喜馬拉雅中晚期斷彎褶皺-大氣水巖溶儲集體形成
——以塔里木盆地西北緣柯坪-羊吉坎大灣溝組碳酸鹽巖為例

錢一雄,田 蜜,李慧莉,陳 躍,沙旭光,李洪泉

(1.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所,江蘇 無錫 214151; 2.中國石化 石油勘探開發研究院,北京 100083;3中國石化 西北油田分公司 石油勘探開發研究院,新疆 烏魯木齊830011)

與不整合面或沉積間斷面有關的古巖溶型油氣儲層在世界范圍內大量存在。前人探討了海平面升降、基巖、氣候、地下水溶解、礦物組成、暴露長短、先存孔洞系統、層序、沉積相和地層特征、水文系統、出露規模和地形特征、構造沉降特征等多個因素對巖溶作用的影響[1-6],以及強調了早期、同生及構造期(后)的斷裂作用及后期熱液對巖溶作用的影響[7-11]?；蜓貪撋礁卟课坏南蛐逼聺B透層的大氣水沿裂縫帶向下流動,或承壓水(層)沿斷裂上升發生巖溶作用,形成大型縫洞型儲層[7-8,12]。

現代巖溶是了解地質時期巖溶作用的重要參考系[7-8,13]。塔里木盆地西北緣發育了由寒武系至第四系的5排NE-SW向推覆體由北向南逆斜沖,構成向南凸出的弧形推覆構造[14](圖1)。前人對柯坪塔格山南緣、西克爾、巴楚五道班和柯坪硫磺溝出露的中-下奧陶統洞穴均歸咎于古巖溶主要證據為: ① 上覆有上奧陶統的紅色砂巖和泥灰巖,呈填平補齊[15-16]； ② 出現大量溶溝、溶脊、平緩壟崗、洼地、侵蝕溶溝等巖溶地貌[16]； ③ 發育巖溶角礫巖、多種形態的洞穴?？煞譃楸砩c深成巖溶洞穴[17]或管道-廳堂連通型溶洞、單一管道孤立型溶洞、流線型溶洞,部分充填了灰綠色-褐黃色-棕紅色砂巖、泥質粉砂巖或粉砂質泥巖以及粗晶方解石、螢石、硫磺、孔雀石[16-20]。

本文是在對西克爾、羊吉坎剖面(圖1)以及巖溶現象詳細觀察的基礎上,選擇了羊吉坎一受斷彎褶皺控制的大灣溝組灰巖中孔縫洞體,進行構造變形、組構分析、巖石學、地球化學以及褶皺-脫空的數值模擬等綜合研究,并結合了前人對有關新構造運動、古氣候、溶蝕實驗結果,探討了縫洞體發育的機械與化學溶蝕作用對孔隙(洞)貢獻,揭示喜馬拉雅中、晚期受斷彎褶皺及大氣水溶蝕-沉淀過程控制的巖溶洞穴形成過程。

1 地質特征

柯坪-羊吉坎剖面位于阿克蘇至喀什國道314約60 km柯坪塔格山溝南側的小型斷彎褶皺。前緣逆沖斷裂產狀為325°∠31°、逆沖斷距約為1.5 m，大灣溝組厚層生屑灰巖中與褶皺有關的巖溶洞穴大小為3.5 m(寬度)×1.5 m(高度)×>0.5 m(長度)，主要由同褶皺變形、呈土黃-褐紅色薄層粉砂質鈣質碳酸鹽巖((鈣華),與薄層條帶狀馬牙狀-櫛殼狀、長柱狀方解石互層。在4 m(長)×2 m(寬)× 3 m(高)的巖溶體內,發育了似層狀不同大小的巖溶洞(穴)14個。2個分布于褶皺樞紐帶，大小為(10～150) cm×(5～25) cm;沿裂隙4個,最大70 cm×(5～35) cm,其他均小于5 cm×3 cm,部分或半充填了鈣華及方解石(圖2)。

圖1 塔里木盆地西北緣地質簡圖及羊吉坎剖面位置Fig.1 Geological sketch map of Keping,northwest Tarim Basin and location of the Yangjikan section

