ISSN 1009-6248CN 61-1149/P 双月刊

主管单位:中国地质调查局

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中国地质学会

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碳酸盐岩岩溶古河道发育特征与成因演化:以塔里木盆地塔河油田12区中—下奥陶统为例

张长建, 邓光校, 王震, 文欢, 马海陇

张长建,邓光校,王震,等. 碳酸盐岩岩溶古河道发育特征与成因演化:以塔里木盆地塔河油田12区中—下奥陶统为例[J]. 西北地质,2024,57(6):150−160. doi: 10.12401/j.nwg.2024070
引用本文: 张长建,邓光校,王震,等. 碳酸盐岩岩溶古河道发育特征与成因演化:以塔里木盆地塔河油田12区中—下奥陶统为例[J]. 西北地质,2024,57(6):150−160. doi: 10.12401/j.nwg.2024070
ZHANG Changjian,DENG Guangxiao,WANG Zhen,et al. Development Characteristics and Genetic Evolution of Carbonate Karst Ancient River: Example from the Middle-Lower Ordovician in Block-12 of Tahe Oilfield, Tarim Basin[J]. Northwestern Geology,2024,57(6):150−160. doi: 10.12401/j.nwg.2024070
Citation: ZHANG Changjian,DENG Guangxiao,WANG Zhen,et al. Development Characteristics and Genetic Evolution of Carbonate Karst Ancient River: Example from the Middle-Lower Ordovician in Block-12 of Tahe Oilfield, Tarim Basin[J]. Northwestern Geology,2024,57(6):150−160. doi: 10.12401/j.nwg.2024070

碳酸盐岩岩溶古河道发育特征与成因演化:以塔里木盆地塔河油田12区中—下奥陶统为例

基金项目: 中石化重大科技项目“基于深埋改造的塔河油藏缝洞结构研究”(P23034)资助。
详细信息
    作者简介:

    张长建(1983−),男,副研究员,主要从事碳酸盐岩缝洞型油藏开发研究。 E−mail:273419780@qq.com

  • 中图分类号: P581

Development Characteristics and Genetic Evolution of Carbonate Karst Ancient River: Example from the Middle-Lower Ordovician in Block-12 of Tahe Oilfield, Tarim Basin

  • 摘要:

    为了明确塔里木盆地塔河油田12区中—下奥陶统顶面古河道的成因,利用地震剖面分析、地震属性提取等技术,结合钻井资料刻画了古地貌、古水系发育特征,定量描述古河道的河曲特征,并基于现代岩溶理论建立了古河道成因演化模式。结果表明:中—下奥陶统顶面古河道为“深切河曲”古岩溶地貌,深切河曲特征表现为河谷主要呈“V”字形,两侧河谷坡岸对称,谷壁陡峭,发育由于截弯取直形成的离堆山、天生桥等标志性地貌;中—下奥陶统顶面古河道发育“高弯曲率”河曲形态,深切河曲的单个河曲弯曲率值都在2.20以上,平均值为4.27,SN向河曲带弯曲率值为1.87,EW向河曲带的弯曲率值为2.38;塔河油田12区中—下奥陶统顶面深切河曲经历志留系沉积期、自由河曲期、深切河曲期等3个演化阶段,其成因与华力西早期运动构造作用关系密切。

    Abstract:

    In order to clarify the origin of the ancient river channel on the top of the Middle and Lower Ordovician in Block 12 of Tahe Oilfield, the Tarim basin, using techniques of seismic profile analysis and seismic attribute extraction, combined with drilling data, the development characteristics of the ancient landform and ancient water system are depicted, the meander characteristics of the ancient river channel are quantitatively describe, and the genetic evolution model of the ancient river channel is established.The results show that the ancient channel on the top of the Middle and Lower Ordovician is entrenched meander river, and the entrenched meander is characterized by a "V" shape of the valley, symmetrical slope banks on both sides of the valley, steep valley walls, and the development of the meander core and natural bridge formed by process of natural cutoff. The ancient channel on the top of the Middle-Lower Ordovician developed a "high curvature" meander shape. Statistical meander parameters indicate that the meander ratio C values are larger than 2.20, with an average value is 4.27, the C value of the whole North-South meander is 1.87, and the C value of the whole East-West meander is 2.38. The evolution of meandering superimposed Valley in block-12 has three stages: Silurian sedimentary period, free-meander and entrenched-meander, and its genesis is closely related to the early Hercynian movement.

