湿润型风成沙丘沉积特征及沉积环境——以秘鲁马德雷德迪奥斯盆地三叠系—侏罗系下Nia组为例

韩 杰 张志伟 赵永斌 田作基 阳孝法 刘亚明 马中振

（中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

对风成沙丘沉积的研究最早可追溯到20世纪初，发展至今，国内外对风成沙丘沉积的研究存在较大差异。国内风成沙丘沉积研究主要包括风成砂沉积特征及判别［1-5］、简单的沉积相划分［6-9］及相关的古气候意义研究［10-13］，其中风成砂沉积特征研究包括岩性特征［3］、粒度分析［6］、石英颗粒表面特征［4］及沉积结构［6，10］共4方面内容。国外学者对风成沙丘沉积的研究则集中于风成沙丘沉积相［14-15］、模型重建［16-18］、沉积类型［19-20］以及风成-河流沉积体系［16，21］等方面，并将风成沙丘沉积分为干旱型、湿润型及覆水型3种风成沙丘沉积类型［15］。

湿润型风成沙丘的潜水面位于丘间沉积界面附近，可以对沙丘迁移和沉积产生一定的影响。丘间沉积受到潜水面影响常发育一系列特殊的沉积结构，如受水流影响的波状纹层、软沉积变形、黏附结构及可能存在的生物扰动现象［20］，向上随着沙丘的迁移以及伴随的潜水面下降，湿丘间沉积转化为风成波纹层沉积。三叠纪到侏罗纪沉积时期，区域构造背景的改变导致了古地理和古气候的变化，该段时期南美洲大陆形成了历史上最大的沙海沉积［22］，主要由一系列湿润型风成沙丘沉积组成，如巴西Parana盆地Padreira组记录了一套具有湿丘间的风成沙丘沉积，其中风成沙丘攀升形成复杂交错层理组，沙丘之间夹层为湿丘间沉积；阿根廷弧后盆地东部Lotena组沉积了一套由沙丘、湿丘间及沙席组成的风成沙丘沉积［23］。

马德雷德迪奥斯盆地是众多油气资源丰富的南美安第斯前陆盆地之一，其中位于盆地西南缘次安第斯山前缘褶皱冲断带上的XX区块为中国海外油气勘探开发的重要区块。下Nia组风成沙丘沉积作为研究区的一套重要的油气储层，在盆地及周边多口钻井的气测显示都表现出良好的勘探前景。前人在风成沙丘的相关研究中，对下Nia组进行了岩性描述并将其归属为风成沙丘沉积［24］，提出下Nia组风成沙丘沉积平行于盆地边缘并沿NWW—SEE方向分布，向西南方向发展，古风向主要为东北方向［25］，将下Nia组风成沉积解释为新月形沙丘，属于湿润型温带气候沉积［26］。然而，前人对秘鲁地区风成沙丘沉积特征及沉积相方面的研究均比较少。本文结合在秘鲁取得的下Nia组约22 m的单井岩心资料、露头资料及相关的薄片资料，从下Nia组风成砂岩的沉积特征及沉积环境2方面内容入手开展研究，为秘鲁地区下Nia组风成砂岩储层的整体勘探提供了支持。

1 区域地质概况

马德雷德迪奥斯盆地东部以巴西地盾为界，北部和东北部以乌卡亚利前陆盆地为界，西南部以次安第斯山脉北段为界，南部以Madidi地拱为界［27］。盆地在晚元古代—早寒武世、晚奥陶世—志留纪及三叠纪发生了伸展变形，晚白垩世随着南美洲西部Nazca板块发生东北偏东方向俯冲而开始发生挤压，收缩变形向东迁移直至晚中新世［28］，同时，盆地东部成为安第斯山脉现今的前陆盆地沉积带［29］。

