川中高石梯—磨溪地區中二疊統茅口組巖溶發育特征與巖溶古地貌恢復

徐平生 唐 松 孫超國 梁家駒 李天軍 師 晴

1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·成都理工大學 2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦 3.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院 4.中國石油大學（北京）地球科學學院

0 引言

巖溶作用與碳酸鹽巖儲層的形成關系密切[1]。巖溶儲層作為一種重要的勘探儲層類型，廣泛存在于我國乃至全球范圍的各大含油氣盆地中。四川盆地為典型的多期構造疊合盆地[2-3]，上震旦統燈影組、中二疊統茅口組、中三疊統雷口坡組在桐灣運動、東吳運動及印支運動作用下，形成區域性的不整合面，是巖溶儲層勘探的重點層位[4-6]。茅口組巖溶儲層自20 世紀50 年代在蜀南地區隆10 井測試獲產以來，迄今為止已有近70 年的勘探開發歷程，期間出現了以“功勛井”——自2 井為代表的一大批高產氣井[7]，這表明四川盆地茅口組巖溶儲層具有廣闊的勘探前景。

茅口組作為巖溶儲層的重要產層之一，普遍被認為存在風化殼巖溶[8-9]。陳立官等提出了茅口組巖溶為復合型巖溶的觀點[10]；施澤進[11]等也認為川東南地區茅口組除存在風化殼巖溶外，還發育多期不同類型的巖溶，其中風化殼巖溶具備形成規模儲層的潛力；而肖笛[12]等則認為茅口組巖溶是古大陸環境下，受巖相影響的早成巖期差異性巖溶。學者們在茅口組巖溶的觀點上雖有所分歧，但對巖溶古地貌控制著巖溶儲層的發育看法較為一致[13-15]，巖溶古地貌的恢復工作具有重要的油氣地質意義。

前人對于四川盆地茅口組巖溶古地貌的恢復工作大多集中在蜀南、川東等地區，而川中地區相對較少，恢復的方法及基準面的選取也不盡相同。肖笛[16]等以殘厚法為主、印模法為輔，選定茅三段底面恢復川南地區的巖溶古地貌，認為該界面上下地層厚度穩定、沉積連續，為一等時界面且靠近剝蝕面，具有全區可對比性；而唐大海[17]等認為茅口組底面為一等時界面且可識別性強，以茅口組殘余厚度恢復川西北地區茅口組巖溶古地貌，并認為該地區茅口組殘余地層厚度受到多因素控制；李大軍[18]等也在對四川盆地茅口組構造演化、沉積和巖溶地貌討論分析的基礎上，認為茅口組殘余地層厚度受沉積與剝蝕共同影響；桑琴、聶國權[19-20]等則認為蜀南地區茅口組受構造影響大，殘厚法在該區失去適用性，先后采用印模法對蜀南三級地貌及古水系進行精細刻畫，為巖溶儲層的勘探開發提供更為精確的指導。

前人恢復結果認為川中地區茅口組整體位于巖溶斜坡帶[21-22]，遭受溶蝕作用強烈，具備大面積巖溶儲層發育的條件[23]，鉆錄井資料上也存在大量的放空、井漏、氣侵及氣測異常情況，揭示著川中地區的巖溶儲層具有一定的勘探潛力。本文在前人研究的基礎上，通過殘厚法精細刻畫川中高石梯—磨溪地區中二疊統茅口組巖溶古地貌，分析各類地貌特征及巖溶發育條件，為川中地區茅口組巖溶儲層天然氣勘探提供一定的借鑒。

1 區域地質背景

高石梯—磨溪地區位于四川盆地中部，整體由遂寧、安岳及潼南三地所轄，構造上屬川中低緩褶皺帶，三維地震工區覆蓋面積近8×103km2。中二疊世早期，棲霞組發生大規模海侵，沉積受到加里東運動古地貌影響，形成了的西南高東北低的古地貌格局[24]。茅口組早期則在繼承棲霞組古地貌格局基礎上再次接受海侵，開始沉積一套低能石灰巖和泥灰巖[25]；到中二疊世末期，受東吳運動影響，茅口組頂部暴露地表，遭受不同程度剝蝕，發生了1～3 Ma 的沉積間斷[26-27]，該事件奠定了茅口組巖溶儲層發育的基礎；而后茅口組剝蝕面之上被上二疊統覆蓋，與之呈不整合接觸。高石梯—磨溪地區現今茅口組頂面構造大體上呈現南高北低格局，磨溪—龍女寺地區局部存在構造高點（圖1）。

