許欣雨，陳清華，冀東生，崔有維

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油a.新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011；b.長(zhǎng)慶油田分公司 第五采氣廠，西安 710018）

隨著以塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖為代表的巖溶縫洞型油藏勘探開發(fā)的推進(jìn)[1-2]，尤其是順北油田斷溶體油氣藏的發(fā)現(xiàn)[3-4]，對(duì)巖溶溶洞的研究日漸受到重視。溶洞是一種典型的巖溶構(gòu)造，根據(jù)其控制構(gòu)造，可分為斷控型和縫控型2 類[5-8]。中國(guó)最早是由譚周地于1978 年提出地質(zhì)構(gòu)造在巖溶發(fā)育過(guò)程中起主要控制作用，并發(fā)現(xiàn)斷裂帶是巖溶發(fā)育的有利地帶[9]。隨著學(xué)者對(duì)巖溶研究的深入，認(rèn)可了斷裂是巖溶發(fā)育的主控因素之一[5-13]，總結(jié)了斷裂控制巖溶的垂向分層和橫向分帶的特征[10-12]，建立了斷控型巖溶垂向發(fā)育模式[9-10]和演化模式[12-13]。前人研究認(rèn)為，裂縫對(duì)巖溶的主要控制作用是增加碳酸鹽巖與巖溶水的接觸面積，裂縫作為巖溶水運(yùn)移溶蝕的優(yōu)勢(shì)通道，決定巖溶發(fā)育的規(guī)模與方向[14-16]；通過(guò)定性表征裂縫對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用，總結(jié)了裂縫控制的巖溶發(fā)育分布特征，發(fā)現(xiàn)裂縫以及裂縫匯聚部位更容易發(fā)生溶蝕[9，14]，根據(jù)裂縫發(fā)育方向可以預(yù)測(cè)溶洞發(fā)育方向[15]。

本文以湖南慈利龍王洞為例，采用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)溶洞進(jìn)行掃描探測(cè)，精確采集溶洞幾何地質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建溶洞三維模型，并結(jié)合人工探測(cè)，分析該溶洞充填物規(guī)模及其分布規(guī)律、裂縫規(guī)模與分布特征等；探討縫控型溶洞——慈利龍王洞的巖溶發(fā)育特征，總結(jié)裂縫對(duì)巖溶發(fā)育的控制作用，建立了湖南慈利龍王洞巖溶發(fā)育模式。

1 研究區(qū)概況

龍王洞位于湖南省慈利縣江埡鎮(zhèn)，地處澧水支流婁江中游，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均溫度13～18 ℃，年平均降水量1 200～1 800 mm[17]。研究區(qū)位于中揚(yáng)子地臺(tái)湘鄂西褶皺帶桑植—石門復(fù)向斜，北接宜都—鶴峰背斜帶，南以慈利—保靖斷裂帶為界[18-19]。桑植—石門復(fù)向斜呈北東東—南西西向展布，由多個(gè)次級(jí)褶皺組成，自西向東依次為涼水口向斜、二戶溪背斜、桑植—官地坪向斜、人潮溪背斜、桑植—望月坪向斜、木耳山—向家溪背斜、尤潭灣向斜、莊塌背斜和三官寺向斜（又名江埡向斜[20]）。由古生界到三疊系組成，被白堊系不整合掩蓋（圖1）。其中，三官寺向斜呈北東東—南西西向展布，西北翼地層傾角為30°～45°，東南翼為10°～20°。三官寺向斜自下而上發(fā)育志留系、泥盆系、二疊系和三疊系，缺失上志留統(tǒng)和下泥盆統(tǒng)，志留系和泥盆系呈角度不整合接觸（圖2）。向斜核部為中三疊統(tǒng)嘉陵江組和巴東組，嘉陵江組上部為厚層白云巖夾灰?guī)r，中部為中層灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r，下部為白云巖；巴東組主要是紫紅色泥質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)灰?guī)r。慈利龍王洞位于三官寺向斜東南翼，發(fā)育于中三疊統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r中。

2 研究方法

2.1 人工測(cè)量與描述

主要使用高精度地質(zhì)羅盤（哈光DQL-8）、高精度紅外線激光測(cè)距儀（VCHON100S）、GPS 測(cè)量?jī)x（UniStrong G120）、米尺、相機(jī)等工具，針對(duì)慈利龍王洞開展人工測(cè)量，收集該洞相關(guān)幾何參數(shù)（洞長(zhǎng)、洞寬和洞高）、溶蝕裂縫產(chǎn)狀（走向）及影像資料（表1）。

