金值民 譚秀成 唐 浩 沈安江 李 飛喬占峰 羅思聰 鄭劍鋒 王小芳

1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，西南石油大學，四川成都 610500 2中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室西南石油大學分室，四川成都 610500 3中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室，浙江杭州 310023

1 概述

早成巖期巖溶(eogenetic karst)概念最初由Vacher和Mylroie(2002)總結(jié)前人研究提出，指的是處于早期成巖階段的弱成巖碳酸鹽巖或未成巖碳酸鹽沉積物中發(fā)生的一切巖溶現(xiàn)象，根據(jù)其發(fā)育位置可以分為大陸型(continental karst)、海岸型(coastal karst)及島嶼型(island karst)3類(譚秀成等，2015)。其中，大陸型即大陸環(huán)境中早成巖期巖石發(fā)育的喀斯特類型，實例報道較少，包括美國佛羅里達地區(qū)近地表Biscayne 含水層喀斯特(Fish and Stewart，1991;Florea and Vacher，2007)及四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組大陸型巖溶(肖笛等，2015;Xiaoetal.，2016)。而大量研究顯示，強烈的早成巖期巖溶特征主要發(fā)育在海岸、島嶼環(huán)境，海岸型典型實例見于墨西哥尤卡坦半島(Smartetal.，2006)、美國佛羅里達半島(Florea and Vacher，2007)等；島嶼型如美國西太平洋馬里亞納群島(Mylroieetal.，2001)、大西洋巴哈馬群島(Mylroieetal.，1995)等。三者相比而言，大陸型以地表、地下河流的機械侵蝕為主，地下暗河沉積發(fā)育；島嶼型、海岸型則主要以與大氣淡水透鏡體相關(guān)的化學溶蝕為主，其中島嶼型往往發(fā)育極具識別意義的側(cè)翼邊緣溶洞，海岸型巖溶則以發(fā)育混合帶管道為特征。顯然，無論是大陸型，還是島嶼—海岸型，早成巖期巖溶都主要發(fā)育在疏松多孔、具顆粒結(jié)構(gòu)的純碳酸鹽巖層系和巖石中，而巖性相對致密的硅質(zhì)碎屑-碳酸鹽混積層系和巖石中相當少見。

塔里木盆地西北部寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組內(nèi)部發(fā)育大套的(含泥質(zhì))泥晶灰?guī)r和泥頁巖薄互層的碳酸鹽巖—碎屑巖的層間混積巖與層內(nèi)混積巖(王務(wù)嚴等，1985;朱光有等，2016;張春宇等，2019)。近期有研究指出玉爾吐斯組內(nèi)部穩(wěn)定發(fā)育3組古暴露面，且暴露時間被確定為早成巖階段(金值民等，2020)，說明早成巖期巖溶在陸源碎屑廣泛影響的地層中也可以發(fā)生。然而，前期研究對混積巖系早成巖期巖溶的一般特征還缺少系統(tǒng)總結(jié)，對發(fā)育過程、原因及其與其他類型早成巖期巖溶的異同也認識不足。因此，本研究以塔里木盆地西北部寒武系玉爾吐斯組的3組內(nèi)幕暴露面為研究對象，充分利用露頭和鏡下資料，開展系統(tǒng)描述，重建發(fā)育過程，同時對比與其他早成巖期巖溶作用的異同，以期豐富早成巖巖溶作用研究內(nèi)涵，為儲集層形成演化和早成巖期巖溶儲集層勘探提供更堅實的理論基礎(chǔ)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地位于中國西北部的新疆地區(qū)，是一個大型克拉通盆地(Tuo and Philp，2003)，由新太古界—新元古界變質(zhì)基底及上覆南華系—新生界海-陸相沉積蓋層組成(Xuetal.，2013)。南華紀至震旦紀，塔里木板塊主要位于東岡瓦納超大陸西北緣，與澳大利亞板塊相接，并由北半球中低緯向南漂移(Safonova and Santosh，2014;李江海等，2015)。至早寒武世，塔里木板塊已漂移至赤道附近，并開始從澳大利亞板塊剝離，整個板塊周緣處于張裂環(huán)境，形成了塔里木盆地北緣的陸緣廣海和南緣的陸內(nèi)裂谷格局(李江海等，2015)。

研究區(qū)位于塔里木地臺西北部柯坪斷隆區(qū)，地處阿克蘇—柯坪—烏什三縣交匯處(圖 1-A)，在早寒武世具有被動大陸邊緣盆地特征(管樹巍等，2019)。玉爾吐斯組底部與上埃迪卡拉統(tǒng)奇格布拉克組為平行不整合接觸(何金有等，2010)，部分學者認為其上部與肖爾布拉克組呈整合接觸(熊冉等，2015)(圖 1-C)。玉爾吐斯組內(nèi)部具有典型的混合沉積特征，其底部為1層厚度不大的含硅質(zhì)脈體的顆粒云巖，下部為淺水黑色泥頁巖夾硅質(zhì)巖(硅化顆粒巖)和磷塊巖韻律層，向上發(fā)育層內(nèi)混積巖(云質(zhì)砂巖/砂質(zhì)云巖)；中、上部主要發(fā)育泥晶灰?guī)r—泥頁巖韻律層；頂部為灰白色薄層微晶白云巖、瘤狀灰?guī)r/白云巖夾黃綠色和紫紅色泥頁巖薄層沉積(圖 1-C；圖 2)。

