0 引言

碳酸盐岩储层油气高产依赖裂缝和各类溶蚀孔洞。塔河油田奥陶系发育区域性的三套洞穴储层是油气高产稳产的先决条件^[1]。塔河油田埋深五千多米的奥陶系发生钻具放空、钻井液漏失的钻井达数百口之多，放空长度可达五十多米，漏失量可达上千立方米，漏失段深度可达六千多米^[2]。尽管该深度的洞穴在塔河油田屡见不鲜，但是在世界范围内埋藏深度大于三千米的未垮塌洞穴却极其少见^[3]。蔡春芳等^[4]提出了塔河油田为何一些大型洞穴在经历了后期高达五千米以上的上覆沉积物的重压后，仍可保存下来？目前关于研究区深埋洞穴的保存机制鲜有报道。其保存机制极其复杂，雷川等^[5]曾提到塔河地区岩溶洞穴的潜流带水力保存机制，能够合理解释部分现象；为探究井壁失稳机理，谭金成^[6]以塔河12区洞穴为研究对象，利用ABAQUS有限元软件模拟了椭圆形和圆形溶洞不同洞径下的稳定性，结果显示随着洞径增加，溶洞围岩的位移和应力都增大，椭圆形溶洞比圆形溶洞更稳定。尽管洞穴存在有其合理的力学解释，但究竟是怎样的地质演化历程造成了岩溶洞穴保存于如此之深的地层中而未完全垮塌，仍然缺乏更深入全面的地质认识。而目前还暂未注意到专门报道深层洞穴保存机制方面的研究。通过与Fort Worth盆地奥陶系深埋洞穴进行对比，发现大量方解石是塔河地区碳酸盐岩深埋洞穴的特有充填物。本文以洞穴充填的方解石成因为切入点，分析了方解石充填物对深埋洞穴保存的意义，为探究洞穴保存机制研究提供些许参考。

1 地质概况

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段南翼的阿克库勒凸起的南部(图 1)，其主力油藏为奥陶系碳酸盐岩岩溶缝洞型油藏。奥陶系自下往上有蓬莱坝组、鹰山组、一间房组、恰尔巴克组、良里塔格组和桑塔木组。塔河油田奥陶系各组主要以碳酸盐岩为主，上奥陶统桑塔木组有较多碎屑岩。中—下奥陶统主要为海相台地相碳酸盐岩沉积，是目前塔河油田的主要产油层位。

塔河油田所处的阿克库勒凸起是在前震旦系变质基底上发育起来的一个经历了多期构造运动的古凸起。形成了以海西期岩溶为主，受断裂控制的多次岩溶复合叠加的复杂洞穴和裂缝储层(图 2)。

加里东早期，阿克库勒凸起还未形成，当时处于浅海台地，沉积了寒武系—中奥陶统的碳酸盐岩。加里东中期运动发生于中奥陶世末，动力源自塔里木板块与南部的南昆仑板块碰撞挤压，南东—北西向挤压使得鼻凸雏形形成，构造抬升，中奥陶统一间房组遭受剥蚀，形成T₇₄不整合面，造成较强烈的岩溶^[7]。海平面再次上升，上奥陶统由鼻凸周缘上超覆盖。加里东中期第二幕运动使得良里塔格组部分地层被剥蚀，与上覆桑塔木组之间呈平行不整合接触，形成T₇₂不整合面。加里东中期第三幕运动发生于晚奥陶世，造成志留系与奥陶系的不整合，形成T₇₀不整合面。不整合面附近发生的近地表岩溶作用形成塔河奥陶系第一期加里东时期岩溶洞穴。

海西早期构造运动发生于泥盆纪末，是本区最重要的一次构造运动，是奥陶系碳酸盐岩古岩溶发育最主要的时期。经过长期的抬升风化剥蚀，阿克库勒凸起大部分地区普遍缺失泥盆系，志留系，中、上奥陶统，下奥陶统也遭受了不同程度的剥蚀。形成大量的岩溶缝洞储集体。下石炭统与下奥陶统不整合接触。早二叠世，海西晚期运动使该区再次抬升、暴露，大部分地区缺失上石炭统及二叠系，部分地区缺失下石炭统。三叠系与下奥陶统、寒武系以及震旦系不整合接触。海西早期和晚期两次抬升，形成了海西早期岩溶洞穴和海西晚期岩溶洞穴。

