新疆獨(dú)山子泥火山的構(gòu)造特征分析

思積勇

(青海省第五地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810099)

0 前 言

泥火山是地下水及氣體混合將泥漿噴出地面后堆積而成，噴出地表的形態(tài)多為錐狀或盆狀，泥火山口通常是凹陷的且有通向深部的管孔。泥火山與巖漿活動(dòng)形成的火山不同，泥火山無(wú)巖漿通道并且在物質(zhì)來(lái)源、礦物成分、溫度、壓力、噴發(fā)機(jī)制、噴出規(guī)模等方面與其存在本質(zhì)區(qū)別。

新疆的泥火山主要分布在北天山中段的獨(dú)山子、沙灣縣南霍爾果斯和烏蘇白楊溝、艾其溝等處。新疆泥火山集中分布在準(zhǔn)噶爾南緣大斷裂，是北天山與山前凹陷帶之間的分界斷裂，山前凹陷內(nèi)又發(fā)育三排逆斷裂—背斜帶，發(fā)育許多不同類型的褶皺構(gòu)造和沉積體系。前人對(duì)北天山地區(qū)泥火山的科學(xué)研究主要集中在地震前兆監(jiān)測(cè)、微生物群落、油氣、泥火山元素組成及含量等方面;例如，實(shí)時(shí)查看泥火山活動(dòng)情況的監(jiān)控畫面，并依據(jù)泥火山群地震觀測(cè)網(wǎng)，捕捉泥火山群地震前兆異常[1]。分析了我國(guó)新疆獨(dú)山子泥火山群和烏蘇泥火山群的古菌和細(xì)菌群落組成[2]。通過對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西南緣山前帶泥火山的系統(tǒng)觀察與分析，并采集部分油氣苗樣品開展實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)一步探討區(qū)內(nèi)油氣成藏條件[3]。對(duì)烏蘇泥火山8個(gè)噴口泥漿進(jìn)行巖石地球化學(xué)分析[4]。將火山泥的元素含量與新疆地區(qū)不同土質(zhì)的土壤元素含量進(jìn)行比較，與干旱區(qū)不同省份的土壤元素含量進(jìn)行比較，分析了火山泥元素組成及含量的成因[5]。

前人對(duì)新疆泥火山的研究區(qū)域僅限于烏蘇白楊溝及艾其溝，獨(dú)山子地區(qū)泥火山只研究泥火山與油氣、微生物和地震的關(guān)系，沒有對(duì)獨(dú)山子泥火山活動(dòng)現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對(duì)泥火山相關(guān)密切的獨(dú)山子背斜、斷裂的關(guān)系認(rèn)識(shí)不清。通過對(duì)獨(dú)山子泥火山野外實(shí)地綜合調(diào)查，研究泥火山的平剖面分布特征，用確切的理論證據(jù)說(shuō)明泥火山與獨(dú)山子背斜的特定關(guān)系，并結(jié)合獨(dú)山子地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境，探究泥火山的活動(dòng)機(jī)理。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境概況

泥火山位于獨(dú)山子區(qū)境內(nèi)約1 km，海拔高程在950 m，噴出物覆蓋面積約0.8 km2，最大厚度近百米，若以平均厚度20 m計(jì)，噴出物總體積達(dá)1 600×104m3。泥火山活動(dòng)與獨(dú)山子地區(qū)特殊背斜構(gòu)造和斷裂帶存在密切聯(lián)系。

獨(dú)山子背斜位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣西部山前三排背斜帶的第3排，是一個(gè)復(fù)合型背斜，背斜淺層擠壓強(qiáng)烈為高陡斷背斜，深層則為一個(gè)寬緩斷背斜。背斜軸向近東西，背斜長(zhǎng)約16 km，寬約6 km，背斜南翼地層平緩(15(°)～25(°))，出露地層為下更系統(tǒng)西域組(Q1x)、上新統(tǒng)獨(dú)山子組(N2d)和中新統(tǒng)塔西河組(N1t)；背斜核部出露中新統(tǒng)塔西河組(N1t)，巖性為紫紅色砂泥巖，背斜形態(tài)寬緩、開闊；背斜北翼受下伏斷層影響，地層較陡。背斜翼部中更新統(tǒng)(Q2)與下伏地層呈不整合接觸[6]。北翼被近東西方向延伸的獨(dú)山子逆斷裂所切割，斷裂南傾，傾角60(°)～70(°)。