本研究選取了4條出露完整的典型寒武系剖面，分別為肖爾布拉克西溝剖面、蘇蓋特布拉克剖面、烏什磷礦剖面及什艾日克剖面(圖1-B)，并分別進行了細致的研究，相關(guān)剖面的具體出露情況可參見朱光有等(2016)。

為了盡可能詳細了解沉積特征在縱向上的變化，力圖在時間上連貫一致地分析各層的成因和解釋環(huán)境的變化，對露頭樣品進行了以最小巖石地層單元為主的不間斷采樣，并在野外露頭與巖石薄片2個不同的尺度上對巖溶特征進行了分析和解譯。

本研究共采集巖石樣品1000余件，制備并觀察薄片983件，其中薄片均使用茜素紅試劑染色處理，以便于更好地區(qū)分方解石和白云石。薄片觀察分析在中石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室沉積成藏分室完成，觀察重點為區(qū)分巖石中的磨蝕程度、巖石組分、顆粒粒度和溶蝕特征等。

A—塔里木盆地構(gòu)造單元；B—塔里木盆地西北部剖面位置，據(jù)何金有等(2010)修改；C—巖性柱狀圖，簡化自塔里木盆地西北部實際剖面圖 1 塔里木盆地西北部地質(zhì)概況及寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組巖性柱狀圖Fig.1 Geological setting of northwestern Tarim Basin and lithologic column of the Cambrian Terreneuvian Yuertus Formation

圖 2 塔里木盆地西北部寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組4條典型剖面巖性結(jié)構(gòu)柱及暴露旋回橫向?qū)Ρ菷ig.2 Lithologic columns of four sections and their exposed cycles lateral correlation of the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in northwestern Tarim Basin

3 混積巖發(fā)育特征

3.1 混積巖類型及宏觀產(chǎn)狀

混積巖是由陸源碎屑和碳酸鹽2種組分的混合沉積作用所形成(Mount，1984)，理想的巖石類型包括： (1)層內(nèi)混積巖(碳酸鹽和陸源碎屑2種不同組分的原地相互混雜所形成的巖石)、(2)層間混積巖(由陸源碎屑與碳酸鹽組分在空間上構(gòu)成交替互層或夾層)，以上2種類型在玉爾吐斯組內(nèi)部均普遍發(fā)育(Zonneveldetal.，2012)。

層內(nèi)混積巖見于玉爾吐斯組下部，通常發(fā)育于硅質(zhì)巖—泥頁巖薄韻律互層之上，往往呈米級灘壩狀展布，橫向延伸較好。厘米級旋回主要呈2種形式產(chǎn)出： (1)呈薄—中層狀(圖 3-A)，自下而上陸源碎屑逐漸減少，碳酸鹽含量逐漸增多，往往于頂部發(fā)育浪成交錯層理，并具逆粒序特征(金值民等，2020)；(2)呈厚層狀(圖 3-B)，巖石表面較為致密，頂部可見2～5icm厚的鐵質(zhì)結(jié)殼層，橫向延伸穩(wěn)定。層間混積巖主要發(fā)育于玉爾吐斯組中上部，厚度約占玉爾吐斯組地層厚度的，主要為泥晶灰?guī)r—泥頁巖的薄韻律互層(圖 3-C)，個別剖面由于硅化作用而以硅質(zhì)巖—泥頁巖薄韻律互層的形式產(chǎn)出(如什艾日克剖面)(金值民等，2020)，巖性整體較為致密，部分灰?guī)r薄層中可見少量生屑顆粒(張敏等，2016)。

A—層內(nèi)混積巖，自下而上發(fā)育云質(zhì)砂巖—砂質(zhì)云巖—晶粒云巖的混積垂向序列，蘇蓋特布拉克剖面；B—層內(nèi)混積巖，厚層狀，肖爾布拉克西溝剖面；C—層間混積巖，泥晶灰?guī)r—泥頁巖薄韻律互層發(fā)育，什艾日克剖面圖 3 塔里木盆地西北部寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組混積巖宏觀特征Fig.3 Macroscopic characteristics of mixed rocks from the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in northwestern Tarim Basin

3.2 層內(nèi)混積巖類型及特征

根據(jù)研究區(qū)混積巖實際發(fā)育情況，其分類命名以Mount(1985)的方案為基礎(chǔ)，參考董桂玉等(2007)提出的陸源碎屑和碳酸鹽兩端元分類方案命名，可分為5種巖石類型。具體特征如下：

1)砂質(zhì)云巖。砂質(zhì)云巖產(chǎn)出于混積巖序列的上部(圖 2)，其中白云石和陸源碎屑顆粒相互混雜，白云石呈微亮晶和晶粒狀分布，泥粉晶白云石為主，含量 55%～75%。陸源碎屑含量以石英顆粒為主，含量25%～40%，粒徑0.01～0.2imm，分選、磨圓較差(圖 4-A，4-B)。

2)云質(zhì)砂巖。該類型主要產(chǎn)出于混積巖序列的下部(圖 2)，巖石中陸源碎屑含量較高，主要為粉—細砂級石英顆粒，亦可見少量碎屑巖巖屑和泥質(zhì)，石英含量60%～70%，粒徑 0.01～0.2imm，分選差，呈次圓—次棱角狀。白云石含量約25%～30%，多呈不規(guī)則晶粒狀分布(圖 4-C，4-D)。

