張昌民,付文俊,冀東升,趙康,張祥輝
1.長江大學地球科學學院,湖北 武漢 430100
2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院,新疆 烏魯木齊 830013
在準噶爾盆地南緣,一條橫亙東西的礫巖“城墻”構成了北疆獨特的美景,吸引了眾多地質工作者的眼球。1935年,俄國地質學家M.H.沙依道夫在新疆昌吉河東喀拉扎山考察,將這堵“城墻”命名為喀拉扎巖系[1-2];斯行健、周志炎[3]在《中國中生代陸相地層》一書中首次提出喀拉扎組。之后,對喀拉扎組的研究越來越多,但是對喀拉扎組的分布及其沉積成因一直存在爭議。傳統的觀點認為,喀拉扎組主要分布在準噶爾盆地南緣中部及東部地區,在準噶爾盆地南緣西部四棵樹凹陷等地區缺失喀拉扎組[4-8],近年來隨著露頭調查和勘探發現的不斷深入,有學者對這一觀點提出了質疑[9-11]。2018年,新疆油田在四棵樹凹陷布置的高探1井鉆遇一套粗碎屑巖系,獲得了高產的工業油氣流[12-14];2020年沙灣凹陷呼探1井再次在粗碎屑巖系中獲得了高產工業油氣流,從而揭開了準噶爾盆地南緣新一期油氣勘探的序幕,顯示了上侏羅統喀拉扎組-下白堊統清水河組粗碎屑巖系良好的油氣勘探潛力。但由于該區的侏羅系和白堊系埋深大,地質構造復雜,對所鉆地層年代歸屬、區域分布、物源方向、沉積相類型、沉積體系展布還沒有形成統一的認識,影響了油氣勘探的進程。為此,筆者系統梳理了有關喀拉扎組沉積儲層方面的研究報告和論文,對喀拉扎組的研究歷史進行了回顧與總結,對喀拉扎組的區域分布、物源方向、沉積相類型、沉積體系展布、沉積模式和儲層研究現狀進行了綜述和分析,以期能全面介紹喀拉扎組的沉積儲層研究現狀,為開展喀拉扎組的研究提供較為全面和系統的參考資料,為準噶爾盆地南緣油氣勘探提供新的信息。
1935年,俄國地質學家M.H.沙依道夫將昌吉河東喀拉扎山的一套紅色粗碎屑巖沉積命名為喀拉扎組巖,此后眾多學者對喀拉扎組及其沉積特征開展了廣泛研究。調研表明,喀拉扎組的研究可劃分為3個階段:建組定名階段(1935—1962年)、地層學研究階段(1963—2006年)、沉積儲層研究階段(2007年—現在)。
20世紀40—60年代,部分學者根據準噶爾盆地南緣的露頭研究,結合古生物資料與區域中生代不整合面、褶皺斷裂構造、巖漿侵入和噴溢規律,提出了該區地層命名及時代劃分方案(見表1)[15]。黃汲清等[16]提出克拉扎組(Kelazha Fm)的名稱,并將之劃歸上侏羅統;《中國區域地層表(草案)》將其命名為下白堊統哈拉扎組[17];新疆石油管理局地調處稱之為喀拉扎統,時代為晚侏羅世。1959年第一屆全國地層會議之后,新疆地調處于次年正式命名為上侏羅統喀拉扎組。顧知徽[18]、斯行健等[3]公開引用并改稱喀拉扎組,這一命名稱及其年代歸屬方案得到了學術界普遍認可,沿用至今。

表1 準噶爾盆地南緣喀拉扎組地層沿革表