  • 塔河油田中—下奥陶统碳酸盐岩古岩溶作用,前人投入了大量工作并取得了丰硕的成果(翟晓先,2008漆立新,2010)。随着杨明德等(1998)“喀斯特流域”和“水文地貌场”等现代岩溶概念的提出,以及现代岩溶理论在古岩溶研究中的推广应用,有学者认识到古水文地貌结构的研究是认识古岩溶演变作用过程、岩溶缝洞体分区差异性的关键(蔡忠贤等,2020)。前人对塔河油田不同岩溶期的古水文、古地貌特征展开精细刻画,从古水文地貌系统的角度开展塔河油田古岩溶洞穴的发育规律研究,并取得认识(郭川等,2016李源等,2017夏永涛等,2019侯啓东等,2020宁超众等,2020姜应兵等,2021),体现在:分区、分期次、分背景刻画了加里东中期Ⅲ幕、华力西早期的岩溶古水文、地貌格局,对奥陶系顶面古水系进行几何识别、形态刻画及归属梳理(夏永涛等,2019);岩溶古水系对缝洞发育机理研究取得丰硕成果,认识到志留系覆盖区主要为加里东中期Ⅲ幕南北向古水系对古岩溶洞穴的控制作用(姜应兵,2021),总结了12区东部岩溶斜坡区“V”型峡谷的成因及其洞穴发育模式(郭川等,2016李源等,2016)。受前期地震资料品质、资料解释及岩溶地质认识的限制,前人对塔河油田12区中部东河塘组覆盖区中—下奥陶统顶面古河道的地貌形态特征、定量参数统计及地质成因演化等方面的研究较少,亦未开展“深切河曲”这类典型水文地貌的成因演化研究。

    本研究基于现代岩溶和河流理论,利用高精度地震资料、地震属性和钻井资料来刻画、识别古水文和古地貌,精细描述塔河12区古河道的河谷纵横结构和典型地貌形态,并对古河曲的几何形态开展进一步定量描述,最后结合现代深切河曲演化模式开展12区古河道的成因演化研究,为塔河油田的缝洞型油藏开发提供地质依据。

    塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克库勒凸起(高玉飞等,2013刘学利等,2023)。研究区位于阿克库勒凸起与哈拉哈塘凹陷之间的西部斜坡区(图1a),主要产油层为中—下奥陶统一间房组、鹰山组,地层岩性为纯灰岩和白云质灰岩(翟晓先,2008漆立新,2010)。受加里东期、华力西期多期次构造运动影响,研究区上奥陶统、中上志留统、中下泥盆统缺失,志留系、泥盆系等遭到了不同程度的剥蚀(图1b),下志留统柯坪塔格组、上泥盆统东河塘组仅发育在研究区西部(范春花等,2007)。塔河地区志留系属于盆地早古生代海侵晚期产物,以潮坪和浅海陆棚碎屑岩沉积为主(朱筱敏等,2002陈占坤等,2009)。中志留世—中泥盆世开始,南天山洋盆中段向塔里木板块俯冲消减、闭合(张斌等,2014),塔北隆起总体处于SN向压扭应力场(吕海涛等,2017),大范围的隆起造成海水范围大大缩小,塔河地区志留系碎屑岩地层遭受剥失,只保留下志留统的柯坪塔格组中段,塔河地区志留系残余厚度在平面上从南向北呈楔状减薄尖灭(范春花等,2007)。大范围的隆起剥蚀后,晚泥盆世晚期至早石炭世早期,塔河地区由西向东的海侵发育了分布广泛的滨岸-潮坪环境的东河砂岩(张翔等,2008)。受多期次的构造抬升、古地貌变迁和岩溶作用影响,塔河12区奥陶系顶面地表水系呈现多期次叠置、多方向、多形态的复杂特征,总体表现为东部复杂树枝状、中部蛇曲状、西部简单树枝状的地表古水系格局(图1c)。

