准噶尔盆地南缘上侏罗统喀拉扎组沉积储层研究进展

张昌民，付文俊，冀东升，赵康，张祥辉

1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100

2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830013

在准噶尔盆地南缘，一条横亘东西的砾岩“城墙”构成了北疆独特的美景，吸引了众多地质工作者的眼球。1935年，俄国地质学家M.H.沙依道夫在新疆昌吉河东喀拉扎山考察，将这堵“城墙”命名为喀拉扎岩系［1-2］；斯行健、周志炎［3］在《中国中生代陆相地层》一书中首次提出喀拉扎组。之后，对喀拉扎组的研究越来越多，但是对喀拉扎组的分布及其沉积成因一直存在争议。传统的观点认为，喀拉扎组主要分布在准噶尔盆地南缘中部及东部地区，在准噶尔盆地南缘西部四棵树凹陷等地区缺失喀拉扎组［4-8］，近年来随着露头调查和勘探发现的不断深入，有学者对这一观点提出了质疑［9-11］。2018年，新疆油田在四棵树凹陷布置的高探1井钻遇一套粗碎屑岩系，获得了高产的工业油气流［12-14］；2020年沙湾凹陷呼探1井再次在粗碎屑岩系中获得了高产工业油气流，从而揭开了准噶尔盆地南缘新一期油气勘探的序幕，显示了上侏罗统喀拉扎组-下白垩统清水河组粗碎屑岩系良好的油气勘探潜力。但由于该区的侏罗系和白垩系埋深大，地质构造复杂，对所钻地层年代归属、区域分布、物源方向、沉积相类型、沉积体系展布还没有形成统一的认识，影响了油气勘探的进程。为此，笔者系统梳理了有关喀拉扎组沉积储层方面的研究报告和论文，对喀拉扎组的研究历史进行了回顾与总结，对喀拉扎组的区域分布、物源方向、沉积相类型、沉积体系展布、沉积模式和储层研究现状进行了综述和分析，以期能全面介绍喀拉扎组的沉积储层研究现状，为开展喀拉扎组的研究提供较为全面和系统的参考资料，为准噶尔盆地南缘油气勘探提供新的信息。

1 喀拉扎组的研究历程

1935年，俄国地质学家M.H.沙依道夫将昌吉河东喀拉扎山的一套红色粗碎屑岩沉积命名为喀拉扎组岩，此后众多学者对喀拉扎组及其沉积特征开展了广泛研究。调研表明，喀拉扎组的研究可划分为3个阶段：建组定名阶段(1935—1962年)、地层学研究阶段(1963—2006年)、沉积储层研究阶段(2007年—现在)。

1.1 建组定名阶段(1935—1962年)

20世纪40—60年代，部分学者根据准噶尔盆地南缘的露头研究，结合古生物资料与区域中生代不整合面、褶皱断裂构造、岩浆侵入和喷溢规律，提出了该区地层命名及时代划分方案(见表1)［15］。黄汲清等［16］提出克拉扎组(Kelazha Fm)的名称，并将之划归上侏罗统；《中国区域地层表(草案)》将其命名为下白垩统哈拉扎组［17］；新疆石油管理局地调处称之为喀拉扎统，时代为晚侏罗世。1959年第一届全国地层会议之后，新疆地调处于次年正式命名为上侏罗统喀拉扎组。顾知徽［18］、斯行健等［3］公开引用并改称喀拉扎组，这一命名称及其年代归属方案得到了学术界普遍认可，沿用至今。

表1 准噶尔盆地南缘喀拉扎组地层沿革表

1.2 地层学研究阶段(1963—2006年)

最初的喀拉扎组指喀拉扎山红色的碎屑岩层［1］。20世纪50年代部分学者根据喀拉扎组的胶结物成分与颜色，将巨厚的砾岩层一分为二，分别划归晚侏罗世喀拉扎组红色砾岩和早白垩世吐谷鲁群灰绿色底砾岩。雍天寿［19］和周经才等［20］认为齐古组顶部的不整合是白垩系与侏罗系之间构造运动的标志，从地层对比和侏罗系的沉积旋回特征来看，应该把巨厚的砾岩层看成一个整体，齐古组以上的砾岩沉积都是白垩系底砾岩。但后续的一些研究认为齐古组与喀拉扎组之间的不整合并不具备区域性分布的特征［20-23］，根据齐古组和清水河组下部发现的古生物类型，将喀拉扎组划分为上侏罗统为宜［24-25］。时至当前，对于喀拉扎组与清水河组的分界线所做的地层学研究仍然较少，对这套砾岩的地层学归属仍未确定，不仅造成了喀拉扎组区域地层对比和沉积体系研究上的困难，而且造成了油气勘探目标层系选择的障碍。