最初的喀拉扎組指喀拉扎山紅色的碎屑巖層[1]。20世紀50年代部分學者根據喀拉扎組的膠結物成分與顏色,將巨厚的礫巖層一分為二,分別劃歸晚侏羅世喀拉扎組紅色礫巖和早白堊世吐谷魯群灰綠色底礫巖。雍天壽[19]和周經才等[20]認為齊古組頂部的不整合是白堊系與侏羅系之間構造運動的標志,從地層對比和侏羅系的沉積旋回特征來看,應該把巨厚的礫巖層看成一個整體,齊古組以上的礫巖沉積都是白堊系底礫巖。但后續的一些研究認為齊古組與喀拉扎組之間的不整合并不具備區域性分布的特征[20-23],根據齊古組和清水河組下部發現的古生物類型,將喀拉扎組劃分為上侏羅統為宜[24-25]。時至當前,對于喀拉扎組與清水河組的分界線所做的地層學研究仍然較少,對這套礫巖的地層學歸屬仍未確定,不僅造成了喀拉扎組區域地層對比和沉積體系研究上的困難,而且造成了油氣勘探目標層系選擇的障礙。
2007年之后,隨著對準噶爾盆地南緣油氣勘探開發的部署轉向深部地層,喀拉扎組作為準噶爾盆地南緣下部成藏組合重要的勘探目的層系受到重視[26],大量研究認為喀拉扎組具備良好的儲集層條件,由此開啟了喀拉扎組的沉積儲層研究[4,12,14,27-30]。對喀拉扎組物源的研究分析,推動了喀拉扎組源匯體系和盆地演化研究的發展[31-32],研究者通過對野外露頭的研究,提出了喀拉扎組的沉積相及沉積模式[26,33-35]。
關于喀拉扎組的區域分布問題至今尚未形成統一的意見[36]。目前主流的觀點是依據20世紀50年代區域地質調查獲得的認識,認為喀拉扎組與上覆吐谷魯群為不整合或平行不整合接觸,與下伏齊古組為整合或平行不整合接觸[1-2]。由此將準噶爾盆地南緣的喀拉扎巖系一分為二,其主體劃歸上侏羅統喀拉扎組,頂部劃歸下白堊統清水河組,作為清水河組底礫巖。根據這一觀點,將四棵樹凹陷高探1井和沙灣凹陷呼探1井鉆遇的粗碎屑巖系劃歸清水河組[5-6,35]。但據方世虎等[37-38]的研究,清水河組底礫巖主要分布于盆地邊緣及中央低凸起(車排子凸起—莫索灣凸起)周圍,是一套形成于鄰近高地附近的剝蝕產物或沖積產物(見圖1),厚度平均在10~30 m左右。

圖1 準噶爾盆地南緣喀拉扎組及清水河組底礫巖平面分布圖(據文獻[36-37]修改)
一般認為喀拉扎組僅分布在準噶爾南緣的中東部,準噶爾南緣西部四棵樹等地區缺失喀拉扎組(見圖1),發育的同層位礫巖屬于清水河組底礫巖[4,7-8,36,39],但新近的一些研究對這一觀點提出了質疑。關旭同等[34]在四棵樹河剖面和阿爾欽溝剖面野外調查中,識別出了厚層褐紅色礫巖和橘紅色塊狀礫巖沉積,礫巖分選差、磨圓為次圓-次棱狀,雜基支撐,分層較好(見圖2(a)),在夾雜的砂泥巖中可見不典型的泥裂現象,認為這些清水河組礫巖應該歸屬于喀拉扎組(見圖2(b))。FANG等[40]認為在盆地邊緣喀拉扎組和清水河組之間呈逐漸過渡型,喀拉扎組沖積扇礫巖與盆地內的清水河組底部河流相粗砂巖為同一層位。周彥希等[11]對準噶爾盆地南緣的地震剖面進行加密解釋,顯示四棵樹地區存在厚20 m左右的喀拉扎組。筆者在南安集海剖面觀察到一段厚22.4 m的灰色、灰綠色細礫-中礫巖(見圖2(c)),其巖性與齊古斷褶帶喀拉扎組相同,顯示為一套干旱氣候條件下的沖積扇或扇三角洲沉積。這套礫巖下部與齊古組突變接觸,上部逐漸過渡到以清水河組為主體的濱淺湖沉積(見圖2(c)),地層結構和沉積相演變特征與四棵樹剖面(見圖2(b))、雀爾溝剖面(見圖2(f)、(g))、紅溝剖面(見圖2(i))具有相似性,僅在礫巖的厚度和沉積微相方面有一定的差異(見圖2(e)、(h))。這些現象表明,喀拉扎組廣泛分布在準噶爾盆地南緣廣大地區,但不同地區的地層厚度和沉積相有所差別。在頭屯河地區沉積的喀拉扎組最厚,并向東西減薄,至四棵樹地區逐漸尖滅,盆地邊緣發育的厚層沖積扇礫巖向盆地內過渡,粒度逐漸變細,轉為河流相的砂巖沉積。
