天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 12: 1700 - 1716

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.018

天然气地质学

深层与露头碳酸盐岩岩溶洞穴对比及类比——以塔里木盆地哈拉哈塘油田奥陶系良里塔格组古岩溶洞穴与美国德克萨斯州Longhorn近现代岩溶洞穴为例

  • 宁超众 , 1 ,
  • 胡素云 , 1 ,
  • 李勇 1 ,
  • 姚子修 1 ,
  • 潘文庆 2 ,
  • 袁文芳 2 ,
  • 王孝明 2
展开
  • 1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 2. 中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒 841000
胡素云（1963-），男，湖南邵阳人，教授级高级工程师，博士，主要从事资源评价和勘探部署研究.E-mail：.

宁超众(1988-)，男，山东济南人，工程师，博士，主要从事油田开发地质研究.E-mail：.

收稿日期: 2020-04-01

  修回日期: 2020-05-28

  网络出版日期: 2020-12-11

收起

Comparison and analog of the deep-buried and outcrop carbonate karst cave systems： Case study of the Lianglitage Formation karst cave system， Halahatang Oilfield， Tarim Basin， China and the Longhorn modern karst cave system， Texas， USA

  • Chao-zhong NING , 1 ,
  • Su-yun HU , 1 ,
  • Yong LI 1 ,
  • Zi-xiu YAO 1 ,
  • Wen-qing PAN 2 ,
  • Wen-fang YUAN 2 ,
  • Xiao-ming WANG 2
Expand
  • 1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development，Beijing 100083，China
  • 2. PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China

Received date: 2020-04-01

  Revised date: 2020-05-28

  Online published: 2020-12-11

Supported by

The Major Science and Technology Projects of CNPC(2019D-4410)

Fold

本文亮点

塔里木盆地哈拉哈塘油田奥陶系良里塔格组发育特征性的喀斯特地貌和地下古岩溶洞穴系统。通过地震、钻井、测井、岩心、薄片及生产资料的综合运用表征了该古岩溶洞穴系统特征及控制因素，并将其与美国德克萨斯州Marble Falls地区第四系Longhorn近现代典型的表生岩溶洞穴进行了对比。结果表明，哈拉哈塘油田奥陶系良里塔格组古洞穴完全垮塌并形成上覆地层凹陷；古洞穴充填物受陆源碎屑影响并被强烈压实，有效孔隙少，储层物性较差；古洞穴系统平面上呈网状，但古洞穴主干具有直线形态；古洞穴多期发育；控制古洞穴发育的因素有地表暴露、断裂及裂缝等。古岩溶洞穴和近现代岩溶洞穴存在共性和个性：两者在垮塌和压实特征方面存在不同，但在充填特征、洞穴形态、形成期次和控制因素方面均类似，说明两者可类比，即良里塔格组内部的古洞穴系统属于典型的表生岩溶系统。古今岩溶洞穴的对比和类比在研究塔里木盆地奥陶系良里塔格古岩溶洞穴特征、发育形态及期次、控制因素等方面具有参考价值。

本文引用格式

宁超众 , 胡素云 , 李勇 , 姚子修 , 潘文庆 , 袁文芳 , 王孝明 . 深层与露头碳酸盐岩岩溶洞穴对比及类比——以塔里木盆地哈拉哈塘油田奥陶系良里塔格组古岩溶洞穴与美国德克萨斯州Longhorn近现代岩溶洞穴为例[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(12) : 1700 -1716 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.018

Highlights

The Ordovician Lianglitage Formation in Halahatang area， Tarim Basin， China， developed featured paleokarst topography and the subsurface paleokarst-cave systems. This study comprehensively utilized seismic data， core and thin section data， logging data and production data to characterize the features and controlling factors of the paleokarst-cave system in the Lianglitage Formation in the Halahatang area. This paleo-cave system was then compared with the Longhorn typical epigenic karst cave system in Marble Falls， Texas， USA. The results show that the paleokarst caves in the Halahatang Ordovician Liangliatage Formaiton experienced complete collapse and formed sags in the overlying strata. The infill of the paleo-cave system was influenced by the terrestrial debris and was strongly compact， leading to no effective pores. The paleo-cave system shows reticular style on plan view on the whole but its trunks are rectilinear. The paleo-cave system experienced multi-period development. Subaerial exposure， faults and fractures were the main controlling factors. The paleokarst-cave system and the modern karst cave system have commonalities as well as individualities. They are different in collapse and compaction features， but are similar in sediment filling， cave pattern， forming periods， collapse and controlling factors， which further demonstrates that they can be analogous. Therefore， the paleokarst-cave system inside of the Lianglitage Formation was typically epigenic. Comparison and analog of paleokarst and modern karst caves provide valuable reference for the research of paleo-caves regarding the features， development patterns and periods as well as the controlling factors in the Ordovician Lianglitage Formation， Tarim Basin.

