风化壳岩溶

风化壳岩溶的形成是受构造运动抬升的影响，在大气淡水对不整合面以下地层淋滤改造的过程中所发生的溶蚀，常常与区域性不整合面相关。可根据隆升暴露时间的长短分为短期暴露不整合岩溶和长期隆升风化壳岩溶。这两种风化壳岩溶在南华北地区都有表现（图5.7），后者是指地层长期缺失，与上覆不同时代地层不整合特征清楚，风化面凹凸不平，溶蚀不均匀，岩溶垂向分带清楚，储层具大洞、大缝特征，并且沿不整合面大面积分布，如加里东运动造成的整个华北地台的隆升暴露，一直到石炭纪晚期才接受沉积。短期暴露不整合岩溶与之最大的区别在于地层缺失少，区内怀远运动造成的下奥陶统部分地区经历了相对短暂的暴露溶蚀，结果导致亮甲山组和冶里组遭受不同程度剥蚀，下奥陶统与上覆地层间呈平行或低角度不整合接触，溶蚀规模相对小，储层沿不整合面大面积分布。伴随着全球性海面下降（可能与冰期有关），先期沉积的白云岩遭受淡水作用在该白云岩上形成淋滤侵蚀面。在剥蚀面之下发育岩溶带，岩溶洞缝发育，据统计在南华北的通许、鹿邑、沈丘洞缝钻遇率达18.3％。加里东运动晚期，研究区抬升所造成的界面是盆地性质转换界面，它使整个华北板块早古生代台地或缓坡盆地相的碳酸盐岩建造（?—O₂）转化为晚古生代的海陆交互含煤建造（C_2—3），其间经历了将近1.32亿年的地层间断。上下地层在区域上表现为角度不整合关系。在此漫长的风化剥蚀过程中，大气淡水对微细晶灰岩或白云质灰岩的淋滤和溶蚀作用广泛发育，从而形成了广泛分布的古岩溶储层。同生期岩溶作用和风化壳岩溶作用都与大气淡水的淋滤有关，不过它们在成因机理、层位分布、孔洞规模等方面有较大的差别。区别在于风化壳岩溶发生的时间比较晚，是对已经固结成岩、完成矿物稳定转变后的碳酸盐岩产生的岩溶作用，部分风化裂缝内充填物和方解石沉淀物显紫红色，溶蚀缝洞内发育紫红色渗滤砂，表明溶蚀作用发生在地表或近地表氧化条件下。同生期岩溶发生的时间早，沉积物尚未完全固结成岩，碳酸盐岩组分的矿物成分尚未完全稳定；风化壳岩溶在野外露头及钻井岩心上表现为地层缺失以及岩溶角砾岩、古土壤、铝土矿等风化壳残积物比较发育。地质录井中的主要表现特征为：①钻时突然减小，钻速明显加快、放空、蹩跳钻、井漏、井涌现象发生；②严重泥浆漏失，泥浆槽面常见油花、油膜，岩屑有荧光显示，常见油迹，岩屑砂样中常见自形、半自形方解石；③气测油在微观薄片中常见未被亮晶方解石充填的溶孔、溶洞和溶缝，或见由于构造抬升形成的裂缝导致岩石角砾岩化，以及形成几期构造裂缝及其中充填的常温包裹体的亮晶方解石。

阴极射线下，风化裂缝及溶蚀孔洞内充填方解石大多发光微弱，少数发光不均匀。在氧化大气水环境下，容易被氧化的Fe²⁺、Mn²⁺很难存在，沉淀形成的方解石晶格中几乎不含有Fe²⁺、Mn²⁺，这就导致上述空间内充填的方解石大多不发光，少数发橙黄色、橙红色光，可能与w（Fe²⁺）极低，w（Mn²⁺）/w（Fe²⁺）高有关。在登封唐窑下马家沟组亮晶鲕粒灰岩中的小溶洞被两期方解石充填，第一期充填物为环带状方解石，第二期为中晶方解石。未溶解和未重结晶颗粒发光暗淡，多不发光或暗褐色光；溶解孔隙充填物或重结晶部分发光相对较强，多为褐色-暗红色光（图版Ⅳ-7）。方解石充填物阴极射线下的上述发光特征，表明岩溶作用主要发生于氧化环境。

图5.7 奥陶系风化壳岩溶发育层位与成因

图5.8 棋县奥陶系碳氧同位素垂向旋回

另外，通过对河南棋县奥陶系剖面碳稳定同位素分析结果表明，来源于土壤带与有机质氧化有关的贫d¹³C的CO₂参与了洞穴的溶蚀和充填作用；d¹⁸O同位素分析结果表明本区岩溶作用与大气淡水有关。在鹤壁棋县奥陶系垂向剖面上，自上而下具有至少2个d¹³C与d¹⁸O由轻变重复变轻再变重的旋回性（图5.8），对应地表的岩溶残积带和深部的岩溶洞穴发育带。在炒米店组上部和上马家沟组上部出现2个d¹³C与d¹⁸O同步强烈负偏移现象，表明在早奥陶世早期和中奥陶世晚期发育有由上而下的大气淡水渗流溶蚀作用，而且还叠加有更为强烈的地表和地层水的水平潜流溶蚀作用，以及负偏移幅度更大的大气源与地层源碳、氧同位素交换的演化特点。