一些學者提出了新的觀點。楊勇等[41]認為清水河組直接與齊古組不整合接觸,區域上發育的礫巖都為清水河組底礫巖。根據這一觀點,喀拉扎組整體屬于下白堊統,由此解決了沉積相演化的連續性和地層年代的間斷性之間的矛盾,為研究喀拉扎組的地層歸屬和區域分布提供了新觀點,但與生物地層學認為喀拉扎組屬于晚侏羅統的意見產生了新的矛盾[24-25,42]。也有學者通過識別出的震積構造,認為喀拉扎組除了包含全部礫巖地層之外,還包含24.6 m液化卷曲的青灰色長石砂巖[43],這一觀點雖然主張礫巖為同一時代的地層,但將上覆長石砂巖劃歸喀拉扎組可能難以令人認同。要解決喀拉扎組的地層歸屬和分布問題還需要大量的年代地層學和沉積學證據。
物源問題是喀拉扎組沉積儲層研究的重點之一。侏羅世晚期準噶爾盆地南緣構造活動復雜,區域地層沉積厚度變化大,為確定沉積物的來源帶來了困難。目前主要采用古流向分析、礫石組分分析、碎屑鋯石年代學分析、重礦物分析、地層厚度分析等多種沉積學和地球化學方法,研究內容集中于喀拉扎組的母巖性質、物源和古水流方向等方面。
查顯峰等[43]對雀兒溝剖面喀拉扎組礫石成分分析的結果顯示,大部分物源(>60%)為火山碎屑物質,認為其主要物源來自北天山石炭紀的火山—碎屑巖系。司學強等[35]研究了南緣喀拉扎組的重礦物組合類型及其分布,認為研究區喀拉扎組存在3種類型重礦物組合,分別對應北天山和博格達山2大物源區。李忠等[44]通過碎屑鋯石同位素年代學分析認為晚侏羅世-早白堊世,天山區域整體抬升剝露,天山主分水嶺北移,武富禮等[45]認為此時盆地的物源來自北天山,章惠等[46]認為博格達山在西山窯組晚期就開始了局部隆升,喀拉組時期博格達山為準噶爾盆地南緣東部提供了物源。周天琪等[32]研究認為齊古斷褶帶中段與東段頭屯河地區以北天山為物源,阜康斷裂帶以博格達山為物源。但這些研究還難以對沉積物源通道進行有效刻畫,對定量化預測沉積搬運距離還沒有展開。
目前對于準噶爾盆地南緣中段和東段的喀拉扎組物源方向意見較為統一,但對四棵樹地區的物源認識存在分歧,部分學者認為南北2個物源單獨為四棵樹凹陷提供碎屑成分[47-50];也有學者認為二者同時為四棵樹凹陷供應物源[51-52]。FANG等[53-54]、周天琪等[32]綜合傳統沉積學、地球化學、碎屑鋯石年代學、重礦物等方法,研究認為晚侏羅世-早白堊世四棵樹凹陷地區古流向為南北雙向,其中北天山提供了主要物源,扎伊爾山物源影響到了四棵樹凹陷南部地區,物源的交匯區可能在高泉地區一帶(見圖3)。這些研究為四棵樹地區喀拉扎組的物源分析提供了借鑒,但是這些研究測量的數據有限、不系統,覆蓋的區域不全面,難以有效表征該地區晚侏羅世的物源方向。

圖3 準噶爾盆地南緣喀拉扎組古流向分布圖(據文獻[10]修改)
在古水流方向研究方面,李瑋等[55]、宋燕等[56]、張琴等[57]、德勒恰提·加娜塔依等[58]、高志勇等[59]對博格達山山前古水流的斜層理和礫石的產狀進行了測量,認為侏羅世晚期古流向總體向北,博格達山此時為喀拉扎組的沉積提供主要物源(見圖3);方世虎等[60]研究后峽地區侏羅系的古流向主要是北-西北方向,魯彬等[31]對頭屯河剖面喀拉扎組兩組定向礫石排列數據顯示其古流向為自南而北(見圖3),水流大多來自北天山山前,這與查顯峰等[43]在雀兒溝剖面測量的礫巖中細砂巖夾層中發育的斜層理顯示的古流向基本一致。