0 引言

“喀斯特（karst）”一词是全世界所通用的地质学和地貌学专门术语。“喀斯特作用（karstification）”又被称为“岩溶作用”。《岩溶学词典》［1］对岩溶作用的定义为水对可溶性岩石碳酸盐岩、硫酸盐岩等的化学溶蚀、机械侵蚀、物质迁移和再沉积的综合地质作用及由此所产生现象的统称。由此岩溶概念扩大，不仅包括由大气淡水作用形成的地表特征性地貌，还包括地下溶蚀形成的孔隙、洞穴及其内部充填物。
国外对于古岩溶洞穴的研究较早，CHOQUETTE等［2］和ESTEBAN［3］对成熟的岩溶地貌特征及其下洞穴系统进行了描述。LOUCKS［4］和PALMER［5］对大气淡水渗流带和潜流带进行研究，认为在这2个带，溶解作用是主要成岩作用，水体在潜流带一般为水平流动，并经常形成大型水平洞穴系统。LOUCKS［4］建立了近地表岩溶地貌及渗流带和潜流带洞穴模式，认为洞穴垮塌体系可作为石油和天然气的储集岩，他还详细描述了35个主要位于北美的以古岩溶为储层的油气田。
受制于地震资料品质和分辨率以及实际地质情况，前人对岩溶洞穴系统研究以浅层和露头研究较多，而对深层岩溶洞穴系统研究较少；基于露头描述和井资料（岩心、测井）对洞穴内部特征的研究较多，而基于地震资料对原始洞穴系统发育形态和分布特征的研究却较少。本文综合利用地震、岩心、薄片、钻井、测井和生产等资料，对塔里木深层古生界良里塔格组岩溶洞穴的特征、三维形态及分布进行了表征，并与典型的近现代表生岩溶洞穴系统进行了对比和类比，探究了深浅层岩溶洞穴的共性和个性，确认了古生代洞穴的典型表生成因，对进一步研究塔里木盆地良里塔格组古岩溶洞穴具有借鉴意义。

1 表生岩溶洞穴发育及垮塌模式

表生岩溶作用可以形成特征性的岩溶地貌（喀斯特）和地下洞穴体系[2-3,6]。该作用通常发育在碳酸盐岩地表暴露期。当土壤和大气中的CO2与大气淡水接触时，便会产生侵蚀性流体，从而溶蚀地表和地下的碳酸盐岩[4,7-8]。世界上90%的近地表溶洞为表生成因［9］。地下岩溶洞穴系统和地表岩溶地貌相互关联［4］（图1），形成一个由地下要素（潜流带和渗流带通道、竖井等）和地表要素（岩溶槽谷、岩溶洼地、岩溶高地、落水洞等）构成的三维体系。地表岩溶地貌和地下岩溶洞穴系统构成一个相互关联的三维体系［4］（图1），该三维体系由地表地貌要素（岩溶高地、岩溶洼地、落水洞、岩溶槽谷等）及地下要素（竖井、渗流带和潜流带通道等）构成。
图1 近地表大气淡水岩溶模式[4]

Fig.1 Near-surface meteoric water karst model[4]

岩溶洞穴发育时首先形成初始洞穴系统[4],由地表附近的渗流带和和潜流带通道构成。当潜水面相对下降或地表相对抬升时，先前在潜流带形成的洞穴通道便处于渗流带中，洞穴内水流受重力作用向下侵蚀使洞穴不断扩大［4，10］。当来自地表的水流携带外源物质进入洞穴中时，可在洞穴内部形成洞穴沉积物。同时，渗流带的洞穴由于缺少了水体的浮力以及承受不断增大的上覆沉积负荷，其顶部开始发生垮塌，当上覆地层压力足够大时，洞穴可完全垮塌形成由洞顶缝、洞穴沉积物、垮塌角砾以及下陷构造形成的垮塌岩溶体系，其规模远大于原始洞穴规模（图2）［4，11-17］，这在美国二叠盆地Ellenburger群十分典型。
图2 单一潜流带通道洞穴垮塌充填模式（修改自LOUCKS[4]，1999）

Fig.2 Collapse model of single phreatic zone passage cave (modified from LOUCKS[4],1999)

2 研究区地质和资料概况

2.1 研究区地质概况

哈拉哈塘油田东接塔河油田，西邻英买力油田，北为东河塘油田，古生代其在构造上位于塔里木盆地塔北隆起中部凹陷内，勘探面积约为4 300 km2（图3），其勘探开发范围还在不断向南、西和东南扩大。
图3 哈拉哈塘油田研究区位置

Fig.3 The study area of the Halahatang Oilfield

哈拉哈塘油田奥陶系层序地层及相互接触关系如图4所示，寒武纪到早中奥陶世，哈拉哈塘处于克拉通碳酸盐岩被动大陆边缘［18］，为稳定碳酸盐岩台地沉积，奥陶系依次发育了蓬莱坝组（O1 p）、鹰山组（O1-2 y）和一间房组（O2 y）；奥陶纪中期的中加里东运动使塔里木盆地南缘由拉张转变为挤压的构造背景，哈拉哈塘转为塔北隆起南部的大型碳酸盐岩斜坡，依次沉积了吐木休克组（O3 t）、良里塔格组（O3 l）以及以碎屑岩为主的桑塔木组（O3 s），其中一间房组、良里塔格组和桑塔木组沉积末期均发育不整合，并以良里塔格组不整合面岩溶地貌特征最为明显；其后的海西、燕山和喜马拉雅构造运动不仅使哈拉哈塘由斜坡变为凹陷（图3），而且使之发生了南北掀斜式构造反转［19-20］。
图4 塔北哈拉哈塘志留纪末期奥陶系南北向地层结构剖面（图3中AA’剖面，修改自斯春松等[31]，2012）

