基性熔巖火山地層單元類型、特征及其儲層意義

衣健，唐華風，王璞珺，高有峰，趙然磊(.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春，3006；.吉林大學 古生物學與地層學研究中心，吉林 長春，3006)

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基性熔巖火山地層單元類型、特征及其儲層意義

衣健1，唐華風1，王璞珺1，高有峰2，趙然磊1
(1.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春，130061；2.吉林大學 古生物學與地層學研究中心，吉林 長春，130061)

摘要：為了探索基性熔巖的火山地層單元類型、特征與疊置關系，精選中國東北3個具有代表性的基性熔巖露頭區和松遼盆地徐家圍子斷陷典型鉆井，進行露頭剖面二維測量、鉆井巖心觀察、盆內鉆井和地震解釋。研究結果表明：基性熔巖火山地層單元由冷凝固結成巖方式形成，根據外部形態可分為辮狀、扇狀、板狀和管狀4類，前3類均由基性巖漿地表溢流形成，管狀熔巖流由巖漿于隱伏管道(lava tube)中流動形成?；匀蹘r火山地層單元內部結構可用孔?縫帶進行表征。辮狀熔巖流從上到下由泡沫狀氣孔帶、稀疏氣孔帶和底部氣孔帶構成。扇狀熔巖流在泡沫狀氣孔帶上部發育自碎角礫巖帶，在稀疏氣孔帶下部發育厚度不大的致密帶。板狀熔巖流在稀疏氣孔帶下部發育厚度較大的致密帶。管狀熔巖流由外圈環形柱狀節理帶和內部自碎角礫核心構成?；鹕降貙訂卧男螒B和疊置關系直接約束了火山巖巖性、巖相和儲層在火山地層中的時空分布特征，形成了基性熔巖火山地層內部層狀、似層狀和交織?透鏡狀3種孔隙分布模式。該研究可以為利用露頭、鉆井、地震實現火山地層和儲層的精細刻畫提供理論依據。

關鍵詞：火山地層；火山地層界面；火山地層單元；疊置關系；火山巖儲層

火山地層學(volcanostratigraphy)是地層學的分支學科，旨在建立一套專門的術語及其理論體系，以客觀反映火山成因序列自身的規律性[1]。盆地火山地層屬于區別于沉積地層的異化地層[2]，特征與沉積地層迥然不同[3]，需要將其作為獨立的研究對象進行詳細研究。露頭和盆地研究均表明，無論多么巍峨壯麗的火山景觀或多么復雜的盆地埋藏火山，都是由火山地層界面圍限的火山地層單元按照一定的疊置關系堆疊形成[4?5]，因此，本文作者將火山地層界面、火山地層單元和疊置關系稱為火山地層的3個基本要素。相對于整個火山地層的復雜性，火山地層單元尺度相對較小，是火山成因序列的基本構成單元，內部結構具有很強的規律性[6]。通過火山地層單元對火山地層進行分解研究，進而根據單元疊置進行整體認知，可揭示火山地層結構，并從火山地層角度進一步認識火山巖儲層發育規律。中國東北地區火山地層發育，中生代火山地層是該區盆地深層的重要儲層[7?9]，新生代火山地層構建了長白山等具有潛在噴發危險的活火山[10]，火山地層研究具有重要的現實意義。而火山地層單元作為火山地層的基本堆積單元，目前尚缺乏系統性研究，僅少數學者從地質填圖角度提及火山地層劃分單位[11?12]，但由于缺少從火山地層角度，以火山地層界面識別為基礎的火山地層單元劃分方案，導致火山地層單元劃分缺乏一致的標準，也缺乏對火山地層單元類型、內部結構和疊置關系的詳細研究；黃玉龍等[13]論述了松遼盆地鉆井中基性熔巖流單元，但由于鉆井資料的局限性，并未區分類型，也缺乏對火山地層單元的幾何形態和空間疊置樣式的研究。本文作者精選內蒙古滿洲里、五大連池和長白山3個基性火山巖露頭區，以及松遼盆地鉆遇基性熔巖的典型鉆井，通過野外地質觀察和測量，鉆井巖心觀察、測錄井和地震解釋，研究基性熔巖火山地層單元的類型、特征和地質模式，總結它們的組合規律、疊置關系和孔隙分布特征，并討論火山地層與巖性、巖相之間的關系。