3)云質(zhì)巖屑砂巖。云質(zhì)巖屑砂巖往往與云質(zhì)砂巖相鄰或混雜堆積(圖 2)，巖石中除石英顆粒外，還含有較多巖屑顆粒、自生海綠石、磷灰石顆粒及泥質(zhì)等，成分相對復雜。鏡下可見具明顯解理的白云石晶粒發(fā)育，白云石含量25%～30%(圖 4-E，4-F)。

4)混積角礫巖?；旆e角礫巖主要產(chǎn)出于混積巖序列頂部(圖 2)，垂向上自下而上分別為云質(zhì)砂巖/云質(zhì)巖屑砂巖、砂質(zhì)云巖和混積角礫巖，整體呈陸源碎屑逐漸減少、碳酸鹽逐漸增多的趨勢。其中組成角礫的主要礦物為石英、巖屑、長石等陸源碎屑，角礫間充填滲流物質(zhì)、鐵質(zhì)及粒狀白云石膠結(jié)(圖 4-G，4-H)。角礫磨圓、分選一般，粒徑為0.5～2icm，少數(shù)角礫粒徑可達2.5icm。

5)砂質(zhì)泥晶灰?guī)r。砂質(zhì)泥晶灰?guī)r發(fā)育頻次較低，僅見于部分砂質(zhì)云巖與泥晶灰?guī)r的過渡層位(圖 2)。其中方解石和陸源碎屑顆粒相互混雜，方解石呈泥晶級別，含量為55%～75%，偶見少量裂縫發(fā)育。石英、巖屑等陸源碎屑顆粒含量占30%～45%，分選磨圓較差，粒徑為 0.1～0.25imm(圖 4-I)。

A，B—砂質(zhì)云巖，陸源碎屑主要為石英顆粒，什艾日克剖面(A單偏光；B正交偏光)；C，D—云質(zhì)砂巖，陸源碎屑以石英顆粒為主，見少量巖屑顆粒，蘇蓋特布拉克剖面(C單偏光；D正交偏光)；E，F(xiàn)—云質(zhì)巖屑砂巖，見石英、巖屑、磷灰石及自生海綠石發(fā)育，蘇蓋特布拉克剖面(E單偏光；F正交偏光)；G，H—混積角礫巖，角礫分呈次棱角狀，角礫間可見粒狀白云石膠結(jié)，肖爾布拉克西溝剖面 (G單偏光；H正交偏光)；I—砂質(zhì)泥晶灰?guī)r，肖爾布拉克西溝剖面，正交偏光(粉色為方解石脈體)圖 4 塔里木盆地西北部寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組層內(nèi)混積巖微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of interlaminated mixed rocks of the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in northwestern Tarim Basin

A—鐵質(zhì)結(jié)殼層與近地表角礫，肖爾布拉克西溝剖面；B—巖溶角礫巖，成分為云質(zhì)砂巖，角礫間被白云石和鐵質(zhì)礦物膠結(jié)，肖爾布拉克西溝剖面，單偏光；C—沉積超覆特征，可見泥晶灰?guī)r、泥頁巖薄互層上超于暴露面之上，常側(cè)向終止于暴露面的相對坡折處，肖爾布拉克西溝剖面；D—塑性角礫及囊狀溶洞發(fā)育，烏什磷礦剖面；E—膠磷礦、白云石、陸源碎屑等混合充填小型溶溝、溶洞；F—混積巖上部逐漸相變?yōu)檩^純的碳酸鹽巖，發(fā)育小型溶溝(紅線勾勒處)，蘇蓋特布拉克剖面；G—殘余顆粒云巖，粒內(nèi)溶孔發(fā)育，蘇蓋特布拉克剖面，單偏光；H—混積巖上部逐漸相變?yōu)檩^純的碳酸鹽巖，頂部見鐵質(zhì)結(jié)殼層，蘇蓋特布拉克剖面；I—細晶云巖，可見沿優(yōu)勢巖溶流體管道切割的假角礫化；可見溶縫和晶粒間的滲流物，蘇蓋特布拉克剖面，單偏光；J—巖溶角礫巖，角礫間充填碳酸鹽滲流粉砂，肖爾布拉克西溝剖面，單偏光； K—巖溶角礫巖，烏什磷礦剖面；L—溶溝充填不溶滲流粉砂及陸源碎屑等，什艾日克剖面圖 5 塔里木盆地西北部寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組典型巖溶宏微觀特征Fig.5 Typical karst macro- and microscopic characteristics of the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in northwestern Tarim Basin