圖1 四川盆地中部高石梯—磨溪地區茅口組頂面現今構造及地層柱狀圖

高石梯—磨溪地區茅口組沉積厚度介于180 ～270 m，可劃分為茅一、茅二、茅三和茅四段，其中茅二段又可分為上、下兩個亞段。茅一段主要發育較深水環境下灰色或深灰色的泥質灰巖、泥晶灰巖，具有“眼球—眼皮”狀構造；茅二段巖性以淺灰色或灰色生屑泥晶灰巖為主，局部發生白云石化；茅三段則為淺灰色亮（泥）晶生屑灰巖，生物碎屑灰巖；而茅四段普遍缺失，僅殘留于西部，以灰黑色泥晶灰巖為主[28]。

2 茅口組古巖溶發育特征

2.1 地層缺失與不整合

通過對區內東西及南北向剖面的地層對比，研究區茅口組頂部普遍存在缺失情況，并與上覆地層呈不整合接觸關系，其中茅三段、茅四段缺失程度不一，而茅一段和茅二段保存完整，沉積厚度分布較為穩定；整體上缺失程度具有由高石梯地區向磨溪地區增強趨勢，其中磨溪地區普遍缺失茅四段，尤其在MX105 井、NS5 井等區域茅三段缺失程度也較大（圖2）。

圖2 四川盆地中部高石梯—磨溪地區茅口組連井對比剖面圖（剖面位置見圖1）

2.2 溶蝕及充填特征

中二疊世末期，受東吳運動差異抬升影響，茅口組頂部暴露地表，遭受風化剝蝕及大氣水巖溶改造。巖心常見茅口組頂面發育薄層狀鋁土質風化殘積層（圖3a），為風化殼巖溶的標志[29]，溶洞、溶縫及溶溝等現象也較為發育，被泥質、瀝青、方解石和黃鐵礦等物質不同程度充填和膠結（圖3bf），局部可見溶蝕伴生的巖溶角礫；鑒于巖心上黃鐵礦及黏土礦物充填現象，本次結合前人觀點認為該異常組分來源于上覆上二疊統龍潭組及風化殘積層，一方面龍潭組本身就具有較高組分的黃鐵礦和黏土礦物[30-31]，另一方面黃鐵礦和黏土礦物常為風化殘積物組分[32]，這些組分通過巖溶縫洞系統混入到茅口組中，造成局部黃鐵礦及黏土礦物組分異常，也從側面證實茅口組風化殼巖溶的存在。

圖3 四川盆地中部高石梯—磨溪地區茅口組巖心及薄片巖溶特征圖版

2.3 鉆錄井響應特征

鉆井過程中鉆具的放空、鉆井液的漏失是鉆遇巖溶縫洞的主要表現[33]。通過對高石梯—磨溪地區巖溶縫洞的測井響應特征篩選及不完全統計，結果顯示高石梯—磨溪地區鉆錄井響應類型以鉆井液的漏失為主，且主要集中于距茅口組頂部50 m 左右范圍內（表1），其中茅三段顯示情況整體較茅二段頻繁，表明區內茅口組頂部巖溶現象廣泛發育。

表1 四川盆地中部高石梯—磨溪地區部分巖溶縫洞鉆錄井響應統計表

2.4 測井響應特征

巖溶作用下形成的巖溶縫洞系統，由于充填程度及充填物質的差異，具有不同的測井響應特征；通過對巖心及薄片觀察，認為本區巖溶現象廣泛發育，但充填程度整體較蜀南地區高，溶蝕空間充填情況復雜，其中全充填類石灰巖致密缺乏儲集性能，該類充填物多為方解石、泥質等，無殘余空間，具有與基質灰巖類似的測井響應，中子與聲波基本無變化，呈現低密度特征，電阻率降低或呈現高值；無充填或部分充填類因存在一定空間，在常規測井上通常具有較高的中子與聲波，部分規模較大溶洞可導致明顯擴徑現象，但由于充填物質及殘余空間的綜合影響，其測井曲線特征表現復雜多樣，需結合巖心及其他資料進一步分析，如GS1 井茅三段巖心上巖溶縫洞發育，泥質、瀝青、巖溶角礫等部分或全充填，在常規測井上表現為“三低兩高”，即低無鈾伽馬、低電阻率、低密度、較高聲波及中子，其電成像測井上可見亮色背景下的暗斑與暗色正弦曲線（圖4），反映裂縫與孔洞發育，揭示著巖溶作用的存在。

