18-何衍鑫

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陂臧
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1 07 年月, 第 3 卷, 第期, 页 December 07,Vol. 3,No., pp 高校地质学报 Geological Journal of China Universities DOI: 0.608/j.issn 基于氧化系数的火山喷发环境判别 : 以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例何衍鑫, 鲜本忠,*,, 牛花朋, 张鑫璐, 沈佳男. 中国石油大学 ( 北京 ) 地球科学学院, 北京 09;. 油气资源与探测国家重点实验室中国石油大学 ( 北京 ), 北京 09 摘要 : 火山喷发环境的准确判别是火山岩储层评价的重要依据, 准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩类型多, 沿盆地边缘断裂带分布, 是这一地区重要的油气储层类型文章通过岩芯分析薄片观察地球化学元素分析等手段, 对该区火山岩的喷发环境展开研究基于 75 个火山岩样品数据, 对火山岩的氧化系数进行分析, 并充分考虑了喷发环境岩浆性质风化及埋藏作用等因素对氧化系数的影响, 改进了传统的基于氧化系数的火山喷发环境判别图实际应用结果与其他判别依据得到的结果进行对比, 符合率达到 9.86%, 仅两例不符这一判识图可供其他相似地质背景地区参考使用, 所获认识为研究区火山岩储层评价提供了新思路关键词 : 火山岩 ; 喷发环境 ; 氧化系数 ; 准噶尔盆地西北缘 ; 下二叠统中图分类号 :S5.5 文献标识码 :A 文章编号 : (07) Discrimination of Volcanic Eruption Environment Using Oxidation Index: A Case Study of Lower Permian Volcanic Rocks in Northwestern Margin of Junggar Basin HE Yanxin,XIAN Benzhong,*,NIU Huapeng,,ZHANG Xinlu,SHEN Jianan. College of Geosciences, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 09,China;. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting (China University of Petroleum, Beijing), Beijing 09, China Abstract:Accurate discrimination of the volcanic eruption environment is the foundation of volcanic reservoir evaluation. Many types of Lower Permian volcanic rocks are developed in the northwestern margin of Junggar Basin,which are mainly distributed along the fault zone of the basin margin,and is an important type of petroleum reservoirs. In this paper,the eruptive environment of volcanic rocks in study area is studied by means of cores analysis,thin-sections observation and geochemical element analysis. The oxidation index has been studied from the 75 volcanic rock samples around the world,and thus improved the traditional method of volcanic eruption environment discrimination with full consideration of its influencing factors such as the eruption environment,magmatic properties,weathering and burial diagenesis. Finally,the coincidence rate of actual application results with the results of other discriminators ups to 9.86%,with only two cases discrepant.the discrimination chart established in this paper is available for other regions with similar geological background and the results of this paper could provide a new idea for the evaluation of volcanic rock reservoirs in the study area. 收稿日期 :06--7; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 (70;377;733); 国家油气重大专项 (0ZX ;0ZX050-00); 中国石油大学 ( 北京 ) 科研基金资助 (KYJJ0-0-06) 联合资助作者简介 : 何衍鑫, 男,993 年生, 硕士研究生, 地质学专业 ; Heyx993@6.com * 通讯作者 : 鲜本忠, 男,973 年生, 博士, 副教授, 主要从事非常规油气地质方面的研究 ; xianbzh@cup.edu.cn