A—第1旋回巖溶垂向序列宏觀特征，什艾日克剖面；B—示暴露面之上的下一旋回初始海侵形成的灰綠色泥巖、近地表角礫巖和囊狀溶洞，其中近水平溶縫為下一旋回海侵初期的灰綠色泥質(zhì)充填、囊狀溶洞為方解石充填；C—囊狀溶洞，為巨晶方解石和滲流赤鐵礦充填；D—近地表角礫巖和近原地角礫巖；E—近地表角礫巖，角礫包含下一次初始海侵的灰綠色泥質(zhì)角礫，其下的近水平狀溶縫為紫紅色泥質(zhì)充填；F—近原地角礫，角礫為優(yōu)勢巖溶管道切割的假角礫化。B～F為圖A現(xiàn)象的局部放大。照片中： a灰綠色泥巖；b溶縫中的灰綠色泥質(zhì)充填物；c囊狀溶洞中的方解石；d近水平狀溶洞中的巨晶方解石；e近水平狀溶洞中的赤鐵礦；f近地表角礫巖， 角礫成分包括灰綠色泥質(zhì)角礫；g近原地角礫化圖 6 塔里木盆地西北部什艾日克剖面寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組典型第1旋回巖溶垂向序列(據(jù)金值民等，2020)Fig.6 Karst vertical sequence of the first typical cycle of the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in Shiairk section in northwestern Tarim Basin(from Jin et al.，2020)

A—第2旋回巖溶垂向序列宏觀特征，什艾日克剖面；B—暴露面之上的下一旋回初始海侵形成的黑色泥巖、近地表角礫巖；C—近原地角礫和囊狀溶洞，角礫為優(yōu)勢巖溶管道切割的假角礫化；D—囊狀溶洞內(nèi)充填方解石和碳酸鹽巖砂。B～D為圖A現(xiàn)象的局部放大。照片中： a黑色泥巖；b角礫巖與風化殘余的赤鐵礦形成的鐵質(zhì)結(jié)殼；c囊狀溶洞中的方解石圖 7 塔里木盆地西北部什艾日克剖面寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組典型第2旋回巖溶垂向序列Fig.7 Typical karst vertical sequence of the second typical cycle of the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in Shiairk section in northwestern Tarim Basin

4 混積巖早成巖期巖溶特征

4.1 暴露面宏微觀特征

1)鐵質(zhì)結(jié)殼層與近地表喀斯特(塑性)角礫。鐵質(zhì)結(jié)殼層常見于混積顆粒巖頂部，呈2～5icm厚的薄層狀展布，橫向延伸較好(圖 5-A)。與風化殘余鐵結(jié)殼伴生的近地表角礫成分為云質(zhì)細砂巖(圖 5-B)，主要呈團塊狀，被鐵質(zhì)浸染顏色呈銹紅色—褐紅色，大小為2～20imm，分選、磨圓較差，且具一定的定向特征。混積巖側(cè)翼可見明顯的海侵沉積漸次超覆暴露面的現(xiàn)象(圖 5-C)。

2)溶溝、溶縫及囊狀溶洞。該類溶蝕特征往往發(fā)育于混積巖和晶粒云巖中，在泥晶灰?guī)r中較為少見。宏觀上，較大的溶溝、溶洞等往往被巖溶角礫和碳酸鹽泥砂、砂質(zhì)碎屑等充填，如在烏什磷礦剖面可見小規(guī)模的塑性角礫巖沉積，角礫呈塊狀或長條狀，大小為5～30icm；溶洞一般在不整合面附近呈順層狀分布，可見囊狀溶洞被膠磷礦、碳酸鹽巖砂及石英巖屑等充填或半充填(圖 5-D，5-E)。微觀上，重結(jié)晶較為嚴重的顆粒巖中發(fā)育大量粒間溶孔(圖 5-F，5-G)，受巖溶作用的影響，優(yōu)勢巖溶管道附近晶粒明顯變細，且晶粒間溶孔多為碳酸鹽巖滲流粉砂充填(圖 5-H，5-I)。

3)溶溝、溶洞內(nèi)的角礫、陸源碎屑充填物。剖面中巖溶產(chǎn)物多以化學溶蝕為主，溶溝、溶洞內(nèi)往往被近源溶蝕垮塌的角礫巖及陸源碎屑完全充填。角礫多為毫米級甚至分米級(圖 5-D，5-J，5-K)，鏡下所見的角礫多為角礫邊緣一部分，磨圓一般，表明其物理搬運作用較弱。角礫間充填滲濾成因的微晶基質(zhì)、泥質(zhì)或有機質(zhì)(圖 5-J)，亦可見亮晶粒狀白云石、鐵泥質(zhì)等膠結(jié)組構(gòu)(圖 5-B，5-K)。以石英顆粒為主的陸源碎屑混雜角礫在溶溝、溶洞內(nèi)零散分布(圖 5-K，5-L)。值得注意的是，在玉爾吐斯組第一旋回沉積了較多的膠磷礦，受溶蝕充填作用的影響，大量的膠磷礦伴隨陸源碎屑、碳酸鹽膠結(jié)物等充填于溶溝、溶洞內(nèi)部(圖 5-E)。

4.2 縱向巖溶序列和橫向空間配置

根據(jù)玉爾吐斯組內(nèi)幕所發(fā)現(xiàn)的典型巖溶特征，可將玉爾吐斯組縱向上劃分出3個內(nèi)幕暴露面，暴露面發(fā)育位置如 圖 2 所示。以巖溶特征最為典型的什艾日克剖面為例，根據(jù)野外宏觀巖溶特征的精細描述與分析，構(gòu)建了3個典型旋回的巖溶縱向序列(圖 6，圖 7，圖 8)。