1.3 沉积储层研究阶段(2007年—至今)

2007年之后，随着对准噶尔盆地南缘油气勘探开发的部署转向深部地层，喀拉扎组作为准噶尔盆地南缘下部成藏组合重要的勘探目的层系受到重视［26］，大量研究认为喀拉扎组具备良好的储集层条件，由此开启了喀拉扎组的沉积储层研究［4,12,14,27-30］。对喀拉扎组物源的研究分析，推动了喀拉扎组源汇体系和盆地演化研究的发展［31-32］，研究者通过对野外露头的研究，提出了喀拉扎组的沉积相及沉积模式［26,33-35］。

2 喀拉扎组的区域分布

关于喀拉扎组的区域分布问题至今尚未形成统一的意见［36］。目前主流的观点是依据20世纪50年代区域地质调查获得的认识，认为喀拉扎组与上覆吐谷鲁群为不整合或平行不整合接触，与下伏齐古组为整合或平行不整合接触［1-2］。由此将准噶尔盆地南缘的喀拉扎岩系一分为二，其主体划归上侏罗统喀拉扎组，顶部划归下白垩统清水河组，作为清水河组底砾岩。根据这一观点，将四棵树凹陷高探1井和沙湾凹陷呼探1井钻遇的粗碎屑岩系划归清水河组［5-6,35］。但据方世虎等［37-38］的研究，清水河组底砾岩主要分布于盆地边缘及中央低凸起(车排子凸起—莫索湾凸起)周围，是一套形成于邻近高地附近的剥蚀产物或冲积产物(见图1)，厚度平均在10～30 m左右。

图1 准噶尔盆地南缘喀拉扎组及清水河组底砾岩平面分布图(据文献[36-37]修改)

一般认为喀拉扎组仅分布在准噶尔南缘的中东部，准噶尔南缘西部四棵树等地区缺失喀拉扎组(见图1)，发育的同层位砾岩属于清水河组底砾岩［4,7-8,36,39］，但新近的一些研究对这一观点提出了质疑。关旭同等［34］在四棵树河剖面和阿尔钦沟剖面野外调查中，识别出了厚层褐红色砾岩和橘红色块状砾岩沉积，砾岩分选差、磨圆为次圆-次棱状，杂基支撑，分层较好(见图2(a))，在夹杂的砂泥岩中可见不典型的泥裂现象，认为这些清水河组砾岩应该归属于喀拉扎组(见图2(b))。FANG等［40］认为在盆地边缘喀拉扎组和清水河组之间呈逐渐过渡型，喀拉扎组冲积扇砾岩与盆地内的清水河组底部河流相粗砂岩为同一层位。周彦希等［11］对准噶尔盆地南缘的地震剖面进行加密解释，显示四棵树地区存在厚20 m左右的喀拉扎组。笔者在南安集海剖面观察到一段厚22.4 m的灰色、灰绿色细砾-中砾岩(见图2(c))，其岩性与齐古断褶带喀拉扎组相同，显示为一套干旱气候条件下的冲积扇或扇三角洲沉积。这套砾岩下部与齐古组突变接触，上部逐渐过渡到以清水河组为主体的滨浅湖沉积(见图2(c))，地层结构和沉积相演变特征与四棵树剖面(见图2(b))、雀尔沟剖面(见图2(f)、(g))、红沟剖面(见图2(i))具有相似性，仅在砾岩的厚度和沉积微相方面有一定的差异(见图2(e)、(h))。这些现象表明，喀拉扎组广泛分布在准噶尔盆地南缘广大地区，但不同地区的地层厚度和沉积相有所差别。在头屯河地区沉积的喀拉扎组最厚，并向东西减薄，至四棵树地区逐渐尖灭，盆地边缘发育的厚层冲积扇砾岩向盆地内过渡，粒度逐渐变细，转为河流相的砂岩沉积。