印支期—燕山期影响范围较小，局部地区侏罗系或白垩系与下奥陶统不整合接触，下奥陶统再次受到较强的古岩溶作用，但该期仅在局部地区发育。

因此，塔河油田奥陶系多期岩溶相互叠加改造使得洞穴系统的新生、充填、垮塌和保存变得尤为复杂。目前塔河油田钻遇至奥陶系洞穴时，会常发现钻速加快，钻具放空和泥浆漏失，油气井涌和井喷等现象，而且统计发现这些洞穴大多分布在不整面以下250 m之内，且距不整合面越近，数量越多^[9](图 3)。一定规模的岩溶洞穴坍塌体内部包括破碎充填物和孔洞空间，明显比围岩的地震波传播速度较低，因此一般在地震反射界面表现出“串珠状”或陷落状的强振幅结构(图 4)。

2 塔河油田洞穴演化和充填物的独特性

岩溶洞穴坍塌是一种很常见的地质动力现象。我国广西、贵州、云南等地现今浅地表洞穴极其发育而且常见坍塌造成的地质灾害。岩溶洞穴的垮塌分为地表阶段垮塌和埋藏阶段垮塌。按照岩溶洞穴演化的一般规律(即形成阶段、发展阶段和衰亡阶段)，近地表洞穴自形成后，由于水流量增加，洞穴空间逐渐发展扩大，形成一定规模的通道系统，暗河沉积物逐渐发育，同时由于多个小型洞穴空间相互连通、坍塌形成一个巨型的洞穴储集体，可见垮塌角砾充填。近地表洞穴形成后若遭受地层抬升，洞穴进入包气带，可能遭受风化剥蚀，使得岩层疏松，而且洞穴脱离了潜流带，失去水的浮力，洞穴开始崩塌衰亡。若洞穴未被抬升或未坍塌而是在继续埋藏，可能由于洞穴上覆地层压力大于洞穴顶板的承载能力导致洞穴逐渐垮塌，其垮塌程度与洞穴顶板的抗压性有关，例如厚度、跨度、裂纹化程度和围岩的完整性等。这也是本文要讨论的埋藏过程中洞穴的保存机制。洞穴顶板在上覆应力下分为直接压向洞穴的压应力和平行洞穴的剪应力(图 5)，在洞穴上方两边是压应力和剪应力的应力集中区，顶板会受力弯曲形成拱形，拱形是相对最稳定、最能抗压的洞穴形状(类似于桥梁和隧道的拱形)；由于洞穴四壁承压产生裂纹，同时受力垮塌使得洞穴有垮塌角砾充填。垮塌并不能使洞穴完全充填破坏，当上覆载荷超过顶板的极限压力，持续加大的上覆地层重力才会使洞穴空间不断被压缩充填，最终使得洞穴消亡。

Loucks(1999)统计了35个古洞穴系统，深度最大的洞穴是5 335 m，但已被垮塌角砾岩完全充填，深度最大的未充填洞穴深度是1 950 m(洞高2 m)^[3]。据统计，塔河地区5 000 m以下奥陶系有效洞穴井(钻具放空、钻时加快、泥浆漏失)达118口，占洞穴井的50.9%、总统计井数的38.1%^[2]。因此塔河地区奥陶系古岩溶洞穴的保存深度具有“独特”之处。除了保存深度的独特性，充填物也具有独特性。据Loucks总结的洞穴充填物三角图中(洞穴充填物分为裂纹角砾、混杂角砾与洞穴沉积充填三大类)^[3]，并无化学沉淀物这一类，该类型充填物在塔河地区却是重要的洞穴充填物，也是塔河油田岩溶洞穴所特有的一类充填物(图 6)。

3 洞穴充填方解石的产状和成因 3.1 方解石的产状

研究区岩溶洞穴常见的化学沉淀充填物包括方解石，石膏，萤石和硫磺等。其中方解石是钻井中遇到最多的洞穴化学充填物。按照近地表洞穴演化规律，一般方解石沉淀发生在洞穴衰亡阶段，此时洞穴中水流能量较弱或静止或干枯，水体过饱和，使得方解石逐渐沉淀充填在机械搬运砂、泥沉积物或洞穴上覆岩层掉落的角砾的间隙中，或独自大段沉淀产出。钻测井显示塔河地区岩溶洞穴中方解石的厚度可达0.7~7.0 m，甚至更厚，部分方解石充填物中可见缝合线构造。