為精細地了解巖溶洞穴或帶的結構,下面分別按巖溶的頂板、鈣華、半或未充填的巖溶洞穴和巖溶角礫巖帶以及底板(或基巖)進行描述(圖2，圖3)。① 巖溶的頂板,如圖2a所示,它是由一套淺灰色-黃灰色中厚層(層厚為30～50 cm)(圖2a中A)的微裂隙發育含生屑泥微晶砂屑灰巖(圖2a中B)構成,中間夾有一層厚為5～6 cm的土黃色薄層的鈣華層； ② 由土黃與褐紅色薄層鈣華構成,由6至7層粉砂質鈣質-馬牙狀-櫛殼狀-長柱狀方解石巨晶或粗晶條帶組成,厚度為68～78 cm(圖2a中E)； ③ 未充填的巖溶洞穴,厚(高)度為40 cm～60 cm(圖2a中D)； ④ 巖溶角礫巖帶,厚(高)度為15～25 cm(圖2a中C)； ⑤ 底板,基本同上,由中厚層弱硅化的含生屑的泥微晶砂屑灰巖構成,發育與褶皺軸部-樞紐帶有關的張裂隙(圖2b)。

根據Locks(1999)[3]對巖溶帶劃分，羊吉坎剖面主要發育: ① 未發生巖溶改造基巖,如圖2a中A帶； ② 遭受較弱巖溶改造帶,如圖2a中B帶； ③ 巖溶角礫巖帶,如圖2a中C帶； ④ 不同形態的洞穴,圖2a中D帶； ⑤ 沿擴溶裂隙-洞穴中的機械、化學充填,呈土黃-褐紅色薄層層狀的鈣華,與馬牙狀-櫛殼狀方解石條帶互層,如圖2a中F帶、圖3a中的采樣點002至采樣點007以及010。這是本文關注的重點研究內容之一,詳見圖3c至圖3g。巖溶洞穴及其充填物(鈣華為主)主要發育褶皺的軸部-樞紐帶的上部,其空間是由褶皺樞紐帶頂部的拉張斷裂-破碎、兩翼的層間滑動造成的虛脫(層)形成以及沿與褶皺的軸部近似垂直和順層斷裂的下滲地表水溶蝕作用與沉淀等作用有關。

2 樣品采集與測試

本次研究共采樣12件,除了薄片、鑄體觀察外,還進行了陰極發光(7件)、碳、氧同位素(18件)、硫同位素(8件)、巖石地球化學(8件)、流體包裹體(3件)等批次分析。

陰極發光分析是作者在中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室完成、儀器為BLM3RX型陰極發光儀。

碳、氧同位素是國家地質實驗測試中心礦床所完成,采用100%正磷酸法和Finngan MAT252氣體質譜儀,分析精度±0.2‰。硫同位素是由核工業地質研究院測試中心完成。根據DZ/T 0184.15—1997 《硫酸鹽中硫同位素組成的測定》方法進行,采用Delt V plus,以國際硫同位素CDT標準標定的國家硫同位素標準(硫化銀)GBW-4414(δ34S=-0.07‰)和GBW-4415(δ34S=22.15‰)校正,測量誤差小于±0.2‰。

圖2 羊吉坎剖面中大灣溝組巖溶景觀巖溶分帶(a)及簡化圖(b)(面向北西)Fig.2 Karst landscape and zonation of the Dawangou Formation at Yangjikan section(facing northwest)

圖3 羊吉坎剖面中大灣溝組巖溶剖面沉積結構、樣品特征及鈣華-縫洞方解石碳、氧同位素變化曲線Fig.3 Sedimentary architecture of karst profile,sample features of the Dawangou Formation at Yangjikan section,as well as plot showing the variation of carbon and oxygen isotopes of the calcareous tufas-calcites in fractures and cavernsa.實測剖面及其采樣示意位置；b.實測巖溶剖面巖性分段、厚度及基巖和巖溶產物的碳、氧同位素變化；c—g.以代表性樣品中的鈣(泉)化沉積為主要特征的礦物類型以及巖石結構構造

采用了傳統分析測試流程,即先樣品按比例加入Cu2O,然后置于馬弗爐內,在1 050～1 060 ℃真空條件下反應制備SO2,最后上質譜儀進行測試,測試誤差均小于±0.2‰。δ34S的相對標準為V-CDT。

巖石化學是由中國地質科學研究院地球物理地球化學研究完成。樣品在研磨成粉末前用去離子水清洗。清洗后,研磨至200目以下。常量元素中的Ca采用X-射線熒光光譜法(XRF)(本次分析中未測SiO2)，Hg和As為原子熒光光譜法(CV-AFS)，其它常量、微量元素和稀土元素用等離子體質譜法(ICP-MS)和等離子體光譜法(ICP-OES)測定。采用標樣為GSD-5，6，13,常量元素分析誤差小于0.1%，微量元素的分析誤差(包括稀土)在±1×10-6。