    图  1  塔河油田12区构造格架(a)、研究区位置(b)及地层简表(c)
    Figure  1.  (a) structural sketch, (b) Location and (c) stratigraphic sequence of the block-12 in the Tahe oilfield

    岩溶古地貌恢复方法有残厚法、印模法和趋势面(康志宏, 2006邓兴梁等,2015淡永等,2016)。塔河油田北部上奥陶统剥蚀区主要利用印模法古地貌恢复方法,其原理为利用石炭系巴楚组双峰灰岩段到中下奥陶系顶面之间的残厚进行恢复。塔河油田12区奥陶系顶面从西至东依次披覆了上志留统柯坪塔格组、上泥盆统东河塘组和石炭系巴楚组,现今构造总体东高西低(图2a)。考虑研究区上泥盆统东河塘组相对较薄,利用石炭系巴楚组双峰灰岩段补齐的印模法可以恢复东河塘组沉积之前的岩溶古地貌趋势(图2b)。本次刻画12区古水系的方法主要采用了精细相干分析、古地貌恢复技术、趋势面识别技术和RGB分频混色等成熟方法技术(鲁新便等,2014)。通过精细相干属性(图3a)、趋势面属性(图3b)、RGB分频混色属性(图3c)的提取,结合高精度地震剖面解释成果,对研究区奥陶系地表古水系进行识别刻画(图3d)。

    图  2  塔河油田12区中—下奥陶统顶面构造(a)及岩溶古地貌(b)
    Figure  2.  (a) The topographic map at the top of the Middle-Lower Ordovician and (b) karst paleogeomorphology of the block-12 in the Tahe oilfield
    图  3  塔河油田12区中—下奥陶统岩溶地表古水系平面分布图
    a. 塔河油田12区中—下奥陶统岩溶地表地形;b. 塔河油田12区中—下奥陶统顶面相干属性;c.塔河油田12区中—下奥陶统顶面RGB(红绿蓝三色混频)属性;d.塔河油田12区中—下奥陶统岩溶地表主干水系
    Figure  3.  Plane distribution of karst surface paleodrainage system on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    深切河曲,又称为刻蚀河曲,表现为河曲向下深深地切割基岩地层(邹豹君, 1985)。结合古地貌恢复结果和地震剖面解读,塔河12区古河道具有典型“深切河曲”特征。

    从塔河油田加里东晚期—华力西早期整体的岩溶格局看,塔河地区整体构造抬升,形成了东高西低的构造格局(李源等,2016)。东高西低的古地貌格局(图2b)控制了地表水系的平面分布特征,顺地形梯度由东向西发育地表深切河曲,北部有两支分支地表河汇入。结合中—下奥陶统顶面趋势面属性(图3b)来看,三级岩溶地貌单元主要以低幅度岩溶残丘、洼地和高弯曲度深切沟谷为主。河曲河谷区具有明显岩溶地貌分异特征:岩溶残丘显示为红黄色高地势,以深切河曲(蓝色)为中心分布于河谷两岸,曲流的凸岸发育最高,平面上多为半圆状或半椭圆状,河谷与残丘的相对幅差达到200 m。河曲两岸岩溶平台区的溶丘主要为不规则长条状,溶丘洼地的相对幅差要小很多,不超过50 m。

    (1)深切河曲剖面特征:根据河曲几何形态及横断剖面形态结构特征,深切河曲可分为EW走向段及SN走向段,EW走向段的河曲形成连续蜿蜒河曲,且河曲弯曲程度高(图3d)。EW走向段河谷的纵断地震剖面长度达到40 km,该河流的纵断地震剖面尚未能形成圆滑的凹曲线,表明河流纵断尚未达到平衡坡度(图4a)。与纵断曲线不协调的河曲段主要识别为干谷地貌,表现为局部岩溶区域内干涸或间歇性水流经过的河谷。这类被废弃的干谷系统,为深切河曲被截弯取直后的产物。

    图  4  塔河油田12区中—下奥陶统地表水系纵断剖面(a)、横断剖面图(b)(剖面线位置见图3d)
    Figure  4.  (a) Longitudinal profile and (b) transverse profile of surface water system on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    横断河谷的地震剖面表现为全谷横断,即整个河谷的横断。利用地震数据可以切处多个河谷横断剖面,图4b显示河谷横断多表现为对称型深而窄的“V”型,河谷谷壁陡峭,河谷宽为300~400 m,下切深度为100~150 m。综合深切河曲纵断剖面、横断剖面特征和平面分布特征,主干水系平面上自由蜿曲兼具深切河谷特征,指示了地表水系强烈而迅速向下的侵蚀作用。