圖4 GS1 井巖溶測井響應特征圖

2.5 地震響應特征

巖溶作用形成的縫洞體系在地震上通常表現出一定響應特征?；诘卣饠祿?，前人對茅口組巖溶儲層的地震響應做過大量研究工作，認為茅口組巖溶儲層在地震上常具有低頻弱振幅、亮點反射和雜亂反射等特征[34]。本次通過精細的井震標定，結合地震剖面分析表明（拉平茅二段底面），區內茅口組頂部雜亂弱反射特征尤為明顯，并伴隨有地層的加厚現象（圖5），推測該特征可能與巖溶縫洞發育的非均質性相關，也進一步從側面證實高石梯—磨溪地區茅口組風化殼巖溶的發育。

圖5 四川盆地中部高石梯—磨溪地區PT1-GS1 井剖面地震響應特征圖

3 茅口組巖溶古地貌恢復及特征

3.1 巖溶古地貌恢復

古地貌恢復方法多樣，且優缺點各異，學者們在選取古地貌恢復方法時，根據恢復區實際情況，選擇一種或多種適用方法，其中以印模法與殘厚法居多[35-37]；印模法與殘厚法以選取相應的恢復基準面，利用基準面與恢復面間的地層厚度來反映古地貌形態。印模法作為常用的恢復方法，在上覆基準面選擇的基礎上，利用“鏡像”關系表征古地貌，龍潭組和長興組界面常被用于茅口組古地貌恢復[20,38]，然而本次認為上覆地層界面并不適合于本區域的古地貌恢復。首先區內茅口組上覆的龍潭組為一套海陸過渡相泥頁巖夾碳酸鹽巖，向北部逐漸轉變為同期異相的上二疊統吳家坪組，碳酸鹽巖含量逐漸增多[39]，巖性呈過渡性變化，因而龍潭組不適合本次的古地貌恢復；其次在晚二疊世拉張背景下，川中地區發育蓬溪—武勝臺凹[40]，沉積環境發生分異，該區域沉積的上二疊統長興組巖性及厚度差異性大，故長興組也不適合作為恢復基準面；此外區內鉆錄井資料顯示部分井位在茅口組頂部鉆遇玄武巖，該情況對古地貌恢復結果將產生一定影響。綜上認為印模法并不適合用于本區的古地貌恢復，因而本次使用殘厚法來恢復巖溶古地貌。

殘厚法基準面的選擇要求該基準面具有區域的等時性，易于野外、測井及地震上的識別，另外在原始地層沉積厚度上應相差不大，并盡可能地接近待恢復面。茅口組在繼承中二疊統棲霞組海侵地貌基礎上，沉積前雖仍有西南高東北低的趨勢，但經過茅口組沉積早期海侵進一步的填平補齊作用，沉積前地貌對茅口組后續沉積基本已無影響[41]。在茅口組沉積早期海侵體系中，茅二段底面為最大海泛面[42]，具有區域的等時性；茅口組沉積中晚期，高位體系域下的沉積物較海侵體系域中泥質含量顯著降低，自然伽馬呈現陡然下降趨勢，在野外、鉆井上可識別性強，因此本次以填平補齊界面（茅二段底面）為恢復基準面，利用該基準面與茅口組頂面間的殘余厚度來反映巖溶古地貌形態。

傳統殘厚法觀點認為殘余厚度主要受剝蝕程度控制，即殘余厚度大，遭受剝蝕程度就小，為古地貌低部位，反之則為古地貌高部位。但前人在對四川盆地茅口組巖溶古地貌恢復過程中認為川西南—川中—川北地區殘余厚度逐漸減薄，并以傳統殘厚法觀點將川北地區解釋為巖溶高地，后發現與該地區吳家坪期深水盆地相沉積相互矛盾[23]；江青春等學者針對該問題進行論證分析，并對四川盆地茅口組頂部地層缺失量及成因探討，認為受茅口組沉積末期冰川海平面下降影響，茅口組沉積末期的地層剝蝕是由于冰期海平面下降侵蝕所致，具有由西南向東北逐漸降低的繼承性巖溶地貌格局[43]，因此本文依據該觀點認為殘余厚度大的區域為古地貌高部位，殘余厚度小的區域為古地貌低部位。高石梯—磨溪地區探井及開發井位分布密集、覆蓋廣闊，地震資料較為完整，給本次巖溶古地貌恢復工作帶來便利，基本滿足于巖溶古地貌恢復精度要求。