流體包裹體分析是在中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所測試中心完成。利用與Leica顯微鏡相連的LinkamTHMSG2600型冷熱臺進行測試。在溫度校正后,開始升溫速率為5～10 ℃/min,當包裹體中氣泡變小,接近均一時,升溫速率為1 ℃/min。

3 分析結果

3.1 陰極發光

薄片觀察及陰極發光有以下特征,含棘皮類泥晶灰巖不發光或較弱的暗橙黃紅色光(圖4a，b)；鈣華(樣品YJK-004和YJK-005+1)一般均發中等橙黃色光(圖4c,d和圖4e,f)或發暗橙黃色光(圖4k，l)；而裂隙及孔洞中的粗晶或巨晶方解石均不發光(圖4g，h和圖4k，l),但沿巨晶方解石的微裂隙發中等橙黃色光(圖4i，j),總體反映了大氣水作用的產物特征。

3.2 碳、氧與硫同位素

氧、碳同位素已在高精度地層對比、氣候短期變化、流體來源、水-巖反應等地質過程判識中得到廣泛運用。碳同位素有兩種主要來源,一是氧化環境下的較重δ13C；二是生物有機質還原條件下由新陳代謝產生的較低δ13C，有機來源CO2中的C13較貧乏(δ13C=-16‰～-25‰)。海相碳酸鹽巖中的δ13C主要反映了非有機溶解的碳源,溫度變化影響較小,而與產率、大洋循環、風化作用及外來的碳源等有關。成巖過程中δ13C趨于減小、其相同的變化值所需的水/巖比要比氧同位素要高(大)得多[21-24]。氧同位素變化的影響因素包括同位素分餾、溫度(季節變化)、交換反應和成巖改造等。但全球古生代海相碳酸鹽巖氧同位素變化范圍較為一致,與地質時代、古地理格局、古生物群落和格架礦物類型無關。

圖4 羊吉坎剖面中大灣溝組灰巖及巖溶產物鏡下及陰極發光特征Fig.4 Dawangou Formation limestones and cathodluminescence features of karst products under microscopes at Yangjikan sectiona，b.樣品YJK-001，含棘皮泥晶灰巖不發光或較弱的暗橙黃紅色光，后期裂隙方解石也不發光(大氣水巖溶)；c，d.樣品YJK-004,條帶狀中細晶及不規則六方柱狀以及環帶或瑪瑙狀紋層方解石均不發光,一開啟微縫也不發光,少量不規則方解石顆粒發暗橙黃紅色光；e，f.樣品YJK-005+1,條帶狀鈣華發中等橙黃紅色光,微細方解石不發光；g，h.樣品YJK-005,三方或假六方的方解石(環帶)均不發光,鈣華發中等橙黃紅光；i，j.樣品YJK-006,方解 石粗晶不發光,不規則裂隙(或裂紋)充填物發中等橙黃紅光;k，l.樣品YJK-008,條帶狀鈣華發暗橙黃紅色光,條帶狀中粗晶方解石不發光

δ13C(PDB)/‰δ18O(PDB)/‰δ34S(V-CDT)/‰δ13C(PDB)/‰δ18O(PDB)/‰δ34S(V-CDT)/‰YJK-001-0.7-6.3YJK-005-④4-2.9-12.6YJK-002-3.5-13.1-0.7YJK-005+1-2.9-12.5-3.0YJK-003-①1-2.2-10.6YJK-006-①-1.9-10.5YJK-003-②2-2.2-10.0-3.5YJK-006-②-3.2-13.5YJK-004-①1-3.0-13.7YJK-006+1-2.9-11.6-2.2YJK-004-②2-2.2-10.8-2.2YJK-007-0.7-5.9YJK-005-①1-3.0-13.7YJK-008-2.6-11.4-3.0YJK-005-②2-3.2-13.4YJK-010-①1-2.8-11.0YJK-005-③3-3.3-13.6-2.2YJK-010-②2-2.7-10.7-3.2

圖5 羊吉坎剖面中大灣溝組灰巖及巖溶產物的碳、氧同位素值Fig.5 δ13C(PDB) and δ18O(PDB) for limestones and karst products of the Dawangou Formation at Yangjikan section