2 738 高校地质学报 3 卷期 Key words:volcanic rock;eruption environment;oxidation index;northwestern Margin of Junggar Basin;Lower Permian Corresponding author:xian Benzhong,Associate Professor; xianbzh@cup.edu.cn 基于氧化系数的喷发环境传统的研究方法是运用火山岩中 Fe O 3 与 FeO 的比值来判断喷发环境, 这一研究始于 0 世纪 70 年代 ( 邱家骧,985) 一般情况下, 由于含氧量的原因, 喷发火山岩的 FeO 含量较高, 而陆上喷发的火山岩 Fe O 3 含量较高 ( 邱家骧,985;Dyar et al.,987) 黄剑霞(987) 以 Fe O 3/FeO 比值.5.0 和 0.8 为界将环境划分为强氧化环境弱氧化环境弱还原环境及强还原环境单玄龙 (0) 据此推断松辽盆地徐家围子部分地区营城组可能喷发于强还原环境然而, 火山岩中 Fe O 3 与 FeO 的含量除了受控于喷发环境, 还受到岩浆性质 ( 酸度 )( 邱家骧,985;Le Maitre, 976) 风化作用 ( 邱家骧,985; 梁浩和尚红光, 009) 及埋藏作用 ( 王璞珺和冯志强,008) 的影响因此, 运用 Fe O 3/FeO 比值准确判断火山喷发环境需要综合考虑, 校正干扰因素的影响, 这不仅是学科研究的热点, 更是难点随着全球油气勘探程度不断加深, 对火山岩的关注也越来越多, 火山岩油气藏是世纪油气勘探的重大接替领域 (Zou et al.,008;zou,03) 火山岩油气藏勘探成果表明, 火山喷发环境是火山岩储集层发育的重要影响因素 ( 王岚等,00;Zou et al.,008;zou,03), 与优质烃源岩的形成也具有密切联系 ( 万从礼等,003; 单玄龙等,0) 根据火山喷发发生的地理环境, 可分为陆上喷发和喷发喷发介质物理性质的差异 (White et al., 003) 导致两者在喷发过程和喷发产物等方面存在明显不同 (Austin-Erickson et al.,008;ghose et al., 06;Kokelaar and Busby,99) 已经报道的国内含油气盆地喷发的现象, 发现其火山岩储层特征 ( 王岚,00; 张艳,007; 王静等,008; 朱卡等, 0) 油气成藏规律 ( 孙玉善等,0; 陈建文, 000) 对烃源岩形成的影响 ( 单玄龙等,0) 与陆上喷发差异巨大因此, 对火山喷发环境的研究是当前领域研究的重要一环准噶尔盆地西北缘火山岩油气藏是国内火山岩储层勘探开发的重要领域 (Zou et al.,008) 该地区火山岩岩石特征 ( 鲜本忠等,03; 王璞珺等, 06) 储层特征 (Zhu et al.,0; 董国栋等,0) 和油气成藏规律 (Kuang et al.,007; 李军,008) 等方面已做了大量工作, 但有关该地区火山喷发环境的相关研究尚未见报道准噶尔盆地西北缘火山岩类型丰富, 岩浆性质变化大, 传统方法判别误差较大, 难以满足油气藏精细勘探的要求本文基于准噶尔盆地西北缘 37 口井 08 件样品的岩芯和薄片观察件样品的分析化验测试, 结合文献中的 75 个样品数据, 在对干扰因素进行校正的前提下, 建立基于火山岩氧化系数的喷发环境判别图, 并将其运用到研究区火山岩喷发环境的判别, 为该地区火山岩油气勘探评价提供新思路和新方法, 期望能为相似地质背景地区提供启示和参考地质背景准噶尔盆地位于中国新疆西北部, 其西北以哈拉阿拉特山扎伊尔山为界 ( 图 ), 火山岩地层的分布面积约占整个盆地的三分之二 ( 毛翔等,0) 研究区位于盆地西北缘, 包含克百地区和乌夏地区, 属准噶尔西部隆起带, 与玛湖凹陷相邻, 是准噶尔板块与哈萨克斯坦板块的碰撞缝合带 ( 李军, 008), 表现为不同方向的逆掩断裂带 ( 鲜本忠等, 03) 可进一步划分为尖灭带断阶带前缘带和斜坡带 ( 图 c) 准噶尔盆地早二叠世佳木河风城期处于弱挤压前陆盆地演化期 (Chen et al.,00) 早二叠世早期沉积的佳木河组处于辫状河扇三角洲环境, 这一时期火山活动具多旋回喷发特点, 广泛发育火山岩早二叠世晚期风城组沉积时期, 随着湖盆扩张, 区内发育较稳定的湖泊相和扇三角洲沉积, 成为玛湖凹陷主力烃源岩层系, 这一时期火山岩发育规模较小, 厚度约几米至几十米, 分布不稳定, 多夹于湖相泥岩中资料与方法本次研究共采集 37 口井 08 件岩芯样品, 并逐一进行了岩芯分析和薄片观察其中的件样品的主量元素分析由中国地质科学院地球物理地球化学勘探研究所完成, 样品的 FeO 含量由容量分析法测得,SiO TiO Al O 3 Fe O 3(Total) CaO MgO

期 739 何衍鑫等基于氧化系数的火山喷发环境判别以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例 (b) (a) 0 0 80 km 深度/m (c) K J 图 Fig.

3 期 739 何衍鑫等基于氧化系数的火山喷发环境判别以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例 (b) (a) km 深度/m (c) K J 图 Fig. T Pw Px Pf Pj C 准噶尔盆地西北缘构造单元划分 a 研究区位置 b 及和构造剖面 c Structural units a location b and structural profile c in northwestern margin of the Junggar Basin MnO KO NaO PO5 及 LOI 含量由压片法-X 射线环境为验证判别图的准确度和可靠性依据其他调研共获取了世界范围内 75 个样品的主量元素分环境将其结果与判别图结果进行对比分析荧光光谱 XRF 测得此外通过大量的文献资料析数据根据 75 件样品的主量元素分析结果由 FeO 和 FeO3 的含量计算火山岩氧化系数在对比前人研究判别标志判断研究区件样品中 8 件样品的喷发 3 火山岩发育特征 3. 火山岩分布的基础上充分考虑岩浆酸度对氧化系数的影响并研究区以沉积岩地层为主此外发育大量火山进行酸度校正建立了基于氧化系数的火山喷发环岩及围绕火山岩分布的扇三角洲沉积火山岩沿境判别图以此判别研究区件火山岩样品的喷发乌-夏克-百断裂带呈带状分布火山口呈面状分

70 高校地质学报 3 卷期布自西向东, 远离盆缘断裂带, 地层厚度由厚减薄, 火山岩减少而沉积岩增多平面上火山岩沉积岩相具明显分带性, 由西向东依次为火山口近火山口亚相远火山口亚相扇三角洲相滨浅湖亚相半深湖亚相从纵向上看, 下二叠统佳木河组火山岩发育程度远高于风城组佳木河组沉积期间, 火山活动强度逐渐减弱, 火山岩分布范围逐渐减小风城组一段沉积时期, 火山活动较频繁,