1)第1旋回巖溶縱向序列。暴露面宏觀特征如圖 6-A所示。暴露面之上為下一旋回海侵初期的灰綠色泥頁巖(圖 6-A，6-B，6-E)；其下為暴露面和近地表角礫巖，角礫巖與風化殘余的赤鐵礦形成鐵質(zhì)結(jié)殼(圖 6-B，6-D，6-E)；近地表角礫巖之下為灰綠色泥質(zhì)充填的近水平狀溶縫和為方解石充填的囊狀溶洞，向下變?yōu)閮?yōu)勢巖溶管道切割的近原地角礫(圖 6-F)；中部及中下部為巨晶方解石充填的囊狀溶洞(圖 6-A，6-C)，并見滲流的赤鐵礦充填(圖 6-C)。

2)第2旋回巖溶縱向序列。暴露面宏觀特征如圖 7-A所示。暴露面之上可見下一旋回海侵初期的灰綠色泥頁巖，因風化表面呈土黃色(圖 7-A，7-B)；其下部的角礫巖與風化殘余的赤鐵礦形成鐵質(zhì)結(jié)殼(圖 7-B)，角礫成分以碳酸鹽巖為主，分選、磨圓較差，為近源沉積，角礫間充填鐵、泥質(zhì)的碳酸鹽巖。暴露面下部發(fā)育優(yōu)勢巖溶管道切割的近原地角礫和囊狀溶洞(圖 7-C)，溶洞直徑約5～7icm，長軸多呈順層展布，指示了近地表成巖環(huán)境下大氣淡水潛流帶的非組構(gòu)性溶蝕特征，溶洞內(nèi)部可見方解石和碳酸鹽巖砂充填(圖 7-D)。

3)第3旋回巖溶縱向序列。玉爾吐斯組頂部晶粒云巖與肖爾布拉克組底部灰黑色含三葉蟲藻云巖因顏色差異而較好區(qū)分。暴露面宏觀特征如圖 8-A所示，不整合面介于玉爾吐斯組頂部與肖爾布拉克組底部紫紅色極薄層泥巖之間；不整合面之下可見溶溝、溶洞及近地表角礫發(fā)育，溶溝、溶洞呈垂向溶蝕與水平層狀溶蝕交織發(fā)育的特征，巖溶充填物較為雜亂和離散，溶蝕邊界較為模糊，亦可見上覆紫紅色泥巖沿高角度溶溝下灌至下覆地層(圖 8-B)。近地表角礫發(fā)育于暴露面上部，常充填于近水平狀展布的溶洞內(nèi)部(圖 8-C)，與之伴生的還有外來或原地離解的碳酸鹽巖砂、生屑碎片和碳質(zhì)泥混合充填物；礫石分選、磨圓較差，并具有一定的定向性特征。

A—第3旋回巖溶垂向序列宏觀特征，什艾日克剖面；B—紫紅色泥巖沿溶溝灌入下覆巖溶系統(tǒng)；C—近地表角礫巖。B、C為圖A現(xiàn)象的局部放大。照片中： a暴露面之上紫紅色泥巖；b溶縫中的紫紅色泥質(zhì)充填物；c近地表角礫圖 8 塔里木盆地西北部什艾日克剖面寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組典型第3旋回巖溶垂向序列Fig.8 Typical karst vertical sequence of the third typical cycle of the Cambrian Terreneuvian Yurtus Formation in Shiairk section in northwestern Tarim Basin

通過什艾日克剖面—肖爾布拉克西溝剖面—蘇蓋特布拉克剖面—烏什磷礦剖面玉爾吐斯組巖溶旋回橫向?qū)Ρ蕊@示，研究區(qū)烏什磷礦剖面玉爾吐斯組缺失第1旋回暴露面，第1、2旋回自東向西地層逐漸減薄，整體呈向西超覆特征，而第3旋回地層厚度整體趨于平穩(wěn)。巖溶特征主要發(fā)育于各旋回頂部，具有多層順層溶蝕特征。層狀溶蝕規(guī)模似乎與下覆混積巖厚度也具有一定相關(guān)性，即泥晶灰?guī)r—泥頁巖韻律或硅化灰/云巖—泥頁巖韻律發(fā)育較厚的剖面，其上覆巖溶發(fā)育層段則相對較薄，巖溶規(guī)模較?。环粗?，巖溶規(guī)模則相對較大(如什艾日克第三旋回整段均可見巖溶特征)。

5 討論

5.1 玉爾吐斯組等時地層對比及地層解釋

研究區(qū)玉爾吐斯組整體發(fā)育于海侵背景，但由前述暴露面的發(fā)現(xiàn)可知玉爾吐斯組沉積期先后經(jīng)歷了3次顯著的海侵和海退過程，即各旋回下部以海侵期形成的局限淺水沉積為主，各旋回上部則以海退期間較高能的淺水沉積、早期暴露發(fā)育為特征。同時，相對海平面升降、陸源輸入和水體動力變化等也決定了研究區(qū)玉爾吐斯組旋回內(nèi)部由分散的混積形式(層間混積)向集中混積形式(層內(nèi)混積)轉(zhuǎn)變的演化過程。以往的研究顯示，海相混積巖常發(fā)育于濱海(Davisetal.，2003)、淺海陸棚(Coffey and Read，2004)、深海斜坡(Tcherepanovetal.，2008)等沉積環(huán)境。其中，近岸環(huán)境中地貌高地發(fā)育的混積巖往往容易遭受暴露。受短周期氣候變化、相對海平面變化及古地貌地勢的影響，研究區(qū)各旋回具有明顯的沉積差異。