獨(dú)山子斷裂為南傾逆斷裂，從石炭紀(jì)基巖斷至地表，縱切背斜北翼，西起四棵樹凹陷，向東延伸至安集海背斜東部，全長(zhǎng)約90 km。從早白堊世活動(dòng)，喜馬拉雅期最強(qiáng)烈。侏羅紀(jì)期間，該斷裂為南傾生長(zhǎng)正斷裂，斷裂南側(cè)的沉積厚度顯著較大。第四紀(jì)早更新世末期，由南向北的強(qiáng)烈擠壓作用使該斷裂復(fù)活而致侏羅系以上地層被沖斷褶皺，從而形成獨(dú)山子斷裂和獨(dú)山子背斜。

2 野外調(diào)查和研究方法

2.1 泥火山現(xiàn)狀

通過野外實(shí)地調(diào)查，運(yùn)用地質(zhì)羅盤、測(cè)繩、GPS等工具，對(duì)其進(jìn)行了地理位置定位、噴出物描述、規(guī)模大小、泥漿溫度測(cè)量、直徑及孔徑測(cè)量等工作。編制獨(dú)山子泥火山情況調(diào)查表(見表1)，準(zhǔn)確地反映了當(dāng)前獨(dú)山子泥火山的噴發(fā)現(xiàn)狀及活動(dòng)特征。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)17個(gè)泥火山噴發(fā)口，火山口為圓形或橢圓形，只發(fā)現(xiàn)6個(gè)泥火山活動(dòng)。依據(jù)情況調(diào)查表，選取最典型的4個(gè)泥火山的噴發(fā)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的描述與探究(見圖1)。

圖1 X2d-1和X2d-13號(hào)泥火山噴出口示意

表1 獨(dú)山子泥火山情況調(diào)查

X2d-1泥火山噴發(fā)口位于13號(hào)噴口東南80 m處，直徑4.1 m，青灰色稀泥漿停留在孔口附近，間歇溢出噴口，順地表斜坡溢流，延伸達(dá)5～6 m，風(fēng)干呈灰白色條帶。水量補(bǔ)給低、流量小，泥漿溫度為22℃；只有一個(gè)孔在冒氣泡，周期為2 s，主要以冒氣泡為主，水和泥較少，表層有油脂，有汽油味；泥質(zhì)是粉砂質(zhì)，已固結(jié)的為土黃色，泥裂凸出。高度3.4 m，方位140(°)；高度1.4 m，方位255(°)。噴出物未在地表形成錐體, 也未見巖石碎塊。稀泥漿表面漂浮著少量油花，在陽(yáng)光下形成彩色光環(huán)。該孔水氣樣品分析表明，水的礦化度為14.79/L，為Cl-Na 型；氣體成分為CH47.5%，N211.9%，CO24.7%。

X2d-8泥火山已干涸，泥質(zhì)青灰色，位于坡頂。形狀為圓形，直徑為10 m，孔徑為5 m。方位185(°)，高度1.95 m。泥火山噴出物在火山口堆積，對(duì)周圍地表沉積物有明顯改造作用，泥火山口有植被生長(zhǎng)，泥火山噴出物已干裂形成碎塊。

