷和落水洞等地貌要素,并反映各種地貌要素的分布(圖7)。巖溶高地是與鄰近區(qū)域相比古地形較高的部位,為正地貌區(qū),主要分布在本區(qū)北部和中部,多處于巖溶發(fā)育區(qū)之間的孤立區(qū)。巖溶槽谷是地表河流溶蝕、深切及側(cè)向遷移形成的谷地,保留了河道及其遷移的形態(tài),大型的巖溶槽谷深度可達150 m。小型的巖溶槽谷在北部更為發(fā)育,但有時呈現(xiàn)斷續(xù)特征而不易識別;大型巖溶槽谷在本區(qū)的中部最易識別也最發(fā)育,槽谷在南部可識別度降低。落水洞是地表水流入地下的入口,表現(xiàn)為地表近圓形的凹陷區(qū),主要分布在河流附近,在兩河流之間尤為發(fā)育。巖溶洼地位于河流下游的低地勢區(qū),具有沿構(gòu)造帶發(fā)育的趨勢,可能代表了近海沼澤或瀉湖區(qū)域。
良里塔格組巖溶洞穴均已發(fā)生垮塌,形成巖溶垮塌體系,在巖心上反映最明顯。A1井為鉆遇巖溶垮塌體系的典型實例,該井在良里塔格組取心7筒,進尺49.5 m,收獲巖心48.64 m,綜合收獲率98.3%,鉆井過程中無漏失放空。巖心顯示在良里塔格組埋深6 719.0~6 730.0 m及6 750.0~6 762.5 m分別發(fā)育兩段垮塌,角礫和雜基特征明顯:角礫大小混雜,具有棱角,分選和磨圓差,角礫之間以線接觸和凹凸接觸為主;上段垮塌雜基以泥質(zhì)和細小碎屑為主,下段垮塌雜基以紅色泥質(zhì)為主;角礫與雜基相互膠結(jié)致密(圖8a,b);鏡下顯示角礫來源為良里塔格組泥灰?guī)r和顆?;?guī)r,雜基以陸源物質(zhì)(泥質(zhì)、石英和炭質(zhì)碎屑)及碳酸鹽巖碎屑為主(圖8c,d),很明顯受到陸源流體及其攜帶物質(zhì)的影響。在成像測井上,垮塌角礫表現(xiàn)為明暗斑塊雜亂分布(圖8a,b)。
圖6 塔里木盆地哈拉哈塘油田過B1井南北向地震剖面(按桑塔木組頂趨勢面拉平,圖1中A—B剖面)Fig.6 N-S seismic section crossing Well B1 in the Halahatang oilfield,Tarim Basin (flattened on top of the Sangtamu Formation,see Fig.1 for the location of profile A—B)
圖7 塔里木盆地哈拉哈塘油田奧陶系良里塔格組頂面地貌Fig.7 Topography of the Ordovician Lianglitage top unconformity in the Halahatang oilfield,Tarim Basina.校正后的良里塔格組古地貌(按桑塔木組頂部拉平);b.良里塔格組頂?shù)孛踩S顯示(局部,圖b中紅框區(qū)域)
在第一段垮塌頂部(圖8g中1處),通過成像測井可識別高角度裂縫發(fā)育(圖8e),在該位置密度值及電阻率值降低,檢測有烴類顯示(圖8g),說明該處裂縫充當了油流通道,可能代表了洞穴垮塌時產(chǎn)生的洞頂縫。在第二段垮塌上部識別出高含泥段(圖8g中3處),該處GR值升高,電阻率值、聲波和密度值降低,成像測井表現(xiàn)為的亮層和暗層交互,亮層顆粒顯示定向性排列(圖8f),為典型的砂泥互層沉積。Zeng和Loucks(2011)等通過對與哈拉哈塘鄰近的輪南區(qū)塊的巖溶垮塌體系的巖心觀察研究,將垮塌洞穴內(nèi)成層狀的高泥質(zhì)的沉積物定為洞穴沉積物[27];另外,西德克薩斯艾倫伯格群(Ellenburger group)典型的巖溶垮塌體系中垮塌段上部也見類似層狀高泥質(zhì)沉積物,Kerans(1988)也將其解釋為洞穴沉積物,并將其成因解釋為洞穴部分垮塌后洞穴內(nèi)水流的再沉積作用[28]。因此A1井該處沉積極有可能代表了洞穴沉積物。