研究区洞穴充填的方解石一般较纯净，呈白色，可完全充填或部分充填洞穴空间，S69井5 646.00~5 654.50 m段显示出完全充填的特征；S75井5 681.57~5 688.00 m段洞穴经巨晶方解石充填后留下少量有效空间，以晶洞形式存在；S85井5 960.00~5 966.58 m段洞穴经巨晶方解石充填后还保留大量的有效空间^[12]。其中S69井第8次取芯第9块岩芯为巨晶方解石，紧邻其下的第11~13块岩芯均为洞穴垮塌角砾岩。目前发现的方解石的产状可归纳为以下4类(图 7)：①作为洞穴垮塌角砾的填隙物^[13]；②大段纯净的巨晶方解石单一产出，充填于洞穴中^[13]；③与洞穴沉积的泥岩伴随产出，或作为角砾出现在砂泥质中^[13]；④洞顶及洞壁裂纹中充填方解石。

3.2 洞穴沉积物与方解石的成因

洞穴充填物地球化学特征能够指示洞穴的成因。塔河油田古岩溶洞穴常见暗河沉积物充填，主要是磨圆和分选较好的砂泥碎屑颗粒，它们主要来源于洞穴在形成发展阶段的潜流带，通过随着水流机械搬运沉积而成；塔河油田33个溶洞砂、泥质充填物样品稀土元素配分模式与河水相近，表明洞穴主要是受大气淡水来源的近地表岩溶作用^[14]；沉积物的钒(V)和硼(B)元素也显示主要来自淡水影响，少部分受到海水影响；海水和淡水的锶(Sr)、钡(Ba)、硼(B)和镓(Ga)元素之间的比值有差异，洞穴沉积物中Sr/Ba和B/Ga的质量分数比值显示塔河奥陶系岩溶洞穴形成主要在近地表阶段受大气淡水溶蚀为主，少部分有海水入侵影响^[14]。

塔河油田奥陶系碳酸盐岩中248个岩溶缝、洞中充填的方解石样品^{[13, 15-18]}，δ¹³C值在-13.7‰到9.06‰之间，大部分样品δ¹³C值明显偏负，明显偏离中下奥陶统灰岩背景值(δ¹³C：-1.679‰~0.921‰；δ¹⁸O：-8.64‰~-4.153‰)^[13](图 7)。一般大气水有关的碳酸盐的δ¹³C在-1‰~-5‰(PDB)范围内变化，海水的δ¹³C相对较重，一般为正值。碳、氧同位素投点显示洞穴充填方解石大多主要与大气水岩溶后沉淀有关，部分有海水的影响(图 8)。另外，方解石中存在的原生盐水包裹体均一温度较低，部分小于60℃，较多盐水包裹体均一温度高于60℃可能是后期次生盐水包裹体和碳酸盐包裹体受再平衡作用导致，过高盐水包裹体很可能是热液改造形成。测试盐水包裹体冰点换算的盐度值不高，主要为淡水盐度范围之内，部分在海水之间。这些均也证实洞穴是大气淡水为主，海水为辅的近地表溶蚀形成。

洞穴充填的巨晶方解石的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素比值高于中—下奥陶灰岩的背景值，高值原因在于海西早期地层抬升剥蚀了志留系和泥盆系碎屑岩和含泥碳酸盐，风化后云母、长石和黏土矿物提供了⁸⁷Sr同位素的来源，而在海西早期之前加里东期抬升并不能提供高锶同位素，说明岩溶洞穴中方解石充填主要形成海西早期开始的岩溶作用^[13]。

除此之外，部分地球化学特征指示了一定规模的深部热液流体的存在，且对储层洞穴充填方解石有明显的改造作用。洞穴充填的方解石δ¹⁸O值在-3.8‰到-17.2‰之间(图 8)，氧同位素值明显偏低，并非近地表岩溶产物，可能为深部热流体影响改造使得方解石的δ¹⁸O值发生负偏移；深部热流体携带的有机酸混入可能改造了洞穴充填的方解石，使得有机碳的加入碳同位素值δ¹³C会偏负，小于-5‰(图 8)。另外，研究区岩石、矿物还发现了热液矿物组合和特征元素；洞穴方解石的Fe，Si等元素高于普通方解石，Na元素低于普通方解石。在位于深大断裂附近部分样品发现Eu正异常^[14]；在五道班到硫磺沟一带还发现大量硫磺和暗色岩脉^[19]。还常见孔洞中萤石、鞍形白云石、重晶石及石英等热液矿物充填^[16]。另外在采集深度约为5 800 m的样品经历最大正常古地温约为170℃左右，而测试的包裹体均一温度发现很多大于170℃的部分(图 9)。