表1 慈利龍王洞測(cè)點(diǎn)溶間及裂縫參數(shù)Table 1.Parameters of measuring points in Cili Longwang Cave

2.2 三維激光掃描

高速三維激光掃描儀（FARO?Laser Scanner FocusS）工作原理是將紅外線激光束射到旋轉(zhuǎn)光學(xué)鏡的中心，將周圍掃描對(duì)象的散射光反射回掃描儀，獲取點(diǎn)數(shù)據(jù)并成像。慈利龍王洞內(nèi)部為規(guī)模較大不規(guī)則結(jié)構(gòu)體，共設(shè)置45個(gè)站點(diǎn)，建立溶洞三維模型（圖3），實(shí)現(xiàn)溶洞空間結(jié)構(gòu)1:1 還原，獲取溶洞規(guī)模大小、構(gòu)造產(chǎn)狀、裂縫數(shù)量以及充填情況等。

3 慈利龍王洞巖溶發(fā)育特征

巖溶發(fā)育具有不均一性[10，21]，即巖溶發(fā)育受到各種因素的共同影響，在發(fā)育程度、發(fā)育規(guī)模和空間分布上具有不均一性，這種不均一性使得同一地區(qū)不同位置的巖溶具有不同特點(diǎn)。慈利龍王洞巖溶發(fā)育具有分段性特征，巖溶發(fā)育程度與裂縫發(fā)育程度呈正相關(guān)關(guān)系。

3.1 溶洞特征的分段性

結(jié)合所采集的溶洞幾何參數(shù)（表1），依據(jù)溶洞延伸走向和溶洞規(guī)模的變化，以及充填類型和充填程度的變化，將慈利龍王洞沿暗河流向劃分為西段、中段和東段（圖4），西段為溶洞底—千葉琴（Scan057—Scan038），中段為千葉琴—金花寶塔（Scan037—Scan022），東段為金花寶塔—龍舞廳的末端直至洞口（Scan021—Scan009）。

（1）西段 溶洞走向呈北東東—南西西向，長(zhǎng)度為430.26 m，平均寬度為27.13 m，平均高度為20.80 m，以化學(xué)充填為主，機(jī)械流水沉積充填次之，充填程度較高；石鐘乳大規(guī)模發(fā)育，超大型（長(zhǎng)度大于5.00 m）和超密集（密度不小于1 個(gè)/m2）石鐘乳主要發(fā)育在此段（圖3中切片BB’、CC’和DD’，表2）。

（2）中段 整體呈北北東—南南西向展布，長(zhǎng)度約為210.09 m，平均寬度為15.17 m，平均高度為13.78 m，充填物以垮塌堆積為主，化學(xué)沉積充填次之，充填程度高（圖2中切片EE’和FF’，表2），發(fā)育少量中—小規(guī)模石鐘乳，以長(zhǎng)度小于3.00 m的石鐘乳為主。根據(jù)斷層活動(dòng)走向，中段可分為4 小段，中一段為北東—南西向（Scan037—Scan036），中二段為北西—南東向（Scan035—Scan031），中三段為南北向（Scan030—Scan029），中四段為北東—南西向（Scan028—Scan022）。

（3）東段 走向近東西向，長(zhǎng)度為305.26 m，平均寬度為19.25 m，平均高度為8.91 m，充填物以化學(xué)沉積和機(jī)械流水沉積為主，充填程度較低，發(fā)育數(shù)量中等的中—大型石鐘乳，石鐘乳長(zhǎng)度以1.00～5.00 m 為主（表2）。該段可分為2 小段，東一段為龍舞廳末端—斷柱群（Scan021—Scan016），走向?yàn)楸睎|東—南西西向，以化學(xué)充填為主，發(fā)育數(shù)量較多的石柱、石筍、石鐘乳、壁流石等；東二段為斷柱群到洞口（Scan015—Scan009），走向近東西向，局部仍有地下水匯集，洞口有小股水流流出，石鐘乳規(guī)模較大（圖3 中切片GG’），溶洞底部有大量以砂泥質(zhì)為代表的機(jī)械流水沉積充填。