其中，第1旋回海侵序列以發(fā)育硅質(zhì)巖與泥頁巖的薄層韻律為主；由于奇格布拉克組頂部的喀斯特溶蝕，使得不同剖面的微地貌存在明顯差異，部分剖面古地勢相對較高，發(fā)育海侵初期高能沉積(如肖爾布拉克西溝剖面、什艾日克剖面)，而蘇蓋特布拉克剖面和烏什磷礦剖面則缺失了這段高能沉積。海退序列以發(fā)育層內(nèi)混積巖為特征，呈現(xiàn)出云質(zhì)砂巖—砂質(zhì)云巖—殘余顆?；糜熬ЯＴ茙r的垂向相變(金值民等，2020)，并于混積序列頂部遭受準同生期暴露，溶蝕程度自上而下逐漸減弱。

第2旋回海侵階段，隨著海平面相對快速上升，此時碳酸鹽的沉積速率明顯低于可容空間的增長速率，水體性質(zhì)不太適合碳酸鹽的大量產(chǎn)生，局部地區(qū)的細粒碳酸鹽沉積物疊置在較淺水地區(qū)陸源碎屑細粒沉積物之上，構(gòu)成較高頻的層間混合沉積和層內(nèi)混合沉積(圖 3-C)。值得注意的是，第2旋回海侵末期，發(fā)育泥晶灰?guī)r—泥頁巖韻律的剖面垂向上可見泥巖段逐漸變薄、碳酸鹽巖變厚的趨勢(圖 3-C)，部分碳酸鹽巖宏觀上具逆粒序特征(金值民等，2020)，表明研究區(qū)沉積水體逐漸變淺、能量向上逐漸增強的趨勢轉(zhuǎn)變。暴露特征則發(fā)育于海退序列頂部的混積巖中，但溶蝕程度較第1旋回有所減弱。

第3旋回海侵階段，海平面繼續(xù)上升，陸源碎屑注入量大大減少，僅局部地區(qū)出現(xiàn)少量層間混積巖。在什艾日克剖面與肖爾布拉克西溝剖面的海退序列上部仍可見一些地貌高地發(fā)育巖溶組構(gòu)的層內(nèi)混積巖，而其他剖面則多以粉細晶云巖的潮坪相沉積為主，沉積層序具有向上變淺的特征，并且也可見暴露特征： 如不整合面發(fā)育，不整合面附近可見巖溶角礫、溶溝、溶洞等；其間所夾的極薄層泥巖因處氧化環(huán)境常呈紅、暗紫等氧化色(圖 8-B)。

值得注意的是，在烏什磷礦剖面僅發(fā)育2個暴露面，綜合地層厚度和野外所識別的超覆特征(圖 5-C)，認為烏什磷礦缺失了第1旋回的暴露面。由于其旋回內(nèi)部的巖性特征均可與其他3個剖面對比，因而認為烏什磷礦剖面早期可能發(fā)育于地勢相對較低且更為近陸的環(huán)境中，由于早期海侵水體相對較淺，導致烏什磷礦剖面第1旋回未能沉積所致。

5.2 玉爾吐斯組早成巖期巖溶作用過程重建

研究顯示，巖石的先期滲濾條件，如基質(zhì)、裂縫、管道狀的洞穴、非管道狀洞穴等都在早成巖期巖溶的水文學中起作用(Florea and Vacher，2007)。從外在控制因素看，玉爾吐斯組的早成巖期巖溶與海平面的相對下降有關(guān)，其根本原因可能是不同區(qū)域的古地貌差異和早期區(qū)域構(gòu)造運動(金值民等，2020)；而從內(nèi)在控制因素而言，玉爾吐斯組巖性以層內(nèi)混積巖暴露為主，巖性相對致密，早期流體通道則以基質(zhì)微孔為主(圖 9-a)。混積巖主要由碳酸鹽、石英、長石等陸源碎屑組成，且自下而上呈碳酸鹽增多、陸源碎屑減少的趨勢。混積巖早期易溶成分主要包括黏土、長石、碳酸鹽巖巖屑和碳酸鹽膠結(jié)物等(圖 9-b；表 1)，在大氣淡水(霧、雨、雪等)及混合水作用下，巖溶流體會沿著基質(zhì)微孔在混積巖中流動。某些情況下，巖溶水也會使得早期膠結(jié)物溶解并釋放出砂粒，這些砂粒隨后會被流動的巖溶水運移，使得原始的流體通道變大，短暫增加混積巖的孔隙度(圖 9)；但巖溶水同樣會使得陸源碎屑搬運至早期溶蝕孔洞當中(圖 9-c)，表現(xiàn)出溶溝、溶洞陸源碎屑充填程度較高的特征(表 1)；隨后的中—深埋藏階段，主要為粗晶碳酸鹽膠結(jié)作用(圖 6-C；圖 9-d)，對于孔隙主要起破壞作用。