另外,由成像測井識別出兩垮塌段底面距良里塔格組頂不整合面距離分別為20 m和50 m。其中,下段垮塌通道代表了不整合面在被侵蝕過程中形成的最新一期洞穴系統(tǒng)(圖4,圖8g),其底部距不整合面的距離大致指示了巖溶洞穴系統(tǒng)形成時在地表之下發(fā)育的深度,這與Kerans(1988)得出的艾倫伯格群(Ellenburger Group)洞穴系統(tǒng)主要發(fā)育在地表不整合之下30~90 m內(nèi)的結(jié)論基本一致[28]。
4.2.1 平面特征
良里塔格組巖溶垮塌體系在地震上表現(xiàn)為高于圍巖的強振幅。均方根振幅屬性為平均地震反射波振幅值平方和的算術平方根,它對地震波絕對值大的振幅反映敏感[29],可凸顯巖溶垮塌體強振幅及其連續(xù)變化;方差屬性反映相鄰道地震信號之間的相似性,可以突出垮塌體的邊界。將均方根和方差屬性進行融合,并將融合體按鷹三段頂進行拉平,在良里塔格組平面上,可顯示垮塌強振幅體的平面形態(tài)及分布(圖9)。
如圖9所示,巖溶垮塌體強振幅在平面上具有分區(qū)性,據(jù)此可將本區(qū)巖溶垮塌體系劃分為5個主要發(fā)育區(qū)。其中4區(qū)垮塌體系平面連續(xù)性最好(圖9,圖10a),因此將4區(qū)單獨劃出進一步研究。通過分別給予融合體中均方根振幅和方差截斷值,去除振幅及方差低值部分,可以對巖溶垮塌體進行三維雕刻(圖10b)。雕刻體顯示該區(qū)巖溶體系平面形態(tài)復雜,類似網(wǎng)狀河體系,顯然垮塌體系形態(tài)即代表了原始的巖溶通道的形態(tài),但該巖溶通道呈現(xiàn)出與該區(qū)地表河流體系顯著不同的特征:明顯分為主干和分支;大型主干較為平直;分支小且數(shù)量多,位于主干之間形成網(wǎng)狀。該區(qū)巖溶洞穴系統(tǒng)沿流向可追蹤距離達十幾千米,平面覆蓋范圍達三十多平方千米。
圖8 塔里木哈拉哈塘油田A1井巖溶垮塌體系巖心、鏡下特征及測井解釋Fig.8 Characteristics of collapsed paleo-cave section depicted by core and thin section observations and log interpretation in Well A1 of the Halahatang oilfield,Tarim Basina.良里塔格組上段垮塌角礫巖,角礫為灰白色,基質(zhì)為灰黑色,埋深6 727.00 m,對應g中2處;b.良里塔格組下段垮塌角礫巖,角礫與基質(zhì)均為紅色,埋深6 755.50 m,對應g中4處;c.角礫巖,角礫為顆粒灰?guī)r和泥灰?guī)r,單偏光,埋深6 729.20 m;d.角礫巖基質(zhì),基質(zhì)由石英碎屑、碳酸鹽巖碎屑和泥質(zhì)組成,正交光,埋深6 729.20 m;e.上垮塌段頂部裂縫,成像測井,埋深6 715.90~6 718.60 m; f.砂泥互層,成像測井,埋深6 740.00~ 6 742.75 m;g.測井綜合解釋
圖9 塔里木盆地哈拉哈塘油田(部分)良里塔格組均方根振幅和方差融合體平面Fig.9 RMS amplitude and variance fusion map of the Lianglitage Formation in part of the Halahatang oilfield,Tarim Basin(①—⑤分別為巖溶垮塌體系5個相對發(fā)育區(qū))