3.2 巖溶古地貌類型及其特征

本次在前人古巖溶地貌分區認識的基礎上，根據高石梯—磨溪地區茅二段之上的茅口組殘余厚度特征及坡降條件，將工區分為巖溶緩坡及巖溶洼地兩種二級地貌類型；為進一步明確古地貌特征，本次參考了現代巖溶地質學理論，結合區內巖溶微地貌形態及組合特征，建立相應劃分指標如下。

3.2.1 巖溶正地形

高石梯—磨溪地區正地形類型以溶峰、溶丘、壟脊為主，其中溶峰山體高大于25 m，高/基座直徑大于0.5，山體一般呈錐狀或塔狀（山體邊坡較陡一般大于30°）；溶丘山體高小于25 m（山體高差5 ～10 m 為微丘），高/基座直徑小于0.5，山體一般呈渾圓狀或饅頭狀（山體邊坡較緩一般小于30°）；壟脊由溶丘、溶峰定向排列組合，呈條帶狀展布，一般向一側傾斜，兩側常發育巖溶溝谷、槽谷及洼地，延伸長度較長，一般大于250 m[27]。

3.2.2 巖溶負地形

高石梯—磨溪地區負地形類型包括巖溶槽谷、巖溶溝谷及洼地，其中巖溶槽谷呈長條形溶蝕谷地，底部地勢相對平坦，并具有向一端傾斜趨勢，坡度一般小于15°，其寬度一般大于5 m，長一般大于50 m，斷面多呈“U”字形，兩岸地形坡度相對平緩，上部較開闊；巖溶溝谷則為長條形溶蝕溝谷，與巖溶槽谷特征類似，但其寬度一般小于5 m，長一般大于50 m，斷面多呈“V”字形，溝谷上一般無覆蓋層；而洼地形狀不規則，一般為近圓形或橢圓形，平面上多屬“倒圓錐”形，洼地底部多分布有落水洞，其個體形態底部直徑一般小于100 m，依據相對高差大小進一步可分為深、淺洼地。