氧、碳同位素分析結果表明(表1；圖5):中奧陶統大灣溝組灰巖中，δ13C(PDB)平均為-0.7‰(-0.7‰～-0.7‰)，δ18O(PDB)平均為-6.1‰(-6.3‰～-5.9‰,n=2件)；鈣華中的δ13C(PDB)平均為-2.89‰(-3.3‰～-1.9‰)，δ18O(PDB)平均為-12.27‰(-13.7‰～-10.5‰,n=10件)；巨粗晶方解石的δ13C(PDB)平均為-2.43‰(-2.9‰～-2.2‰)，δ18O(PDB)平均為-11.03‰(-12.5‰～-10.0‰,n=3件)；(長)柱面的偏三角面體的方解石δ13C(PDB)平均為-2.70‰(-3.2‰～-2.2‰)，δ18O(PDB)平均為-12.15‰(-13.5‰～-10.8‰,n=2件)；裂隙中的方解石δ13C(PDB)為-29‰,δ18O(PDB)為-12.6‰。后者主要為大氣水巖溶作用環境。從鈣華以及縫洞中方解石δ13C(PDB)和δ18O(PDB)呈較好線性關系,進一步表明了大氣水巖溶作用的特征。

從剖面中的鈣華中的δ13C(PDB)和δ18O(PDB)變化曲線可見(圖3b):①具有一定沉積厚度連續沉積的鈣華中的δ13C(PDB)和δ18O(PDB)中負偏現象較為明顯；δ13C(PDB)= -3.5‰～-3.0‰,δ18O(PDB)=-13.7‰～-13.1‰,相對較低(樣品YJK-002,YJK-004-①，YJK-005-①和YJK-005-③)，向上為層間或厚度小鈣華碳氧同樣素值增加；δ13C(PDB)= -2.9‰～-2.6‰,δ18O(PDB)=-11.6‰～-11.0‰(樣品YJK-006+1，YJK-008，YJK-010-①),可能反映了中期相對較充沛的水量(水動力)及相對潮濕的氣候條件,逐漸向水動力弱或半潮濕轉變；② 縫洞中的巨粗晶或長柱狀方解石δ13C(PDB)變化趨勢基本上與同深度的鈣華相似,但δ18O(PDB)值變化截然不同,向上的負偏明顯增加,也反映了早、中期風化強度、大氣淡水作用強,與鈣華形成時代或環境有所差異。因此,無論是鈣華或縫洞方解石的穩定同位素均與巖溶作用水動力、大氣水流體化學性質及其演化關系密切,可作為水動力及巖溶強度有效指示參考參數之一。

對于硫同位素，柯坪-羊吉坎剖面中的大灣溝組巖溶產物中的δ34S(V-CDT)變化不大,δ34S(V-CDT)=-3.5‰～-0.7‰,遠低于古生代海相碳酸鹽巖和現代海水平均值(20‰)，也低于還原條件下的靜海中的一般沉積物(<10‰)，同樣低于早古生代中含硫化物的碳酸鹽巖或含生物成因的黃鐵礦相對較低的δ34S(V-CDT)。從連續沉積至較小規模的鈣華,其δ34S(V-CDT)逐漸減小,反映了成巖環境中的Eh升高、從巨晶方解石(-3.5‰)至長柱狀方解石中δ34S(V-CDT)(-3.0‰～- 2.2‰)逐漸增加,反映其沉積環境中的氧化程度逐漸提高(表1;圖6)

3.3 元素地球化學

早古生代基巖、鈣華及縫洞方解石的常量元素、微量元素和稀土元素特征及比值見表2。

圖6 塔里木盆地羊吉坎剖面中奧陶統大灣溝組中巖溶產物的硫同位素值Fig.6 δ34S(V-CDT) for karst products of the Dawangou Formation at Yangjikan section