总之，塔河油田奥陶系岩溶洞穴主要是在近地表岩溶作用形成，在溶洞和洞穴充填方解石的地球化学特征表明研究区洞穴中方解石成因以大气淡水为主，海水为辅的近地表岩溶作用为主，后期存在深部热流溶蚀作用的改造作用。

4 方解石充填物对深层洞穴保存的意义

通过与Fort Worth盆地奥陶系埋藏史对比，发现塔河油田奥陶系经历了漫长而又缓慢的浅埋藏过程(局部经历了多次地表暴露)，而Fort Worth盆地奥陶系在经历了地表暴露(形成岩溶洞穴系统)之后，就进入快速且持久的深埋藏阶段，洞穴垮塌普遍。埋藏过程的差异使得二者洞穴充填物，以及洞穴保存状况存在明显差异。前文已证实塔河地区奥陶系洞穴充填的方解石主要是大气淡水成因，主要形成于地表、近地表阶段。通过对比塔河油田奥陶系埋藏史图和Fort Worth盆地奥陶系埋藏史图可见，前者经历的多次抬升和长时间的浅埋藏为淡水成因方解石的形成和充填提供了条件(图 10)。而本次研究正是认为方解石充填物对洞穴保存具有重要意义。

未坍塌的岩溶洞穴通常会被砂泥质等碎屑物质和巨晶方解石部分充填或全充填^[20]。S85井为巨晶方解石充填洞穴仍然能够保存大量空间；T904井5 892~5 900 m为巨晶方解石充填洞穴，5 936.8~5 939.47 m放空2.67 m。这些现象表明，洞穴充填物和洞穴保存具有密切的关系。塔河油田岩溶洞穴中“独特”的方解石充填物对洞穴保存具有独特的意义。主要体现在以下两个方面：

(1) 方解石充填物增加了洞穴的抗压性。

上述可知，研究区古岩溶洞穴充填的方解石主要是在近地表阶段形成，说明方解石充填时间较早，在洞穴未大规模垮塌之前，占据了洞穴空间。上覆压实作用是岩溶洞穴在埋藏过程中垮塌的主要的因素，洞穴充填的方解石可以有效抵挡上覆地层的部分重力，作用类似于地表岩溶洞穴中的石柱。岩溶洞穴中采集的巨晶方解石中可见水平缝合线^[13]，表明洞穴充填巨晶方解石的确分担了上覆地层压力。洞顶的裂纹中充填方解石(图 7)也有利于洞穴保存。事实上，洞穴上方裂纹化是洞顶将要坍塌的标志，方解石在早期便胶结了洞穴周围的裂缝，使得“松散”的洞穴系统的机械强度增加，洞穴顶板得以加强，使得岩溶洞穴变得相对稳固而不易垮塌。在奥陶系被抬升至地表的洞穴露头可以看见，洞穴充填方解石“焊接”了裂缝(图 11)。此外，洞穴稳定性与洞穴顶板厚度和宽度有关，顶板厚度越厚，跨度越小，洞穴越稳定(图 12)。顶板裂纹方解石沉淀增加了洞穴顶板厚度，在洞穴周围沉淀的方解石减少了洞穴横跨度，增加了整体的洞穴稳定性。

