0 引言
不同性质、不同规模断裂与古岩溶之间的关系一直以来是国内外学者关注的热点［1-6］。断裂不仅可以作为岩溶水运移或排泄的通道，同时在一定程度上控制岩溶形态的发育。此外，断裂与岩溶之间可以相互作用、相辅相成。近年来以塔里木盆地为主的古潜山内幕区“断溶体”的识别与刻画极大地拓宽了岩溶缝洞发育的空间范围［7-9］。前人研究表明，鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组风化壳古岩溶和塔里木盆地同期发育的“断控岩溶”有本质区别，主要原因是二者的构造背景、沉积环境、岩性组合等存在明显差异［10］。鄂尔多斯盆地东北部马家沟组构造相对稳定［11-12］，岩性组合较为复杂［13］，储集空间多以溶蚀孔洞为主［14-15］，主力产层为马家沟组顶部的风化壳岩溶储层［16-17］。长期以来，多数学者认为鄂尔多斯盆地属于稳定的克拉通盆地，盆地内部断裂不发育，尤其是中东部伊陕斜坡区遭受的构造变形很弱［18］。因此，前人［19-20］在研究盆地中东部马家沟组岩溶储层时极少提及断裂对岩溶发育的影响。然而，随着垂向勘探层系不断拓深，除风化壳气藏之外，在鄂尔多斯盆地东北部大牛地气田马家沟组更深层位也发现了多套岩溶储层，局部产能好，且高产井的分布与基底复活断裂有一定的空间对应性。同时，对大牛地气田马家沟组裂缝特征和成因的初步研究显示，研究区内小断距剪切断层、裂缝普遍发育［21-23］。这些新的勘探认识突破了以往将马五5亚段厚层灰岩视为区域隔水层的论断，同时也提出了新的问题，即断裂在表生岩溶过程中起着什么样的角色，断裂是否沟通了深部的岩溶，从而构成类似“断溶”的特征。本文针对以上问题，综合利用岩心观察、薄片鉴定、常规测井、地球物理和地球化学等技术手段，开展了大牛地气田马家沟组断裂级别、期次和分布规律的研究，明确不同性质、不同规模断裂与岩溶之间的耦合关系，从而为深部岩溶储层的评价提供理论依据。
1 区域地质背景
1.1 构造演化特征
鄂尔多斯盆地是在太古代和古元古代结晶基底之上发育起来的典型克拉通边缘叠合盆地［12，24］。盆地先后经历了多期构造演化，根据古地理沉积环境和地质构造演变可以划分为早古生代、晚古生代、中生代及新生代4个阶段［25］：①早古生代阶段：鄂尔多斯地台呈西高东低的古构造格局，中央古隆起的存在将盆地一分为二，东侧为华北海，西侧为祁连海，奥陶纪末期，加里东运动造成华北地台整体抬升，使得奥陶系马家沟组遭受了长达1.5亿年的风化、剥蚀和岩溶作用［26-27］；②晚古生代阶段：受海西运动影响，构造活动趋于频繁，地质构造由海中的“台”向陆上的“盆”过渡［28］；③中生代阶段：印支运动和燕山运动奠定了华北地台构造的基本轮廓［29］；④新生代阶段：由于欧亚板块与印度板块相互作用，台地内部相对隆起，周边相继断陷成地堑构造［30］。至此，盆地演化为现今西南低、东北高的构造面貌，包括6个一级构造单元：伊陕斜坡、伊盟隆起、晋西挠褶带、西缘冲断带、渭北隆起以及天环坳陷［31-32］。另外，基于盆地基底构造演化特征，震旦纪的晋宁运动在结晶基底中发育基底断裂，寒武纪基底断裂具生长断裂特征，奥陶纪受加里东运动的影响，基底断裂持续活动，并延伸至上部地层形成一系列正断层组合［33］。
1.2 沉积及地层发育特征
鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组沉积期经历了3次较大规模的海侵、海退旋回，自下而上可以划分为6段，其中马一段、马三段、马五段沉积于相对海退期，以局限台地和蒸发台地为主；马二段、马四段、马六段沉积于相对海侵期，以开阔台地或半局限台地沉积为主［20，37-38］。此外，根据马五段沉积旋回和岩性组合特征，可以将其划分为10个亚段（图2），其中马五1-4亚段为上组合，马五5-10亚段为中组合，马四段至马一段为下组合。上组合马五1-4亚段发育局限台地，沉积相为膏云坪，普遍见岩溶改造后的岩溶角砾岩。马五5-10亚段沉积相以云坪为主，除马五5亚段相对海侵期发育灰岩之外，其他层段岩性主要为白云岩。马四段沉积相为灰坪和云灰坪，岩性以灰岩为主，夹薄层白云岩、灰质云岩。马三段至马一段沉积相为膏盐湖和膏云坪，岩性以含膏云岩和膏盐岩为主［13，20］。
2 大牛地气田马家沟组断裂发育特征
2.1 断裂宏微观特征
大牛地气田奥陶系马家沟组构造裂缝主要表现出以下特征：①基底断层复活派生裂缝中多以高角度特征出现［图3（a）］，缝面粗糙，凹凸不平呈弯曲状，可见方解石充填物，多以平行组系产出，此类裂缝主要发育在马五7亚段、马四段和马一段；②区域构造应力缝主要以高角度剪性缝为主［图3（b）］，该类裂缝主要发育于灰岩中，常以方解石半充填为主，缝面光滑平整，多属平面型，此类裂缝在马家沟组纵向上广泛发育，包括马五5-7亚段和马四段以下层位；③层面滑移缝，以水平—低角度缝为主，主要赋存于过渡岩性中，层面滑移缝有明显的摩擦镜面，可见明显的擦痕和阶步［图3（c）］，有效性较高，此类裂缝常见于马五6亚段；④薄片显示取心井构造微裂缝均发育，构造微裂缝被方解石充填，容易切穿颗粒、骨架，且构造缝间存在明显的切割限制关系［图3（d），图3（e）］。
图3 大牛地气田岩心及薄片构造裂缝发育特征（a）小壕a，3 144.64~3 145.64 m，马四段，高角度右旋右阶式剪切缝；（b）大深a，3 446.9~3 447.5 m，马一段，高角度剪切缝；（c）DKac-FPh，3 057.20 m，马五7亚段，层面滑移缝；（d）Dgc，2 641.94 m，马五6亚段，多期缝切割；（e）DKac-FPh，3 031.35 m，马五6亚段，2期裂缝切割 Fig.3 Development characteristics of structural fractures in rock cores and thin sections of Daniudi Gas Field |
基于大牛地气田马家沟组西东向（A—A'）和南北向（B—B'）2条地震剖面的断层识别（图4），研究区主要发育基底复活逆断层和层间走滑断裂，以及少量基底走滑断层。基底复活断层和基底走滑断层在地震剖面上断穿基底，终止于石炭系，局部见正花状构造，为典型压扭性应力状态中形成的构造，此类断裂主要发育在研究区西南侧，北侧较少。马家沟组内部不同尺度的层间走滑断裂在研究区均有发育，且东侧强于西侧，层间走滑断裂断穿层位均见于马家沟组内部，且底部多终止于马三段至马一段的膏盐岩地层中。此外，在研究区北部存在断穿马家沟组及上部层位的贯穿性“通天”断裂，但并未断穿基底。由此可见，研究区马家沟组不同性质、不同规模的断裂普遍发育。如果断裂与马家沟组表生期岩溶相配，必然会对岩溶作用产生重要的控制作用。
以研究区西南部典型取心井小壕a井为例，通过岩心与过井地震剖面的综合验证，发现小壕a井马四段岩心上裂缝极为发育（图5），多条裂缝呈现出右行右阶雁列式排布，具典型压扭性特征，裂缝多被方解石充填。同时，过小壕a井的地震剖面上也显示有明显的基底复活断裂发育，即断裂发育的微观特征和宏观特征相互匹配。
2.2 断裂分层识别与规模划分