1) 常量元素

由表2及圖7a,圖7c可見:① 3件鈣華樣品與中奧陶統大灣溝組中灰巖相比,反映粘土含量的Al2O3較低、但變化較大,從0.04%～2.00%(平均為0.70%)；反映沉積環境或成巖作用的Fe2O3含量相類似,0.04%～1.15%(平均為0.41%)。一般地,鐵在碳酸鹽巖中豐度平均為0.38%；MnO相對較高,296×10-6～737×10-6(平均為459.7×10-6),而反映碳酸鹽巖主要組成的CaO和MgO分別為49.13%～56.95%(平均為54.68%)和0.28%～0.72%(平均為0.43%)，Mg/Ca=0.006 0～0.017 4(平均為0.009 8),反映了CaO含量增加、MgO相對降低,反映鹽度的Na2O+K2O為0.06%～1.17%(平均為0.44%)相對較低；反映有機體作用的P相對較高,40.0×10-6～133.5×10-6(平均為71.22×10-6)；② 4件縫洞中的長柱狀及巨粗晶方解石中的常量組成:粘土含量的Al2O3極低、但變化較大,從0.01%～0.93%(平均為0.29%)；反映沉積環境或成巖作用的Fe2O3含量相類似,0.05%～0.22%(平均為0.10%)；MnO含量最高,438×10-6～690×10-6(平均為555.6×10-6),而反映碳酸鹽巖主要組成CaO和MgO分別為55.38%～57.55%(平均為57.17%)和0.21%～0.41%(平均為0.29%)，Mg/Ca=0.004 4～0.008 8(平均為0.006 0),CaO含量最高、MgO最低,反映鹽度的Na2O+K2O為0.06%～0.43%(平均為0.17%)最低；反映有機體作用的P相對較高,56.3×10-6～84.4×10-6(平均為67.36×10-6)；除了個別樣品外,總體反映了巖溶作用過程中產物中的Al，Fe，Mg，K，Na以及Mg/Ca相對降低,而Mn，P相對富集。

2) 微量元素

由表2及圖7b，圖7c可見：無論是鈣華或巨粗晶及長柱狀方解石中部分微量元素顯示出較低的值，但變化較大，如鐵族元素的Cr，造巖元素中Rb，Ba；而基本持平的有Co和Ni，Hg，Ag和V；較為富集的有中低溫的金屬元素Cu(鈣華:20.2×10-6～25.5×10-6,平均為23.24×10-6；方解石:16.9×10-6～28.4×10-6,平均為22.06×10-6)、Zn(鈣華:23.4×10-6～47.9×10-6,平均為36.67×10-6；方解石:22.0×10-6～57.3×10-6,平均為39.73×10-6):① 3件鈣華中Sr含量相對較低、平均為152.4×10-6(146.4×10-6～156.4×10-6)，Sr/Mn極低、平均為0.39(0.21～0.53)，Fe/Mn較低、平均為11.96(2.2～31.2),Sr/Ba平均為79.48(2.2～161.6)；② 4件縫洞中的長柱狀及巨粗晶方解石中，Sr含量也相對較低、平均為165.35×10-6(146.2×10-6～199.7×10-6)，Sr/Mn極低、平均為0.31(0.24～0.41)，Fe/Mn較低、平均為4.09(2.2～31.2),Sr/Ba平均為46.53(4.0～69.2)。咸化海水中具較高的Sr/Ba比值，而在大氣淡水潛流帶、或是重結晶或白云巖化過程中(從非化學構式至化學構式)降低較為明顯。按照C.E.Jones等[21]提出用Mn≤300×10-6；Fe≤3 000×10-6,Sr/Mn>2等指標判定原巖組分保存狀況的判斷,鈣華或巨粗晶及馬牙-長柱狀方解石均為大氣水成巖改造較為強烈的巖溶產物。

3) 稀土元素

① 3件鈣華中:輕稀土平均為15.98×10-6(2.3×10-6～41.4×10-6),重稀土平均為7.01×10-6(1.5×10-6～17.4×10-6),稀土總量平均為22.99×10-6(3.7×10-6～58.9×10-6),LREE/HREE平均為1.96(1.5～2.4),δEu平均為0.75(0.71～0.80),δCe平均為0.84(0.68～0.84)(表2；圖7c)；② 4件縫洞中的方解石中:輕稀土平均為44.94×10-6(7.0×10-6～123.9×10-6),重稀土平均為22.76×10-6(6.4×10-6～54.7×10-6),稀土總量平均為67.69×10-6(13.3×10-6～178.6×10-6),LREE/HREE平均為1.71(1.1～2.3)；δEu平均為0.72(0.63～0.77),δCe平均為0.67(0.63～0.74)。綜上所述,與基巖相比,既有稀土總量較低的鈣華(YJK-010-①，②)或粗巨晶方解石(樣品YJK-003-①、樣品YJK-004-②),也有相對較高的鈣華(樣品YJK-002)或粗巨晶方解石(樣品YJK-005+1、樣品YJK-006-②)。除了鈣華(YJK-002)或粗巨晶方解石(樣品YJK-005+1)弱正銪外，其他樣品與北美平均頁巖成分(NASC)和澳大利亞太古代后頁巖(PAAS)[25]類似,大多呈“弱正銪負鈰”的“帽型”配分模式(圖8)，反映其一定的繼承性。