一些学者提出了新的观点。杨勇等［41］认为清水河组直接与齐古组不整合接触，区域上发育的砾岩都为清水河组底砾岩。根据这一观点，喀拉扎组整体属于下白垩统，由此解决了沉积相演化的连续性和地层年代的间断性之间的矛盾，为研究喀拉扎组的地层归属和区域分布提供了新观点，但与生物地层学认为喀拉扎组属于晚侏罗统的意见产生了新的矛盾［24-25,42］。也有学者通过识别出的震积构造，认为喀拉扎组除了包含全部砾岩地层之外，还包含24.6 m液化卷曲的青灰色长石砂岩［43］，这一观点虽然主张砾岩为同一时代的地层，但将上覆长石砂岩划归喀拉扎组可能难以令人认同。要解决喀拉扎组的地层归属和分布问题还需要大量的年代地层学和沉积学证据。

3 喀拉扎组物源问题

物源问题是喀拉扎组沉积储层研究的重点之一。侏罗世晚期准噶尔盆地南缘构造活动复杂，区域地层沉积厚度变化大，为确定沉积物的来源带来了困难。目前主要采用古流向分析、砾石组分分析、碎屑锆石年代学分析、重矿物分析、地层厚度分析等多种沉积学和地球化学方法，研究内容集中于喀拉扎组的母岩性质、物源和古水流方向等方面。

查显峰等［43］对雀儿沟剖面喀拉扎组砾石成分分析的结果显示，大部分物源(>60%)为火山碎屑物质，认为其主要物源来自北天山石炭纪的火山—碎屑岩系。司学强等［35］研究了南缘喀拉扎组的重矿物组合类型及其分布，认为研究区喀拉扎组存在3种类型重矿物组合，分别对应北天山和博格达山2大物源区。李忠等［44］通过碎屑锆石同位素年代学分析认为晚侏罗世-早白垩世，天山区域整体抬升剥露，天山主分水岭北移，武富礼等［45］认为此时盆地的物源来自北天山，章惠等［46］认为博格达山在西山窑组晚期就开始了局部隆升，喀拉组时期博格达山为准噶尔盆地南缘东部提供了物源。周天琪等［32］研究认为齐古断褶带中段与东段头屯河地区以北天山为物源，阜康断裂带以博格达山为物源。但这些研究还难以对沉积物源通道进行有效刻画，对定量化预测沉积搬运距离还没有展开。

目前对于准噶尔盆地南缘中段和东段的喀拉扎组物源方向意见较为统一，但对四棵树地区的物源认识存在分歧，部分学者认为南北2个物源单独为四棵树凹陷提供碎屑成分［47-50］；也有学者认为二者同时为四棵树凹陷供应物源［51-52］。FANG等［53-54］、周天琪等［32］综合传统沉积学、地球化学、碎屑锆石年代学、重矿物等方法，研究认为晚侏罗世-早白垩世四棵树凹陷地区古流向为南北双向，其中北天山提供了主要物源，扎伊尔山物源影响到了四棵树凹陷南部地区，物源的交汇区可能在高泉地区一带(见图3)。这些研究为四棵树地区喀拉扎组的物源分析提供了借鉴，但是这些研究测量的数据有限、不系统，覆盖的区域不全面，难以有效表征该地区晚侏罗世的物源方向。

图3 准噶尔盆地南缘喀拉扎组古流向分布图(据文献[10]修改)

在古水流方向研究方面，李玮等［55］、宋燕等［56］、张琴等［57］、德勒恰提·加娜塔依等［58］、高志勇等［59］对博格达山山前古水流的斜层理和砾石的产状进行了测量，认为侏罗世晚期古流向总体向北，博格达山此时为喀拉扎组的沉积提供主要物源(见图3)；方世虎等［60］研究后峡地区侏罗系的古流向主要是北-西北方向，鲁彬等［31］对头屯河剖面喀拉扎组两组定向砾石排列数据显示其古流向为自南而北(见图3)，水流大多来自北天山山前，这与查显峰等［43］在雀儿沟剖面测量的砾岩中细砂岩夹层中发育的斜层理显示的古流向基本一致。