Fig.4 The north-south direction Ordovician stratigraphic architecture profile of Halahtang area, North Tarim, during the late Silurian period （AA’ profile in Fig.3, modified from SI Chunsong, et al.[31],2012)

目的层良里塔格组是在塔北北部抬升时于吐木休克组深水斜坡上发育起来的镶边台地［21-23］（图4，图5），其台地边缘与盆地高差可达90 m（图6）。该镶边台地形成之后北部继续抬升，形成大型的斜坡并被其后的桑塔木组超覆（图6）。该组整体由一个向上变浅的三级层序构成（图4），通过单井相分析可识别海水由浅—深—浅的变化过程［24］（图7）。低位、海侵和高位三个体系域构成了该三级层序，其中低位域和高位域以较纯的生屑颗粒石灰岩为主，为台地边缘滩相沉积；海侵域整体陆源泥质含量较高，瘤状灰岩是其明显标志，主要为台内洼地相。
图5 良里塔格组岩溶期末古地貌及河流体系平面特征

Fig.5 The paleogeomorphy and the river systems during the late Lianglitage karst stage

图6 哈拉哈塘过B1井南北向地震剖面（按桑塔木组顶部趋势面拉平，图3中AB剖面）

Fig.6 The Halahtatang north-south direction seismic profile crossing Well B1 (flattened by the trend surface of the top of Sangtamu Formation, the AB profile in Fig. 3)

图7 B6井良里塔格组综合柱状图

Fig.7 The composite histogram of the Lianglitage Formation of Well B6

岩溶作用发育在良里塔格组沉积末期，此时台地北部受构造作用持续抬升［25-26］，导致整个台地暴露地表。该时期气候湿润，发育多条流向由北向南的深切河流（图5），形成典型的表生喀斯特地貌［26-30］。该地貌成因于地层不整合，其上为以混积岩为主的桑塔木组，其下为以碳酸盐岩为主的良里塔格组，上下岩性差异大，形成较强的地震反射界面，通过追踪该地震强反射界面可以刻画喀斯特三维形态。由于桑塔木组在良里塔格组岩溶末期水平上超于良里塔格组，因此通过拉平桑塔木组顶部光滑后的趋势面可实现岩溶期古地貌的恢复。可知，至桑塔木组上超前，良里塔格组顶面已变为一个大型岩溶斜坡（图5），可明显识别出岩溶高地、岩溶槽谷和落水洞以及岩溶洼地等次级地貌，深切的槽谷可下切至一间房组，下切深度可达150 m（图6，图8）。与此喀斯特地貌伴生的还有地下岩溶洞穴系统，是本文研究的主要对象。
图8 岩溶期末哈拉哈塘奥陶系良里塔格组顶面三维地貌（局部）

Fig.8 The 3D paleogeomorphy of the Halahatang Ordo-vician Lianglitage Formation during the late karst stage

2.2 研究区资料概况

研究区基本资料：①哈拉哈塘四连片（齐古区、哈6区、新垦区和热普区）三维地震资料；②全区214井测井资料［电测井（SP、RT），放射性测井（GR，DEN），声波测井（DT），成像测井等］；③全区生产数据资料（压力、产量、工作制度）（截至2016年2月）；④16口井岩心照片及描述资料（共计480 m），220块岩样测试数据及数百块薄片资料。

3 对比露头区地质概况

Longhorn岩溶洞穴位于美国德克萨斯州中部Marble Falls地区的Longhorn洞穴州立公园内，发育层位为下奥陶统Elleburger群Gorman组（图9），是已被证实的、典型的更新世/全新世表生岩溶洞穴，属于近现代岩溶洞穴系统［4，11，13，32］。据LOUCKS等［33］报道，WALTERS通过定年确定渗流带洞穴内部分化学沉积物年龄为0.82 Ma，说明潜流带形成的洞穴可能超过一百万年［33］。该区Ellenburger群主体位于由前寒武花岗岩围限的地堑中（图10，图11），是剥蚀后的残余部分，其原始的完整地层厚度可能达到500 m。
图9 Marble Falls地区Ellenburger及基底层序剖面

Fig.9 The stratigraphic histogram of the Ellenburger and its basement in the Marble Falls area

图10 露头区地质平面图（修改自MATTHEWS[32], 1963）

Fig. 10 The outcrop geologic map (modified from MATTHEWS[32], 1963)

图11 露头区下古生界地堑断块构造横切面（修改自MATTHEWS[32], 1963）

Fig.11 The cross section of the Lower palaeozoic graben structure in the outcrop area (modified from MATTHEWS[32], 1963)

在整个二叠盆地范围内，Ellenburger群在沉积过程中形成了多期不整合，发育了多期岩溶，其中最广泛的剥蚀作用发生在Ellenburger沉积之后（图9），在盆地内部，表生岩溶作用形成了大量古生代近地表洞穴，垮塌的古岩溶洞穴体系形成油气富集区［4，34-35］。