準噶爾盆地南緣的油氣勘探促進了對喀拉扎組沉積相與沉積體系分布的研究,隨著研究成果的積累,對沉積相、沉積體系的特征及其展布的認識愈加明了。
大面積分布的喀拉扎組粗碎屑沉積與沖積扇作用有關,發育多種巖石相和沉積微相。單新等[33]通過對準噶爾盆地南緣水磨溝剖面喀拉扎組露頭沉積特征的分析研究,劃分了7種巖相類型,認為該地區喀拉扎組發育碎屑流與辮狀河混合型沖積扇沉積,并將其劃分為扇根、扇中、扇緣3個亞相;扇根以碎屑流沉積作用為主,扇中以砂、礫混合型辮狀河沉積作用為主,扇端以砂質辮狀河沉積作用為主,且扇體多期疊覆向前堆積,形成上粗下細的序列。吳朝東[10]認為,準噶爾盆地南緣四棵樹凹陷野外露頭的喀拉扎組-清水河組褐紅色塊狀礫巖層面平直,主要為沖積扇片流沉積,局部可以識別出碎屑流沉積。司學強等[35]在露頭剖面觀測基礎上,結合錄井、微量元素及重礦物資料,認為喀拉扎組在齊古斷褶帶中段主要發育沖積扇沉積,與傳統觀點不同的是,他認為沉積動力是牽引流而非重力流,按相帶劃分主要屬于扇中亞相,進而又可劃分為河道沉積、漫流沉積和篩積物微相。于興河等[61]在水磨溝喀拉扎組下部發現了湖相泥巖,認為水磨溝剖面的扇體已部分沉入水下,可能遭受了湖泊波浪作用影響,形成扇三角洲;而紅溝剖面的喀拉扎組主要屬于陸上部分,礫石多具定向性,且多發育“V”字形干裂構造,反映沉積時期該套沉積物時常暴露出水面,因此沉積相類型為扇三角洲平原水道沉積。然而這些證據的可靠性值得進一步驗證,一方面礫石的定向性與是否是扇三角洲沉積沒有必然的關系,另一方面波浪改造的礫巖不一定都是扇三角洲上的產物,也可能為礫質湖灘沉積。關旭同等[34]等整合10條剖面,將準噶爾盆地南緣巨厚礫巖層劃分為喀拉扎組褐紅色沖積扇礫巖、清水河組褐色湖水改造沖積扇礫巖和清水河組濱湖礫巖沉積,并區分出Gm1、Gm2兩種巖相,認為地層下部發育喀拉扎組扇三角洲沉積,上部發育清水河組濱淺湖沉積(見圖4和表2)。

圖4 準噶爾盆地南緣喀拉扎組沉積相平面圖(據文獻[10]修改)

表2 準噶爾南緣典型露頭喀拉扎組地層特征對比
以上研究進展表明,目前對喀拉扎組沉積環境和沉積相研究還處于零星的局部描述階段。大多數學者主要依靠個別山前露頭進行沉積相分析,對喀拉扎組地下分布及其沉積相與沉積體系的研究還沒有文獻報道,需要深入分析典型沉積體系和沉積相進行地面-地下對比,重建不同時期的沉積體系分布模式,進而對沉積體系規模及其分布進行定量化的預測。
喀拉扎組的沉積模式研究主要建立在野外露頭考察的基礎上,早期學者認為喀拉扎組是干旱環境下發育沖積扇沉積[19]。近年以來隨著沉積儲層研究的深入,一些學者針對準噶爾盆地南緣喀拉扎組建立了沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲等多種沉積模式[9,26,33,35],有效地指導了油氣勘探和開發實踐。
有觀點提出,喀拉扎組沉積期氣候干旱到達頂峰,湖平面降到了侏羅紀以來的最低點[34,62-63],喀拉扎組主要發育沖積扇沉積。王陸新[64]認為石場-瑪納斯河和阜康白楊溝地區沉積形成了2個喀拉扎組沖積扇群,可識別出5~6期扇體沉積,整體為向上變粗粒序,具有干旱型沖積扇特征。單新等[33]通過水磨溝剖面的研究,提出了喀拉扎組混合型沖積扇的沉積模式,該模式的扇中和扇端發育了大量辮狀河道和辮流壩沉積(見表2)。