晚二叠世时期，因冈瓦尼德造山运动影响，晚石炭世—早二叠世沉积的Copacabana碳酸盐岩地层遭到部分剥蚀，不整合上覆沉积了Ene组河流相砂岩、Noi组风成砂岩以及Shinai组海相黑色页岩、碳酸盐岩，整体构成一个向上的海侵旋回。结合生物化石及锆石资料该套地层的地质年龄确定为晚二叠世［30-31］，Shinai组部分地层被侵蚀而形成的不整合标志着三叠纪—侏罗纪长期裂陷及裂陷后期区域性凹陷活动的开始［30，32］（图1）。在盆地西部发育Mitu群裂谷沉积及裂陷后期Pucara群海相沉积，此时马德雷德迪奥斯盆地沉积了下Nia组风成砂岩，这套风成砂岩横向穿过大陆裂谷出露于科迪勒拉东部山脉并与裂谷东部的边界沉积对应［30］。砂岩上覆整合沉积的中Nia组，为一套横向连续稳定的蒸发岩，受区域性不整合影响，下Nia组及中Nia组在盆地东部受到部分或完全剥蚀，在盆地西部地层保存完整，不整合之上沉积了上白垩统上Nia组河流相地层［28］（图1）。由于缺少生物化石资料及地质年龄数据的支撑，下Nia组风成砂岩的地质年龄争议较大，但该套地层位于上二叠统与上白垩统区域不整合之间，地质年代归属于三叠纪—侏罗纪。

图1 马德雷德迪奥斯盆地西南缘区域构造位置及地层综合柱状图(据文献[22]修改)Fig.1 Regional structural location and comprehensive stratigraphic column in southwest margin of Madre De Dios Basin(Modified from Reference[22])

2 风成沉积特征

2.1 岩性特征

下Nia组岩性主要为红色细粒长石砂岩或长石质石英砂岩（图2），含少量岩屑，钙质胶结，分选好，磨圆度为次棱角状到圆状，为一套结构成熟度高、成分成熟度较低的纯净砂岩。好的分选及高结构成熟度表明砂岩沉积环境与风成沉积环境有关。下Nia组长石砂岩的长石体积分数最高可达40%，通常情况下，长石颗粒抗风化能力极弱，在长距离搬运下易被风化而转变为黏土矿物［1］，砂岩中高含量的长石组分代表了下Nia组极强的物理风化条件和古沙漠沉积背景。

图2 下Nia组砂岩的岩石类型及露头样品镜下特征Fig.2 Rock types and outcrop microscopic characteristics of sandstone in Lower Nia Formation

2.2 宏观结构特征

风成沙丘沉积是沙丘背风坡一侧持续堆积的结果［15-16］，沉积物颗粒在背风坡顶部沉积为粒落层（Grain-fall），当背风侧倾斜角度超过休止角（32°～34°）时，在背风侧发生砂体崩塌沉积为粒流层（Grain-flow），在风的改造下丘顶及干丘间常形成风成波纹层（Wind ripple-lamination），丘间在潜水面的影响下发育黏附结构或软沉积变形结构。通过综合观察露头资料及岩心资料，可以识别出由粒流层及风成波纹层组成的风成交错层理（图3（a）、（b）），交错层理角度平均约30°，最大角度可达60°（图3（a）），丘间可见明显的湿丘间沉积特征如黏附结构，向上过渡为风成波纹层（图3（a）、（b））。粒流层、风成波纹层及黏附结构等沙丘内部微观构造证明了风成沙丘沉积的存在，粒流层与风成波纹层以互层形式出现（图3（c）），粒落层较为少见，表明在沙丘迁移沉积过程中颗粒“崩塌”过程频繁且沙丘规模较小，可判断下Nia组的沙丘类型为小型风成沙丘沉积。

图3 下Nia组风成砂岩沉积结构特征Fig.3 Sedimentary structures of Lower Nia Formation eolian sandstone

2.3 颗粒表面特征

石英颗粒的高硬度及化学稳定性使得石英颗粒沉积时形成的颗粒表面特征在后期成岩作用改造下能够很好的保存下来，故石英颗粒表面特征能够直接反映沉积环境，并可作为鉴别沉积物成因最直接的依据［4］。对岩心薄片进行镜下及扫描电镜观察，可见典型的碟形撞击坑和新月形撞击坑（图4（a）），颗粒表面可见明显的硅质沉淀（图4（b））及红褐色铁质黏土套沉积（图4（c）、（d））。上述石英颗粒表面特征是风成沙丘沉积区别于其他环境成因砂岩的重要识别标志，风成沉积物搬运过程中，高能量石英颗粒之间的高强度碰撞形成碟形撞击坑和新月形撞击坑；沙漠环境下水分频繁蒸发会在颗粒表面沉淀出红褐色铁质黏土套，沉积后期地下水的溶蚀沉淀作用则在原先的石英颗粒表面形成硅质沉淀。利比亚沙漠的研究结果表明，颗粒表面特征如碟形撞击坑、新月形撞击坑及褐色铁质黏土套都与内陆沙漠沙丘沉积有关［33］，下Nia组沙丘沉积与利比亚沙漠具有相似的地质条件，其碟形撞击坑、新月形撞击坑及铁质黏土套等颗粒表面特征表明其与内陆沙漠沉积环境有关。