1　研究素材的選取

野外露頭剖面可以提供大量高分辨率的三維地質信息，可詳細研究火山成因序列中界面、單元和疊置方式，從而建立地質模式。進一步選取盆地內鉆遇厚層基性熔巖的典型鉆井，通過與野外剖面建立的地質模式進行類比分析，可進一步認識盆地深層基性熔巖火山地層的結構特征和儲層分布特征。

1.1野外露頭剖面的選擇

野外剖面選取以基性火山巖出露連續，剖面尺度足夠揭示完整的火山地層單元，并存在大量的三維露頭為原則，優選內蒙古滿洲里呼倫湖西岸、黑龍江五大連池、長白山3個露頭區。圖1所示為野外研究區和本文涉及的鉆井位置圖。圖1中內蒙古滿洲里呼倫湖西岸塔木蘭溝組玄武巖時代屬中侏羅世末期，巖性主要由橄欖玄武巖、輝石玄武巖和玄武安山巖構成[14]；黑龍江省黑河市五大連池老黑山玄武巖和吉林省安圖縣長白山均屬于新生代火山巖，五大連池老黑山玄武巖為公元1720～1721年噴發形成[15]，巖性以高鉀堿性玄武巖為主[16]，由火山渣錐和熔巖流臺地構成[17]；長白山具有早期火山盾、中期造錐、晚期堿性火山碎屑 3層建造，玄武巖位于最下部的早期火山盾中，形成時代為中新世到更新世[18]，巖性以堿性橄欖拉斑玄武巖為主[19]。

1.2盆內鉆井的選擇

松遼盆地徐家圍子斷陷安達地區基性熔巖發育，并且有多口鉆遇基性熔巖的深鉆井，鉆遇的基性熔巖屬下白堊統營城組，與海拉爾盆地塔木蘭溝組同屬中生代盆地火山巖充填。本文選取 X1井進行典型解剖(圖1)，通過巖心觀察和測錄井研究發現，火山地層單元類型和特征與呼倫湖西岸塔木蘭溝組露頭基性熔巖火山地層單元具有一定的相似性和可比性。

圖1　野外研究區和本文涉及的鉆井位置圖Fig.1　Location of fields and wells used in this study

圖2火山地層界面和火山地層單元劃分示意圖Fig.2Sketch map of volcanic boundary and volcanic units

2　火山地層單元地質內涵和類型劃分

通過對3個露頭剖面區的地質觀察，研究火山地層單元與火山地層界面的關系和火山地層單元的構成要素，指出火山地層單元的地質內涵和類型。

2.1火山地層界面和火山地層單元的關系

火山地層界面是廣泛發育在火山巖中的地層界面，可分為噴發整合、噴發不整合、噴發間斷不整合、侵入不整合、構造不整合5類[20]。圖2所示為火山地層界面和火山地層單元劃分示意圖?；鹕降貙又械倪@些界面代表火山噴發物就位時間存在長短不同的間隔，這些界面可將火山地層分解為多個相對獨立的火山巖體(圖2)，若這些火山巖體內部不再存在火山地層界面，則基本可認為它們是由連續噴發就位形成的，是火山地層的最小堆積單元。將火山地層中這些連續噴發就位形成的，以火山地層界面作為邊界，彼此間相對獨立的火山巖體稱為火山地層單元。