依據研究區微地貌組合形態特征，在二級地貌分類的基礎上識別出9 種三級巖溶地貌類型（表2、圖6），即：

表2 四川盆地中部高石梯—磨溪地區茅口組三級巖溶古地貌單元劃分指標表

圖6 四川盆地中部高石梯—磨溪地區茅口組三級巖溶地貌圖

①峰叢洼地，由溶峰及洼地構成，峰洼相對高差一般大于30 m，溶峰山體基座多數相連，圍繞洼地無規則排列。

②峰丘洼地，主要由溶丘、洼地及少量溶峰構成，丘洼相對高差一般小于25 m，洼地多為淺洼，散落分布呈星狀。

③丘叢壟脊溝谷，主要由溶丘和溝谷組成，丘谷相對高差一般小于25 m，壟脊與溝谷呈定向間隔排列，向一側傾斜。

④丘叢槽谷，主要由溶丘和槽谷組成，丘槽相對高差一般不小于20 m，槽谷呈“U”字型，延伸較長。

⑤丘叢洼地，主要由溶丘和洼地組成，丘洼相對高差介于10 ～20 m，溶丘基座多相連，聚集成叢，洼地多為封閉淺洼。

⑥微丘洼地，主要由微丘和洼地組成，丘洼相對高差一般小于15 m，溶丘基座相連但聚集性差，洼地連通性一般。

⑦殘丘洼地，主要由巖溶殘丘和洼地組成，丘洼相對高差介于10 ～20 m，殘丘矮而獨立，呈星散狀分布，洼地連通性較好。

⑧丘叢谷地，主要由溶丘和谷地組成，丘谷相對高差一般不超過15 m，地形平緩但具傾斜，溶丘與洼地交互排列。

⑨巖溶溝谷，主要由溝谷組成，呈“V”字形，與兩側地形相對高差平均在40 m 以上，以侵蝕為主。

4 巖溶古地貌與巖溶儲層關系

本次根據茅二段底面至茅口組頂面地震層位解釋數據，利用殘厚法恢復巖溶古地貌，結果表明研究區整體上表現為“兩高兩低夾一帶”特征，即“兩高及一帶”為巖溶緩坡，“兩低”為發育的兩處巖溶洼地，地勢具有自西向東緩慢降低的特征，地表徑流以丘叢壟脊溝谷兩側的巖溶溝谷為主，局部發育槽谷及洼地等，最終均匯聚進入巖溶溝谷形成地表徑流?？傮w來看研究區處于巖溶緩坡與洼地交互發育處，地表及地下徑流強烈，巖溶作用為大氣淡水淋濾及地下水徑流溶蝕并存，但受限于整體的地勢，主要還是發生在淺部，且充填程度一般較高；鑒于巖溶地貌、地形及地勢等方面的區別，在研究區部分區域仍可形成具規模的巖溶縫洞，具體分析如下。

4.1 巖溶緩坡

巖溶緩坡位于研究區西南部及中部，地形地勢具有一定起伏，地勢整體具南西至北東向傾斜狀，相對高差一般小于50 m，地形坡度較為平緩，茅二段之上殘余厚度介于115 ～165 m。巖溶緩坡是向巖溶洼地的過渡區域，既接受來自于巖溶臺地的滲流補給，也存在地表大氣淡水的淋濾，垂向滲流及水平徑流為主要的溶蝕作用方式，且存在一定坡降條件，風化剝蝕物及水流不易滯留，但潛水面埋深較淺，徑流緩慢，巖溶作用強度雖相對較弱，但整體上仍為巖溶儲層發育有利區。研究區內丘叢槽谷及巖溶溝谷地貌為地下水和地表水的徑流區，因與兩側存在較大地貌高差，地形坡降較大且徑流迅速，沿著徑流通道兩側范圍內巖溶作用較強，且不易被充填，具備區域范圍內優質巖溶儲層發育的條件；丘叢壟脊溝谷以壟脊、洼地及溝谷為主，平面上呈現串珠狀定向排列，相對高差介于20 ～25 m，壟脊之間常發育洼地及溝谷等負地形，該處具有強烈的溶蝕作用，也是優質巖溶儲層發育的有利區域；另外在峰從洼地與峰丘洼地地貌內部發育地勢較高的溶丘、溶峰，而整體地勢相對較低，水動力條件同樣強烈，也是優質巖溶儲層發育的有利區（圖7）。

圖7 四川盆地中部高石梯—磨溪地區中二疊統茅口組三級地貌巖溶發育模式圖

4.2 巖溶洼地

巖溶洼地主要分布在區內東北部及東南部，地形較為平緩，為地勢低部位，茅二段之上殘余厚度小于115 m。巖溶洼地為地下水水流的匯聚及排泄區，地表及地下水系發育，但因地形條件限制，水流滯留性強，滲流及徑流溶蝕作用弱，整體長期處于潛水面之下，水巖作用時間長，巖溶儲層基本不發育。但研究區巖溶殘丘較為發育，在殘丘洼地內多為個體殘丘，向洼地深部逐漸消失，部分殘丘地勢相對較高（相對高差大于15 m），具備巖溶縫洞儲層發育條件。

5 結論

1）四川盆地中部高石梯—磨溪地區中二疊統茅口組頂部廣泛發育古巖溶。地層缺失并發育不整合面，巖心上溶蝕現象明顯，鉆錄井上存在大量漏失情況，巖溶縫洞在測井上表現出“三低兩高”特征，地震剖面上巖溶發育段具有雜亂弱反射特征并伴隨地層的加厚現象。

2）本文采用殘厚法，以茅二段底面為恢復基準面，恢復了高石梯—磨溪地區巖溶古地貌。根據古地貌識別及劃分，可將川中高石梯—磨溪地區茅口組巖溶古地貌分為巖溶緩坡及巖溶洼地兩種二級巖溶地貌類型以及峰叢洼地、峰丘洼地、丘叢壟脊溝谷、丘叢槽谷、丘叢洼地、微丘洼地、殘丘洼地、丘叢谷地、巖溶溝谷九種三級巖溶地貌。

3）川中高石梯—磨溪地區茅口組巖溶古地貌整體上具有“兩高兩低夾一帶”的特征，根據茅口組不同類型巖溶古地貌特征及巖溶儲層關系認為，巖溶緩坡具有規模巖溶儲層發育條件，其中在槽谷、溝谷、洼地等負地形周圍，水動力條件更強，優質巖溶儲層最為發育，是下一步重點勘探區域。