4 70 高校地质学报 3 卷期布自西向东, 远离盆缘断裂带, 地层厚度由厚减薄, 火山岩减少而沉积岩增多平面上火山岩沉积岩相具明显分带性, 由西向东依次为火山口近火山口亚相远火山口亚相扇三角洲相滨浅湖亚相半深湖亚相从纵向上看, 下二叠统佳木河组火山岩发育程度远高于风城组佳木河组沉积期间, 火山活动强度逐渐减弱, 火山岩分布范围逐渐减小风城组一段沉积时期, 火山活动较频繁, 分布面积较广 ( 图 ); 风二段风三段火山岩逐渐减少至零星状分布佳木河组火山岩类型较单一, 在研究区内以火山熔岩类为主, 发育少量火山碎屑岩类 ; 风城组火山岩在不同地区变化明显, 在克百地区以发育火山熔岩类和火山碎屑岩类为特征, 在乌夏地区以发育熔结凝灰岩为特征 3. 岩石类型及特征在前人对准噶尔盆地火山岩分类的基础上 ( 鲜本忠等,03; 王璞珺等,06), 通过对研究区 37 口井 08 件样品进行岩芯和薄片观察分析, 根据岩石的结构 - 成因岩浆酸度及火山碎屑粒级, 将下二叠统火山岩划分为 5 大类 8 亚类共 5 种岩石类型 ( 表 ) 其中, 火山熔岩类和火山碎屑熔岩类的 9 种岩石类型为固结, 即岩石经高温炽热的岩浆 ( 结晶 ) 后固结成岩 ( 图 3) 火山碎屑岩类和沉火山碎屑岩的种岩石类型为压实固结, 即组成岩石的火山碎屑物质因埋深增加导致碎屑颗粒彼此粘结硬化固结成岩火山岩地球化学特征及氧化系数. 地球化学特征针对研究区件样品, 其中 7 件来自克百地区,7 件来自乌夏地区, 主量元素氧化物及烧失量 (LOI) 分析结果如表所示由表中数据可以看出, 所有样品的 SiO 含量介于 3.69%~78.9%, 里特曼指数介于 0.7~.0, 表明这些火山岩均为钙碱性部分岩石 LOI 值较高, 表明其蚀变较严重按 TAS 图分类 ( 图 ), 区内火山岩类型多, 化学成分变化大, 具体按不同地区和层位来说, 克百地区火山岩类型主要为中基性的玄武岩玄武安山岩和安山岩 ; 而乌夏地区佳木河组为中基性的安山岩和玄武安山岩, 风城组主要为中酸性的流纹岩和英安岩 Fig. 图准噶尔盆地西北缘风城组一段火山岩及沉积相分布 Distribution of volcanic rock and sedimentary facies in the st Member of the Fengcheng Formation(P f )in northwestern margin of the Junggar Basin

期 7 何衍鑫等基于氧化系数的火山喷发环境判别以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例表准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩岩石分类表 Table Volcanic rock types of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin 岩石结构亚类大类火山成分粒径岩石类型基性玄武岩中性安山岩酸性流纹岩

5 期 7 何衍鑫等基于氧化系数的火山喷发环境判别以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例表准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩岩石分类表 Table Volcanic rock types of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin 岩石结构亚类大类火山成分粒径岩石类型基性玄武岩中性安山岩酸性流纹岩玻璃质结构一般酸性珍珠岩碎屑熔岩结构 mm 凝灰熔岩 6~ mm 熔结结构 mm 熔结凝灰岩 6~ mm 熔岩结构熔岩类火山碎屑熔岩类隐爆角砾结构火山碎火山碎屑屑岩类结构沉火山沉火山碎屑岩类碎屑结构侵入岩斑状结构火山碎 0 熔浆喷溢地表经固结而成 0 ~90 碎屑物发生熔结作用彼此焊接成岩岩浆结晶过程中使原地隐爆角砾岩角砾彼此胶结成岩 mm 火山凝灰岩 mm 沉凝灰岩 6~ mm 火山角砾岩 mm 沉火山角砾岩基性辉绿岩中性闪长玢岩成岩方式代表井段百 73 克 0 58 克夏 0 玛东火山碎屑物质被熔浆胶结百 73 固结形成固结百重 596 角砾熔岩熔结角砾岩成岩机理屑含量 ~90 火山碎屑堆积物经过压实固结而成形成于火山作用和沉积改造浅层侵入克 0 8 Fig. 3 件百重克30 3 夏 76 玛东压实 589 夏 88 固结夏克克 30 a 安山岩铸体 + 克 0 井 m b 流纹岩 - 夏 76 井 m c 珍珠岩 - 夏 m d 安山质火山角砾熔岩玛东井 66. m e 熔结角砾凝灰岩夏 m f 熔结凝灰岩 - 夏 m g 安山质隐爆角砾岩克 30 井 m h 沉火山角砾岩 583 井 603. m i 闪长玢岩 567 井 6.7 m a Andesite casting - Well Ke m b Rhyolite - Well Xia m c Pearlite - Well Xia m d Andesitic breccited lava Well Madong 66. m e Breccited ignimbrite Well Xia m f Breccited ignimbrite - Well Xia m g Andesite Cryptoexplosive breccia Well Ke m h Volcanic breccia Well m i Diorite porphyrite Well m 图 3 准噶尔盆地西北缘下二叠统典型火山岩照片样品数 Photograph of typical volcanic rocks of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin 9

6 7 Table 高校地质学报 3 卷期表准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩主量元素 (wt%) 分析结果 Major element compositions(wt%)of volcanic rocks of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin 地区井号深度 /m 层位 SiO TiO AlO3 FeO3 FeO MnO MgO CaO NaO KO PO5 LOI TOTAL OX 乌夏夏乌夏夏乌夏玛东 P j P j P f 克百克 P f P j 克百克 P j P j P f P f 乌夏风南 P f 乌夏风南 P j P j P j P j P j P j 克百 P j P j P j 克百 P j P j 克百克百 P j 3 P j 3 P j P j 注 :OX( 代表氧化系数 )=FeO3/(FeO3+FeO)

