塔河西部奧陶系古巖溶小流域的劃分及其地質意義

呂艷萍 ，姜應兵 ，高濟元 ，蔡忠賢

（1.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2中國地質大學（武漢）構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

巖溶小流域［1］是自然溝壑和兩側山坡形成的集水區。鑒于水文學相關行業發展需要，2013年，我國水利部發布了SL 653—2013《小流域劃分及編碼規范》，將小流域劃分為完整型小流域、區間型小流域、坡面型小流域［2］。該劃分方案在隨后的研究中逐步得到了補充和完善［3-4］。小流域的研究是20世紀地理信息系統（GIS）技術不斷發展后出現的，利用數字高程模型（DEM）劃分小流域，對數字流域的建設、水土流失的治理具有重要意義［5-9］。

塔河油田西部斜坡區發育了較為復雜的碳酸鹽巖溶縫洞儲集體［10-13］，且自西向東呈現明顯差異性［14-15］。碳酸鹽巖的溶蝕作用是喀斯特地貌發育的基本特征，巖溶水在不同地質結構及不同階段，其運動和分布樣式對巖溶儲層的發育起到了推動作用［16-18］。因此，為了認識巖溶儲層的差異性分布規律，對巖溶水文網絡結構及其分區評價的研究極其重要。前人在塔河地區古水文恢復的基礎上，認識到塔河主體區存在地表-地下雙重水系結構［19-24］，明確了塔河地區東西部巖溶地表水系結構存在顯著差異［25］。然而，塔河地區巖溶水文條件分區評價方面的認識尚淺。

古巖溶小流域的劃分是實現巖溶古水文結構分區評價的重要途徑。由于DEM數據和高分辨率遙感影像用于當今地表巖溶小流域的劃分，無法運用在古巖溶小流域的區域劃分中，同時古巖溶小流域的研究也尚未見到相關報道。因此，本文提出借用小流域劃分思想，利用三維地震資料，通過恢復古地貌、古水系，開展不同小流域內水文條件的分區評價，這對認識研究區巖溶縫洞型儲層的發育及其分布規律具有一定的指導意義。

1 區域地質概況

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏位于塔里木盆地北部阿克庫勒鼻狀凸起的南部，東、南、西方分別接壤草湖凹陷、滿加爾凹陷和哈拉哈塘凹陷，發育類型豐富的巖溶地貌和巖溶古水系［21，24-25］。

研究區主要經歷了加里東中期—海西早期的多次構造運動。其中，志留系覆蓋區以東經歷加里東晚期—海西早期持續的巖溶改造，巖溶作用影響強度大，在長期大氣淡水淋漓風化作用下，發育有典型的河流型巖溶地貌。在構造抬升的作用下，自南向北上奧陶統地層呈上傾尖滅［26-29］。

2 小流域劃分

2.1 劃分原則

2013年，國家水利部發布了SL 653—2013《小流域劃分及編碼規范》，本次劃分方案主要依據此規范，同時考慮研究區的古地貌和古水系發育特征，明確以下劃分原則：1）小流域應該以自然地貌地形為劃分基礎，盡可能保證小流域形態結構完整；2）小流域的面積不宜過大或者過小，應該控制在30～50 km2，特殊情況下也不宜小于3 km2或者大于100 km2；3）小流域由1個或多個微流域歸并而成，微流域最小面積以0.1～1.0 km2為宜；4）小流域邊界應該與各流域邊界無縫連接，不應該橫跨上級流域；5）小流域劃分應充分考慮地表匯水關系，保證上下游匯水關系的正確性；6）在劃分小流域時，應建立流域拓撲關系和地表水系拓撲關系；7）小流域劃分結果應覆蓋整個劃分區域，小流域面積之和應等于該區域總面積。

2.2 數據準備

精準的三維地震數據是研究得到準確結論的基礎。數據集尺寸為25 m×25 m，地震頻帶為5～55 Hz，主頻率為55 Hz，深度為5 650～6 700 m。

在刻畫地表古水系的過程中，主要運用了精細相干分析、古地貌恢復技術、趨勢面識別分析技術和RGB（紅、綠、藍色）混頻技術［30-32］。 精細相干技術是利用Landmark軟件對三維數據體進行計算產生本征值相干體，呈現出連續的弱相干屬性，可識別水系延伸方向和形態。由于不整合面上相鄰的斷裂和河道之間會存在差異性，可以通過精細相干技術刻畫差異點的形態和結構。趨勢面識別技術同樣是利用Landmark軟件中網格平滑處理功能，將原層位平滑成趨勢面層位，再通過2個層位相減，負值代表洼地，正值代表殘丘。古地貌恢復技術通過精細解釋不整合面，突出其起伏情況，地表連續的負地形代表水系結構。混頻分色技術是融合互不重疊的高、中、低頻段，利用混合后的色彩數據體進行地表古水系的識別和刻畫。