    (2)曲流丘地貌:塔河12区古深切河曲发育多处“截弯取直”,形成了独特的曲流丘(或离堆山)地貌。截弯取直被放弃的深切河曲,不会形成自由河曲中的“牛轭湖”,而是形成环形的带状洼地(邹豹君, 1985)。带状洼地呈环带状,其地势相较周围残丘较低;洼地两端与深切沟谷相连,地势比深切沟谷要高(图5a)。带状洼地中间高地势区为典型的曲流丘,图5b显示该区发育一大一小两个曲流丘,表明存在两期河曲截弯取直作用。随着河谷的进一步下切,废弃的深切河曲段变成了干谷保存下来。结合地震剖面形态和地形地貌来看,曲流丘高出主干河床约为100~120 m,干谷高于主干河床高差在40 m左右。

    图  5  塔河油田12井中—下奥陶统顶面离堆山地貌
    a.离堆山、干谷地貌地震剖面(剖面线位置见图5b);b.中—下奥陶统相干、地形地貌叠合图
    Figure  5.  Meander core paleogeomorphology on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    (3)天生桥地貌:流水从深切河曲颈部的下部岩层穿过,以切穿河曲,保留颈部的上部岩层,这种地貌侵蚀形态叫天生桥或天然拱(邹豹君, 1985)。河曲天生桥具有如下特征:①发育于高弯曲率河曲的曲流颈部,如图6所示河曲弯曲率达到10.51,该处河曲颈部变得很狭窄,最窄处仅有300 m左右,极其容易发生截弯取直。②单河曲河道长达7 km,而且从河道纵断剖面(图6a)看,对比上下游峡谷段,该河曲段的地势相对要高,形成高出正常河谷的干谷地貌,表明主干河道流水已不能流过此河曲,该河曲已遭废弃。③相干显示存在切穿曲流颈部的通道边界迹象(图6b),横切河曲颈部地震剖面显示有串珠状溶洞(图6a),表明主干河道流水在河曲颈部发生了截弯取直。与曲流丘地貌的差别在于,天生桥是以地下的形式截弯取直。

    图  6  塔河油田12区中—下奥陶统天生桥古地貌
    a.高弯曲率河曲地貌地震剖面(剖面线位置见图6b);b.中—下奥陶统相干、地形地貌叠合图
    Figure  6.  Natural bridge paleogeomorphology on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    TH121125井区发育这类切穿曲流颈部的天生桥。TH121125井在中—下奥陶统鹰山组顶面(6071 m)之下60836145 m井段钻遇多套泥质充填溶洞(图7),曲流颈部的基岩岩层顶部仅为12 m厚,流水主要从其下的地下河进行流通并形成穿洞。这类溶洞被泥质碎屑物质充填,导致TH121125井在鹰山组测试干层,未取得工业油气流。

    图  7  塔河12区TH121125井中—下奥陶统全充填洞穴测井响应特征
    Figure  7.  Logging response characteristics of full mud-filled caves in the Middle-Lower Ordovician of block-12 in the Tahe oilfield

    现代河流理论中,形态学分类上,河曲直观地描述为V,U和Ω型3种基本类型(张斌等,2007)。用于定量表征河曲弯曲程度及其几何形态特征的河曲参数有两种:单河曲参数、河曲带参数。前者描述单个河曲弯曲程度,后者是描述多个河曲或河曲段弯曲程度。参考国内外对弯曲性河流河曲参数的定义和计算公式,利用趋势面属性、精细相干属性、RGB分频混色属性等地震属性方法提取的古岩溶河道,笔者基于单个河曲和河曲带的参数统计,对塔河油田12区古岩溶河道几何形态进行了描述。