也有人認為喀拉扎組沉積期氣候相對于齊古組沉積期相對濕潤[54],將喀拉扎組認定為一套扇三角洲沉積。于興河等[61]認為,準噶爾南緣不同部位發育的扇三角洲沉積模式有所差異,呼圖壁河剖面喀拉扎組為一套水退型扇三角洲沉積,地形坡度較陡,以片流和河流復合型的沉積作用為主,后期受波浪作用改造,三角洲砂體多為反粒序,扇三角洲進積特征明顯;水磨溝扇三角洲與前者類似,其地形坡度中等,搬運機制為河流;紅溝扇三角洲發育山前,地形坡度陡,物源供給充足,以片流搬運為主(見表2)。張馳等[26]認為喀拉扎組沉積期水體含砂量高,扇體半徑小,扇三角洲平原碎屑水道穩定性差,形成垂向切割疊置型朵葉狀幕式沉積;扇三角洲前緣水體密度降低,牽引流更發育,砂體側向切割,多層河道砂體疊合,為大面積砂體疊加連片提供了重要條件。以上研究為分析喀拉扎組的形成與分布提供了理論基礎,但大多模式都簡單地將扇三角洲的水上部分等同于沖積扇,將水下部分等同于三角洲前緣,過度擴大了三角洲的范圍。即便如此,這些模式在扇體類型、扇體規模、扇體疊置關系研究方面仍然表現出了一定的創新性。
在沉積體規模研究方面,司學強等[35]認為齊古斷褶帶中段發育觀音溝沖積扇、清水河沖積扇和雀爾溝沖積扇,主扇體東西寬度為15~25 km,砂礫巖厚度為180~240 m,主扇體之間區域砂礫巖厚度約150 m,在盆地內部霍瑪吐背斜帶演化為辮狀河三角洲沉積;齊古斷褶帶東段喀拉扎組發育大型辮狀河三角洲,東西寬約50 km,延伸距離可能超過100 km,辮狀河三角洲前緣沉積形成的砂體分選好,分布面積廣,大面積砂體疊加連片,具備形成深層大規模有效儲集層的潛力。
喀拉扎組的沉積模式研究還處于起步階段,現有的沉積模式類型眾多,但沒有形成統一的共識。在沉積體系的成因類型、結合形態、歷史演化和相互關系方面還缺少深入的分析,沖積扇和扇三角洲的觀點在一定程度上限制了沉積相模式研究的創新。分支河流體系是近年來引入的一個新概念,指河流從某一頂點進入盆地并呈放射狀展布的沉積體系,其表征的沉積規模更大、意義更廣。侏羅世末期氣候干旱炎熱,燕山運動活動強烈,古地形地貌形態復雜,在其控制下沉積環境變化快,發育的沉積體系類型眾多。通過野外實地考察發現,喀拉扎組在天山山前主要為沖積扇沉積,一些大的扇體入湖或者湖沼地區,形成扇三角洲沉積。在河流末端發育一些小型的湖泊三角洲和末端扇。采用分支河流體系的觀點,能夠將這些沉積相視為一個整體,方便定量預測各類儲層的分布,可能會打開對喀拉扎組沉積模式認識的新思維(見圖5)[65-70]。

圖5 準噶爾盆地南緣喀拉扎組沉積模式圖
隨著瑪湖凹陷礫巖油氣藏的發現,砂礫巖儲集層的研究開始成為熱點[65]。喀拉扎組作為準噶爾盆地南緣下部油氣成藏組合的重要儲集巖系,其砂礫巖厚度超過100 m,被認為具備形成規模油氣藏的儲集條件[14,27,36,71-73]。但是由于目標層位井網稀疏,難以識別儲集相帶的展布規律,缺乏對儲層的系統性研究,造成目前對儲層物性的區域分布認識還不夠深入。
總體特征顯示,喀拉扎組以大套厚層礫巖和中粗砂巖為主,成分成熟度和結構成熟度低。巖石成分以石英巖碎屑、花崗巖碎屑、生物碎屑及灰巖碎屑為主,儲集空間主要為粒內溶孔、粒間溶孔、裂縫以及原生孔隙,屬于中低孔、中低滲透儲層[14,72]。其中齊古斷褶帶石英含量高達37.00%,膠結物含量少、顆粒分選好,儲集性能最好[28]。