4 深层与露头洞穴类比和对比

本研究将哈拉哈塘古生代深层岩溶洞穴与德克萨斯第四纪露头Longhorn近现代岩溶洞穴在洞穴垮塌特征、充填及压实特征、发育期次及位置、洞穴形态及规模和控制因素等几个方面进行了对比。

4.1　良里塔格组岩溶洞穴

4.1.1　洞穴垮塌特征

（1）井上特征

A1井为钻遇垮塌古岩溶洞穴体系的典型实例，该井岩心显示在良里塔格组6 719~6 730 m及6 750~6 760 m分别发育2段垮塌［图12，图13（g）］，角砾和杂基特征明显：角砾大小混杂，具有棱角，分选和磨圆差；上段垮塌中的杂基以暗色泥质及细小岩屑为主，下段垮塌中的杂基以红色泥质为主［图13（a），图13（b）］；在成像测井上，垮塌角砾岩表现为明暗斑块杂乱分布［图13（a），图13（b）］。
图12 A1井岩心及典型岩性放大图

岩心分为上段和下段，之间不连续。上段上部为垮塌段，下部为扰动/未扰动段；下段上部为垮塌段，下部为未扰动段。①和③分别为上下垮塌段典型的垮塌角砾岩，其角砾棱角分明，岩性混杂；②和④分别为上下段未扰动的瘤状灰岩，瘤状物岩性一致，边界不清晰，并呈现一定的定向性

Fig.12 The cores and enlarged view of typical lithology of Well A1

图13 A1 井垮塌岩溶体系岩心、镜下及测井解释

（a）良里塔格组上段垮塌角砾岩，角砾为灰白色，基质为灰黑色，6 727 m，对应（g）中 2 处；（b）良里塔格组下段垮塌角砾岩，角砾与基质均为红色，6 755.5 m，对应（g）中 4 处；（c）角砾岩，角砾为颗粒灰岩和泥灰岩，单偏光，6 729.2 m；（d）角砾岩基质，基质由石英碎屑、碳酸盐岩碎屑和泥质组成，正交光，6 729.2 m；（e）上垮塌段顶部裂缝，成像测井，6 715.9~6 718.6 m；（f）砂泥互层，成像测井，6 740.0~6 742.75 m；（g）A1测井综合解释图

Fig.13 Core，thin section and log interpretation chart of the Well A1 collapsed karst system

上垮塌段顶部高角度裂缝发育［图13（g）中1处］，可由成像测井可识别［图13（e）］，在该处测井电阻率曲线值及密度曲线值均降低，且气体检测有烃类响应［图13（g）］，说明裂缝开启具有导流能力，可能代表了洞穴垮塌造成的洞顶缝。

（2）地震响应特征

良里塔格组垮塌岩溶体系在地震上表现为高于围岩的强振幅。在过A1井并横切该古岩溶洞穴通道的地震剖面AA’上［图14（a），图14（d）］，见垮塌岩溶体系呈现出较强的振幅，类似一间房组和鹰山组的“串珠”强振幅，但强度小于“串珠”强振幅；在过A1井并沿古洞穴通道的剖面BB’上［图14（a），图14（e）］，整个良里塔格组均呈现出强振幅，表明岩溶洞穴系统的连续垮塌。
图14 良里塔格组垮塌岩溶体系地震平面和剖面特征

（a）良里塔格组均方根振幅和方差体融合平面图（窗长40 m）；（b）雕刻的垮塌体系三维显示；（c）清绘洞穴体系平面图；（d）、（e）地震剖面图，分别对应图（a）中AA’和BB’位置，红色箭头位置指示了图（a）的剖面位置，注意左右两图中的“串珠”为同一串珠，但左图并未穿过“串珠”中心

Fig.14 The seismic plan and section features of the collapsed karst system of the Lianglitage Formation

另外，在垮塌体系之上紧挨良里塔格组的桑塔木组底部同相轴下陷，并且振幅增强，向上振幅逐渐减弱［图14（d），图14（e）］，说明上覆桑塔木组受到了岩溶洞穴系统垮塌的影响。LOUCKS［13-14，36］将这种由洞穴垮塌造成的以地层下陷和伴生断裂为特征的现象定义为上覆地层变形（Supra-stratal deformation）。该上覆地层变形与A1井洞顶缝共同说明洞穴垮塌可对上覆地层造成影响。