表2 塔里木盆地柯坪-羊吉坎剖面中大灣溝組中灰巖及巖溶產物中的元素地球化學分析數據及其比值Table 2 Geochemical data for limestones and karst products, as well as their ratios in the Dawangou Formation at Yangjikan section

圖7 羊吉坎剖面中大灣溝組灰巖、縫洞中的鈣華和方解石中常量元素(a)、微量元素(b)含量比值及稀土總量(c)含量變化Fig.7 Variations of macro(a)-and micro(b)-elements,macro-microelement ratios,and total rare earth(c)in the limestones and calcareoustufas-calcites in fractures and caverns in the Dawangou Formation,Yangjikan section

3.4 流體包裹體

長柱的偏三角面體-巨粗晶粒狀方解石中的流體包裹體特征為：以液相包裹體為主,一般為5～10 μm,最大者為12 μm左右,橢園、圓形、水滴形為主,次之為柱狀至不規則狀。按類型可分為一大類二種類型,即鹽水流體包裹體中的單相鹽水溶液包體(WL)、氣液兩相鹽水溶液包體(WL+V)，后者僅見到2個，反映了低溫流體包裹體的特征,間接指示了大氣水巖溶特征(圖9)。

圖8 羊吉坎剖面中大灣溝組灰巖、縫洞中鈣華及方解石配分樣式Fig.8 The distribution pattern of limestones,calcareoustufas-calcites in caverns and fractures of the Dawangou Formation at Yangjikan section

3.5 巖溶作用特征綜述

綜上所述,羊吉坎剖面中的受斷彎褶皺控制的大灣溝組灰巖中縫洞體具有典型的巖溶作用(喀斯特)特征,主要包括為發育巖溶角礫巖、鈣華、不同大小的巖溶縫洞體等,其主要充填物(鈣華)或長柱狀巨粗晶方解石發暗橙黃紅-不發光；與圍巖相比,其δ13C(PDB)，δ18O(PDB)偏負明顯、且呈線性相關,其δ34S(V-CDT)明顯負偏、指示的氧化程度增高；無論是常量中Al,Fe,Mg,K和Na等元素或微量中Sr，Rb，Ba，稀土總量以及Sr/Ba等相對低,但Cu和Zn等相對較高,指示風化及氧化環境；馬牙狀-櫛殼狀、長柱狀的巨粗晶的方解石僅發育以液相為特征的低溫大氣水環境下包裹體特征。

上述以水-巖作用下溶蝕-充填為主的喀斯特作用以及縫洞體的形成,與前述的斷褶作用有何聯系是本文探索其機理的主要組成部分，其地質依據是自然界的物理力學(破裂)過程往往與化學過程相伴生或先于后者發生。設定初始的斷裂相關褶皺是形成的層間脫空作用是上述特殊縫洞體形成的前提條件,通過數值模擬推測早期的孔縫結構對現今縫洞體形成與發育的影響、進而闡明其演化過程。

圖9 長柱狀-巨粗晶方解石中純液相的流體包裹體(紅色箭頭所指)Fig.9 Photomicrographs showing occurrences of fluid inclusions in columnar and giant coarse-grain calcites(pointed with red arrow)a.樣品YJK-006;b.樣品YJK-006+1

4 斷彎褶皺-脫空的數值模擬

斷層相關裂隙空間是存在于斷層面附近、由斷層相關褶皺構造作用引起的全部碎裂空間,是脫空空間分散的表現。通過設定斷彎褶皺的構造地質條件,建立斷層相關裂隙空間與斷面脫空空間的置換模型,推導出利用斷層傾角、斷距、褶皺彎曲度、地層剛性強度、厚度等參數定量計算斷層脫空空間的公式,開發出VSD技術軟件,并在塔中奧陶系碳酸鹽巖裂縫性儲層預測中進行成功的應用[26-28]。