表2 慈利龍王洞各掃描站點(diǎn)石鐘乳發(fā)育情況Table 2.Development of stalactites at the scanning points in Cili Longwang Cave

龍王洞由西向東地勢(shì)降低，溶洞規(guī)模整體變小，溶洞充填程度與充填物規(guī)模也發(fā)生改變，結(jié)合溶洞走向變化，證實(shí)了溶洞內(nèi)巖溶發(fā)育的不均一性，巖溶發(fā)育特征具有分段性。

3.2 巖溶發(fā)育程度與裂縫發(fā)育具有相關(guān)性

構(gòu)造是巖溶發(fā)育的主要控制因素[5，8-9，14]，巖溶的發(fā)育與斷裂有著不可分割的關(guān)系，斷裂使得碳酸鹽巖等可溶性巖層能夠透水含水，發(fā)生溶蝕，控制巖溶發(fā)育方向和強(qiáng)度。從慈利龍王洞的三維模型和平面圖上可以看出（圖3、圖4），慈利龍王洞是典型縫控型巖溶，受控于北北東—南南西向的裂縫帶，溶洞沿該裂縫帶發(fā)育，溶洞中段轉(zhuǎn)折是由另一條北北西—南南東向的走滑逆斷層所致。其中，西段主要發(fā)育北東東—南西西向、北東—南西向和南北向3 組裂縫，裂縫數(shù)量最多，達(dá)306 條，裂縫密度最大；中段發(fā)育北北—東南南西向、東西向和南北向3 組裂縫，受后期北北西—南南東向走滑逆斷層改造，垮塌充填嚴(yán)重，可測(cè)裂縫有162 條，裂縫密度較?。粬|段發(fā)育北北西—南南東向、北西—南東向和北東—南西向3 組裂縫，裂縫數(shù)量為204條，裂縫密度中等。

慈利龍王洞所在的中三疊統(tǒng)嘉陵江組中部主要為灰?guī)r。溶洞內(nèi)暗河由西向東流經(jīng)，并無(wú)支流；垂向上沒(méi)有分層，是單層溶洞，溶蝕環(huán)境較為簡(jiǎn)單。洞內(nèi)裂縫規(guī)模相差較小，裂縫長(zhǎng)度大多在3.00 m 以下，洞內(nèi)差異溶蝕主要受控于裂縫密度，當(dāng)裂縫密度較大時(shí)，巖層滲水能力強(qiáng)，溶蝕速率快，溶洞規(guī)模大。

根據(jù)慈利龍王洞洞內(nèi)發(fā)育溶洞寬度和裂縫密度相關(guān)性分析來(lái)看：裂縫密度較大時(shí)，溶洞寬度較大，即溶洞溶蝕程度較高（圖5）。結(jié)合龍王洞內(nèi)石鐘乳發(fā)育規(guī)模與密集程度統(tǒng)計(jì)分析（表2、圖4），發(fā)現(xiàn)裂縫數(shù)量越多，石鐘乳越發(fā)育，證實(shí)巖溶發(fā)育程度與裂縫發(fā)育具有正相關(guān)性。

4 慈利龍王洞巖溶發(fā)育模式

4.1 巖溶發(fā)育主控因素

控制研究區(qū)巖溶發(fā)育的因素主要為可溶巖、水文和構(gòu)造。其中，可溶巖與水文是大氣淡水巖溶發(fā)育的基本要素，構(gòu)造是大氣淡水巖溶發(fā)育的主控因素[17，22-23]。慈利龍王洞發(fā)育于中三疊統(tǒng)嘉陵江組中部可溶巖灰?guī)r中（圖2），屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，位于澧水支流婁江中游[17]，擁有良好的溶蝕條件。慈利龍王洞發(fā)育在三官寺向斜東南翼，靠近向斜核部，裂縫發(fā)育，為巖溶水提供了優(yōu)勢(shì)通道，是優(yōu)勢(shì)匯水區(qū)。

慈利龍王洞沿北東東—南西西向裂縫帶發(fā)育，是典型的縫控型溶洞。縫控型巖溶是指裂縫帶作為巖溶水流通通道，溶蝕作用強(qiáng)，裂縫帶控制巖溶發(fā)育的延伸方向、形態(tài)和規(guī)模等，這種類型的巖溶通常表現(xiàn)為順層巖溶和切層巖溶，或?yàn)閮烧呓M合型[6，8]。裂縫對(duì)巖溶的控制作用體現(xiàn)在多方面，如裂縫產(chǎn)狀、密度、規(guī)模、性質(zhì)等[5，9，14-16，24-29]。