2.2火山地層單元的構成要素和類型劃分

通過火山巖野外地質觀察和測量發現，火山地層單元包括成巖方式、外部形態和內部結構3個構成要素。其中成巖方式(冷凝固結/壓實固結)反映了形成火山地層單元的火山噴發方式，冷凝成巖方式由火山噴溢作用形成，而壓實成巖方式由火山爆發作用形成。2種成巖方式形成的火山地層單元在特征上具有較大的差異，因此，應首先按成巖方式將火山地層單元分為熔巖型(冷凝固結)、火山碎屑巖型(壓實固結)2類?；鹕降貙訂卧獠啃螒B則反映了巖漿性質、搬運和就位環境等因素[21]，因此，在成巖方式類型劃分的基礎上，應根據外部形態進一步分類，其中本文重點討論的基性熔巖火山地層單元可以根據外部形態分為辮狀熔巖流、板狀熔巖流、扇狀熔巖流、管狀熔巖流4種(見圖2)，不同類型火山地層單元的內部結構具有一定的差異，反映了揮發分分異等作用。

圖3　辮狀熔巖流單元野外地質特征Fig.3　Characteristics of basic braid lava flow units in field

3　露頭剖面基性熔巖流單元特征和地質模式

在明確火山地層單元地質內涵和類型的基礎上，對3個露頭區不同類型基性熔巖火山地層單元的外部形態、內部結構和疊置方式進行觀察和測量，以探索建立不同類型熔巖流單元的地質模式。

3.1基性辮狀熔巖流單元

基性辮狀熔巖流為空間上類似辮狀河道狀，剖面透鏡狀的薄層基性熔巖火山地層單元，通過野外露頭區辮狀熔巖流單元各個方向剖面的測量發現，熔巖流單元厚1～6 m，垂直流向延伸30～100 m，沿流向的延伸距離為100～300 m。典型剖面如圖3所示，由噴發整合界面(圖 3(b))可將玄武巖分割為7個單元(圖3(a))，熔巖流單元橫截面為透鏡狀，頂部橢圓狀小氣孔發育，直徑為0.2～1.0Cm，定向排列(圖3(b))；中部為圓狀氣孔，氣孔直徑為1～2Cm，氣孔面孔率較頂部的小(圖 3(c))；底部發育一薄層橢圓狀氣孔和管狀氣孔，氣孔面孔率較中部的大，較頂部的小(圖3(b))。

3.2基性扇狀熔巖流單元

圖4所示為黑龍江省五大連池老黑山玄武巖組中的扇狀熔巖流地質特征。五大連池部分基性熔巖流空間幾何形態為扇狀(圖4(a))，根據幾何形態將其類型歸為基性扇狀熔巖流單元。基性扇狀熔巖流單元厚度為4～8 m，沿熔巖流方向的延伸距離在200～2 000 m之間，可以分為扇根、扇中和扇端3部分，從扇根到扇端熔巖流單元表面構造存在變化，扇根以繩狀熔巖為主(圖4(b))，扇中過渡為涌浪狀熔巖(圖4(c))，扇端主要為渣狀和塊狀熔巖(圖 4(d))。由于扇根和扇中缺乏出露完整的掌子面，本文僅研究扇端部位的縱向結構構造序列(圖4(e))。掌子面觀察表明：基性扇狀熔巖流扇端部位頂部為渣狀/塊狀熔巖，向下過渡為柱狀節理熔巖，過渡帶厚度為 5～10Cm，柱狀節理熔巖上部和中部發育管狀氣孔，下部氣孔逐漸較少，巖石變致密，由于剖面露頭情況限制，熔巖流底部特征不清。

3.3基性板狀熔巖流單元

基性板狀熔巖流為形態近板狀的厚層熔巖流，通過野外露頭區辮狀熔巖流單元測量發現，熔巖流單元厚為7～22 m，延伸距離多超過3 km。典型剖面如圖5所示，該剖面中玄武質熔巖流單元橫向延伸3 km以上(圖 5(b))，由噴發整合界面分割為2個板狀的火山地層單元(圖5(a))，單元1位于界面下部，頂部發育橢圓狀小氣孔，氣孔面孔率較大(圖5(c))，向下氣孔變大，最大直徑超過10Cm，氣孔形態變為圓狀，氣孔面孔率較頂部的小，再向下部氣孔逐漸消失(圖 5(d))，該單元未出露底界面。單元2位于界面上部，最下部發育一層厚度不大的層節理(圖5(a))，向上巖性致密，發育柱狀節理(圖5(a))。