圖10 塔里木盆地哈拉哈塘油田良里塔格組巖溶垮塌體系地震平面和剖面特征Fig.10 Plane and section views of the seismic profiles showing the collapsed karst cave system in the Lianglitage Formation in the Halahatang oilfield,Tarim Basina.良里塔格組均方根振幅和方差體融合平面(窗長40 m);b.雕刻的三維巖溶垮塌體系三維顯示;c.巖溶垮塌體系與地表河流體系平面疊合;d,e.地震剖面,分別對應圖a中D—D′和E—E′位置,紅色箭頭位置指示了圖a的剖面位置,注意左、右兩圖中的串珠為同一串珠,但左圖并未穿過串珠中心
4.2.2 剖面特征
在過A1井并橫切該巖溶通道體系的地震剖面A—A′上(圖10a,d),見巖溶垮塌體系呈現(xiàn)出較強的振幅,類似一間房組和鷹山組的串珠強振幅,但振幅小于串珠強振幅;在過A1井并沿巖溶通道的剖面B—B′上(圖10a,e),整個良里塔格組均呈現(xiàn)出強振幅,表明巖溶通道形成的洞穴系統(tǒng)的連續(xù)垮塌。
另外,在垮塌體系之上緊挨良里塔格組的桑塔木組底部同相軸下陷,并出現(xiàn)振幅增強,向上振幅逐漸減弱(圖10d,e),說明巖溶洞穴系統(tǒng)的垮塌可能影響到了上覆桑塔木組。Loucks(1999,2002)[14,16]將該現(xiàn)象其定義為垮塌造成的上覆地層變形(Suprastratal deformation),以地層下陷和伴生斷裂為特征。該現(xiàn)象與A1井良里塔格組頂部的洞頂縫一起說明了巖溶垮塌對上覆地層造成的影響。
巖溶體系地表地貌形態(tài)的表征和地下洞穴系統(tǒng)分布的精細刻畫為研究其主控因素提供了更好的依據(jù)。本研究主要從層序、構(gòu)造和水文等因素出發(fā)探討了巖溶洞穴系統(tǒng)發(fā)育的控制因素。
廣泛暴露是近地表發(fā)生巖溶的基本條件之一,往往發(fā)生在低位域時期的層序邊界上,受構(gòu)造運動、海平面變化共同控制[30]。良里塔格組高位域末期已發(fā)育成典型的鑲邊臺地,此時塔北北部繼續(xù)抬升,海平面大幅度下降至臺緣之下,良里塔格組頂面廣泛暴露,形成I型層序邊界及低位域。該低位域期的廣泛暴露造成了良里塔格組地表及地下巖溶的形成,該過程一直持續(xù)到良里塔格組成為一個大型斜坡并被桑塔木組上超。海平面下降及I型層序邊界可由以下3個特征識別:①廣泛發(fā)育的地表河流及特征性喀斯特地貌(圖7);②后期桑塔木沿良里塔格組頂部的上超(圖6);③深入斜坡及盆地的巖溶通道(圖9,圖11)。
區(qū)域性的巖溶垮塌體系通常都是直線型的,這種線型樣式可能是原始洞穴系統(tǒng)沿先期斷裂系統(tǒng)發(fā)育形成的[13-14,17,27]。本區(qū)巖溶洞穴系統(tǒng)擁有眾多主干和分支,主干多較平直,延伸方向相交為“X”型,分支在主干之間形成網(wǎng)狀系統(tǒng)(圖12),該主干和分支的延伸趨勢與分布特征與典型的走滑斷裂極為相似,說明早期的區(qū)域斷裂和裂縫可能控制了巖溶通道的發(fā)育。該時期斷裂和裂縫的發(fā)育與當時的構(gòu)造背景密不可分:受塔里木盆地南部的昆侖洋閉合活動影響,從晚奧陶世開始,塔北由拉張開始變?yōu)閿D壓環(huán)境[6,31-32],在良里塔格組巖溶期塔北更是發(fā)生劇烈抬升,并最終變?yōu)樯K窘M上超的斜坡,該構(gòu)造運動一方面造成了潛流帶南北高地勢差,促進溶蝕流體的快速流動,另一方面也產(chǎn)生了眾多走滑斷裂及伴生裂縫,為潛流帶溶蝕流體提供了運移通道。