    12区古岩溶河道的单河曲参数主要为河道长度S、曲流颈长度L、弯曲率C、河曲轴长M及封闭率e河道长度S代表单个河曲长度。曲流颈长度L为单个河曲最窄处宽度。弯曲率C为曲流颈长度与河道长度的比值,其值越大,河曲弯曲程度越大。根据河曲弯曲率值,可将河曲分为一般弯曲(弯曲率为1.2~1.5)和蛇曲(1.5~5.0)。河曲轴长M为河曲侧向摆动的幅度,必须与曲流颈长度L结合分析时,对河道弯曲度有指示意义,L值较小而M越大,反映的河曲越弯曲。封闭率e同样可以定量弯曲程度,其公式如下:

    $$ e=S/(S+L)=C/(C+1)$$ (1)

    式中:S是河道长;L是曲流颈长度;当封闭率e值越趋近1,代表河曲越趋向封闭,河曲弯曲程度越大。

    从单河曲参数统计结果(表1)可知,利用地震属性统计的12区的12处典型单个古河曲的弯曲率C值都在2.20以上,高于典型蜿蜒性河型的弯曲率1.50。最小的6古河道的弯曲率C值达2.20,最大的8古河道的弯曲率C值甚至高达10.51,平均值为4.27。封闭率e与弯曲率C呈正相关关系,弯曲率C值大的,其e值也必然大。表1中古河道河曲的e值都在0.69以上,最大的8古河道河曲的e值可高达0.91,接近全封闭状态的1,平均值为0.77。如表1中8古河道的M值为2.36 km,其L值仅为0.69 km,S值为7.25 km,计算e值达到0.91。

    表  1  12区古河道单河曲参数统计(标注位置见图3)
    Table  1.  Statistics of single meander parameters of ancient river in block-12
    单个河曲名称 单个河曲参数
    河道长度S(km) 曲流颈长度L(km) 弯曲率C 封闭率e 河曲轴长M(km)
    1 4.50 0.60 7.50 0.88 1.44
    2 2.40 1.03 2.33 0.70 0.96
    3 2.14 0.79 2.70 0.73 0.85
    4 2.90 0.56 5.18 0.84 1.00
    5 1.76 0.68 2.59 0.72 0.69
    6 2.09 0.95 2.20 0.69 0.84
    7 3.02 1.30 2.32 0.70 1.15
    8 7.25 0.69 10.51 0.91 2.36
    9 3.05 1.32 2.31 0.70 0.90
    10 4.01 1.80 2.23 0.69 1.34
    11 4.85 1.74 2.79 0.74 1.73
    12 4.44 0.81 5.48 0.85 1.96
    13 4.35 0.60 7.25 0.88 1.75
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    总体而言,EW向古岩溶河谷形态回旋曲折,发育4个较大的Ω型河曲(1号河曲弯曲率7.5;4号河曲弯曲率5.18;8号河曲弯曲率10.51,12号河曲弯曲率5.48;13号河曲弯曲率7.25),其余多为U型河曲。综合12区古河道的MCe值统计结果及几何形态描述析,单个古河道都表现出了弯曲程度很高的蜿蜒性河型特征。

    河曲带参数主要有河道长度S、河曲带轴长L、弯曲率C、波幅W和波长λ等,其中波幅W又称为河道带宽,表征河曲带弯曲的幅度,波长λ代表两个连续波峰之间的距离。波幅W和波长λ的组合可以表征河曲带弯曲程度,波幅W值越大,波长λ值越小,指示河曲带更趋于弯曲。

    综合考虑主干、分支及河流流向,12区中部共解译出2段河曲带,分别解译并统计河道分段的河曲带参数,统计结果如表2所示。从表2可看出,解译出SN向河曲带的弯曲率C值为1.87,波幅W为0.6 km,波长λ为2.67,EW向古河段河曲带的弯曲率C值为2.38,波幅W为0.86 km,波长λ为1.97。定量统计分析,EW向古河段河曲带的弯曲程度高于SN向河曲带。现代嘉陵江深切河曲带是世界上最弯曲的河段之一,其武胜河曲带弯曲率接近3.0,苍溪河曲带弯曲率为2.40,都属于典型的弯曲型河段(张斌等,2007)。参考现代深切河曲带参数,12区EW向古河曲带的参数完全符合蜿蜒性河型标准。