7 期何衍鑫等 : 基于氧化系数的火山喷发环境判别 : 以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例 73 Fig. 图准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩 TAS 图 TAS diagram of volcanic rocks of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin(after Le Maitre et al.,00). 火山岩氧化系数.. 氧化系数及计算方法氧化系数是判断火山喷发环境的重要参数 Rittmann(973) 将岩石的氧化度表达为 :OX=Fe 3+ / (Fe 3+ +Fe + +Mn)( 原子数 ) Le Maitre(976) 提议用 FeO/(FeO+Fe O 3) 比值大小表示岩石的氧化率邱家骧 (985) 认为火山岩的氧化系数是反映火山岩氧化程度的参数, 可称为氧化度氧化率, 表达方式多样李明连与蓝恒春 (0) 指出岩石的氧化系数 (K) 可用以反映岩石形成时氧化还原环境条件, 计算方式分两种 :()K=Fe 3+ /(Fe 3+ +Fe + );()K= Fe O 3/(Fe O 3+FeO) 尽管氧化系数计算方法众多, 但化学平衡原理基本一致前人运用氧化系数判别火山喷发环境, 一般以 0.5 为界, 其上为陆上喷发, 其下为喷发 ( 单玄龙等,0) 本文建议采用李明连和蓝恒春 (0) 的定义和计算方式, 使用 Fe 的不同价态氧化物质量分数来计算火山岩氧化系数 (Oxidation Index), 即 OX=Fe O 3/(Fe O 3+FeO), 沿用 Rittmann (973) 的方式记作 OX.. 氧化系数分布特征根据前人对火山岩氧化系数指示喷发环境的典型参数的研究, 对研究区个样品氧化系数的分布进行统计, 结果表明研究区火山岩样品氧化系数介于 0.6~0.97 之间, 各区间均有分布并且数值主要集中于 0.3~0.5( 图 5) 其中, 氧化系数小于 0.5 的有个, 占总样品数的 50%, 初步表明研究区同时存在陆上喷发以及喷发火山岩此外, 从垂向上来看, 部分单井上火山岩氧化系数自下而上有明显增大的趋势, 表示火山的喷发环境由还原环境逐渐向氧化环境过渡以夏 0 井 937.8~ 93 m 风城组一段岩芯段为例 ( 图 6), 岩芯下段为灰色熔积岩和珍珠岩, 其中熔积岩是岩浆进入潮湿沉积 ( 一般是 ) 环境时, 熔浆与潮湿松散的沉积物掺混而成 (Skilling et al.,00;chen 图 5 准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩氧化系数分布直方图 Fig. 5 Histogram of oxidation index of volcanic rocks of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin

7 高校地质学报 3 卷期图 6 夏 0 井风一段火山岩岩性及氧化系数垂向特征 Fig. 6 Vertical characteristics of Lithology and oxidation index in the st Member of the Fengcheng Fm(P f ),Well Xia0 et al.

8 7 高校地质学报 3 卷期图 6 夏 0 井风一段火山岩岩性及氧化系数垂向特征 Fig. 6 Vertical characteristics of Lithology and oxidation index in the st Member of the Fengcheng Fm(P f ),Well Xia0 et al.,03;hooten and Ort,00), 而珍珠岩是酸性岩浆快速冷却形成的玻璃质岩石 ; 岩芯上段为灰白色熔结火山角砾凝灰岩, 形成于火山碎屑流岩芯样品的氧化系数由下往上依次为 , 反映了火山喷发所处的环境还原性逐渐减弱的过程, 表明水深逐渐减小 5 基于氧化系数的喷发环境判别 5. 氧化系数的影响因素前人研究表明, 喷发介质 ( 喷发环境 )(Dyar et al.,987) 岩浆性质 ( 邱家骧,985;Le Maitre, 976) 风化作用 ( 邱家骧,985; 梁浩和苟红光, 009) 和埋藏作用 ( 王璞珺和冯志强,008) 均可能对火山岩氧化系数造成影响, 因此仅依据氧化系数可能无法准确判别当时的喷发环境, 下面将分别讨论这些这些因素对火山岩氧化系数的影响喷发环境由于水体中含氧量远远低于陆上的空气, 因此喷发 ( 并沉积于 ) 成因的火山岩中铁氧化物一般以 FeO>Fe O 3 为特征随着水体深度增加, 水中含氧量快速降低因此, 水深越大还原性便越强, 火山岩的氧化系数值便越低 Dyar 等 (987) 对美国标准玄武岩 BCR- 的重融喷发实验结果也印证了这一结论岩浆性质通过对 Le Maitre(976) 火山岩主量元素地球化学的分析, 统计得出不同性质火山岩的平均氧化系数 ( 表 3) 统计结果表明, 随着酸度与碱度的变化, 不同岩浆性质火山岩的 Fe O 3/FeO 比值存在巨大差异, 范围介于 0. 到.37, 超出了黄剑霞 (987) 所建立的以和.5 为界的判别标准范围, 因此运用传统方法不能对不同岩浆性质的火山岩喷发环境进行有效判别风化作用风化作用是指地表或接近地表的岩石矿物与大气水及生物接触过程中产生物理化学变化而在原地形成松散堆积物的全过程风化作用实质是脱硅富铝铁的过程,SiO 减少的越多,Fe O 3 和 Al O 3 越富集 ( 梁浩苟和红光,009) 因此风化作用对火山岩氧化系数和酸度都会造成巨大的影响例如邱家骧 (985) 发现宁芜中生代相同成分的新鲜 Table 3 表 3 火山岩氧化系数平均值统计结果 Average statistical results of oxidation index of volcanic rocks(modified from Le Maitre,976) 岩性样品数 / 个 NaO/ % KO/ % FeO3/ % FeO/ % 里特曼指数 SiO/ % FeO3/FeO OX 火山岩系列玄武岩拉斑玄武岩安山岩英安岩钙碱性流纹英安岩流纹岩粗面玄武岩橄榄粗安岩粗安岩偏碱性粗面岩碧玄岩碱玄岩过碱性响岩