图4 下Nia组风成砂岩石英颗粒表面特征Fig.4 Characteristics of quartz grains surface of eolian sandstone in Lower Nia Formation

3 湿润风成沙丘沉积环境

风成砂沉积特征表明下Nia组为内陆沙漠环境沉积，丘间沉积可见典型的湿丘间沉积特征（黏附结构）。为了更加清楚地认识该套风成砂岩的沉积环境，选取秘鲁马德雷德迪奥斯盆地Mip井下Nia组一段约22 m的岩心，结合岩性组合、风成沙丘界面识别、沉积亚相及沉积单元划分3方面内容开展详细的风成砂岩沉积环境研究。

3.1 岩性组合描述

3.1.1 细粒砂岩段（CS）

细粒砂岩段位于岩心顶部，占岩心总厚度比例为24.47%（表1），岩性为红色细粒—中粒长石砂岩或长石质石英砂岩，φ（石英）为59%～87%，φ（长石）为8%～40%，含少量岩屑，钙质胶结，结构成熟度高（图5（a）），可见明显的铁质黏土套沉积（图5（b）、（c））。发育由粒流层及风成波纹层组成的中型和大型交错层理（图5（d）），平均角度为30°，最大可达60°，可见沙丘背风侧风向局部波动形成的沙丘再活化面，偶见水分蒸发上涌形成的热液裂缝以及过度胶结形成的斑点状胶结物（图5（e）、（f））。细粒砂岩段主要对应于沙丘背风侧的颗粒流沉积及靠近丘顶的风成波纹层沉积，多覆盖于极细粒砂岩段和泥质砂岩段之上，沉积相解释为沙丘沉积。

表1 各类岩性组合的厚度Table 1 Thickness of various types of lithology association

图5 细粒砂岩段(cs)岩心及镜下特征Fig.5 Core and microscopic features of fine-grained sandstone member(CS)

3.1.2 极细粒砂岩段（FS）

极细粒砂岩段对应风成沙丘沉积的主体部分，占岩心总厚度比例为51.82%（表1），岩性为红色细粒—极细粒长石砂岩，φ（石英）为57%～68%，φ（长石）为25%～40%，含少量岩屑，钙质胶结，磨圆为次棱角状到圆状，结构成熟度高（图6（a））。镜下可见条纹层由细到粗的反粒序特征（图6（b）），发育由毫米级条纹层组成的风成波纹层沉积（图6（c）），可见风成交错层理，风成波纹层倾角为20°～30°和40°～50°，平均约30°。偶见水分蒸发上涌而形成的热液裂缝、过度胶结形成的斑点状胶结物以及小型硅质结核（图6（d）—（f））。极细粒砂岩段对应于沙丘坡脚的风成波纹层沉积，多覆盖于泥质砂岩段之上（图6（c）），向上过渡至细粒砂岩段，沉积相多解释为沙丘沉积，其中一些薄层的极细粒砂岩段与泥质砂岩段一起被解释为丘间沉积（图6（d））。

3.1.3 泥质砂岩段（IS）

泥质砂岩段主要为细粒砂岩段或极细粒砂岩段之间的夹层，占岩心总厚度比例为5.86%（表1），主要由细粒至极细粒的泥质砂岩组成（图7（a）），颜色为深红棕色。由于湿丘间的潜水面接近沉积表面，在底部覆水区发生黏结作用形成的黏附结构（图7（b）），在重力作用下常形成液化层理等特有的风成砂软沉积变形结构（图7（c））。层间薄纹层（小于0.5 m）及砂质透镜体常见（图7（b）），多为靠近丘间的风成波纹层沉积，偶见丘间蒸发作用形成的热液裂缝及硅质结核。泥质砂岩层（IS）多覆盖于细粒砂岩段之上，向上过渡为极细粒砂岩段和细粒砂岩段，沉积相解释为湿丘间沉积。