采用典型层位追踪解释，分别提取关键层（马家沟组底、马四段底、马五6亚段底、马家沟组顶部）的蚂蚁体地震属性顺层切片，在此基础上进行断裂追踪，绘制出不同小层的断裂分布平面图。以马家沟组底部断裂识别为例，在高清蚂蚁体切片提取的基础上，勾绘平面上断裂的分布规律（图6）。
通过逐层追踪关键层段的断裂平面分布规律，首先基于断裂在平面上的延伸长度对基底复活断裂进行识别（延伸长度大于1 km）。其次，对马家沟组底部基底复活断裂规模进行界定之后，将断裂的断穿层位进行追踪。最后，考虑到基底断裂复活后向上断穿过程中虽然会受不同时期应力场影响产生一定扭曲，但仍会大致继承其原始走向，按照此规律，将马家沟组底部识别的基底复活断裂在马四段底、马五6亚段底及马家沟组顶部对应位置的显示进行追踪识别，并在追踪过程中注意断裂受应力场的改造变化，从而利用断裂走向和层位显示判断出基底复活断裂的活动时期和断穿层位（图7）。
在基底复活断裂确定之后，通过排除基底复活断裂的分布范围，将层间走滑断裂识别区域进行筛选，规避基底复活断裂活动影响等干扰因素，同样遵循断裂与应力改造、断裂继承性特点等规律，利用断裂走向和层位显示综合评价层间走滑断裂的分布。基于以上对断裂平面特征、断穿层位、剖面响应特征、断裂性质等特征的刻画，建立了研究区断裂级别划分标准（表1）。
表1 大牛地气田马家沟组断裂级别划分标准Table 1 Classification standard for fault grade of Majiagou Formation in Daniudi Gas Field |
| 断裂级别 | 平面特征 | 断穿层位 | 剖面响应特征 | 断裂性质 |
|---|---|---|---|---|
| 三级 | 延伸长，大于1 km | 断穿基底，终止于石炭系之下 | 断距较大（20~40 m），连续性差，呈杂乱弱反射 | 基底复活逆断裂或基底走滑逆断裂 |
| 四级 | 延伸较长，1~0.5 km | 未断穿基底，终止于石炭系、二叠系内 | 断距较小（10~30 m）、变形较弱 | 压扭性层间走滑断裂 |
| 五级 | 延伸短，小于0.5 km | 未断穿马三—马一膏盐岩层，终止于马家沟组内部 | 无明显断距（小于15 m），变形弱 | 压扭性层间走滑断裂 |
3 断裂期次与演化
通过分析裂缝充填物的碳氧同位素地球化学特征可以有效识别断裂的发育期次。研究区构造裂缝充填方解石的氧同位素值（δ18O，VPDB）相差较大，介于-7.0‰~-18.0‰之间，碳同位素值（δ13C，VPDB）相差较小，介于-0.2‰~-5.2‰之间，碳氧同位素组成分布在不同的区域（图8）。
据测温方程对充填物的形成温度进行计算，估算形成温度为40~140 ℃。按研究区4.5 ℃/100 m古地温梯度计算，取大牛地气田常年平均温度20 ℃，折算形成埋深约在400~2 700 m之间。结合大牛地气田典型井埋藏史特征，研究区马家沟组中的构造裂缝按碳氧同位素组成特征大致可以分为4个阶段：①加里东构造缝形成期：充填方解石的δ18O值介于-7.0‰~-9.0‰之间，估算形成温度约为40~80 ℃，折算埋深约为400~1 400 m，此时期构造运动强烈，持续时间长，是大牛地气田马家沟组构造裂缝的主要形成期；②印支构造裂缝形成期：充填方解石的δ18O值介于-11.0‰~-14.0‰之间，估算形成温度约为90~100 ℃，折算埋深约为1 500~1 800 m，此时期构造运动较弱，持续时间短，是大牛地气田马家沟组构造裂缝的次级形成期； ③燕山构造裂缝形成期（燕山早期）：充填方解石的δ18O值介于-14.0‰~-17.0‰之间，估算形成温度约为100~120 ℃，折算埋深约为1 800~2 200 m，该期构造运动强烈，持续时间长，是构造裂缝的又一次主要形成期；④燕山晚期—早喜马拉雅期，δ18O值小于-17.0‰，估算形成温度大于120 ℃，折算埋深在2 200 m以深，该时期形成的构造缝多呈半充填状态，可以作为天然气运移的有效通道。