9 期何衍鑫等 : 基于氧化系数的火山喷发环境判别 : 以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例 75 安山岩 Fe O 3 含量明显低于遭受风化作用的安山岩埋藏作用随着区域性沉降作用, 火山岩可能深埋于地下在火山岩的埋藏阶段, 地下流体的进入会引起物质的带入和带出, 导致原有矿物发生蚀变或溶蚀, 同时有新矿物形成产生次生胶结和充填作用 ( 王璞珺和冯志强,008) 因此埋藏作用也可能影响火山岩的氧化系数 5. 喷发环境判别图版的建立 5.. 干扰因素的校正思路为建立更科学的基于氧化系数的火山喷发环境判别方法, 需对各干扰因素进行校正首先, 风化作用对氧化系数的影响局限于暴露过地表的火山岩, 对未暴露的火山岩几乎没有影响长时间高强度的风化作用对火山岩氧化系数影响巨大, 其氧化系数不再具有指示喷发环境的意义, 目前尚无有效方法进行合理可靠的校正, 只能将遭受严重风化的样品剔除此外, 如果火山岩遭受过深埋藏, 成岩矿物发生变化, 则 Fe O 3 与 FeO 的含量可能发生改变因此对埋藏成岩作用影响较深的样品需谨慎对待烧失量 (LOI 值 ) 过高的样品一般遭受了严重的埋藏成岩作用, 其氧化系数的指示意义不大在样品较多数据较充分的情况下, 应剔除埋藏成岩蚀变较强的样品最后, 岩浆性质的影响可以通过酸度进行校正岩浆性质在岩石地球化学特征上表现为酸度的连续变化一般情形下, 酸度越高, 氧化系数也越高 ( 邱家骧,985) 因此, 在运用氧化系数建立判别图版时应充分考虑酸度的影响 5.. 文献数据选取氧化系数作为火山岩的基本地球化学特征参数, 其对喷发环境的指示意义具有普适性, 不受地区时代的限制因此, 为了提高火山喷发环境判别图的科学性, 可通过文献调研获取更多的样品数据用于判别图的建立结合前文干扰因素的校正思路, 在样品选取时应遵循以下原则 :() 样品未遭受风化作用剔除遭受明显风化的样品, 须选取新鲜的火山岩样品数据 ;() 样品未发生明显的埋藏成岩作用, 有明显杏仁体发育的岩石样品需谨慎对待 ;(3) 火山岩样品已有规范的主量地球化学成分测试结果, 至少包括 K O Na O SiO Fe O 3 与 FeO LOI 或 H O 等岩石地球化学数据 ;() 有其他有效判别依据能明确证实样品的喷发环境在符合上述原则的基础上, 共获取了 75 个样品数据, 分别来自于篇文献 ( 表 ) 其中, 火山熔岩 3 个, 火山碎屑岩 3 个, 沉火山碎屑岩个, 无火山碎屑熔岩 ; 喷发火山岩样品 6 个, 陆上喷发火山岩样品 3 个 SiO 含量介于 39.7%~80.3%, 氧化系数介于 0.~0.96, 数值范围广, 具有较为广泛的代表性 5..3 判别图的建立通过 75 个样品数据建立基于氧化系数的火山喷发环境判别图, 分以下三个步骤 :() 根据 Le Maitre (976) 的火山岩主量元素统计分析, 确定了氧化系数酸度的正相关关系, 将判别图的纵横坐标分别定义为氧化系数和酸度 ;() 将 75 个样品数据在坐标系中进行投点, 根据已知喷发环境 ( 或陆上 ) 样品点的具体控制, 厘定出陆上喷发火山岩的氧化系数界线, 即弱氧化环境与弱还原环境分界线 ;(3) 基于弱氧化环境弱还原环境氧化系数分界线的形态, 参照黄剑霞 (987) 的不同氧化还原环境氧化系数分布区间, 将 Fe O 3/FeO 值转换成 Fe O 3/(Fe O 3+FeO) 值, 进一步确定了弱氧化与强氧化弱还原与强还原界线, 完成判别图的建立 ( 图 7) 如图 7 所示, 横坐标酸度介于区间 35 至 8, 表征超基性基性中性酸性四类岩浆性质不同的火山岩 ; 纵坐标氧化系数介于 0~, 表征强还原弱还原弱氧化强氧化四类环境陆上喷发环境多表现为强氧化弱氧化特征 ; 喷发环境多表现为弱还原强还原特征需要指出的是, 固结成岩的火山岩氧化系数可直接指示其喷发环境, 但压实固结成岩的火山岩氧化系数更多地指示其堆积埋藏时的氧化还原环境, 即保存环境若压实成岩的火山岩无长距离的搬运或在火山口附近堆积保存, 氧化系数也可指示其喷发环境由本次研究构建的判别图 ( 图 7), 陆上喷发的超基性岩氧化系数最小为 0.35, 基性岩最小为 0.3, 中性岩最小为 0.7, 均低于前人的判别标准 ; 而陆上喷发的酸性岩氧化系数最小为, 略高于前人标准喷发的超基性岩氧化系数最大达 0.3, 基性岩最大达 0.7, 低于前人的判别标准 ; 中性岩最大可达, 酸性岩最大可达 0.5, 略高于前人的标准 ( 表 5) 5.3 研究区喷发环境判别及检验将研究区的件样品数据投在酸度校正之后

76 高校地质学报 3 卷期表世界范围内 75 个火山岩样品数据的资料来源 Table Data sources for 75 volcanic rocks samples around the world 序号 3 5 6 7 8 9 0 研究地区三塘湖盆地塔尔得套地区四岔口盆地丰宁县北梁火山鲁鲁土岛汝城拉张盆地廊固凹陷新疆老君庙地区戈兰高地