4.1.2　洞穴充填及压实特征

A1井在良里塔格组取心7筒，进尺49.5 m，收获岩心48.64 m，综合收获率98.3%，钻井过程中无漏失放空。在岩心上角砾之间以线接触和凹凸接触为主；角砾与杂基相互胶结致密，缺乏有效孔隙［图13（a），图13（b）］；镜下显示角砾来源于良里塔格组泥灰岩和颗粒灰岩，杂基以陆源物质（泥质、石英、炭质碎屑）及碳酸盐岩碎屑为主［图13（c），图13（d）］，很明显受到陆源流体及其携带物质的影响。
测井在下垮塌段上部识别出高含泥段［图13（g）中3处］，该位置伽马曲线值增大，密度、声波和电阻率曲线值减小，成像测井显示亮暗互层，其亮层中的颗粒具有定向排列特征［图13（f）］，是典型的砾（砂）泥互层。ZENG等［28］从岩心观察入手，研究了与哈拉哈塘区邻近的轮南区块的垮塌岩溶体系，将其中高泥质的层状沉积物解释为洞穴沉积物；此外，KERANS［34］也将美国Texas州西部Ellenburger 群典型的垮塌岩溶体系中类似高泥质层状沉积物解释为洞穴沉积物，并认为其成因于洞穴部分垮塌后洞穴内水流的再沉积。因此A1井该处高含泥段极有可能代表了洞穴沉积物。
该区洞穴的垮塌、充填及强压实特征造成了钻遇并在其中生产的井具有低产特征。以A1井为例，该井于2012年8月投产，初期日产油38 t，油压8.9 MPa，不含水；经过两轮注水替油，2012年9月即高含水关井，敞放不出液，油压0 MPa；截至2016年2月，累计产液928 t，产油402 t，综合含水56.8%（图15）。因此该井储量小、含水高，是一口典型的定容型失利井。
图15 A1井生产曲线

Fig.15 The production curves of Well A1

统计各区钻遇良里塔格组垮塌岩溶洞穴体系（一间房组之上完钻）并在其中生产的8井进行生产特征分析（图16，表1），发现该8井均在短期内高含水关井，从开井到累产达到50%的平均时间仅为29天，产量均低于5 000 t（其中A6井为水层，A4井为干层），远低于一间房组和鹰山组中累产几万吨的高产井，为低产或失利井。
图16 哈拉哈塘良里塔格组垮塌岩溶体系中生产井产量累计曲线

Fig.16 Cumulative production curves of the producers in the collapsed karst systems of the Halahatang Lianglitage Formation

表1 垮塌岩溶体系生产井生产特征

Table 1 Production features of the producers in the collapsed karst systems

井号 放空 完钻层位 生产层位 累计产油/t 达到累产50%时间/d
A1 无 吐木休克组 良里塔格组 401.6 12
A2 无 吐木休克组 良里塔格组 2 809.3 40
A3 无 吐木休克组 良里塔格组 95.2 2
A4 无 吐木休克组 良里塔格组 0（干层） —
A5 无 良里塔格组 良里塔格组 4 966.7 41
A6 无 良里塔格组 良里塔格组 0（水层） —
A7 无 吐木休克组 良里塔格组 607.83 46
A8 无 良里塔格组 良里塔格组 4 811.8 34
另外，该8口井均无放空现象，进一步说明原始岩溶洞穴均已垮塌压实，无大型空间存在。实际上，大型表生岩溶洞穴最多只能保存至地表之下3 000 m［10］。LOUCKS［4］通过调研表生成因的多个现代洞穴及332个古洞穴实例，总结及分析了洞穴中孔隙类型随深度的变化，也证明了洞穴型孔隙保存深度不会超过3 000 m （表2）。其他类型的某些孔隙（晶洞型孔隙、角砾间孔隙、裂纹角砾孔隙或基质孔隙等）虽然在一定范围内有随深度增加而增加的趋势，但在埋深6 000 m以深含量也变得极少。若原始洞穴沉积物中泥质含量高，孔隙度可能会在压实过程中完全损失［34］。哈拉哈塘地区良里塔格组平均埋深超过6 500 m，表生岩溶古洞穴完全垮塌造成洞穴型孔隙消失，其他类型的孔隙也在强压实下很难存在。
表2 古洞穴孔隙类型随深度变化数据

Table 2 Change of paleo-cave pore types with depth

实例数 深度/m 洞穴型孔隙 晶洞型孔隙 角砾间孔隙 裂纹角砾孔隙 溶蚀扩大缝孔隙 基质孔隙
现代洞穴 <300 XXX（主要孔隙类型） X（在围岩中） X（以大型角砾间孔隙为主） X（在洞顶及洞壁中） X X
4 300~425 XX（钻遇250个洞穴，放空可达6.4 m） ? X X ? X
1 580~2 830 X（大型洞穴） X ? ? ? ?
26 975~1 340 X ? ? ? X X
14 1 060~1 370 XX（大于0.6 m的放空超过100个，其中一个达38 m） ? X ? ? ?
6 1 100~1 280 XX（几百个放空，放空可达 7.5 m） ? X? X ? ?
2 1 310 X? X ? X ? —
27 1 950 XX（可达2 m） X ? X ? ?
9 2 600 X（存在5 m的放空） ? ? ? X X
3 2 720~2 740 X（米级放空） ? X XXX X（较大） ?
10 3 100~3 150 — X X XXX X X
29 3 170~3 260 — X X XX X —
11 3 170 X? X X X X X
12 3 740~3 795 — — X XXX — —
31 3 740~3 795 — X ? X X ?
32 4 000~4 175 — X X X ? X
33 4 025~4 390 — — X（罕见） XX X X
34 4 175~4 725 — X — XX X ?
35 4 880~5 335 — ? X（较少） XX X X
13 5 790~5 825 （一个3 m的放空） ? ? ? ? ?