基于研究区10口典型井的成像测井资料，对马家沟组不同小层裂缝的走向及组系发育特征进行统计。裂缝走向玫瑰花分布图（图9）显示，优势裂缝主要包括NE、NEE向和NW、NWW向2个组系，并且由深至浅裂缝方位呈现出明显的变化，从马一段、马二段的NE向占优势逐步转变为马三段、马五6-10亚段的NW向占优势。马家沟组顶部裂缝组系分布杂乱，无明显优势组系，这与马家沟组顶部遭受强烈的岩溶改造作用有直接关系，岩溶作用导致杂乱的风化缝发育。结合区域构造演化特征，NW、NWW向裂缝与加里东期构造应力场相对应，而NE、NEE向裂缝与燕山期构造应力场相对应。
基于以上分析，加里东期和燕山期是研究区断裂的主要形成期，且不同时期均发育不同级别的基底复活断裂和层间走滑断裂。以不同时期基底复活断裂平面评价图为例（图10），结合加里东期和燕山期构造应力场特征，在蚂蚁体断裂识别基础上，根据断裂的走向及改造特征，识别出不同期次、不同规模的基底复活断裂。
4 断裂对岩溶的控制作用
4.1 断裂与岩溶匹配特征
晚加里东运动和早海西运动是决定鄂尔多斯盆地东北部奥陶系碳酸盐岩地层抬升、剥蚀并使其遭受岩溶作用的主导因素，其构造作用控制了研究区岩溶的分布和岩溶古地貌的总体格局。因此，本文重点讨论与岩溶作用相关的晚加里东期、早海西期的断裂分布规律。基于前文对不同性质、不同期次断裂的评价，并结合露头、取心井、录井、测井等资料的分析，综合研究断裂与岩溶之间的关系。
基于野外考察资料，研究区周边榆林府谷天生桥马家沟组剖面马五5亚段可见明显的断裂扩大溶蚀特征，柳林三川河马家沟组剖面马二段发育断裂控制的形似“串珠状”溶蚀洞穴（图11）。通过统计研究区取心井的岩溶发育强度和分布层位，发现在有基底复活断裂或层间走滑断裂发育的区域，取心段的岩溶作用较强，影响层位也较深（图12）；相反，在基底复活断裂或层间走滑断裂欠发育的区域，岩溶作用明显较弱，影响层位也较浅。通过对比取心井的岩溶剖面，在研究区北部有基底断裂发育的区域，岩溶作用影响的深度可以到达马五10亚段；而无基底断裂时，岩溶作用影响的深度可以到达马五6亚段，影响深度明显变浅。通过分析单井马三段至马一段的井径变化特征，发现基底复活断裂附近井位的马三段底部扩径明显，例如石a井、Da-eco井的马三段有明显的扩径特征，而基底复活断裂欠发育的Dfg井马三段无明显的扩径特征，从侧面反映出基底复活断裂控制更深层位的岩溶作用。总体而言，基底复活断裂和近SN向层间走滑断裂沟通了马五6亚段至更深层位的岩溶作用。
在断裂与岩溶作用定性关系认识的基础上，本文研究尝试采用统计方法定量确定断裂对岩溶的平面控制范围。具体方法为：将单井上岩溶发育段长度与小层厚度之比作为该井的岩溶发育率，以此为纵坐标，以平面上井位与断裂的垂直距离为横坐标，分析平面上距离断裂不同远近的单井岩溶发育率情况。不同规模基底复活断裂附近单井岩溶发育率显示，随着距离断裂越远，单井的岩溶发育率也越低，且超出一定范围后，岩溶发育率极低，基本不受距离远近的影响。因此，可以大致以实际统计样品包络线的拐点为距离下限，确定不同性质、不同规模断裂对岩溶影响范围的下限。通过该方法确定了长度1~2 km的基底复活断裂影响岩溶范围为1.8 km以内，长度2~3 km的基底复活断裂影响岩溶范围为4.3 km以内，长度大于3 km的基底复活断裂影响岩溶范围为5.8 km以内（图13），层间走滑断裂影响岩溶范围为2.3 km以内。基于不同性质断裂对岩溶的影响范围，对研究区受断裂控制的岩溶分布范围进行评价，从而确定不同小层在平面上的岩溶分布范围（图14）。