    表  2  12区古河道河曲带参数统计
    Table  2.  Statistics of meander belt parameters of ancient river in block-12
    河曲带名称 河曲带参数
    河道长度S(km) 河曲带轴长L(km) 弯曲率C 波幅W(km) 波长λ(km)
    SN向河曲带 15.00 8.02 1.87 0.60 2.67
    EW向河曲带 39.95 16.81 2.38 0.86 1.97
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    深切河曲属于上置河(superimposed stream),即河流以前发生于年代较晚的地层之上,随着较晚的地层剥蚀殆尽,河道依然保持早期形态在年代更古老的基岩地层之上流动(邹豹君,1985)。嘉陵江现代深切河曲属于上置河,江华军等(2014)定义它为曲流型叠置河谷,认为这类特殊河谷的的形成与突发地质事件或环境突变密切相关,为河流侵蚀基准面快速下降所导致的地貌快速演化产物。不同于山地内河流的幼年期河,深切河曲具有成熟的河流演化阶段,可概况为自由河曲、深切河曲两个阶段。首先,自由河曲发育于具有松散沉积地层结构的泛滥平原沉积体系中,河水侧蚀作用明显,凹岸侵蚀,凸岸堆积,河道迁移较快,最终形成泛滥平原上蛇曲摆动的自由河曲;其次,由于构造抬升作用或因其他突发事件造成侵蚀基准面的迅速下降,河流强烈下蚀,河道迅速下切至坚硬基岩,河流因改道困难而保持其原来自由河曲流路,形成河谷坡岸相对对称的深切河曲。

    塔河12区深切河曲河谷发育于中—下奥陶统的坚硬纯灰岩地层上。石灰岩地层较坚硬,可以抗拒河水对曲流坡脚的破坏,维持曲流的完整性。参考现代深切河曲的演化模式(江华军等,2013),塔河油田12区古深切河曲的成因演化过程可划分为3个阶段(图8)。

    图  8  塔河油田12区深切河曲演化示意图
    a. 志留系沉积期;b. 自由河曲期;c. 深切河曲期
    Figure  8.  Evolution diagram of entrenched meander in block-12 in Tahe Oilfield

    志留系沉积期:志留纪早期,塔里木盆地发生大规模由东向西海侵,在奥陶纪末期剥蚀夷平的奥陶系之上,海阔水浅的滨浅海沉积环境上超沉积了志留系海相碎屑岩(图8a)(朱筱敏等,2002陈占坤等,2009)。志留纪中晚期,志留纪海域面积变小、海水由深变浅、气候由潮湿向干旱转化。

    自由河曲期:中志留世南天山洋开始向南的脉冲式或间歇式俯冲作用(张斌等,2014),塔北区域构造开始抬升,塔河主体区位于岩溶高原区,岩溶水由东向西进入志留系覆盖区。晚志留世随着构造抬升、海水退却,志留系开始暴露地表。晚志留世,研究区自由河曲的发育条件充足:①研究区位于阿克库勒凸起西部斜坡,台原区岩溶水从东向西流,流量足够。②地貌坡度较小有利于自由河曲的发育。根据弯曲率与地貌坡度的关系可知(江华军等,2013),EW向古河段河曲带的弯曲率C值为2.38,其对应的地貌坡度小于0.5‰。③志留系海相沉积物多以细粒碎屑岩为主,无大颗粒沉积物,利于迁移搬运。基于以上条件,奥陶系碳酸盐岩基岩的志留系松散沉积中,发育由曲流河沉积体系组成的独立而成熟的流域系统。此阶段,河流侧蚀作用为主导,凹岸侵蚀,凸岸堆积,边滩、天然堤、决口扇和泛滥平原普遍发育,曲流河道快速迁移,自西向东形成个别单河曲弯曲率C值高达10.51、整体河曲带弯曲度C值达2.38的古自由河曲(图8b)。