4 沉积相类型

准噶尔盆地南缘的油气勘探促进了对喀拉扎组沉积相与沉积体系分布的研究，随着研究成果的积累，对沉积相、沉积体系的特征及其展布的认识愈加明了。

大面积分布的喀拉扎组粗碎屑沉积与冲积扇作用有关，发育多种岩石相和沉积微相。单新等［33］通过对准噶尔盆地南缘水磨沟剖面喀拉扎组露头沉积特征的分析研究，划分了7种岩相类型，认为该地区喀拉扎组发育碎屑流与辫状河混合型冲积扇沉积，并将其划分为扇根、扇中、扇缘3个亚相；扇根以碎屑流沉积作用为主，扇中以砂、砾混合型辫状河沉积作用为主，扇端以砂质辫状河沉积作用为主，且扇体多期叠覆向前堆积，形成上粗下细的序列。吴朝东［10］认为，准噶尔盆地南缘四棵树凹陷野外露头的喀拉扎组-清水河组褐红色块状砾岩层面平直，主要为冲积扇片流沉积，局部可以识别出碎屑流沉积。司学强等［35］在露头剖面观测基础上，结合录井、微量元素及重矿物资料，认为喀拉扎组在齐古断褶带中段主要发育冲积扇沉积，与传统观点不同的是，他认为沉积动力是牵引流而非重力流，按相带划分主要属于扇中亚相，进而又可划分为河道沉积、漫流沉积和筛积物微相。于兴河等［61］在水磨沟喀拉扎组下部发现了湖相泥岩，认为水磨沟剖面的扇体已部分沉入水下，可能遭受了湖泊波浪作用影响，形成扇三角洲；而红沟剖面的喀拉扎组主要属于陆上部分，砾石多具定向性，且多发育“V”字形干裂构造，反映沉积时期该套沉积物时常暴露出水面，因此沉积相类型为扇三角洲平原水道沉积。然而这些证据的可靠性值得进一步验证，一方面砾石的定向性与是否是扇三角洲沉积没有必然的关系，另一方面波浪改造的砾岩不一定都是扇三角洲上的产物，也可能为砾质湖滩沉积。关旭同等［34］等整合10条剖面，将准噶尔盆地南缘巨厚砾岩层划分为喀拉扎组褐红色冲积扇砾岩、清水河组褐色湖水改造冲积扇砾岩和清水河组滨湖砾岩沉积，并区分出Gm1、Gm2两种岩相，认为地层下部发育喀拉扎组扇三角洲沉积，上部发育清水河组滨浅湖沉积(见图4和表2)。

图4 准噶尔盆地南缘喀拉扎组沉积相平面图(据文献[10]修改)

表2 准噶尔南缘典型露头喀拉扎组地层特征对比

以上研究进展表明，目前对喀拉扎组沉积环境和沉积相研究还处于零星的局部描述阶段。大多数学者主要依靠个别山前露头进行沉积相分析，对喀拉扎组地下分布及其沉积相与沉积体系的研究还没有文献报道，需要深入分析典型沉积体系和沉积相进行地面-地下对比，重建不同时期的沉积体系分布模式，进而对沉积体系规模及其分布进行定量化的预测。

5 沉积模式与沉积体系

喀拉扎组的沉积模式研究主要建立在野外露头考察的基础上，早期学者认为喀拉扎组是干旱环境下发育冲积扇沉积［19］。近年以来随着沉积储层研究的深入，一些学者针对准噶尔盆地南缘喀拉扎组建立了冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲等多种沉积模式［9,26,33,35］，有效地指导了油气勘探和开发实践。

有观点提出，喀拉扎组沉积期气候干旱到达顶峰，湖平面降到了侏罗纪以来的最低点［34,62-63］，喀拉扎组主要发育冲积扇沉积。王陆新［64］认为石场-玛纳斯河和阜康白杨沟地区沉积形成了2个喀拉扎组冲积扇群，可识别出5～6期扇体沉积，整体为向上变粗粒序，具有干旱型冲积扇特征。单新等［33］通过水磨沟剖面的研究，提出了喀拉扎组混合型冲积扇的沉积模式，该模式的扇中和扇端发育了大量辫状河道和辫流坝沉积(见表2)。