2.3 古巖溶地表水系識別

以塔河西部斜坡區T74界面精細相干屬性圖、T74界面趨勢面分析圖、T74頂面古地貌恢復圖、T74界面RGB混頻屬性圖為底圖進行古地表水系恢復。因為不同屬性對識別不同地質背景情況下的地表古水系相應地有所差異，因此，通過多種地球物理屬性聯合識別地表古水系的方法較為可靠。對于主干水系的識別，4種方法得出的底圖皆較為敏感，可較為清晰地展現主干水系的延伸方向和宏觀分布。對于細小的分支水系結構，RGB混頻屬性圖是最為敏感的，能較為清楚地展示水系的細微特征，如AD23井和S94井附近。同時，細小分支水系的識別還綜合了古地貌恢復圖和趨勢面分析圖，主要依據正負地形的分布及其對地表水系的約束方面來進行判識。

將屬性響應結果在平面進行勾勒繪制，得出塔河西部斜坡區水系平面分布圖。將識別的水系圖疊至趨勢面分析圖上可以看出，主干水系吻合度較好，整體上，水系識別效果較好。根據識別結果可以看出，塔河西部斜坡區地表水系十分發育，可識別出10條主干水系（R1—R10）（見圖 1a）。該區地表水系總體上自北向南匯流；同時，地表水系整體呈不對稱性，與西側相比，主干水系東側的分支水系明顯更多；此外，塔河西部斜坡區巖溶地表水系的蛇曲化嚴重，特別是R4，R8，R9。

圖1 塔河西部斜坡區水系分布及水系剖面

2.4 古巖溶地表水系驗證

為驗證屬性提取及水系解釋的可靠性，通過截取橫跨古地表水系的地震剖面，得到塔河西部斜坡區水系解釋地震剖面（見圖1b），并在平面圖上標注橫切線與水系交點（見圖1中P1—P12）。地震剖面顯示，各個點位均有不同程度的深淺切割特征，有明顯“下拉”現象，證明此處確有河谷存在。其中P1，P3，P7點位為識別出的主干水系，在地震剖面上也可明顯看出其切割程度相對于其他點位較大，呈深V形，進一步證明了水系識別的可靠性相對較高。

3 小流域劃分結果

Strahler［33］在1957年創建的河流分級方法是將流域內最小的支流作為一級河道，2個一級河道匯流形成二級河道，2個二級河道匯合后成為三級河道。據此，將塔河西部斜坡區古水系結構進行河道分級（見圖2）。結果發現，中—下奧陶統尖滅線以北的巖溶斜坡區古地表水網十分發達，發育一級至五級水系。

近年來，隨著母聯開關技術的不斷發展，其性能逐漸滿足短路等電力系統故障的保護要求，DNV船級社于2015年4月頒布的DNV GL-OTG-10中DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie(s)相關指導手冊提出新的電力系統母線結構—母聯閉合型母線結構，這種結構使得電力系統能夠更加合理地分配電能，能有效節約電能。[10]同時,手冊還指出對傳統DP-3等級下的船舶可以通過結構升級，安裝相應的母聯開關，使電力系統形成閉環母線結構。

圖2 塔河西部斜坡區地表巖溶小流域劃分結果

地表分水嶺控制了流域產匯流特征，主要沿高殘丘發育。基于中—下奧陶統頂界趨勢面分析圖，識別相對正地形的發育部位，并以連續的正地形頂部連線為依據識別不同級次的巖溶地表分水嶺。主干分水嶺所圍限的區域為主干水系控制的巖溶亞流域、次級分水嶺所圍限的區域為次級水系控制的巖溶小流域。研究區內大型分水嶺控制流域的邊界，將水系分割為不同的流域系統，其中主干水系可以穿越小流域分水嶺，無法穿越流域分水嶺。塔河西部斜坡區古地表河網整體呈現從北至南匯流的水系格局。

根據劃分結果，塔河西部斜坡區一共劃分出10個亞流域，亞流域中細分為43個小流域，其中包括23個完整型小流域和20個區間型小流域、無坡面型小流域。研究工區主要以三級水系和四級水系控制的小流域為主，占小流域類型的81.4%。其中，按照水系分級思路，進一步將小流域分成二級水系控制的完整型小流域6個，三級水系控制的完整型小流域17個，三級水系控制的區間型小流域7個，四級水系控制的區間型小流域11個，五級水系控制的區間型小流域2個。