注：*表中数据未定量化；X表示存在；XX表示以该孔隙类型为主；XXX表示该孔隙类型占绝对优势；–表示推测不存在；？表示不确定是否存在。注意表中虚线基本代表了洞穴型孔隙（米级放空）消失的深度（据LOUCKS[4]，1999）

4.1.3　洞穴发育期次及发育位置

通过岩心结合成像测井可识别A1井存在2段垮塌，该2段垮塌体至少由2期渗流带或潜流带通道垮塌形成，说明在该井位置至少发育了2期古岩溶洞穴，当然在平面上其他位置有可能发育了更多期洞穴。
由成像测井识别出上下垮塌段底面距良里塔格组顶不整合面距离分别为20 m和50 m。由于该区古岩溶形成于良里塔格组抬升期，因此下垮塌段所对应的原始洞穴系统是洞穴演化过程中最新形成的一期洞穴系统［图13（g）］，该期洞穴系统底部与不整合面的距离（50 m）即为洞穴系统形成时的发育深度，该现象与KERANS［34］根据对二叠盆地内部Ellenburger洞穴体系的研究得出的“岩溶洞穴主要在地表不整合以下30~90 m集中发育”的认识基本一致。

4.1.4　洞穴形态及规模

2段垮塌的高度均为13 m，说明原始洞穴的高度远低于13 m，但洞穴的剖面形态仅由井和地震资料难以确定。由于垮塌洞穴体系在地震上表现为强振幅，因此可用均方根振幅和方差属性融合体刻画其平面形态及分布［图14（a）］。通过分别给予特定值对融合体中方差和均方根振幅进行截断，过滤低值的方差及振幅，可以对垮塌岩溶体系进行三维雕刻［图14（b），图14（c）］。雕刻体显示该区垮塌岩溶体系具有类似网状河体系的复杂平面形态，显然该形态即为原始的洞穴通道的形态，但该形态又与该区地表河流体系显著不同：可明显区分为主干和分支；主干较为平直；分支小且数量多，位于主干之间形成网状。
古洞穴系统发育在平面上具有明显的分区性，据此可将本区古洞穴系统划分为5个主要发育区，发育规模各不相同（图17）。以A1井所在的区4为例，该区岩溶洞穴体系沿流向可追踪距离达十几千米，平面覆盖范围达30多平方千米。
图17 哈拉哈塘良里塔格组均方根振幅和方差融合体平面

Fig.17 Map of attribution fusion of RMS and variance of the Halahatang Lianglitage Formation

4.1.5　洞穴形成控制因素

（1）低位域期持续、广泛的暴露

良里塔格组沉积期末塔北北部持续抬升，导致海平面持续下降至台地边缘以下，使其顶面广泛暴露遭受岩溶作用，形成低位域及I型层序边界。该时期的岩溶造成了地表喀斯特地貌及地下岩溶洞穴的形成，该过程持续时间长，一直持续到良里塔格组顶面成为一个大型斜坡并被桑塔木组水平上超。

（2）断裂及裂缝

原始洞穴系统往往是沿先期形成的断裂发育而成，造成区域性的垮塌洞穴系统通常都是直线型的［4，13，15，28］。研究区洞穴系统由主干和分支构成，主干有两个延伸方向，大多较平直，相交为“X”型，分支处于主干之间构成网状（图18），该延伸和分布模式与走滑断裂特征极为类似，这说明先存断裂和裂缝对洞穴通道的发育起了控制作用。
图18 岩溶洞穴体系与可能的先存断裂关系平面

Fig.18 Relationship between the karst cave system and the possible existent fractures

4.2　Longhorn岩溶洞穴

4.2.1　洞穴垮塌、充填及压实特征

Longhorn洞穴部分发生垮塌，垮塌可发生在洞穴内任何部位如落水洞［图19（a）］、竖井、渗流通道或潜流通道［图19（b）］；垮塌形成特征性的垮塌角砾，角砾大小混杂，大者粒径可达数米；大型的垮塌伴随上覆地层的凹陷［图19（c）］；洞穴顶部普遍显示初始的溶蚀扩大的裂缝系统［图19（h），图19（i）］。
图19 洞穴内部及洞穴平面形态

（a）巨型垮塌体，由落水洞垮塌形成，角砾为灰岩，填隙物主要由泥质碎块组成；（b）洞穴垮塌形成的大型角砾堆积体；（c）垮塌形成的上覆地层凹陷；（d）洪水沉积的陆源砾石；（e）洞穴内灰泥质沉积物，顶部溶蚀残余的燧石掉入灰泥中，对灰泥质纹层进行了扰动；（f）由泥质和砾石构成的洞穴沉积，沉积物为洪水期水流带来的陆源碎屑物质；（g)洞内化学沉积（石钟乳）,主要成分为方解石；(h)典型潜流带水平管状通道,通道截面为扁椭圆形，高约2 m，宽约十几米；(i)厅堂洞“印第安人会议室”,处于多期潜流带通道交汇处，上部的通道在下部的通道形成之后形成，注意视野中最近通道上部的初始洞顶缝；(j)复杂洞穴,2期潜流带通道叠置的特征明显；(k)落水洞洞口