裂縫的產(chǎn)狀控制巖溶的優(yōu)勢(shì)發(fā)展方向。大氣降水或地下水接觸可溶性巖石表面，通常沿著裂縫延伸方向流動(dòng)并不斷溶蝕，裂縫方向控制水流方向[15-16]，故而控制著溶蝕方向，影響溶洞的空間形態(tài)。慈利龍王洞的發(fā)育方向與洞內(nèi)裂縫走向基本一致，溶洞分段性主要是根據(jù)裂縫走向和溶洞走向劃分。此外，裂縫的傾角也會(huì)影響巖溶的發(fā)育[15]，高角度裂縫有利于大氣降水的滲流，常形成高角度溶縫帶；低角度裂縫雖不利于垂向溶蝕，但有益于巖溶水的長(zhǎng)期賦存和溶蝕，有利于巖溶橫向發(fā)展[24-25]，慈利龍王洞就是沿裂縫帶發(fā)生橫向溶蝕形成。裂縫密度是控制巖溶強(qiáng)度的重要因素，受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、巖石力學(xué)性質(zhì)、巖層厚度等因素影響；在裂縫產(chǎn)狀、延伸長(zhǎng)度和開度相近的情況下，裂縫密度越大，可溶巖的孔隙度和滲透率越大，溶蝕作用越強(qiáng)[6，8，26-27]。不同規(guī)模裂縫對(duì)巖溶的控制作用也不同，通常條件下，規(guī)模較大的裂縫促進(jìn)中—大型巖溶的發(fā)育；反之，小規(guī)模裂縫控制小型巖溶。不同性質(zhì)裂縫的發(fā)育，對(duì)巖溶的控制作用也不盡相同[28-29]。

4.2 巖溶發(fā)育模式

慈利龍王洞西段位于逆斷層上盤，中段位于斷裂帶內(nèi)，東段位于逆斷層下盤。斷裂帶內(nèi)地層破碎，垮塌嚴(yán)重。逆斷層傾向南西西，傾角近80°，斷層斷面上有向北北西傾伏的近水平擦痕，因此是一條走滑逆斷層，斷面產(chǎn)狀為傾向247°，傾角80°。

慈利龍王洞發(fā)育在三官寺向斜南東翼靠近向斜核部（圖2），裂縫十分發(fā)育（圖4）；溶洞整體沿裂縫帶溶蝕發(fā)育，呈北東東—南西西向展布，是典型縫控型溶洞。結(jié)合本文中慈利龍王洞發(fā)育特征及裂縫對(duì)巖溶發(fā)育控制規(guī)律的研究，建立了縫控型溶洞—慈利龍王洞的巖溶發(fā)育模式（圖6），總結(jié)了溶洞發(fā)育的4 個(gè)階段。第一階段：沿三官寺向斜走向，在靠近向斜核部的東南翼附近形成一條北東東—南西西向的裂縫帶（圖6a）。第二階段：巖溶水沿裂縫帶自西向東流經(jīng)，開始發(fā)生溶蝕作用，初始溶洞形成，并伴隨化學(xué)沉積，開始形成鐘乳石類化學(xué)充填物（圖6b）。第三階段：北北西—南南東向走滑逆斷層發(fā)育，錯(cuò)斷初始溶洞，形成初始S 型平面形態(tài)，溶蝕主方向仍沿初始裂縫帶由西向東發(fā)生；在斷裂帶破碎部位因垮塌充填嚴(yán)重，阻礙巖溶水橫向流動(dòng)，巖溶水在中二段匯聚，部分水流繼續(xù)通過(guò)斷裂帶向東流動(dòng)，局部發(fā)生差異溶蝕，中二段的規(guī)模明顯大于中段其他部分；東段沿裂縫分布密集位置優(yōu)先發(fā)生溶蝕，呈現(xiàn)串珠狀特征；因此，西段溶蝕程度高于中段和東段（圖6c）。第四階段：溶洞繼續(xù)發(fā)育，由于溶洞內(nèi)部裂縫發(fā)育數(shù)量和規(guī)模不同，差異溶蝕程度加大，西段溶洞進(jìn)一步擴(kuò)大，東段一系列溶洞擴(kuò)大而逐漸連通成一體，鐘乳石類化學(xué)充填繼續(xù)堆積，西段巖溶作用明顯高于東段；中段繼承上一階段的溶蝕特點(diǎn)，溶蝕作用弱于東段和西段（圖6d）。