4 小流域分布特征

由于喀斯特流域水文地貌系統具有二元流場、三維空間水文地貌的特點，降雨在產生徑流的過程中受到2種類型的調儲［34］，一種是地表和地下三維空間中的線性水網結構調蓄，另一種是裂縫構成的流域系統雙重含水介質體的調蓄。后者的發育程度與巖性、構造及地貌類型有關，本文暫不討論；前者可以通過徑流強度系數和水網密度等水文學參數來反映其調蓄作用強弱。因此，筆者認為水道平均密度和河網平均密度等描述水網結構的參數可以代表工區匯水能力和喀斯特作用強弱。匯水能力同時也會影響地表水向地下水轉化的過程，當匯水能力強時，地表水資源量大，相應地，喀斯特作用也就越強。其中，水道平均密度是指單位面積內水道條數，地表河網平均密度是指單位面積內河道長度之和。為了進一步評價巖溶小流域的水文發育條件，對上述2項參數進行定量化計算（見圖3）。

統計不同小流域水道平均密度數值，其范圍為0.38～4.25條/km2，在亞流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域范圍內數值相對較高，集中位于D8分水嶺兩側區域以亮色表示，最高值位于工區東部的小流域Ⅵ-C3；在亞流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所有類型的小流域以及Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅷ，Ⅸ等的區間型小流域范圍內數值相對較小，集中分布在工區中西部的區域以暗色表示，其中，最小值位于工區西部的小流域Ⅲ-C1內（見圖3a），最高值和最低值空間位置的展布規律也反映了工區東西側水系發育的強弱程度。

地表河網平均密度為824.34～2 631.73 m/km2，在亞流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域范圍內數值相對較大，最高值位于工區東部區間型小流域Ⅷ-I4；在亞流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ，Ⅸ等亞流域以及Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ等區間型小流域范圍內數據相對較小，最小值為工區北部區間型小流域Ⅳ-I2（見圖3b）。從整體來看，最大值、最小值的空間分布特征與水道平均密度相似，均呈現東部數值高、西部數值低的特征。

由此可知：1）塔河西部斜坡區內東部亞流域的匯水強度明顯高于西部；2）亞流域范圍內完整型小流域的匯水強度高于區間型小流域；3）亞流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域具有相對較強的匯水能力，為儲層巖溶的發育提供了較好的條件。

5 小流域地質意義

喀斯特流域系統在物質組成上是可溶巖，特別是廣泛存在的碳酸鹽巖的非均質含水介質體，在含侵蝕的CO2及運動的水的溶蝕和侵蝕作用下，會形成大量的次生溶孔、溶隙和巖溶管道系統，在相同水質情況下，匯水能力越強的地區喀斯特作用越明顯［17，35］。 因此，對巖溶小流域進行劃分，以能代表匯水強度的參數來判斷喀斯特作用的強弱是可行的。對巖溶亞流域進行小流域的劃分后，將有獨立集水區的小流域作為評價單元，預測表層巖溶儲層發育區。

一級表層巖溶發育帶代表著地表河網密度和水道平均密度數值均較高的區域（見圖4），主要分布在亞流域Ⅵ的完整型小流域區域，小部分分布在亞流域Ⅳ和Ⅷ的完整型小流域區域，代表著古地表匯水能力較強、喀斯特作用較強的區域，同時也為表層巖溶儲層最有可能發育的區域。二級表層巖溶發育帶代表著地表河網密度和水道平均密度兩者有一個為高值或兩者均為中值的小流域，代表著古地表匯水能力和喀斯特作用一般的區域，集中分布在工區中部和東部地區，環繞包圍著一級表層巖溶發育帶。三級表層發育巖溶帶代表著匯水能力和喀斯特作用均較弱的地區，表層巖溶帶發育的可能性也相對較低，主要分布在斜坡區西部亞流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，以及亞流域Ⅳ，Ⅵ所控制的區間型小流域的范圍內。

圖4 塔河西部斜坡區預測表層巖溶儲層發育帶

6 結論

1）塔河西部斜坡區發育10條地表主干水系，整體上自北向南匯流，并呈現出不對稱和蛇曲化的水系平面網絡形態。

2）塔河西部斜坡區可劃分出10個亞流域和43個小流域。其中，巖溶小流域包括23個完整型小流域和20個區間型小流域，未識別出坡面型小流域。

3）塔河西部斜坡區東西部地表水文特征差異顯著，東部水系網絡更為發達、匯水能力更強，反映了該區巖溶作用更加強烈。

4）塔河西部斜坡區亞流域Ⅳ和Ⅵ中的完整型小流域具有最有利的匯水條件，可能是表層巖溶儲層發育的有利區。