Fig.19 Cave inside pictures and cave morphology map

洞内先前有大量角砾及洪水沉积物充填，但几乎所有的洞穴沉积物均被民间资源保护队（Civilian Conservation Corps）于20世纪30年代移走，即使这样洞内仍保留了部分沉积物［图19（d），图19（e），图19（f）］。洞内的水流是间歇性的，洞内河道中的碎石和卵石表明了间歇性水流的存在［图19（d）］。如在2007年6月，该区降水14 ft（35.6 cm），洪水灌入洞穴，洪水达到的高度可由洞壁上分布的腐烂有机质识别，很多证据表明过去发生过更多更强烈的洪水沉积。洞内除了机械沉积物，方解石质化学沉积物也很普遍［图19（g）］。该洞穴系统由于未完全塌陷，因此保存了部分大型的洞穴空间，洞内充填物并未表现出压实特征，垮塌角砾之间保留较大孔隙。

4.2.2　洞穴发育期次及位置

该洞穴系统在剖面上可划分为4层［37］（图20），说明该洞穴系统至少经过4期发育。由于该洞穴系统形成于更新世/全新世的地堑下降期，也就是Ellenburger中潜水面相对升高时期，所以下部的洞穴先于上部的洞穴形成。
图20 Longhorn岩溶洞穴系统沿地堑轴部地质剖面

Fig.20 Geological profile of Longhorn karst cave system along the graben axis

最早一期洞穴底部距现今地表不整合面约为70 m，而最新一期的洞穴底部到现今地表的距离约为15 m，但最新一期的洞穴显然已脱离潜水面位置而处于渗流带，说明最新期洞穴形成时深度至少大于15 m。

4.2.3　洞穴形态特征

Longhorn洞穴保留了最典型的潜流带通道。笔者在跟随LOUCKS考察该洞穴时，亲眼目睹了潜流带水平管状通道形态［图19（h）］，通道截面呈扁椭圆状，高度不过2 m，宽度不过十几米。实际上，典型表生成因的单个潜流带通道平均高度约为2.2 m［4，13］，但多期或多个通道在交会处的垮塌可形成大型垮塌复合体，可进一步形成大型的厅堂洞穴［图19（i）］。Longhorn中最大的厅堂洞穴印第安人会议室（Indian Council Room）可达50 ft（15.3 m）宽，185 ft（56.4 m）长，35 ft（10.7 m）高。此外，由渗流过程改造的矩形和峡谷形态的渗流带通道也很常见；地质时期潜水面的上下波动可在垂向上形成多期潜流带洞穴，在Longhorn内部见明显的多期通道叠加［图19（j）］。
洞穴系统的平面形态如图19（l）所示，洞穴系统以几个相互连通的落水洞为入口［图19（k）］，总体向北延伸。洞穴主干仍具有平直的形态，可出现分支或交会，但更小的分支并未刻画。值得一提的是，图中所示洞穴仅为对外开放部分，对于整个岩溶洞穴系统仅为冰山一角，大部分通道因充填有垮塌物和沉积物未对外开放，因此洞穴整体规模并不清楚。

4.2.4　洞穴形成控制因素

Longhorn岩溶洞穴是在第四系Ellenburger碳酸盐岩暴露地表之后形成的，地表暴露仍然是该表生岩溶发育的必备条件。另外，断裂对Longhorn洞穴发育具有较强的控制作用［37］，洞穴的直线发育形态显然是断裂控制的证据［图19（l）］。

5 讨论

本研究表征了哈拉哈塘良里塔格组表生古岩溶洞穴基本特征，并首次刻画了其三维形态，探究了其发育的控制因素，通过与近现代洞穴对比和类比，探究了表生岩溶洞穴的共性和个性（表3），具有一定的学术意义。表生岩溶洞穴的共性表现在：哈拉哈塘与Longhorn岩溶洞穴在充填特征、形成期次、洞穴形态及控制因素方面极为类似：两者均在内部形成洞穴沉积且沉积物具有陆源性质、均多期发育、主干平面延伸均呈现直线形态、均在表生暴露环境下受断裂和裂缝控制形成。另外，两者均在形成之后发生垮塌，形成洞顶缝系统并产生上覆地层凹陷。表生岩溶洞穴的个性表现在：良里塔格组古洞穴形成于古生代，埋深超过6 500 m，导致洞穴完全垮塌至紧密压实，缺少有效孔隙；而Longhorn洞穴自更新世/全新世形成之后未在不整合之上接受新沉积，因此仅发生局部垮塌，保留大量空间。综上所述，古生代奥陶纪哈拉哈塘和第四纪Longhorn岩溶洞穴是可以类比的，即良里塔格组内部的洞穴系统亦属于典型的表生岩溶系统。
表3 哈拉哈塘与Longhorn岩溶洞穴特征对比

Table 3 Comparison of karst cave features between the Halahatang and Longhorn caves