也有人认为喀拉扎组沉积期气候相对于齐古组沉积期相对湿润［54］，将喀拉扎组认定为一套扇三角洲沉积。于兴河等［61］认为，准噶尔南缘不同部位发育的扇三角洲沉积模式有所差异，呼图壁河剖面喀拉扎组为一套水退型扇三角洲沉积，地形坡度较陡，以片流和河流复合型的沉积作用为主，后期受波浪作用改造，三角洲砂体多为反粒序，扇三角洲进积特征明显；水磨沟扇三角洲与前者类似，其地形坡度中等，搬运机制为河流；红沟扇三角洲发育山前，地形坡度陡，物源供给充足，以片流搬运为主(见表2)。张驰等［26］认为喀拉扎组沉积期水体含砂量高，扇体半径小，扇三角洲平原碎屑水道稳定性差，形成垂向切割叠置型朵叶状幕式沉积；扇三角洲前缘水体密度降低，牵引流更发育，砂体侧向切割，多层河道砂体叠合，为大面积砂体叠加连片提供了重要条件。以上研究为分析喀拉扎组的形成与分布提供了理论基础，但大多模式都简单地将扇三角洲的水上部分等同于冲积扇，将水下部分等同于三角洲前缘，过度扩大了三角洲的范围。即便如此，这些模式在扇体类型、扇体规模、扇体叠置关系研究方面仍然表现出了一定的创新性。

在沉积体规模研究方面，司学强等［35］认为齐古断褶带中段发育观音沟冲积扇、清水河冲积扇和雀尔沟冲积扇，主扇体东西宽度为15～25 km，砂砾岩厚度为180～240 m，主扇体之间区域砂砾岩厚度约150 m，在盆地内部霍玛吐背斜带演化为辫状河三角洲沉积；齐古断褶带东段喀拉扎组发育大型辫状河三角洲，东西宽约50 km，延伸距离可能超过100 km，辫状河三角洲前缘沉积形成的砂体分选好，分布面积广，大面积砂体叠加连片，具备形成深层大规模有效储集层的潜力。

喀拉扎组的沉积模式研究还处于起步阶段，现有的沉积模式类型众多，但没有形成统一的共识。在沉积体系的成因类型、结合形态、历史演化和相互关系方面还缺少深入的分析，冲积扇和扇三角洲的观点在一定程度上限制了沉积相模式研究的创新。分支河流体系是近年来引入的一个新概念，指河流从某一顶点进入盆地并呈放射状展布的沉积体系，其表征的沉积规模更大、意义更广。侏罗世末期气候干旱炎热，燕山运动活动强烈，古地形地貌形态复杂，在其控制下沉积环境变化快，发育的沉积体系类型众多。通过野外实地考察发现，喀拉扎组在天山山前主要为冲积扇沉积，一些大的扇体入湖或者湖沼地区，形成扇三角洲沉积。在河流末端发育一些小型的湖泊三角洲和末端扇。采用分支河流体系的观点，能够将这些沉积相视为一个整体，方便定量预测各类储层的分布，可能会打开对喀拉扎组沉积模式认识的新思维(见图5)［65-70］。

图5 准噶尔盆地南缘喀拉扎组沉积模式图

6 储集层研究

随着玛湖凹陷砾岩油气藏的发现，砂砾岩储集层的研究开始成为热点［65］。喀拉扎组作为准噶尔盆地南缘下部油气成藏组合的重要储集岩系，其砂砾岩厚度超过100 m，被认为具备形成规模油气藏的储集条件［14,27,36,71-73］。但是由于目标层位井网稀疏，难以识别储集相带的展布规律，缺乏对储层的系统性研究，造成目前对储层物性的区域分布认识还不够深入。

总体特征显示，喀拉扎组以大套厚层砾岩和中粗砂岩为主，成分成熟度和结构成熟度低。岩石成分以石英岩碎屑、花岗岩碎屑、生物碎屑及灰岩碎屑为主，储集空间主要为粒内溶孔、粒间溶孔、裂缝以及原生孔隙，属于中低孔、中低渗透储层［14,72］。其中齐古断褶带石英含量高达37.00%，胶结物含量少、颗粒分选好，储集性能最好［28］。