10 76 高校地质学报 3 卷期表世界范围内 75 个火山岩样品数据的资料来源 Table Data sources for 75 volcanic rocks samples around the world 序号研究地区三塘湖盆地塔尔得套地区四岔口盆地丰宁县北梁火山鲁鲁土岛汝城拉张盆地廊固凹陷新疆老君庙地区戈兰高地俄罗斯堪察加半岛冰岛平顶火山国后岛岩石名称霏细岩球泡流纹岩斜长流纹岩橄榄玄武岩粗安岩粗面岩流纹岩橄榄玄武质淬碎碎屑岩橄榄拉斑玄武岩瘤状流纹质淬碎碎屑岩玄武岩夏威夷岩碧玄岩玄武岩玄武质火山角砾岩沉凝灰岩玄武岩安山岩凝灰岩玄武岩熔结凝灰岩凝灰岩熔岩英安岩浮石凝灰岩样品 / 件成岩方式压实压实压实压实压实压实压实喷发环境陆上陆上陆上判别依据. 生物化石和植物碎片. 常见红顶绿底特征 3. 喷发间隙常现风化壳. 陆上火山岩. 所有样品 FeO3>FeO. 淬碎结构. 碳酸盐等胶结物. 红顶现象. 并未淬碎. 以紫灰灰紫色为主. 淬碎结构. 海底枕状熔岩. 玻质角砾岩 3. 碧玄岩. 相邻沉积环境为湖泊相. 样品 FeO>FeO3 3. 湖泊环境. 与湖相砂泥岩互层. 地化特征. 含有丰富的海相化石. 大量枕状熔岩湖水渗透进岩浆内诱发的蒸汽岩浆爆发历史记录 (996 年 ) 冰川火山历史记录 ( 年 ) 资料来源马雪等,005 吴明仁等,006 夏国礼,993 夏国礼,999 Chauvel,et al.997 梁洪天,99 王盘喜等,0 张超等,005 Weinstein,. 007 Belousov and Belousova,00 Moore and Calk,99 Naumova and Tolstykha,008 黄剑霞,987 李军,008 梁浩与苟红光,009 毛翔等,0 马雪等,005 单玄龙,0 陈建文,000 董国栋等,0 黄剑霞,987 李明莲与蓝恒春,0 梁浩与苟红光,009 梁洪天,99 刘继顺,995 毛翔等,0 马雪等,005 邱家骧,985 单玄龙等,0 Fig. 7 图 7 基于氧化系数的火山岩喷发环境判别图 Eruption environment discrimination chart based on oxidation index

11 期何衍鑫等 : 基于氧化系数的火山喷发环境判别 : 以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例 77 Table 表 5 不同环境下的火山岩氧化系数的最值 Oxidation index extreme values of volcanic rocks in different environments 环境最大值超基性最小值最大值基性最小值最大值中性最小值最大值酸性最小值喷发环境强氧化环境弱氧化环境陆上弱还原环境强还原环境的判别图上, 结果显示夏 0 井夏 0 井克 0 井克 30 井 8 井和 567 井火山岩为喷发风南井风南井 587 井火山岩为陆上喷发, 玛东井 58 井火山岩既存在陆上喷发, 也有喷发此外, 根据下伏地层的沉积环境珍珠岩或熔积岩 (Skilling,et al.,00;hooten and Ort,00) 淬碎结构 ( 刘继顺,995;Zhao et al.,03) 颗粒表面特征 ( 于红梅,0;Büttner et al.,999;dellino et al.,00) 黄铁矿等也可对研究区 8 块火山岩的喷发环境进行判别 ( 表 6), 结果指示夏 0 井夏 0 井火山岩为喷发 ; 风南井风南井火山岩为陆上喷发结果对比发现, 除夏 0 井 85. 熔结角砾凝灰岩和玛东井 69. 凝灰岩两例不符, 其他均相符, 符合率达 9.86% 值得注意的是, 夏 0 井 8.8 m 和 83.6 m 的流纹质熔结角砾凝灰岩, 酸度分别为 7.7 Table 5 表 6 准噶尔盆地西北缘下二叠统部分火山岩喷发环境 Eruption environment of partial volcanic rocks of Lower Permian in northwestern margin of the Junggar Basin 井号层位岩性深度 /m 酸度氧化系数判别依据喷发环境熔结凝灰岩夏 0 井 Pf 流纹岩熔结角砾凝灰岩熔结凝灰岩珍珠岩下伏湖相泥质粉砂岩沉积 ; 富含大量黄铁矿 ; 珍珠岩和熔积岩 ; 可见淬碎结构及边 ; 颗粒表面裂纹和阶梯状断口 ; 夏 0 井 Pf 熔结角砾凝灰岩下伏湖相泥岩沉积 ; 富含大量黄铁矿 ; 风南井 Pj 玄武岩安山质玄武岩玄武岩中基性溢流相, 无快速冷却特征 ; 相邻沉积环境为陆相凝灰质砂岩沉积 ; 陆上风南井 Pf 凝灰岩相邻沉积环境为陆相凝灰质砂岩沉积 ; 陆上空落亚相 ; 火山角砾岩井 P j P j 火山角砾岩凝灰岩红色凝灰岩 ; 灰绿色火山角砾岩 ; 陆上 Pf 火山角砾熔岩下伏湖相泥岩沉积 ; 熔积岩和珍珠岩 ; 玛东井 Pf Pj 凝灰岩凝灰岩下伏陆相凝灰质砂岩沉积 ; 陆上空落亚相 ; 陆上空落亚相 ; 陆上