4.2 易溶岩相的类型及分布
在不同性质、不同规模断裂沟通的条件下，只有岩溶水与易溶岩相充分接触，且有岩溶水卸载通道时才能形成一定规模的岩溶范围。对于膏云岩，当含膏多时发生边溶边垮，不会形成较大范围的岩溶；当含膏较少时，膏溶完以后有刚性空间支撑，可以继续扩大岩溶范围。对于白云岩，较粗颗粒的白云岩受断裂沟通后横向继续扩大岩溶范围。对于灰岩和膏盐岩，溶解后岩溶水无法卸载，岩溶范围仅局限于断裂附近。因此，结合研究区不同层位易溶岩相的分布，对每一小层的断裂及易溶岩相分布进行叠合评价。
基于各小层的沉积微相以及不同易溶岩相厚度的平面分布等值线图，并叠合不同小层断裂对岩溶的控制范围，可以绘制不同小层易溶岩相与断裂影响岩溶范围叠合图。以马五6亚段为例（图15），膏云坪控制膏质云岩、含膏云岩分布于研究区西南、西北角。云坪控制的泥—粉晶白云岩在平面上分布于西侧，纵向上主要分布于马五6上亚段，马五6底部的泥云岩、灰岩可以起隔水作用。
5 大牛地气田马家沟组深部“断溶”发育模式
基于对大牛地气田马家沟组不同性质、不同规模断裂分布规律和岩溶发育特征的认识，并综合岩性、古地貌等条件，建立研究区马家沟组深部“断溶”发育模式（图16）。马五6亚段为风化壳下浅表层受膏云岩、侧向岩溶水补给控制的顺层岩溶叠加断裂沟通的垂向岩溶，马五6亚段以下层位岩溶作用受断裂+易溶岩相控制。马五6、马五8、马五10亚段沉积于相对海退期，气候炎热，含膏较多，表生期在断裂的沟通下，含膏白云岩发生溶蚀，形成溶蚀膏模孔、晶间溶孔或溶洞，同时也会发育垮塌的岩溶角砾岩。相较于马五8、马五10亚段，马五6亚段上覆地层较薄，并且顶部有马五5亚段厚层灰岩作为支撑，底部马五6亚段泥云岩可以起到隔水作用，因此岩溶水进入含膏地层后可以一直向前扩溶，在地势较低的部位通过断裂等高渗透性通道排出，从而在五6亚段内部形成顺层岩溶带，取心及野外剖面也证实马五6亚段具有顺层垮塌的特征。马五8、马五10亚段在靠近岩溶水补给区含膏云岩发生溶解，但由于上覆地层较厚，溶完以后易被压垮堵塞，岩溶水饱和，溶解能力减弱，因此不具备长距离顺层溶蚀的条件，岩溶发育主要受不同性质、不同规模断裂和断裂沟通的易溶岩相的控制，断裂沟通含膏云岩、白云岩等易溶岩相，使得岩溶范围在空间上相互叠置，从而成群成带分布。
6 结论
综合利用野外剖面、岩心、薄片、常规测井、地球物理和地球化学等资料，对鄂尔多斯盆地东北部大牛地气田马家沟组与岩溶发育期相匹配的不同性质断裂进行系统研究，并讨论了不同性质、不同规模断裂对表生岩溶的控制作用，主要得出以下认识：
（1）大牛地气田马家沟组主要发育基底复活断裂和小规模层间走滑断裂，平面上西侧断裂级别较东侧大，以改造基底正断层形成的“S”型逆冲断裂为主，东侧呈雁列式排布的北西—南东向层间走滑断裂发育程度高。
（2）基底复活断裂和层间走滑断裂沟通了马五6亚段至马一段的岩溶作用，断裂的沟通也使得古岩溶在垂向分带的基础上叠加了分区差异性，基底复活断裂发育的区域岩溶作用强，影响层位深。
（3）马五6亚段为风化壳下浅表层受膏云岩、侧向岩溶水补给控制的顺层岩溶叠加断裂沟通的垂向岩溶，马五6亚段以下层位岩溶作用受不同性质、不同规模断裂+易溶岩相控制，断裂沟通含膏云岩、白云岩等易溶岩相，使得岩溶范围在空间上相互叠置。
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