喀拉扎組儲層發育以原生孔隙為主、次生孔隙為輔的復合孔隙類型,次生孔隙主要表現為長石和巖屑顆粒內溶孔以及方解石、方沸石膠結物溶蝕孔[30],碎屑溶蝕孔可以改善儲層儲集性能。長山1井喀拉扎組不等粒砂巖中發育粒間孔、方解石溶孔,巖心最大孔隙度為23.40%,滲透率為22.00 mD[12];頭屯河地區平均孔隙度為17.69%,滲透率為259.80 mD。喀拉扎組的平均孔隙度平均在16%~19%,滲透率在100~260 mD[72]。
沉積相對儲層物性具有明顯的控制作用,但受成巖作用影響顯著。喀拉扎組主要發育沖積扇、辮狀河、扇三角洲等沉積。辮狀水道、前緣水下分流河道砂巖分選好、物性好[30,36]。相同沉積相帶下,砂體儲集物性主要受成巖作用影響。研究區喀拉扎組處于早成巖階段,早期淺埋、晚期深埋的成巖過程和干旱條件下堿性的成巖環境,致使喀拉扎組成巖作用較弱,從而保存了較多的原生粒間孔,是形成良好儲集層物性重要因素[71](見圖6)。

圖6 準噶爾盆地南緣上侏羅統喀拉扎組成巖演化模式圖
地震活動使得喀拉扎組儲層產生多級裂縫和同沉積斷層,為油氣運移提供了良好的通道,同時產生的微裂縫也增大了有效孔隙度和滲透率,極大改善了喀拉扎組的儲集層條件[44]。毛哲等[73]通過野外露頭觀測、巖心、薄片等資料,對侏羅系儲層裂縫發育特征、控制因素及有效性進行了分析,研究表明喀拉扎組主要發育構造縫,其次是成巖縫和異常高壓縫,喀拉扎組裂縫平均線密度為0.60 條/m,有效裂縫比例占85%以上。
1)準噶爾盆地南緣上侏羅統喀拉扎組的研究經歷了1935—1962年的建組定名階段、1962—2006年的地層學階段和2007年—現在的沉積儲層研究階段。油氣勘探開發的持續要求推動了喀拉扎組沉積儲層研究不斷深入。
2)對喀拉扎組的區域分布存在不同觀點。以前認為喀拉扎組僅分布在準噶爾盆地南緣的中東部,準噶爾盆地南緣西部四棵樹等地區缺失喀拉扎組的觀點受到質疑。喀拉扎組可能廣泛分布在準噶爾盆地南緣廣大地區,在頭屯河地區沉積的喀拉扎組最厚,并向東西減薄,至四棵樹地區逐漸尖滅。
3)喀拉扎組物源研究集中在母巖性質、物源和古水流方向等3個方面。喀拉扎組主要物源來自北天山石炭紀的火山—碎屑巖系。天山和博格達山構成喀拉扎組2大物源區,并沿著北天山發育沖積扇-扇三角洲沉積體系。目前對喀拉扎組碎屑巖沉積體系的形成過程和分布規律還缺乏明確的認識,對喀拉扎組沉積環境和沉積相研究還處于零星的局部描述階段,需要開展地面-地下對比,對沉積體系規模及其分布進行定量化預測。
4)目前已經建立了喀拉扎組的沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲等多種沉積模式。現有的沉積模式類型眾多,沒有統一的共識。在沉積體系的成因類型、幾何形態、歷史演化和相互關系方面研究較少。沖積扇和扇三角洲的觀點在一定程度上限制了沉積相模式研究的創新,建議采用分支河流體系的新概念建立新的沉積模式。
5)喀拉扎組以大套厚層礫巖和中粗砂巖為特征,成分成熟度和結構成熟度低。巖石成分以石英巖碎屑、花崗巖碎屑、生物碎屑及灰巖碎屑為主,處于早成巖期,儲集空間主要為粒內溶孔、粒間溶孔、裂縫以及原生孔隙,屬于中低孔、中低滲透儲層。地震活動造成多級裂縫和同沉積斷層,為油氣運移提供了良好的通道,改善了喀拉扎組的儲集層條件。