3.1.4 细粒砂岩与泥质砂岩互层段（IS/CS）

该互层段位于岩心段底部，占岩心厚度比例为17.85%（表1），该互层段的特征是2类较薄的细粒砂岩段与泥质砂岩段呈互层形式交替出现（图7（d）、（e）），颜色为红棕色到深红棕色。细粒砂岩薄层由细粒—中粒长石质石英砂岩组成，多以几厘米厚的薄纹层出现，φ（石英）为78%～85%，φ（长石）为10%～17%，含少量岩屑，钙质胶结。

图6极细粒砂岩段(FS)岩心及镜下特征

Fig.6 Core and microscopic features of extremely fine-grained sandstone member(FS)

图7泥质砂岩段（IS）及细粒砂岩与泥质砂岩互层段(IS/CS)岩心及镜下特征

Fig.7 Core and microscopic features of argillaceous sandstone member(IS)and interbedded fine-grained sandstone and

argillaceous sandstone member(IS/CS)泥质砂岩薄层沉积厚度小于0.4 m，弱生物扰动。该段夹于极细粒砂岩段之间，为颗粒流细粒砂岩向下崩塌至丘间形成与泥质砂岩的互层沉积，主要是小型沙丘的滑塌形成，沉积相解释为丘间沉积。

3.2 风成沙丘界面识别

Kocurek将风成沉积界面级别由低到高依次划分为沙丘再活化面（R）、沙丘叠置界面（S）及丘间迁移界面（I）［34-35］，在下Nia段风成沙丘沉积砂体内部共识别出4个丘间迁移界面与3个沙丘再活化面，未识别出沙丘叠置界面（图8）。

图8 下Nia组湿润型风成沙丘沉积综合柱状图Fig.8 Comprehensive stratigraphic column of moist eolian dunes deposition in Lower Nia Formation

丘间迁移界面（I）代表了区域风成沙丘沉积中断的界面，在岩心剖面上具有相当大的横向连续性且倾角最小，丘间迁移界面横向截断下伏沙丘的交错层理地层，上覆为湿丘间沉积的泥质砂岩段地层。沙丘再活化界面（R）是在沙丘高度变化、沙丘不对称性变化或风向局部波动影响下形成的风成沙丘界面，界面倾角一般小于风成交错层理角度，以交错层理角度变化为标志（图3（d）），同时也伴随着沉积构造的变化，如下Nia组沙丘再活化界面上下交错层理角度出现由高到低的变化，表现为活化面之下的高角度粒流层到活化面之上的低角度风成波纹层的沉积变化。

3.3 沉积亚相及沉积单元划分

针对识别出的岩性组合将风成沙丘沉积划分为沙丘亚相与丘间亚相2类沉积亚相（图8）。沙丘亚相对应细粒砂岩段和极细粒砂岩段，沙丘内部无沙丘叠置面，部分可识别出再活化界面；丘间亚相主要为湿丘间沉积，底部为丘间迁移面，对应泥质砂岩段或泥质砂岩段与极细粒砂岩段互层沉积。结合已识别出的沉积亚相将该段风成沙丘沉积划分为4个以丘间迁移面为界的沉积单元，单个沉积单元内以黏附结构、风成波纹层及风成交错层理为特征的沉积序列定义了沙丘迁移与丘间充填旋回。

3.4 风成沙丘沉积环境

下Nia组砂岩为一套由沙丘及丘间组成的湿润型风成沙丘沉积。受潜水面影响，丘间常见黏附结构及软沉积变形现象，表明丘间为一个潜水面上升速率大于沙丘迁移速率的湿润沉积环境。单个沉积单元由湿丘间亚相与沙丘亚相组成，沙丘亚相内部仅识别出沙丘再活化面，未识别出沙丘叠置面，表明沙丘长期受潜水面影响呈孤立新月形沙丘分布而未发生沙丘的横向迁移及叠置。在丘间未出现膏岩沉积，表明在丘间可能存在一个持续流动的水流环境。沙丘间的湿润环境也暗示了后期强烈的蒸发作用，在沙丘沉积内部可见由水分蒸发上涌形成的热液裂缝及过度胶结形成的斑点状胶结物。