3.4基性管狀熔巖流單元

厚層基性熔巖表面冷凝后，內部未冷凝部分持續流動形成延伸可達數百千米級別的管狀的巖漿供給通道[22]，巖漿供給通道內最后1期熔巖冷凝后形成幾何形態為管狀的熔巖流，即管狀熔巖流。長白山地區和龍市崇善鎮軍艦剖面中見典型管狀熔巖流掌子面，圖6 所示為基性管狀熔巖流野外地質實例。該管狀熔巖流剖面為圓形，發育于柱狀節理玄武巖中，與柱狀節理玄武巖間由噴發不整合界面分割，界面表現為環形柱狀節理與圍巖產狀角度相交，并發育冷凝邊和烘烤邊。該熔巖流單元外緣發育環形柱狀節理，向內部過渡為玄武質角礫巖。

圖4黑龍江省五大連池老黑山玄武巖組中的扇狀熔巖流地質特征Fig.4Characteristics of basic fan-like lava flow units of Laoheishan Basalt Formation in Wudalianchi,Heilongjiang Province

4　基性熔巖火山地層單元組合規律和疊置關系

通過對露頭區基性熔巖火山地層單元進行研究，總結4種類型火山地層單元的三維地質模式，包括形態、規模、疊置方式、內部結構、面孔率特征5個方面，圖7所示為基性熔巖火山地層地質模式。在實際應用中，可根據某一維度或某一些方面的信息(如熔巖流的厚度或孔?縫結構)，判斷熔巖流單元的類型、三維空間的展布、疊置方式和孔隙分布等。

4.1形態、規模和疊置方式

基性辮狀熔巖流、扇狀熔巖流、板狀熔巖流、管狀熔巖流中前3種為熔漿地表溢流形成，形態由辮狀到扇狀再到板狀的變化過程中，熔巖流的厚度、橫向和縱向延伸規模也相應地逐漸增大，反映了巖漿流量的增加，疊置方式由交織疊置逐漸變為層狀疊置；管狀熔巖流則由地下潛流形成，其規模受巖漿供給通道約束。

圖5　基性板狀熔巖流野外地質實例Fig.5　Characteristics of basic tabular lava flow units in field

圖6　基性管狀熔巖流野外地質實例Fig.6　Characteristics of basic tube lava flow unit in field

4.2內部結構

基性熔巖流單元內部結構可用不同的孔?縫帶進行表征，表1所示為孔?縫帶構成要素?？偨Y4種基性熔巖流單元的孔?縫帶發育模式(見圖 7)，其中辮狀熔巖流、扇狀熔巖流和板狀熔巖流共同點是均發育泡沫狀氣孔帶、稀疏氣孔帶，不同點是扇狀熔巖流頂部發育自碎角礫巖帶，并且從辮狀熔巖流到板狀熔巖流，隨著熔巖流單元厚度逐漸增加，致密帶厚度不斷增加。管狀熔巖流與前 3種類型熔巖流特征差別較大，呈環狀圈層結構，可分為外圈環形柱狀節理帶和內部角礫核心。

4.3面孔率特征

火山巖中具有孔隙和裂縫才能形成有效儲層，因此，火山地層單元的面孔率可以一定程度上反映火山巖的儲層特征?？偨Y4種火山地層單元的面孔率特征(見圖7)，從辮狀熔巖流到板狀熔巖流，單元頂部面孔率均較高，向下降低，但辮狀熔巖流面孔率均在 5%以上，扇狀熔巖流和板狀熔巖流中下部面孔率在 5%以下。管狀熔巖流單元外圈面孔率高，核心面孔率低，但下降的幅度不大。