(2) 充填方解石在垮塌前占据了部分洞穴空间，在埋藏后又逐渐被热流体溶蚀改造，恢复了部分洞穴空间。

研究区碳酸盐储层中发育的洞穴多与断裂伴生，多期洞穴本身也构成了一个洞穴体系，断裂叠合洞穴体系构成的洞缝系统在碳酸盐储层中是极好的输导体系，为溶蚀流体优先运移洞穴提供了通道，因此岩溶洞穴在埋藏过程中常有规模性的热流体充注。一般地碳酸盐岩中方解石含量越高，其溶蚀速度和溶解速度越快；氧化镁含量越高，其溶蚀速度和溶解速度越慢。如果不易被酸溶蚀的杂质含量增多，也会减慢溶蚀速度。研究区洞穴中沉淀的巨晶方解石非常纯净，钙含量高，平均46.5%，而且K、Na、Fe含量低，均小于0.05%(表 1)^[21]。表明缝洞充填方解石的可溶蚀性很强。在近地表阶段洞穴充填的方解石，在深埋藏阶段被各类溶蚀流体(热液和有机酸)溶蚀，使得占据的这部分空间重新“打开”，恢复了洞穴空间。

上述洞穴充填的方解石的地球化学特征也已经明显指示方解石形成后遭受了岩浆热液和有机酸等深部流体改造。这点类似于砂岩储层未被压实前，早期碳酸盐胶结物的沉淀对储层而言是保持性成岩作用，是深埋藏条件下砂岩孔隙得以保持的重要机制^[22]。

埋藏史图显示，塔河油田在加里东期形成岩溶洞穴后，在近地表暴露的时间较短，便开始迅速埋藏，期间存在一期原油充注，锶同位素指示该期岩溶洞穴无方解石普遍充填现象，地质条件类似Fort Worth盆地奥陶系，因此该期洞穴可能得不到很好保存。在海西早期和晚期地层抬升发育大量岩溶洞穴，在浅地表暴露时间较长，较多洞穴充填了方解石。二叠纪塔里木盆地发生了广泛、强烈的火山—岩浆活动，热液对奥陶系碳酸盐岩改造溶蚀作用明显^[23-24]。研究表明，塔河油田奥陶系的流体经历了4～5期次活动^[25]。高温高压、高CO₂、H₂S含量的岩浆热液沿着深大断裂和不整合等通道对碳酸盐岩进行了明显的溶蚀作用，也留下了热液矿物组合等痕迹，也必定对处于优势通道和良好储集性能的洞穴充填物方解石进行了改造，恢复了洞穴空间。在塔河油田奥陶系地表露头见到洞穴中充填方解石中有硫磺，说明是热液打开了方解石空间；与此同时，部分井的流体包裹体检测到一期油气充注，洞穴空间被打开后，伴随着油气充注，成为油气成藏的有效储集体。自海西晚期后，地层随着埋藏，随着温度升高(80℃~120℃)，有机质热成熟过程中生成的有机酸、CO₂和H₂S等酸性流体使得方解石充填的洞穴被埋藏后再次被溶蚀，并且紧接着伴随着研究区燕山—喜马拉雅期发生的最后一期天然气大规模充注，最终形成塔河油田奥陶系目前深埋藏的洞穴型油气藏(图 13)。

5 结论

(1) 对比Fort Worth盆地奥陶系深埋洞穴，除裂纹角砾、混杂角砾与洞穴沉积充填外，塔河油田奥陶系岩溶洞穴还特有并常见方解石化学沉淀充填，方解石主要是长期浅埋阶段，以大气淡水成因为主，海水成因为辅，深埋过程还受到了溶蚀性流体(岩浆热液和有机酸)的改造。

(2) 塔河油田岩溶洞穴中存在“独特”的方解石充填物对洞穴保存具有独特的意义。主要表现在以下方面：一是方解石充填物增加了洞穴的抗压性，岩溶洞穴内部充填的方解石占据了部分洞穴空间，在埋藏过程中分担了上覆地层压力，支撑了洞穴，阻碍了洞穴垮塌；岩溶洞穴顶部裂纹中充填的方解石还“愈合”了洞穴周边的裂纹，强化了洞穴的顶板，增强了地层的完整性，使得洞穴系统的机械强度增加，抗压性能加强。二是充填的方解石在垮塌前占据了部分洞穴空间，埋藏后，由于研究区缝洞充填方解石的可溶性强，高温有机酸、CO₂、H₂S和岩浆热液沿着深大断裂等通道对奥陶系碳酸盐岩改造溶蚀作用明显，也对处于优势通道和良好储集性能的洞穴充填物方解石进行了改造，恢复了部分洞穴空间。因而认为地表、近地表方解石充填过程是碳酸盐岩洞穴型储层的“保持性成岩作用”。

致谢: 两位评审专家的意见和建议显著提高了论文的质量，笔者在此表示衷心的感谢！