Q—石英；F—長石；R—巖屑；藍色部分為溶蝕孔隙；圖c黑色部分為陸源碎屑、滲流粉砂充填特征；圖d灰色部分為后期粗晶碳酸 鹽膠結(jié)及陸源碎屑充填特征圖 9 混積巖成巖與孔隙演化示意圖Fig.9 Evolution of diagenesis and porosity of mixed rocks

有研究表明，方解石和白云石的溶解速率比硅酸鹽礦物高得多(圖 10)，這表明在混積巖含水層中，碳酸鹽的溶蝕作用比硅酸鹽的溶蝕作用更強，因而混積巖巖溶程度自上而下逐漸減弱。但是，不同巖性的溶質(zhì)濃度之間的差異較小(Shandetal.，2007;Toccalinoetal.，2010)，表明硅酸鹽礦物的低溶解速率并不會阻止在硅酸鹽含水層中發(fā)生實質(zhì)性溶解，如克拉通石英巖經(jīng)過數(shù)百萬年穩(wěn)定溶蝕形成大量洞穴(Aubrechtetal.，2011)。同時，在較低的pH值下(圖 10)，這些常見巖石礦物的溶解度會明顯提高(Berner and Berner，2012)，從而最終導致巖溶流體的深層滲透。

早成巖期喀斯特發(fā)生的成巖階段可從同沉積期至淺埋藏期后暴露不等(譚秀成等，2015)。低能環(huán)境中沉積的細粒泥晶灰?guī)r、泥頁巖等在沉積初期具有較高的原始孔隙度；但經(jīng)歷淺埋藏早期的初期壓實和膠結(jié)作用而致密化，孔隙難以保留(Tanetal.，2011)；加之底層海水侵沒帶并未遭受暴露，水體相對靜止，由于海水對其已過飽和，因而在層間混積巖中以膠結(jié)作用為主且不發(fā)生巖溶作用。因此，從一定意義上講，海侵階段沉積的層間混積巖構(gòu)成了致密的隔水層，將導致巖溶水只能在其上部的地層中沿優(yōu)勢巖溶管道流動，因而使得在基質(zhì)微孔為流體通道的相對致密的混積巖中，其很難發(fā)育大規(guī)模的溶蝕特征，且往往表現(xiàn)出混積巖潛流帶欠發(fā)育的特征(表 1)。

線條將巖石與巖石中含量大于5%的礦物相連接，溶解速率引自Morse and Arvidson(2002)和Brantley et al.(2008)；滲透率引自 Gleeson et al.(2011)，有修改圖 10 主要成巖礦物的溶解速率與主要巖石類型滲透率的關(guān)系(據(jù)Worthington et al.，2016)Fig.10 Correlation between dissolution rates of major rock-forming minerals with permeability of major rock types(after Worthington et al.，2016)

表 1 不同宿主巖石早成巖期巖溶異同Table1 Similarities and differences of karst in the early petrogenetic stage of different host rocks

5.3 混積巖早成巖期巖溶與其他早成巖期巖溶的異同

碳酸鹽巖早成巖期巖溶根據(jù)按宿主巖石類型，可劃分為灰?guī)r巖溶、白云巖巖溶及混積巖巖溶(表 1)。結(jié)合以往研究表明，這3類巖石在早成巖期巖溶作用下均可發(fā)育鐵質(zhì)結(jié)殼、小型溶洞、溶溝等特征。同時，其早成巖期巖溶均具有明顯的組構(gòu)選擇性溶蝕特征，即： 當弱固結(jié)的巖石為純碳酸鹽巖時，巖溶會優(yōu)先作用于生物、鮞粒等亞穩(wěn)定型碳酸鈣成分顆?；驕释谠苹纬傻奶妓徭V鈣礦物；而混積巖則會優(yōu)先溶蝕其中的黏土礦物、長石、碳酸鹽巖屑和碳酸鹽巖膠結(jié)物等。另外，已報道的早成巖期巖溶垂向分帶主要受控于地理環(huán)境，不同巖性的早成巖期暴露均表現(xiàn)出類似的分帶特征(肖笛等，2015;Xiongetal.，2019;Zhongetal.，2019)，因而三者垂向分帶也大致相同，但混積巖的潛流帶發(fā)育程度往往較差。

不同的巖石類型對微觀的溶蝕作用具有一定控制作用(Worthingtonetal.，2016)，這取決于宿主巖石的巖性、溶蝕流體通道，并最終導致巖溶結(jié)果的不同。相較于灰?guī)r和白云巖，研究區(qū)混積巖整體較為致密，并不發(fā)育灰?guī)r、云巖中常見的粒間孔結(jié)構(gòu)，常見的優(yōu)勢流體通道以基質(zhì)微孔為主(圖 9)。因而，混積巖巖溶難以發(fā)育較大規(guī)模的層狀溶洞。由于混積巖中含有較多的陸源碎屑，巖溶系統(tǒng)充填程度較高(陸源和近源充填)，繼而使得溶洞等難以保留，表現(xiàn)為溶孔、溶洞發(fā)育和保存都相對較差的特征。另外，在以往相對高孔滲的灰?guī)r、云巖的早成巖巖溶案例中(金值民等，2018;Xiongetal.，2019；Zhongetal.，2019)，均可見大量發(fā)育的花斑狀溶蝕和近原地角礫化特征，并往往會形成大型的洞穴系統(tǒng)。然而，本次研究的混積巖中，未見孔滲層的花斑狀巖溶，且近原地角礫化規(guī)模也較小，呈欠發(fā)育特征；此外，混積巖中由于含有較多陸源碎屑，因而在其巖溶充填物中亦可見大量陸源碎屑物質(zhì)，相較于灰?guī)r、云巖以碳酸鹽巖滲流粉砂為主的巖溶充填物而言，混積巖的充填物成分也更為復雜。因而綜合認為三者早成巖期巖溶結(jié)構(gòu)的不同主要受流體疏導體系差異的控制。