    深切河曲期:深切河曲为区域构造迅速抬升形成的典型地貌现象(图8c)。首先,南天山洋持续向南俯冲至中泥盆世结束,脉冲式俯冲作用造成区域构造大幅度迅速抬升,研究区中下泥盆纪处于隆起剥蚀区,导致中—下奥陶统与上泥盆统之间的角度不整合接触(张翔等,2008);其次,构造迅速抬升导致河流侵蚀基准面相对发生快速下降,随着侵蚀基准面的突然变化,引发河流快速而强烈下蚀,志留系松散碎屑岩沉积物之上的古自由河曲流路因来不及调整而快速下切并嵌入碳酸盐岩基岩;碳酸盐岩基岩具备抗拒河水侧蚀的能力,从而避免了河水对曲流坡脚的破坏,维持蛇曲形态并最终形成现今面貌的深切河曲。大量志留系表层松散层也随之快速剥蚀殆尽,仅在塔河12区西部保留部分上志留统。晚泥盆世晚期至早石炭世早期,经历了整体隆升剥蚀后,中上奥陶统之上发育一套填平补齐过程中沉积的东河塘组砂岩。

    塔河12区中—下奥陶统顶面深切河曲的成因演化研究对于认识研究区古地理环境、古岩溶旋回阶段和岩溶缝洞成因机理具有重要意义:

    (1)塔河12区深切河曲的水系演化模式研究表明,本区中—下奥陶统之上大概率原始沉积了厚层志留系。自由河曲的形成条件苛刻:流量足够、坡度平缓、冲积层甚厚、地下水面接近地面等。依据区域地质背景、古地貌条件和古水系展布特征,厚层志留系海相碎屑岩冲积层才能满足自由河曲的形成。

    (2)在志留系沉积并剥蚀之后,中—下奥陶统碳酸盐岩地层再一次暴露于地表发生强烈表生岩溶作用并形成东西走向的深切河曲地貌形态。受中志留世—中泥盆世南天山洋持续向南俯冲作用,华力西早期构造剧烈抬升导致志留系松散沉积物被剥蚀殆尽。上覆志留系剥蚀之后中—下奥陶统碳酸盐岩地层发生暴露溶蚀。岩溶旋回开始的原始地面,是先把上覆的非可溶性岩层剥除之后出来的可溶性岩层的顶面(任美锷, 1983)。先剥蚀志留系、再暴露地表发生表生岩溶,一定程度上影响了表生岩溶作用的持续时间和强度,在深切河曲区的地貌分异度、岩溶强度等方面远不及塔河主体区。

    (3)深切河曲为从上覆地层叠置下来的完整水系,其河曲地貌特征表明深切河曲发育区处于华力西早期古岩溶旋回的青年期阶段。岩溶旋回青年期,从上覆地层继承的自由河曲演变为深切河曲,由于侵蚀速度大于溶蚀速度依然存在地表,岩溶主要向地下发展,漏斗、落水洞、干谷、洼地等广泛发育,地表水几乎都转换为地下水。

    (4)深切河曲作为地下岩溶水的深切割排泄基准,形成了独特的深切河曲河谷地貌控制下的岩溶水补给-径流-排泄系统(张长建等,2022)。随着侵蚀基准面不断下降,深切河曲区与周围平台区之间产生较大水力坡降,深切河曲区河流的强力下切侵蚀,必然导致周边高地势区发生地表水向地下水的迅速转换,在此转换过程中,深切河曲周缘谷坡区会产生大量溶蚀洞穴。且由于深切河曲处于区域排泄基准面最低位,导致所有地下河洞穴排泄点基本都指向深切河曲。总之,深切河曲对周边地下洞穴的岩溶发育强度、规模大小、延伸长度及展布方向等都具有重要的控制作用。

    (1)基于高精度地震资料和属性,恢复并刻画了塔河12区中—下奥陶统顶面古河道的空间分布,中—下奥陶统碳酸盐岩地层中发育EW走向和SN走向两条深切河曲古河道,古河道谷壁陡峭且对称,呈现深、窄的“V”型河谷。

    (2)塔河12区深切河曲区发育截弯取直后形成的离堆山和天生桥地貌,现代河曲定量分析研究表明,12区奥陶系顶面深切河曲呈现典型蜿蜒性河型特征,为早期自由河曲在迅速下切至奥陶系碳酸盐岩中的地貌演化结果。

