馮海霞

（中國(guó)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(yíng) 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(guó)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(zhǎng)期對(duì)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(duì)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(shí)期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(chǔ)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(shí)期的演化過程，對(duì)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(dòng)（在塔里木盆地，從寒武系到志留系發(fā)生加里東運(yùn)動(dòng)，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(dòng)時(shí)期呈現(xiàn)較大幅度抬升或沖斷褶皺，形成了多個(gè)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(duì)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(jiǎn)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(gè)點(diǎn)，記錄每個(gè)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(jí)方法，共分為3級(jí)谷地，主要存在3個(gè)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(hào)剖面)

（2）壟崗

此類地貌單元是構(gòu)造形跡控制下，長(zhǎng)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(jí)臺(tái)面或河谷排泄。

圖4 24號(hào)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(gè)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(gè)較大規(guī)模的長(zhǎng)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(gè)規(guī)模相對(duì)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(gè)洼地群，單個(gè)小洼地的長(zhǎng)軸有北東向和東西向兩個(gè)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(gè)研究區(qū)，長(zhǎng)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(gè)相對(duì)完整的長(zhǎng)條狀洼地，中間沒有分割，洼地兩側(cè)均被相對(duì)高度在30～50 m的壟崗和溶丘所圍限夾持，谷坡相對(duì)較陡，橫剖面形態(tài)呈“U”型，底部相對(duì)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(hào)剖面）沿著長(zhǎng)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(hào)剖面)

除此之外，如圖2南部三級(jí)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(duì)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(shí)稱為巖溶箱狀谷[6-7]，本區(qū)的巖溶障谷集中見于24號(hào)剖面點(diǎn)附近的各級(jí)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(duì)平坦，而向溝系上游追蹤時(shí)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(shí)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(gè)巖溶臺(tái)面（最高的巖溶臺(tái)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(duì)幅差約10余米，溝底寬度不大，約2～3 m，但相對(duì)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(jí)水系中，這類溝谷在分布上最重要的特征是位于第二個(gè)巖溶臺(tái)面向第三個(gè)臺(tái)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(rùn)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颍F(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(dòng)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(gè)洼地相當(dāng)于一個(gè)匯水區(qū)，控制了一個(gè)水文系統(tǒng)，但所代表的基準(zhǔn)面可能不同，三個(gè)不同高程的洼地代表了三個(gè)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(shí)別出分水嶺和河谷等水文地貌單元，從而對(duì)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(gè)時(shí)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(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中因暴露于大氣介質(zhì)之中，推動(dòng)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(dòng)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(huì)隨時(shí)間的推進(jìn)，而處于有序動(dòng)態(tài)變化的一個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)較大規(guī)模的長(zhǎng)軸狀分布的巖溶洼地。每個(gè)洼地相當(dāng)于一個(gè)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(duì)排泄基準(zhǔn)面[11]。當(dāng)洼地1作為排泄基準(zhǔn)面時(shí)，第一個(gè)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(tái)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(gè)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(gè)流域[13]，即流域Ⅰ和流域Ⅱ，受洼地2這個(gè)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(cè)剖面21號(hào)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(jí)河谷整體往南匯流，其中一條與東部匯流的三級(jí)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(gè)階段，前兩個(gè)階段的巖溶發(fā)育占主導(dǎo)地位，第三個(gè)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(jí)巖溶臺(tái)面上發(fā)育一些低矮的溶丘，相對(duì)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(jí)巖溶臺(tái)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(shì)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(gè)巖溶臺(tái)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(shí)，洼地2作為排泄基準(zhǔn)面[16]，第二個(gè)巖溶臺(tái)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(gè)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(gè)巖溶臺(tái)面開始瓦解，在研究區(qū)南部的三級(jí)溝系中發(fā)育洼地3，此時(shí)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(gè)巖溶臺(tái)面上干谷前方發(fā)育一穿洞(穿洞北面)

圖16 16號(hào)剖面點(diǎn)附近三級(jí)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(huì)造成古地貌變化?？偠灾?，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(dòng)密切相關(guān)。本區(qū)通過野外實(shí)地考察可識(shí)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(shí)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。