5 研究成果對(duì)油氣勘探的意義

以塔河油田TH10421單元的斷溶體為例，在靠近斷層控制的裂縫分布密集區(qū)域優(yōu)先發(fā)生溶蝕作用，形成規(guī)模較大、儲(chǔ)滲能力好的溶洞型儲(chǔ)集體，隨著與斷層距離增大，裂縫密度降低，溶蝕能力減弱，依次形成儲(chǔ)滲能力較好的溶蝕孔洞型和儲(chǔ)滲能力中等的裂縫—孔洞型儲(chǔ)集體[12，30]。慈利龍王洞內(nèi)巖溶發(fā)育程度與裂縫發(fā)育密度呈正相關(guān)，即溶蝕作用優(yōu)先發(fā)生在裂縫密度大的位置，這與塔河油田TH10421單元的斷溶體儲(chǔ)集體發(fā)育分布特征相互對(duì)應(yīng)。

結(jié)合慈利龍王洞巖溶發(fā)育分段性特征和巖溶發(fā)育模式分析，溶洞中段受北北西—南南東向走滑逆斷層影響，斷裂帶內(nèi)地層破碎嚴(yán)重，垮塌充填程度高，溶蝕程度弱于西段和東段，溶洞規(guī)模小于西段和東段，說(shuō)明壓性斷層不利于溶蝕作用的發(fā)生。與順北1 號(hào)斷裂帶形成的斷溶體進(jìn)行對(duì)比[4]，順北1 號(hào)斷裂帶分為拉分段、平移段和壓隆段，拉分段形成的儲(chǔ)集體規(guī)模大且連通性好，而壓隆段內(nèi)次級(jí)逆斷層和裂縫發(fā)育由壓應(yīng)力所控，雖然裂縫密度大，但儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)集體規(guī)模較小。

通過(guò)對(duì)慈利龍王洞發(fā)育特征和發(fā)育模式開展研究，明確了巖溶相關(guān)的儲(chǔ)集體分布特點(diǎn)和發(fā)育規(guī)律，旨在為巖溶縫洞型油氣藏的勘探開發(fā)提供借鑒。

6 結(jié)論

（1）慈利龍王洞發(fā)育具有分段性特征。溶洞劃分為西段、中段和東段。西段為北東東—南西西向展布，以化學(xué)充填為主，充填程度較高，石鐘乳發(fā)育數(shù)量最多，規(guī)模也最大；中段為北北東—南南西向展布，以垮塌充填為主，充填程度高，發(fā)育數(shù)量中等小規(guī)模石鐘乳；東段近東西向展布，以化學(xué)充填和機(jī)械流水沉積充填為主，充填程度較低，發(fā)育中等數(shù)量、中—大型規(guī)模的石鐘乳。

（2）慈利龍王洞內(nèi)巖溶發(fā)育程度與裂縫發(fā)育具有正相關(guān)性，當(dāng)溶洞裂縫密度較大時(shí)，溶洞寬度較大，石鐘乳發(fā)育數(shù)量較多，溶洞溶蝕程度也較高。

（3）慈利龍王洞受控于北東東—南西西向展布的裂縫帶，是典型縫控型溶洞。發(fā)育經(jīng)過(guò)4 個(gè)階段：沿三官寺向斜走向發(fā)育北東東—南西西向裂縫帶；巖溶水沿裂縫帶自西向東流經(jīng)，開始發(fā)生溶蝕作用，初始溶洞形成；初始溶洞被北北西—南南東向走滑逆斷層錯(cuò)斷，局部發(fā)生差異溶蝕，西段溶蝕程度高于中段和東段；溶洞繼續(xù)發(fā)育，差異溶蝕程度加大，西段溶洞進(jìn)一步擴(kuò)大，東段溶洞連成一體，中段繼承上一階段的溶蝕特點(diǎn)，溶蝕作用中段最弱，東段次之，西段最強(qiáng)。