碳酸盐岩裂缝与岩溶的关系分析

【摘 要】岩溶指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如石灰岩、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蚀，有时并加以沉积作用而形成的地貌。往往呈奇特形状，有洞穴、石芽、石沟、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此种地貌地区，往往奇峰林立。通常指岩石裸露、草木不生、具有洞穴、落水洞、地下河而缺乏地表河流和湖泊的地区。是地下水对可溶性块状石灰岩溶蚀的结果。

【关键词】岩溶作用；透水性；构造运动；裂缝

1 碳酸盐岩古岩溶作用的分类

对古岩溶进行地质学分类，将其分为沉积古岩溶，局部古岩溶和区域古岩溶。沉积古岩溶是指碳酸盐岩台地高沉积物因高沉积速率加积出露水面遭到大气水作用发育的岩溶；局部古岩溶是由于同沉积期的构造运动，使碳酸盐岩台地的一部分暴露发育的岩溶；区域古岩溶的形成与重要的海平面的升降或构造运动造成的大面积暴露有关，常常是地层学中主要的不整合面，这类岩溶发育的范围和深度一般比局部岩溶要大。

按成因对古岩溶进行分类，将古岩溶分为三种类型，即沉积岩溶或层间岩溶，风化壳岩溶或暴露岩溶，缝洞岩溶或埋藏岩溶。沉积岩溶或层间岩溶系指同生期或成岩早期，碳酸盐沉积物短暂的暴露于地表接受大气淡水渗入淋滤所发育的岩溶，有人将其称为早表生期岩溶；风化壳岩溶或暴露岩溶是指碳酸盐岩因构造抬升长期暴露于地表，大气水渗入循环其中，伴随风化壳形成而发育的岩溶，有些学者将其称为晚表生期岩溶，也有人将其称为侵蚀期岩溶、侵蚀面岩溶或不整合面岩溶；缝洞岩溶或埋藏岩溶是指碳酸盐岩深埋地腹后，由于上覆地层在压实过程中不断排出的酸性压释水运移其中所产生的岩溶。

根据岩溶作用的形成机理和先后顺序、持续时间、特征、影响因素以及与储集空间的关系，将古岩溶划分为同生-准同生期岩溶，表生期岩溶，埋藏期岩溶和褶皱期岩溶四种类型。同生-准同生期岩溶，该期岩溶的岩溶作用发生于沉积物形成之后不久，沉积物尚未完全脱离其沉积环境，成岩阶段属于同生-准生期，由于其岩溶作用形成于沉积阶段的暴露期岩溶在地层中以小规模层状和透镜状出现；表生期岩溶是指由于海平面的相对下降及区域构造运动抬升，造成下伏碳酸盐岩地层隆升暴露，形成表生成岩环境，而使碳酸盐岩地层遭受长期广泛的风化剥蚀和淋滤作用形成的岩溶，该期岩溶的成岩阶段属于表生期，有人将其称为表生岩溶；埋藏期岩溶是指碳酸盐岩在中-深埋藏阶段，主要与有机质成岩作用相联系的溶蚀作用现象及过程；褶皱期岩溶是指碳酸盐岩在褶皱过程中伴生发育的岩溶，即受构造运动影响碳酸盐岩中产生大量的断层、裂缝，致使大气淡水渗入岩层，从而引起岩溶作用发生。

目前古岩溶分类也极不统一，我认为将碳酸盐岩古岩溶划分为三大类型比较合理，即同生期溶岩、表生期岩溶、埋藏期岩溶，并分别于同生成岩阶段（大气淡水环境），表生成岩阶段（表生环境）和早-晚成岩阶段（埋藏环境）对应。

2 裂缝与岩溶的关系

2.1 构造裂缝与岩溶作用的关系

早期断裂带控制了后期沿断裂带岩溶的发育：断裂增加了地表水和地下水与碳酸盐岩的接触面积和溶蚀范围，有利于促进碳酸盐岩的溶蚀作用的进行。地表水沿断裂形成的裂缝下渗作用，通过断裂控制了断裂带岩溶的发育。

断裂带是裂缝与岩溶发育的地带：通过前人研究，在断裂带或断裂附近的钻井多出现放空、漏失，岩芯上溶蚀缝也发育。野外考察发现断层泥和滑动擦痕的大裂缝在塔里木北缘野外露头区普遍存在，并且缝内充填物为方解石、碳质和泥质，裂缝充填物疏松。应用在钻井过程中，就会发生泥浆漏失、钻时加快等现象。