喀拉扎组储层发育以原生孔隙为主、次生孔隙为辅的复合孔隙类型，次生孔隙主要表现为长石和岩屑颗粒内溶孔以及方解石、方沸石胶结物溶蚀孔［30］，碎屑溶蚀孔可以改善储层储集性能。长山1井喀拉扎组不等粒砂岩中发育粒间孔、方解石溶孔，岩心最大孔隙度为23.40%，渗透率为22.00 mD［12］；头屯河地区平均孔隙度为17.69%，渗透率为259.80 mD。喀拉扎组的平均孔隙度平均在16%～19%，渗透率在100～260 mD［72］。

沉积相对储层物性具有明显的控制作用，但受成岩作用影响显著。喀拉扎组主要发育冲积扇、辫状河、扇三角洲等沉积。辫状水道、前缘水下分流河道砂岩分选好、物性好［30,36］。相同沉积相带下，砂体储集物性主要受成岩作用影响。研究区喀拉扎组处于早成岩阶段，早期浅埋、晚期深埋的成岩过程和干旱条件下碱性的成岩环境，致使喀拉扎组成岩作用较弱，从而保存了较多的原生粒间孔，是形成良好储集层物性重要因素［71］(见图6)。

图6 准噶尔盆地南缘上侏罗统喀拉扎组成岩演化模式图

地震活动使得喀拉扎组储层产生多级裂缝和同沉积断层，为油气运移提供了良好的通道，同时产生的微裂缝也增大了有效孔隙度和渗透率，极大改善了喀拉扎组的储集层条件［44］。毛哲等［73］通过野外露头观测、岩心、薄片等资料，对侏罗系储层裂缝发育特征、控制因素及有效性进行了分析，研究表明喀拉扎组主要发育构造缝，其次是成岩缝和异常高压缝，喀拉扎组裂缝平均线密度为0.60 条/m，有效裂缝比例占85%以上。

7 结论及建议

1)准噶尔盆地南缘上侏罗统喀拉扎组的研究经历了1935—1962年的建组定名阶段、1962—2006年的地层学阶段和2007年—现在的沉积储层研究阶段。油气勘探开发的持续要求推动了喀拉扎组沉积储层研究不断深入。

2)对喀拉扎组的区域分布存在不同观点。以前认为喀拉扎组仅分布在准噶尔盆地南缘的中东部，准噶尔盆地南缘西部四棵树等地区缺失喀拉扎组的观点受到质疑。喀拉扎组可能广泛分布在准噶尔盆地南缘广大地区，在头屯河地区沉积的喀拉扎组最厚，并向东西减薄，至四棵树地区逐渐尖灭。

3)喀拉扎组物源研究集中在母岩性质、物源和古水流方向等3个方面。喀拉扎组主要物源来自北天山石炭纪的火山—碎屑岩系。天山和博格达山构成喀拉扎组2大物源区，并沿着北天山发育冲积扇-扇三角洲沉积体系。目前对喀拉扎组碎屑岩沉积体系的形成过程和分布规律还缺乏明确的认识，对喀拉扎组沉积环境和沉积相研究还处于零星的局部描述阶段，需要开展地面-地下对比，对沉积体系规模及其分布进行定量化预测。

4)目前已经建立了喀拉扎组的冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲等多种沉积模式。现有的沉积模式类型众多，没有统一的共识。在沉积体系的成因类型、几何形态、历史演化和相互关系方面研究较少。冲积扇和扇三角洲的观点在一定程度上限制了沉积相模式研究的创新，建议采用分支河流体系的新概念建立新的沉积模式。

5)喀拉扎组以大套厚层砾岩和中粗砂岩为特征，成分成熟度和结构成熟度低。岩石成分以石英岩碎屑、花岗岩碎屑、生物碎屑及灰岩碎屑为主，处于早成岩期，储集空间主要为粒内溶孔、粒间溶孔、裂缝以及原生孔隙，属于中低孔、中低渗透储层。地震活动造成多级裂缝和同沉积断层，为油气运移提供了良好的通道，改善了喀拉扎组的储集层条件。