对比项 哈拉哈塘岩溶洞穴 Longhorn岩溶洞穴
垮塌 完全垮塌。见垮塌角砾，洞顶缝及上覆地层凹陷 部分垮塌。见垮塌角砾、洞顶缝及上覆地层凹陷
充填 完全充填。岩心上见垮塌角砾及陆源杂基胶结致密；成像测井可识别砾砂泥互层沉积物 部分充填。洞穴内见大型垮塌角砾堆积物；见洪水带来的陆源碎屑沉积物；见化学沉积物
压实 强烈压实。角砾之间呈线接触及凹凸接触；钻井无放空；井产能极低 无压实。垮塌角砾之间具有较大孔隙，部分洞穴保留大型空间
洞穴形态 由垮塌段长度推测原始洞穴高度远小于13 m；平面上明显分为主干和分支；主干较为平直；分支小且数量多，位于主干之间形成网状。 潜流带通道具典型的水平管状形态：通道截面呈扁椭圆状，高度不过2 m，宽度不过十几米；厅堂洞处于多个通道交汇部位，可达15.3 m宽，56.4 m长，10.7 m高；另外可见竖井、改造的潜流带、落水洞、多期潜流带叠加等复杂洞穴形态；平面上洞穴主干延伸具有直线形态，出现分支和交汇现象
规模 沿流向可追踪距离达十几千米，平面覆盖范围达三十多平方千米 开放部分仅为1 000多米，可能仅为整个洞穴系统极小一部分
发育期次 至少2期，可能多期 至少4期
控制因素 暴露、断裂及裂缝等 暴露、断裂及裂缝等
在油气地质意义方面，由于埋藏深度大，充填和强烈压实导致良里塔格组古洞穴储层质量差，油藏储量丰度极低，开发实践也表明良里塔格组并非有利储层段，表生岩溶的这种特性不仅在哈拉哈塘哈塘，在轮南、轮古也是如此。本区主力产层为一间房组和鹰山组的大型缝洞体，钻井上表现为频繁的钻头放空和钻井液漏失，其放空率和漏失率可分别达30.3%和63.7%（191井统计），地震上表现为沿断裂分布的强振幅串珠（“断溶体”）（图21）。显然，本区良里塔格组与一间房/鹰山组的储层各方面特征差异较大，可能指示了岩溶类型的差异或者后期洞穴保存的差异，如焦方正［38］就认为哈拉哈塘以南的顺托果勒地区的一间房组和鹰山组断溶体是后期热液沿走滑断裂进行溶蚀形成的产物。这些热液成因洞穴形成于二叠纪岩浆活动期，与岩浆作用相关的酸性热液沿加里东期形成的断裂向上运移在碳酸盐岩上部地层形成大型洞穴。这些埋藏期形成的洞穴为沿断裂发育的竖型洞穴，抵抗上覆压力的能力强于水平管状洞穴。当埋藏深度增加，这些大型洞穴可能也会垮塌，但是不同于表生岩溶洞穴后期空间大量消失，其洞穴空间最终转化为上覆大型垮塌块体之间的空间，使原有的洞穴空间以另一种形式得以保存，这些大型空间足以造成钻井时钻具放空和钻井液漏失（图21）。并且，由于该大型垮塌体与围岩具有不同的密度和波阻抗值，导致在地震剖面上呈现强振幅“串珠”。由此可见，一间房组/鹰山组岩溶机理及分布规律需要进一步研究，但本文从表生岩溶洞穴特征、成因和埋藏机理出发，探讨了良里塔格组储层质量较差的原因，也由此解释了良里塔格组为何无法成为该区主力产层。
图21 表生岩溶和热液岩溶洞穴演化模式

（a）表生岩溶洞穴形成后，洞穴空间较大，后期洞穴不断发生充填、垮塌，并造成上覆地层凹陷，洞穴空间大量减少，后期海侵对凹陷填平补齐，随着上覆地层沉积，压实作用不断增强，储集空间不断减少，该类型垮塌体对应（c）图中岩溶垮塌体系强振幅；（b）断裂形成后，具有溶蚀性的热流体沿断裂向上运移，在断裂上部裂缝发育部位溶蚀碳酸盐岩地层形成洞穴，上覆压力增加或构造运动使洞穴发生垮塌，洞穴空间转化为上覆大型角砾之间空间，该垮塌体对应（c）图中串珠强振幅；（c）图17（a）中BB’剖面

Fig.21 The evolution model of epigenic and hygrothermal karst caves

6 结论

（1）哈拉哈塘奥陶系良里塔格组古洞穴完全垮塌并造成上覆地层凹陷；洞穴充填物受陆源碎屑影响并被强烈压实，造成有效孔隙少，储层质量差；洞穴系统平面上呈网状，但洞穴主干具有直线形态；洞穴多期发育，控制洞穴发育的因素有地表暴露、断裂及裂缝等。
（2）通过将塔里木盆地良里塔格组古岩溶洞穴与美国德克萨斯州Marble Falls地区第四系Longhorn近现代岩溶洞穴进行对比，尽管两者存在不同之处，但在充填特征、洞穴形态、形成期次和控制因素等发面均类似，说明古生代岩溶洞穴与第四纪岩溶洞穴可以类比，良里塔格组洞穴系统为典型表生岩溶洞穴系统。

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