12 78 高校地质学报 3 卷期 73.95, 氧化系数均为, 若不经过酸度校正, 其判别结果显示为陆上喷发, 与其他判别标志互相矛盾经酸度校正后, 其判别结果为喷发, 结果更准确夏 0 井 93 m 流纹质熔结角砾凝灰岩酸度为 78.9, 氧化系数为 0.5, 与前人判别标准的阈值 (0.5) 接近, 不易判别, 但经酸度校正后可明显判断为喷发, 与其他判别标志相符风南井 508. m 安山质玄武岩酸度为 58.69, 氧化系数为 0.5, 在图 7 的陆上分界线附近, 最好结合样品的其他信息, 综合判断其喷发环境基于不同判别标志的对比, 本文建立的基于氧化系数的火山喷发环境判别图可信度高, 符合率达 9.86%( 样品数据 8), 与前人的判别标准对比, 判别结果更准确氧化系数是火山岩的基本地球化学特征, 其环境指示意义具有普适性, 可应用于不同时代不同地区火山岩喷发环境的判别在实际条件允许的情况下, 喷发环境的判别应结合其他信息, 相互佐证, 综合判断从含油性上看, 夏 0 井夏 0 井样品段饱含油, 为含油层 ; 玛东井样品段上部喷发火山岩饱含油 ;8 井样品段可见油斑, 试油结果为干层和水层 ; 克 30 井荧光级别为淡黄色 ; 风南井样品段无油气显示, 试油结果为干层 ;567 井风南井 587 井 58 井样品段无油气显示样品岩芯含油气级别及试油结果表明喷发火山岩的含油气性要优于陆上喷发火山岩 6 结论 () 准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩沿盆缘断裂带呈带状分布, 自西向东远离断裂带, 随地层厚度减薄, 火山岩减少而沉积岩增多研究区火山岩均为钙碱性, 岩石类型丰富, 可进一步细分为 5 类 8 亚类 5 种岩石类型 () 本文建议采用 Fe O 3/(Fe O 3+FeO) 比值作为火山岩氧化系数 (Oxidation Index) 对氧化系数的干扰因素 ( 岩浆酸度 ) 进行校正, 建立了基于经岩浆酸度校正的氧化系数的喷发环境判别图方法与下伏沉积环境熔积岩表面结构等判别标志的结果对比, 符合率达 9.86%, 与前人的判别标准对比, 结果更可靠基于氧化系数的喷发环境判别方法具有普适性, 可应用于不同时代不同地区的火山岩喷发环境判别中 (3) 运用判别图对准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩喷发环境进行判别, 结果表明夏 0 井夏 0 井克 0 井克 30 井 8 井 567 井火山岩为喷发, 风南井风南井 587 井火山岩为陆上喷发, 玛东井 58 井两者都存在样品含油气级别及试油结果表明喷发火山岩的含油气性要优于陆上喷发火山岩火山喷发环境的准确判别, 为准噶尔盆地火山岩储层精细勘探和优质烃源岩的形成提供了新思路和新方法参考文献 (References): 陈建文含火山岩盆地环境分析与火山岩储层表征以徐家围子断陷营城组为例 [D]. 武汉 : 中国地质大学 ( 武汉 ). 董国栋, 张琴, 朱筱敏, 等. 0. 火山岩储层研究现状及存在问题以准噶尔盆地克夏地区下二叠统火山岩为例 [J]. 石油与天然气地质,33(): 黄剑霞厦门港湾氧化 - 还原沉积环境的划分 [J]. 台湾海峡,6(): 7-3. 李军准噶尔盆地西北缘石炭系火山岩油藏储层分布规律及控制因素研究 [D]. 北京 : 中国地质大学 ( 北京 ). 李明连, 蓝恒春. 0. 岩浆成岩阶段的氧逸度与华南热液型铀矿的成矿类型 [J]. 铀矿地质,30(3): 梁浩, 苟红光三塘湖盆地卡拉岗组火山岩岩石化学特征及构造环境 [J]. 西安石油大学学报 ( 自然科学版 ),(5): 3-8. 梁洪天. 99. 汝城拉张盆地基性火山碎屑岩建造 [J]. 湖南地质,(3): 刘继顺海底火山作用和火山岩的若干特点 [J]. 有色金属矿产与勘查,(): 毛翔, 李江海, 张华添, 等. 0. 准噶尔盆地及其周缘地区晚古生代火山机构分布与发育环境分析 [J]. 岩石学报,8(8): 马雪, 冯成贵, 虞卫东新疆巴里坤县三塘湖北卡拉岗组火山岩特征 [J]. 新疆地质,3(3): 邱家骧火山岩中 FeO3 FeO 的调整与方法 [J]. 地质科技情报,(): 单玄龙, 李吉焱, 陈树民, 等. 0. 陆相火山喷发作用及其对优质烃源岩形成的影响 : 以松辽盆地徐家围子断陷营城组为例 [J]. 中国科学 (D 辑 ),(): 孙玉善, 白新民, 桑洪, 等. 0. 沉积盆地火山岩油气生储系统分析 : 以新疆准噶尔盆地乌夏地区早二叠世风城组为例 [J]. 地学前缘,8 (): -8. 万从礼, 金强, 翟庆龙东营凹陷滨南地区火山喷溢对烃源岩形成及生烃演化的作用 [J]. 石油大学学报 ( 自然科学版 ),7(3): 7-. 王岚, 李文厚, 林潼, 等. 00. 陆上喷发成因火山岩储层发育特征和成藏控制因素对比分析以三塘湖盆地石炭系火山岩油藏为例 [J]. 地质科学,5(): 王静, 国景星, 盛世锋, 等商河油田喷发火山岩储层特征 [J]. 断块油气田,5(): 0-. 王盘喜, 杨霄, 卞孝东. 0. 冀中坳陷火成岩岩石学及地球化学特征 [J]. 地质科技情报,3(): -0.