奧陶紀是全球的暖濕氣候期,塔里木板塊處于南緯20°赤道附近的熱帶-亞熱帶地區(qū)[6,33-34],有利于碳酸鹽巖的沉積和風化剝蝕。濕潤的氣候使良里塔格組在低水位期地表河流發(fā)育(圖7)。地表河流體系對地表地貌和地下洞穴發(fā)育均有重要作用。
地表河流是形成喀斯特地貌的主要動力之一,地表河流發(fā)育特征控制了地貌的特征:河流在上游河道小,分支多,遷移迅速,使巖溶地貌在北部變化頻繁;河流在中游水量增大,河道數(shù)量減少,大型河道增多,河道的深切作用形成大型巖溶槽谷;在下游隨地勢降低,河流發(fā)散,能量減弱,形成沼澤或匯入大型湖泊等水體,形成巖溶洼地。
圖12 塔里木盆地哈拉哈塘油田區(qū)4巖溶洞穴系統(tǒng)與可能的先存斷裂關系Fig.12 Plane view of the relationship between the paleo-karst cave system and previously possible regional fault systems in block 4 of the Halahatang oilfield,Tarim Basin
巖溶洞穴系統(tǒng)在空間上主要發(fā)育在地表河流之下或附近,在流向上與地表河流基本一致(圖9,圖10c,圖13),說明地表河流與地下巖溶通道是一個完整的體系,地表河流為地下巖溶通道的發(fā)育提供了水源。原始洞穴系統(tǒng)分布的另一個重要特點是主要發(fā)育在河流的中游和下游,這可能與河流在中下游流量增大有關系。增大的水量一方面在重力作用下更易沿斷裂和裂縫深入,另一方面可以保證溶解的碳酸鈣能夠迅速被帶走,使溶蝕不斷進行。
1) 哈拉哈塘地區(qū)奧陶系良里塔格組頂部喀斯特發(fā)育巖溶高地、巖溶槽谷、巖溶洼地和落水洞等地貌要素,不同的地貌要素具有不同的分布特征:巖溶高地分布在北部,大型巖溶槽谷分布在中部,巖溶洼地分布在南部,落水洞主要分布在巖溶槽谷附近。
2) 良里塔格組內(nèi)部巖溶垮塌體系在巖心、鏡下和成像測井上特征明顯,并表現(xiàn)出強壓實現(xiàn)象;在地震上巖溶垮塌體系表現(xiàn)為連續(xù)的強振幅,通過RMS與方差融合體可以刻畫其特征性的直線狀形態(tài),該垮塌體系展布同樣指示了原始巖溶通道體系的展布。
3) 哈拉哈塘良里塔格組巖溶體系發(fā)育受低位域期廣泛暴露、斷裂及裂縫、地表河流體系等因素控制。
致謝:本研究工作得到了美國德克薩斯大學奧斯汀分校曾洪流教授和傅啟龍教授的幫助,同時塔里木油田公司的同事提供相關資料,中石油勘探開發(fā)研究院的同事給予了技術指導,在此一并表示感謝。
圖13 塔里木盆地哈拉哈塘油田地表河流體系與地下巖溶洞穴系統(tǒng)分布關系(圖9中C—C′剖面,按鷹山組下段頂拉平)Fig.13 Seismic section showing the relationship between the surficial fluvial systems and the subsurface karst cave systems in the Halahatang oilfield,Tarim Basin(see Fig.9 for the location of profile C—C′,flattened on top of the Lower Yingshan Formation)