表1　孔?縫帶構成要素Table1　Elements of pore?fissure zone

圖7　基性熔巖火山地層地質模式Fig.7　Model of basic lava flow units

圖8　盆地基性熔巖火山地層單元劃分實例Fig.8　Depiction example of basic lava flow units in basin

5 盆地基性熔巖火山地層單元

對于松遼盆地深層大面積的埋藏火山巖而言，由于只能通過鉆井、地震反射等有限的信息對它們進行認識，因此其精細刻畫更需要地質模式的支撐。本文選擇松遼盆地典型鉆井進行解剖，通過鉆井揭示的熔巖火山地層單元與野外剖面建立的地質模式類比分析，實現盆內火山地層的刻畫，并在此基礎上研究孔隙的空間分布特征。

5.1火山地層單元的井?震刻畫

圖8所示為盆地基性熔巖火山地層單元劃分實例。通過對火山地層界面的測井識別(噴發不整合和噴發整合界面在鉆井上通常表現為電阻率、聲波和密度曲線的陡坎狀突變，界面附近蝕變可形成自然伽馬曲線的指狀突變)，將徐家圍子斷陷X1井中的基性熔巖劃分為12 個基性熔巖流單元，結合巖心觀察和測錄井，對這些火山地層單元的孔隙結構進行刻畫，據此可對X1井熔巖流單元類型進行劃分(圖8(a))。

圖8(b)所示為過X1井東西向地震剖面，過X1井上部的地震反射同相軸為較為連續的平行反射，提示波阻抗界面為穩定層狀，火山地層單元的厚度穩定，側向延伸較遠，符合板狀熔巖流的特征；過 X1井下部地震反射同相軸為斷續的波狀反射，提示波阻抗界面不穩定，說明熔巖流側向延伸較近，符合辮狀熔巖流的特征。同相軸連續性上應介于兩者之間的應解釋為扇狀熔巖流單元。

5.2孔隙空間分布特征及與火山地層單元的相關性

基于X1井火山地層單元解釋和測井孔隙度資料、過井地震解釋和基性熔巖火山地層單元地質模式，制作了玄武巖火山地層結構和孔隙度分布特征示意圖，如圖9所示，圖中：T4為營城組頂面；T41為營城組底面。從圖 9可知：基性熔巖火山地層中孔隙的分布主要有3種模式：1)層狀孔隙帶，孔隙度在5%～10%之間的孔隙帶與孔隙度小于 5%的致密帶相間分布，成因為板狀熔巖流單元縱向疊置；2)交織?透鏡狀孔隙帶，孔隙度在10%～15%之間的孔隙帶交織狀分布，孔隙度在 5%～10%之間的孔隙帶呈透鏡狀分布，基本不發育致密帶，成因為辮狀熔巖流單元交織狀疊置；3)似層狀孔隙帶，為前2種的過渡類型，由扇狀熔巖流單元側向疊加形成。通過這3種孔隙帶發育模式可以發現，辮狀熔巖流單元疊加后孔隙發育較為集中，對形成優質儲層較為有利。

圖9　玄武巖火山地層結構和孔隙度分布特征示意圖Fig.9　Sketch map of structure of basic volcanostratigraphy and distribution of porosity

6　討論

6.1巖性、巖相和火山地層研究的互相關系

松遼盆地火山巖研究中，巖性、巖相的研究相對較為成熟，這里探討一下巖性、巖相與火山地層，特別是本文所探討的火山地層單元之間的關系。巖性指反映巖石特征的一些屬性，如顏色、成分、結構、構造、膠結物及膠結類型、特殊礦物等；巖相反映的是火山巖形成方式的總和，包括火山物質的噴發類型、搬運方式和就位環境與狀態[23]；而火山地層研究的是火山巖的縱向序列和橫向對比關系。對于它們之間的互相關系，本文認為巖性是物質，巖相是成因，而火山地層則是不同巖性、不同巖相火山巖之間的互相關系(即等時格架)。