13 期何衍鑫等 : 基于氧化系数的火山喷发环境判别 : 以准噶尔盆地西北缘下二叠统为例 79 王璞珺, 冯志强盆地火山岩 : 岩性岩相储层气藏勘探 [M]. 北京 : 科学出版社 :99-0. 王璞珺, 缴洋洋, 杨凯凯, 等. 06. 准噶尔盆地火山岩分类研究与应用 [J]. 吉林大学学报 ( 地球科学版 ),6(): 吴明仁, 楼法生, 宋志瑞, 等西天山塔尔得套地区乌郎组地球化学特征和构造环境 [J]. 东华理工学院学报,9(3): 7-. 夏国礼冀北地区陆相玄武质淬碎碎屑岩的特征及成因 [J]. 中国区域地质,3:3-8. 夏国礼冀北流纹质淬碎碎屑岩的特征及成因 [J]. 中国区域地质, 8(): 7-3. 鲜本忠, 牛花朋, 董国栋, 等. 03. 准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩岩性岩相及其与储层的关系 [J]. 高校地质学报,9(): 于红梅. 0. 火山喷发物的显微构造研究及其地质意义 [D]. 北京 : 中国地震局地质研究所. 张超, 董丽霞, 徐达, 等新疆巴里坤县老爷庙额仁山一带晚古生代火山岩 [J]. 新疆地质,3(3): 5-9. 张艳, 舒萍, 王璞珺, 等陆上与喷发火山岩的区别及其对储层的影响以松辽盆地营城组为例 [J]. 吉林大学学报 ( 地球科学版 ),37(6): 朱卡, 李兰斌, 梁浩, 等. 0. 三塘湖盆地石炭系火山岩喷发环境及储层特征研究 [J]. 石油天然气学报,3(3): 9-5. Austin-Erickson A, Büttner R, Dellino P, et al Phreatomagmatic explosions of rhyolitic magma: Experimental and field evidence [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 3(B): B0. Belousov A and Belousova M. 00. Eruptive process, effects and deposits of the 996 and the ancient basaltic phreatomagmatic eruptions in Karymskoye lake, Kamchatka, Russia [J]. Spec. Publs int. Ass. Sediment, 30: Büttner R, Dellino P and Zimanowski B Identifying magma-water interaction from the surface features of ash particles [J]. Nature, 0 (675): Chauvel C, Mcdonough W, Guille G, et al Contrasting old and young volcanism in Rurutu Island, Austral chain [J]. Chemical Geology, 39 (): 5-3. Chen S P, Zhang Y W and Tang L J. 00. Evolution of Junggar late Carboniferous-Permian foreland basin [J]. Journal of the University of Petroleum, China, 5(5): -5. Chen S, Guo Z, Pe-Piper G, et al. 03. Late Paleozoic peperites in West Junggar, China, and how they constrain regional tectonic and palaeoenvironmental setting [J]. Gondwana Research, 3(): Dellino P, Isaia R, La Volpe L, et al. 00. Statistical analysis of textural data from complex pyroclastic sequences: implications for fragmentation processes of the Agnano-Monte Spina Tephra (.ka), Phlegraean Fields, southern Italy [J]. Bulletin of Volcanology, 63(7): 3-6. Dyar M D, Naney M T and Swanson S E Effects of quench methods on Fe 3 + /Fe + ratios: A Mössbauer and wet-chemical study [J]. American Mineralogist, 7: Ghose N C, Chatterjee N and Windley B F. 06. Subaqueous early eruptive phase of the late Aptian Rajmahal volcanism, India: Evidence from volcaniclastic rocks, bentonite, black shales, and oolite [J]. Geoscience Frontiers, 7: -. Hooten J A and Ort M H. 00. Peperite as a record of earlyvstage phreatomagmatic fragmentation processes: an example from the Hopi Buttes volcanic field, Navajo Nation, Arizona, USA [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, (): Kokelaar P and Busby C. 99. Subaqueous explosive eruption and welding of pyroclastic deposits [J]. Science, 57(5067): Kuang L C, Xue X K, Zou C N, et al Oil accumulation and concentration regularity of volcanic lithostratigraphic oil reservoir: A case from upper-plate Carboniferous of KA-BAI fracture zone, Junggar Basin [J]. Petroleum Exploration and Development, 3(3): 85. LeMaitre R W The chemical variability of some common igneous rocks [J]. Journal of Petrology, 7(): LeMaitre R W, Streckeisen A, Zanettin B, et al. 00. Igneous rocks: A classification and Glossary of Terms; Recommendations of the International Union of Geological Sciences [M]//Subcommission on the Systematics of Igneous rocks. Cambridge University Press. Moore J G and Calk L C. 99. Degassing and differentiation insubglacial volcanoes, Iceland [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 6: Naumova V B and Tolstykha M L Chemical composition,volatile components, and trace elements in melts of the karymskii volcanic center, Kamchatka, and Golovnina Volcano, Kunashir Island: Evidence from Inclusions in Minerals [J]. Petrology, (6): -8. Rittmann A Stable Mineral Assemblages of Igneous Rocks: A Method of Calculation [M]. Berlin: Springer Berlin Heidelberg. Skilling I P, White J D L and Mcphie J. 00. Peperite: a review of magma-sediment mingling [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, (-): -7. Weinstein Y A transition fromstrombolian to phreatomagmatic activity induced by a lava flow damming water in a valley [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research,59(-3): White J D L, Smellie J L and Clague D A Explosive Subaqueous Volcanism [M]. Washington DC:American Geophysical Union. Zhao B, Xu J and Lin C. 03. Study of distal pyroclastic-flow stratum fromtianchi volcano in 5 (±5) eruption: pyroclastic-flow over water [J]. Acta Geologica Sinica, 87(): Zhu S F, Zhu X M, Liu J S, et al. 0. Genesis and hydrocarbon significance of vesicular welded tuffs: A case study from the Fengcheng Formation, Wu-Xia area, Junggar Basin, NW China [J]. Petroleum Exploration and Development, 39(): Zou C N, Zhao W Z, Jia C Z, et al Formation and distribution of volcanic hydrocarbon reservoirs in sedimentary basins of China [J]. Petroleum Exploration and Development, 35(3): Zou C N. 03. Unconventional Petroleum Geology [M]. Boston: Elsevier: 3-73.

物质因素能量因素

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