羊吉坎剖面中斷彎褶皺主體是由力學上相對強硬的層狀中厚層灰巖構成,其上、下相對中強-軟弱層的中薄層的含生屑泥晶灰巖?，F今巖溶體的頂、底板由于強烈逆沖作用,還發育了若干的伴生、派生小斷層(圖2)。這些小斷層同樣會對能干層產生機械破壞作用。

本次構造建模僅模擬巖溶作用前的中厚層能干層的斷褶作用。構造建模和地層建模所需的產狀,依據實測數據及地質剖面中的軟件數值化獲得。建模主要參數如下:斷層產狀325°∠31°、逆沖斷距1.5 m,褶皺彎曲度可通過軟件數值化獲得。丁原辰等[29]估算的塔里木盆地北部的新生代二幕構造分別為49.4 Mpa和88.8 MPa,有效最大主應力值采用80 MPa ,其它巖石力學參數參照文獻[27],能干層厚度2 m。

多次精細處理后的建模數據,調用VSD軟件計算。計算結果表明:斷裂上、下盤斷彎褶皺前翼脫空空間最大,孔隙度最高可達3%以上,上盤斷彎褶皺后翼脫空空間相對較小,最大可達0.6%左右(圖3a),并在上盤形成一條孔隙度0.2%～0.5%脫空通道(圖10b)。

5 斷彎褶皺-大氣水巖溶形成過程

5.1 喜馬拉雅運動與第四紀氣候條件

喜馬拉雅運動可以分為早、中、晚3期,分別對應于始新世晚期、古近紀與新近紀之間、新近紀與第四紀之間構造活動[34]。天山在中新世以來(23 Ma)或距今25 Ma發生強烈構造擠壓隆升,發育了大量東西向的逆沖-走滑斷裂帶和背斜構造。位于南側的東西向構造的東秋里塔格背斜北翼的褶皺-隱伏斷層,利用熱釋光確定的年齡為距今25 100 a±1 900 a～2 669 a±102 a[35]。

在第四紀的2.5 Ma內,由多個冰期和多個間冰期組成(5次寒冷和4次溫暖期),時間尺度均在0.1 Ma左右,顯著變冷為玉木(大理)冰期,規模最大為里期(廬山)冰期,間冰期最顯著為民德-里期(大姑-廬山)間冰期,距今約為680～370 ka[36]。由于青藏高原隆升,不僅通過增強冬季亞洲高壓(西伯利亞高壓)使冬季風增強,使東亞季風區冰期氣候更加干燥寒冷,而且還可以通過增強夏季亞洲低壓,使夏季風增強、間冰期氣候可能更加溫暖濕潤[37]。

圖10 羊吉坎剖面中脫空空間VSD模擬計算結果(a)及能干層在斷彎褶皺變形中的脫空空間展布(b)Fig.10 Disengaging space based on VSD(a)and its distribution of competent layers in the disengaging space of a fault-bend fold(b) at Yangjikan section

5.2 孔隙形成及時間估算

若將以多層由中厚層組成的“強干層”斷彎褶皺變形的主體,即如圖2所示,其高(長)為153～213 cm,其溶蝕充填高(長)(鈣華)為75～80 cm,未充填(有效)的高(長)(鈣華)為40～60 cm,初步估算的充填率為37.6%～49%,現今有效空洞率為26.14%～28.17%。而由斷彎褶皺變形中的產生脫空的0.2%～0.5%孔隙率,僅占目前有效空洞率的1/50～1/100,雖然微不足道,但起了“溶蝕前鋒的通道”或“涌流-管涌”觸發器的功能,變形中的中厚層碳酸鹽巖(灰巖)能干層中的孔隙相對發育帶及裂隙帶所構成的網絡,可能是強烈的大氣水作用下產生巨型巖溶縫洞體發育的主要載體。

5.3 形成過程及演化推斷

根據對柯坪-羊吉坎大灣溝組碳酸鹽巖巖溶剖面的結構分析、巖溶充填物的巖石學及地球化學分析認為:形成現今的未充填的洞穴、巖溶角礫帶和不同類型的鈣華及長柱狀-馬牙狀結晶方解石為主的巖溶景觀及其巖溶分帶可簡化為以下地質與地球化學過程(圖11)。

1) 喜馬拉雅期構造擠壓形成了軸面向NW傾的不等稱的斜歪背斜(東北翼稍陡、西北翼平緩),沿軸部或翼部的斷裂-裂隙以及沿層面擠壓-滑脫變形,形成了脫空層或裂隙帶,為大氣水向下滲流或季節性山洪-河流的層流創造了條件。