    (3)塔河12区深切河曲可作为地质标志在地层沉积、岩溶演化、旋回阶段、缝洞预测等方面发挥重要指示意义。深切河曲的地质发育模式指示塔河12区深切河曲区原始沉积过厚层志留系;华力西早期古岩溶为先对志留系的侵蚀殆尽、而后之对碳酸盐岩的暴露溶蚀;塔河12区古岩溶处于岩溶旋回的青年期阶段;深切河曲作为最低排泄基准面控制了地下岩溶缝洞体的分布。

  • 图  1   塔河油田12区构造格架(a)、研究区位置(b)及地层简表(c)

    Figure  1.   (a) structural sketch, (b) Location and (c) stratigraphic sequence of the block-12 in the Tahe oilfield

    图  2   塔河油田12区中—下奥陶统顶面构造(a)及岩溶古地貌(b)

    Figure  2.   (a) The topographic map at the top of the Middle-Lower Ordovician and (b) karst paleogeomorphology of the block-12 in the Tahe oilfield

    图  3   塔河油田12区中—下奥陶统岩溶地表古水系平面分布图

    a. 塔河油田12区中—下奥陶统岩溶地表地形;b. 塔河油田12区中—下奥陶统顶面相干属性;c.塔河油田12区中—下奥陶统顶面RGB(红绿蓝三色混频)属性;d.塔河油田12区中—下奥陶统岩溶地表主干水系

    Figure  3.   Plane distribution of karst surface paleodrainage system on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    图  4   塔河油田12区中—下奥陶统地表水系纵断剖面(a)、横断剖面图(b)(剖面线位置见图3d)

    Figure  4.   (a) Longitudinal profile and (b) transverse profile of surface water system on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    图  5   塔河油田12井中—下奥陶统顶面离堆山地貌

    a.离堆山、干谷地貌地震剖面(剖面线位置见图5b);b.中—下奥陶统相干、地形地貌叠合图

    Figure  5.   Meander core paleogeomorphology on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    图  6   塔河油田12区中—下奥陶统天生桥古地貌

    a.高弯曲率河曲地貌地震剖面(剖面线位置见图6b);b.中—下奥陶统相干、地形地貌叠合图

    Figure  6.   Natural bridge paleogeomorphology on the Middle-Lower Ordovician of the block-12 in the Tahe oilfield

    图  7   塔河12区TH121125井中—下奥陶统全充填洞穴测井响应特征

    Figure  7.   Logging response characteristics of full mud-filled caves in the Middle-Lower Ordovician of block-12 in the Tahe oilfield

    图  8   塔河油田12区深切河曲演化示意图

    a. 志留系沉积期;b. 自由河曲期;c. 深切河曲期

    Figure  8.   Evolution diagram of entrenched meander in block-12 in Tahe Oilfield

    表  1   12区古河道单河曲参数统计(标注位置见图3)

    Table  1   Statistics of single meander parameters of ancient river in block-12

    单个河曲名称 单个河曲参数
    河道长度S(km) 曲流颈长度L(km) 弯曲率C 封闭率e 河曲轴长M(km)
    1 4.50 0.60 7.50 0.88 1.44
    2 2.40 1.03 2.33 0.70 0.96
    3 2.14 0.79 2.70 0.73 0.85
    4 2.90 0.56 5.18 0.84 1.00
    5 1.76 0.68 2.59 0.72 0.69
    6 2.09 0.95 2.20 0.69 0.84
    7 3.02 1.30 2.32 0.70 1.15
    8 7.25 0.69 10.51 0.91 2.36
    9 3.05 1.32 2.31 0.70 0.90
    10 4.01 1.80 2.23 0.69 1.34
    11 4.85 1.74 2.79 0.74 1.73
    12 4.44 0.81 5.48 0.85 1.96
    13 4.35 0.60 7.25 0.88 1.75
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    表  2   12区古河道河曲带参数统计

    Table  2   Statistics of meander belt parameters of ancient river in block-12

    河曲带名称 河曲带参数
    河道长度S(km) 河曲带轴长L(km) 弯曲率C 波幅W(km) 波长λ(km)
    SN向河曲带 15.00 8.02 1.87 0.60 2.67
    EW向河曲带 39.95 16.81 2.38 0.86 1.97
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-01
  • 修回日期:  2023-04-26
  • 录用日期:  2023-07-11
  • 网络出版日期:  2024-10-08
  • 刊出日期:  2024-12-19

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