褶皱构造是岩溶发育的有利区带：在背斜构造的轴部， 由于受强烈挤压应力的影响， 在形成背斜的同时， 会在平行背斜的走向产生一系列断裂和张性节理， 为岩溶发育提供了地下水必要的导流通道。特别是在两组或多组断裂的交汇处， 缝洞更发育。岩溶缝洞的分布一般由古构造的轴部向两翼逐渐变弱， 背斜构造的轴部以溶洞为主的缝洞储集体，向两翼逐渐变为以裂缝为主的缝洞性储集体和仅以少量裂缝为主的孔缝性储集体， 储集性能则相应的由好变差。在褶皱构造中往往伴随发育与褶皱轴线平行的压性断裂构造， 在其局部应力场的作用下， 向斜构造的压性断裂其上部继续受压， 而下部转为拉张， 且产生放射状裂隙， 同时在后期反转应力作用下， 部分压性断层发生反转， 这些构造断裂有利于地下水的富集、径流和岩溶的发育。

溶蚀作用与断裂走向的一致性：受控于断裂带的构造裂缝在平面上沿断裂走向发育，发育的洞穴具明显的方向性， 常与断裂走向一致。且岩溶作用在纵向上的特征表现出， 溶蚀孔洞沿着早期形成的裂缝发育的特点从而可以改善碳酸盐岩储层的储集物性。在多组断裂的交汇部位，也容易形成大型洞穴；早期断裂构造控制深部洞穴的发育，构造轴部或沿断裂走向亦有利于形成岩溶洞穴。

2.2 非构造裂缝加速岩溶作用的发生

成岩作用导致的裂缝，指的是沉积物在成岩过程当中，由压实和失水作用而形成的裂缝。它往往单个产出并成层分布，这种裂缝已知在最小厚度层内较发育，但是张开度较小；相反，在厚层碳酸盐岩中这些裂缝较稀少，而张开度大。因此，在厚度较小的地层中成岩裂缝强度较高，但由于开度较小，水流运动的可能性很低；反之，在厚层盐酸盐岩成岩裂缝中水更易运动。

缝合线是一种特殊的裂缝构造。在深埋藏条件下，岩石在上覆沉积物负荷作用下，由于压力和孔隙流体的作用，在应力点上促使岩石矿物颗粒产生选择性溶解，溶解的物质或沉淀于应力较小的颗粒表面或迁移到系统之外，从而形成齿状或港湾状镶嵌穿插的缝合线构造。缝合线是压实与压溶共同作用的产物，其指状尖端指示受力方向，幅度的高低则反映压实压溶的程度。由于溶解被带走的组分以碳酸钙为主，因此它的表面往往存在着一些泥质、炭质等不溶杂质，并富集固体有机质。

缝合线就其延伸方向与岩层的相关性可分为水平、垂直及倾斜缝合线3 种类型。将这3 种缝合线均归为非构造裂缝，从成因上看是有差别的。水平缝合线是岩层负荷压实压溶的产物；垂直缝合线源于水平挤压应力作用；倾斜缝合线与剪切缝的方向一致，可能为剪切应力的产物。根据后两者的切割、限制关系等可确定水平缝合线形成时间早，倾斜和垂直缝合线形成的时间晚。同时也可分析构造形成世代、叠加关系及应力场变化等问题。因此认为倾斜和垂直缝合线应该是构造裂缝的一种特殊形式。

3 小结

岩溶作用是淋滤、侵蚀、崩塌、搬运和再沉积的结果。可溶物质进入地下水，不仅通过化学溶解，而且有机械冲刷，重力崩塌过程，而物质的被搬出，不仅只限于扩散流（渗流、细流），而且有一定数量的管道流（地下河洞流系统）。控制岩溶发育的主要条件就是运移于可溶岩层中的水流环境即水文地质环境。

【参考文献】

[1]Brita R， Graham W， Radu G， Agim M， Atilla A.Evolution of Fractureand fault-controlled fluid pathways in carbonates of the Albanides fold-thrust belt[J].AAPGBulletin， 2006， 90（8）： 1227-1249.

[2]Fambrough J.D. and Newhouse， D.P.A Comparison of Short-Core and Long-Core Acid Flow Testing for Matrix Acidizing Design[C]//SPE 26186 presented at the SPE Gas Technology Symposium， Calgary， Alberta， Canada， June 2830，1993.

[3]杨明慧，田雨东.缝合线的分形结构[J].世界地理，1999（11）：29-31.

[4]Hove， A.， J. K. Ringen， and P.A. Visualization of Laboratory Core Floods with the Aid of Computerized Tomography of X-Rays[C]// SPE 13654presented at Soc. Pet. Eng.California Regional Meeting， Bakersfield， CA， Mar. 27-29， 1985.

[责任编辑：杨玉洁]