5.4 地質(zhì)意義

毫無爭議的是在烏什—柯坪—阿克蘇地區(qū)寒武系代表的塔里木盆地廣大淺水相區(qū)，寒武系底部玉爾吐斯組與下伏埃迪卡拉系奇格布拉克組之間存在分布廣泛的不整合面(何金有等，2010)，二者為平行不整合接觸，且該不整合之上薄層含磷硅質(zhì)層段發(fā)現(xiàn)有寒武系底部幸運階的小殼化石和疑源類化石(Yaoetal.，2005)，但對于玉爾吐斯組內(nèi)部及與頂部地層的接觸關(guān)系認識仍待加強。本次研究根據(jù)位于玉爾吐斯組頂部暴露面對玉爾吐斯組與肖爾布拉克組二者接觸關(guān)系進行了重新厘定，即玉爾吐斯組頂部晶粒云巖與肖爾布拉克組灰—黑色含三葉蟲灰?guī)r呈不整合接觸(圖 2)。宏觀上，可見肖爾布拉克組海侵初期所形成的紫紅色泥巖向下灌入玉爾吐斯組頂部的巖溶系統(tǒng)中(圖 6-B)。過去的研究中，眾多學者往往延用前人的觀點(周志毅等，2001)，將玉爾吐斯組視為一套連續(xù)沉積的地層，根據(jù)巖相差異將玉爾吐斯組簡單劃分為“兩段”，即自下而上分為黑色含磷硅質(zhì)巖—泥頁巖段及碳酸鹽巖段。然而，根據(jù)本次研究所識別的多旋回早成巖期巖溶特征，發(fā)現(xiàn)玉爾吐斯組內(nèi)幕存在3組可橫向?qū)Ρ鹊脑绯蓭r期暴露面，據(jù)此可將研究區(qū)玉爾吐斯組劃分為3個暴露旋回(圖 2)，此劃分方案對于玉爾吐斯組的古地貌恢復、沉積相對比、識別烴源巖橫向展布特征等均具有重要意義(金值民等，2020)。

古巖溶作用廣泛存在于現(xiàn)今的深層—超深層儲集層中(馬永生等，2011)，有研究顯示四川盆地燈影組、龍王廟組、雷口坡組碳酸鹽巖孔洞儲集層的形成以及塔里木盆地內(nèi)幕區(qū)奧陶系內(nèi)多期短暫暴露面下孔洞儲集層的形成可能均與早成巖巖溶有關(guān)(金民東等，2014;淡永等，2015;張恒等，2016)，早成巖期巖溶作用對于儲集層的改善和后期儲集層的建設(shè)均具有重要作用。然而，本次研究所發(fā)現(xiàn)的混積巖由于其較為致密，以基質(zhì)微孔為主，巖溶充填程度較高，孔滲層的花斑狀巖溶和近原地角礫化欠發(fā)育等原因，并未形成孔隙型儲集層。這很大程度說明不管暴露時間，相控孔洞層的形成仍受控于先期孔滲結(jié)構(gòu)，開放體系的暴露巖溶都是受先期孔滲層控制，孔滲層決定是否能形成孔隙型或孔洞型儲集層，而埋藏改造條件不可能把致密化的原巖改造為孔隙型儲集層或孔洞型儲集層。實例表明不管是暴露巖溶，還是埋藏巖溶，改造后能否形成孔隙型儲集層的關(guān)鍵是先期的儲集空間類型和特征。

6 結(jié)論

1)塔里木盆地西北部寒武系紐芬蘭統(tǒng)玉爾吐斯組具備典型的淺水海相混合沉積背景，發(fā)育層內(nèi)混積和層間混積2類混積巖(硅質(zhì)碎屑-碳酸鹽混合沉積)類型。其中，層內(nèi)混積巖主要包括砂質(zhì)云巖、云質(zhì)砂巖、云質(zhì)巖屑砂巖、混積角礫巖和砂質(zhì)泥晶灰?guī)r5種；層間混積巖主要指泥晶灰?guī)r—泥頁巖韻律層和硅化灰?guī)r—泥頁巖韻律層。

2)混積巖巖溶通道以基質(zhì)微孔為主，相較于灰?guī)r、云巖的早成巖期巖溶，具有巖溶充填程度高、孔滲層的花斑狀巖溶和近原地角礫化欠發(fā)育等特征，并綜合認為三者早成巖期巖溶結(jié)構(gòu)的不同主要受流體輸導體系差異的控制。

3)早成巖期暴露巖溶能否對儲集層進行優(yōu)化改造取決于先期孔滲特征，先期致密的混積巖受巖溶改造難以形成相控孔洞型儲集層，暗示在相對封閉的埋藏條件下，單純埋藏溶蝕難以形成相控孔洞型儲集層，而是對先期儲集層面貌的疊合改造。