下Nia组湿润风成沙丘沉积体系与当时南美洲地区普遍湿润的古气候保持一致。三叠纪—侏罗纪时期，盆地西部的裂谷发育造成了海平面上升与CO2释放量的增加，不仅使南美地区保持着温暖、潮湿的气候环境，同时对潜水面造成影响，发育了湿润型风成沙丘沉积。潜水面变化不仅受气候转变或恒定的海平面变化影响，影响因素还可能包括季度性或短暂性的降雨或洪水事件、每年的季节变化或更长期的（100～10 000 a）气候变化，以及因区域构造或气候变化而引起的更大时间尺度的变化，湿润型风成沙丘沉积的潜水面随时间的相对变化反映了上述所有因素的影响。

4 油气勘探意义

马德雷德迪奥斯盆地周边区块多口完钻井证实，三叠系—侏罗系下Nia组风成砂岩储集层具备良好的储集条件，而XX区钻井较少，仅有的少量几口探井钻穿了下Nia组厚层风成砂岩储层，其储集层类型及分布规律仍有待进一步明确。风成沙丘沉积特征如高结构成熟度代表了风成砂岩极好的物性条件，下Nia组砂岩储层孔隙度为9.9%～20.9%。风成沙丘沉积是气候与构造的产物，具有区域性广泛分布的特征，连井对比剖面也表明下Nia组风成沙丘沉积连续分布于马德雷德迪奥斯盆地及其周边盆地内，沉积横向分布稳定。同时长期受潜水面影响的湿润环境使得风成沙丘沉积能有效沉积并保存［34-35］，如下Nia组受潜水面的影响沉积了厚度约130 m的储层，上述条件使得下Nia组具备成为规模储集层的潜力。而下Nia组下伏地层Shinai组发育厚度约65 m的区域性烃源岩，岩性为富含有机质的泥质岩，有机碳质量分数为2%～7%，生烃潜量一般为6～30 mg/g，属Ⅱ型干酪根，Ro一般大于0.5%，生烃潜力大且下Nia组具有近源优势。同时Shinai组泥岩层与中Nia组膏泥岩层、上白垩统Chonta组泥岩层可作为下Nia组的区域性盖层。综上所述，下Nia组与相邻地层具有形成良好生储盖配置关系的条件，成藏条件优越，可作为秘鲁XX区油气勘探与开发的新领域、新区带。但由于现阶段钻井和岩心资料仍较少，后续工作不仅要深化地质认识，明确该套储集层发育的控制因素，随着钻井和岩心资料的增加，还需要有针对性地对丘间亚相的横向延伸问题开展研究，这对后期勘探开发阶段的储层划分及砂体间的连通性研究都有重要意义。

5 结论

（1）下Nia组储层岩性主要为红色细粒长石砂岩，发育风成交错层理及黏附结构，并识别出粒流层、风成波纹层、条纹层、软沉积变形等层内结构。镜下可见碟形撞击坑和新月形撞击坑、红褐色铁质黏土套及硅质沉淀等颗粒表面特征，判断出下Nia组沉积类型为内陆沙漠风成沙丘沉积。

（2）下Nia组储层可划分为4类岩性组合，即细粒砂岩段、极细粒砂岩段、泥质砂岩段和细粒砂岩与泥质砂岩互层段，识别出4个丘间迁移界面与3个沙丘再活化面，根据岩性组合及沙丘沉积界面划分出沙丘和丘间2类亚相，同时将沙丘与丘间亚相组合划分为4个沙丘沉积单元。综合分析认为下Nia组风成沉积为一个长期受潜水面影响、与三叠纪—侏罗纪南美洲地区普遍湿润的古气候保持一致的湿润型风成沙丘沉积。

（3）秘鲁马德雷德迪奥斯盆地XX区三叠系—侏罗系下Nia组是湿润型风成沙丘发育的有利区，具备成为优质储层的潜力，同时与烃源岩、盖层的配置关系也使其成为区域上油气勘探的新领域、新区带。