2) 由于大氣水中不斷補充的CO2在河流-氣界面的傳輸(洞穴溪流為1 mm/a,裸露灰巖為0.03 mm/a)；在富含CO2水與碳酸鹽巖圍巖形成了擴散邊界層DBL,在開放的三相不平衡的開放系統中[30],沿軸部(樞紐帶)或滑脫層、翼部的斷裂-裂隙帶及發生碳酸鹽巖的溶解作用,早期可能以孔隙的彌漫流-達西流為主,由于虹吸效應,很快進入與褶皺層面近平行的“相對高的孔滲”發生溶蝕-管流；

圖11 與擠壓褶皺-層間滑脫脫空-大氣水溶蝕作用有關的喜馬拉雅中晚期的巖溶模式(圖例見圖2b)Fig.11 Karst model of the middle and late Himalayan movement,associated with fault-bend fold,interlayer disengaging void,and meteoric water dissolution at Yangjikan section(see Fig.2b for the legend)a.擠壓褶皺-橫張裂隙-層間滑脫沿樞紐管道流;b.大氣降水-季節性河流沿軸部或翼部脫空間層發生富CO2的溶蝕作用;c.巖溶角礫巖—層狀鈣化(鈣質包殼-豆莢-海綿-砂糖狀)-巨晶馬牙狀方解石發生的韻律沉淀

3) 在開放體系中、溫濕氣候下,由于大量大氣水不斷侵蝕與溶解作用，在相對干旱氣候下(或冬秋),水動力相對穩定期間或在紊流條件下碳酸鈣接近于飽和狀態。由于成核多、生長快、分別形成了細粒的鈣質包殼、豆莢狀、海綿狀、層狀或砂糖狀的鈣華,構成了較為穩定的管狀壁；在更為穩定緩慢的層流或管流條件下,或自形、長柱狀-馬牙狀結晶方解石分別從壁邊向中心生長,兩者構成韻律層。由于褶皺隆升,大氣水潛流面的向下移動,類似于“河流向下侵蝕-形成階地”,導致部分孔洞的上覆巖層發生破碎、坍塌并被流水改造形成了“巖溶角礫巖”。因此,即自下而上溶蝕充填物時代愈新,直至位于潛水面以上，溶蝕減弱，干洞穴部分得以保存,氣候-水動力條件、流體-巖石作用中的溫度和二氧化碳分壓等因素控制上述巖溶過程。

6 結論

1) 柯坪羊吉坎碳酸鹽巖巖溶剖面發育了較弱巖溶改造帶、巖溶角礫巖帶、洞穴及鈣華沉積物或縫洞方解石等,均為典型的大氣水巖溶作用的產物。

2) 鈣華沉積物中的碳、氧同位素負偏程度、δ34S(V-CDT)自上而下增強，揭示了早期半潮濕-干旱-中期或中晚期相對潮濕、較充沛的水量(水動力)至現今半潮濕-干旱氣候。

3) 自上而下的縫洞方解石碳、氧同位素負偏、δ34S(V-CDT)減弱、反映陸源Al2O3等減小,反映出晚期風化程度以及氧化程度減弱；與鈣華一樣,其碳、氧等穩定同位素可作為水動力強度或巖溶作用強度有效指示參數之一。

4) 從鈣華、巨粗晶粒狀方解石至發育(長)柱面的偏三角面體聚形方解石等產物中的Al2O3，FeO，MgO，K2O，Na2O以及Mg/Ca相對降低,而MnO和P2O5相對富集；Sr，Sr/Mn，Fe/Mn，Sr/Ba比基巖均較低,多呈“弱正銪負鈰”的“帽型”配分模式,后二者以單相鹽水溶液包體為主，主要反映了大氣水的巖溶作用。

5) 相比大氣水的溶蝕作用,斷彎褶皺變形中的脫空0.2%～0.5%的孔隙率,雖然僅占目前有效空洞率1/50～1/100,但具有“溶蝕(前鋒)的通道”或具有“涌流-管涌”觸發器的功能；羊吉坎剖面的1.5～2.0 m高度大小的溶洞體,在潮濕氣候、較強的水動力條件下,可在小于5 ka年內形成，而在相對干旱期間,則需要更長時間形成。