6.2火山地層研究對盆地火山巖研究的促進作用

火山地層單元作為由火山地層界面圍限的最小成因單元，約束了內部巖性、巖相(特別是亞相)的空間分布，并通過自身的疊置控制了巖性、亞相的空間疊置關系。因此在巖性、巖相研究的基礎上，進一步識別火山巖內部的火山地層界面，劃分火山地層單元，研究疊置關系，有助于探索巖性、巖相(特別是亞相)在火山地層中的時空分布規律。另外，不同類型的火山地層單元也是由特定的噴發、 搬運和就位方式形成，其本身和疊置后也具有相的含義，因此對火山地層單元的詳細刻畫和研究，也有助于對火山巖噴發、搬運和就位條件的深入認識。

7　結論

1)火山地層單元是指連續噴發就位形成的，以火山地層界面作為邊界，彼此間相對獨立的火山巖體?；匀蹘r火山地層單元根據外部形態分為辮狀熔巖流、板狀熔巖流、扇狀熔巖流、管狀熔巖流4種。

2)火山地層單元內部巖石結構構造可用孔?縫帶進行表征，辮狀熔巖流縱向序列從上到下通常由泡沫狀氣孔帶、 稀疏氣孔帶構成。隨著流動單元厚度增加，扇狀熔巖流和板狀熔巖流逐漸發育致密帶。管狀熔巖流為環狀圈層結構，由外圈環形柱狀節理帶和內部角礫核心構成。

3)基性熔巖火山地層中受不同類型單元疊置的影響，主要存在 3種孔隙分布模式：板狀熔巖流縱向疊置形成的層狀孔隙帶；辮狀熔巖流交織疊置形成的交織?透鏡狀孔隙帶；由扇狀熔巖流側向疊置形成的似層狀孔隙帶。

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(編輯 羅金花)

Types,characteristics and reservoir significance of basic lava flow units

YI Jian1, TANG Huafeng1, WANG Pujun1, GAO Youfeng2,ZHAO Ranlei1
(1.College of Earth Science,Jilin University,Changchun130061,China? 2.ResearchCenter of Paleontology and Stratigraphy,Jilin University,Changchun130061,China)

Abstract:Based on profile measurements,the observation of theCore samples,the interpretation of detection logging and seismic profiles,three typical fields and wells in Songliao Basin wereChosen,and the types,theCharacteristics and the stacking patterns of the volcanic units were studied.The results show that the basic lava volcanic unitsCan be formed by the diagenesis of solidification withCooling,andCan be divided into four types according to their external morphology: the braid lava flow units,the fan-like lava flow units,the tabular lava flow units,and the tube lava flow units.The first three of these lava flow units are formed by the lava effusion on the ground,and the tube lava flow units are formed by the lava flowing along the buried tube underground.The internal structure of the lava flow unitsCan beCharacterized by the vesicular zones.The braid lava flow units are divided into three parts: the rich vesicular zone on the tope,the spare vesicular zone in the middle,and the base vesicular zone at the base.The fan-like lava flow units have an autoclasticbreccia zone on the rich vesicular zone,and a thin dense zone under the spare vesicular zone.The tabular lava flow units have a thick dense zone under the spare vesicular zone.The tube lava flowConsists of a loopColumnar zone in the outer ring and an autoclastic brecciaCore.The volcanostratigraphy is built by the stacking of volcanic units,and the spatial and temporal distribution of the lithology,and facies and reservoir are directlyControlled by the shape and stacking patterns of lava flow units,and make up three distribution modes of reservoirs: the layered,the quasi layered and the mixed-lenticular.Thus this study may provide theoretic foundation for the final target attempt to define the fineCharacterization of the volcanostratigraphy using outcrop,well and seismic data.

Key words:volcanostratigraphy? volcanic boundary? volcanic unit? stacking type? volcanic reservoir

中圖分類號：P539

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0149?10

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.022

收稿日期：2014?12?10；修回日期：2015?02?10

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金資助項目(41472304)；國家重點基礎研究發展規劃(973 計劃)項目(2012CB822002，2009CB219303)(Project(41472304)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Projects(2012CB822002,2009CB219303)supported by the National Basic Research Development Program(973 Program)ofChina)

通信作者：唐華風，副教授，從事火山巖儲層和火山地層學研究；E-mail: tanghfhc@jlu.edu.cn