X2d-13泥火山噴發(fā)口直徑為3 m，孔徑為0.2 m，高為2 m的圓形泥火山錐。泥漿青灰色，間歇式活動(dòng)，發(fā)出劇烈響聲，溫度15℃，方位：110(°)(東南)，高度2.3 m，方位：290(°)(西北)，高度1.7 m，早期噴出物失水已固結(jié)成塊狀,膠結(jié)90%以上為土黃色粘土, 其中夾有灰綠色、棕紅色等巖石碎塊, 粒徑一般為1～10 mm，最大可達(dá)40 mm。從錐體表面噴出物的顏色、固結(jié)程度以及成分可以明顯看出，該噴口至少有過3 次以上的間歇噴發(fā)，由老到新噴發(fā)量不斷減小，噴出物顏色逐漸變淺，礫石含量逐漸減少而且粒徑也明顯變小。泥火山間歇地向外噴出泥泡，匯集的泥漿沿西南側(cè)的開口外溢。涌出的泥流在地表形成錐型丘，表面是干裂的泥漿塊。

X2d-15泥火山的噴出泥漿為青灰色，以氣體為主，周期較短，氣體持續(xù)冒出，油氣多，有刺鼻的石油味。存在明顯的油氣浸染現(xiàn)象，該噴口正前方為泥漿池，推斷也為泥火山噴發(fā)口，泥火山口直徑為50 cm，噴出物已堆積凸出地表，小泥火山噴出泥漿向泥火山盆方向泄流。

2.2 泥漿來(lái)源及粒度分析

泥漿是由松散的泥巖粘土物質(zhì)及無(wú)膠結(jié)成巖的顆粒和地下水混合后形成的。泥巖層具有膠結(jié)疏松且易被地下水?dāng)y帶的特點(diǎn)，其為供應(yīng)泥火山噴發(fā)泥漿的來(lái)源。從泥火山噴出物可推斷含泥質(zhì)粘土質(zhì)的軟泥來(lái)源深度，青灰色的軟泥含塔西河組的物質(zhì)較多，因此泥漿來(lái)源較深；土黃色的軟泥含獨(dú)山子組物質(zhì)較多，因此泥漿來(lái)源較淺。推斷深部泥漿來(lái)源于安集海河組(褐黃色泥漿)，淺部的泥漿來(lái)源于中新統(tǒng)塔西河組(灰色泥漿)、上新統(tǒng)獨(dú)山子組(土黃色泥漿)。

獨(dú)山子泥火山噴出物具有雙層結(jié)構(gòu)，上部為疏松的雜色粘土物質(zhì)夾雜一些次生石膏碎片和堅(jiān)硬的礫巖角礫；下部主要為泥火山角礫巖。泥火山角礫巖的直徑大小不一，巖性為泥巖、泥灰?guī)r、粉砂巖、砂巖、細(xì)砂巖、石膏巖和灰?guī)r等。顏色多樣，有灰色、灰綠色、褐黃色等。據(jù)巖性判斷，泥火山角礫巖多來(lái)自新近系。在泥火山北坡坡腳，見中更新統(tǒng)烏蘇群礫石層和上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土層覆蓋在泥火山角礫巖之上，而黃土層之上未發(fā)現(xiàn)泥火山角礫巖。由此推斷泥火山角礫巖噴出時(shí)間為中更新世晚期，泥火山表層的雜色粘土物質(zhì)則為晚更新世以來(lái)所噴出。

采集X2d-1和X2d-13號(hào)泥火山噴出口處泥漿樣品，由于泥漿樣品粒度小，對(duì)于細(xì)小顆粒形成的懸浮液應(yīng)用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析(見圖2)。

圖2 泥火山樣品粒度分布

通過兩個(gè)活動(dòng)泥火山的樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其中X2d-1號(hào)泥火山噴出物的固相粒度在0.2～200 μm之間，X2d-13號(hào)泥火山噴出物的固相粒度在0.3～900 μm之間。泥火山噴出物粒度級(jí)別都是細(xì)砂，所含礦物分選很差。得到結(jié)果見表2。

表2 粒度級(jí)別

注：其中中值(Mdφ) 是累計(jì)碎屑含量50%處對(duì)應(yīng)的粒徑；均值(Mz) 表示粒度分布的集中趨勢(shì)；標(biāo)準(zhǔn)偏差(σφ) 用來(lái)判斷粒度分布的對(duì)稱程度；稍度(SK1)和峰度(KG) 用來(lái)衡量粒度頻率曲線尖銳程度，也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比。

3 結(jié) 論

獨(dú)山子泥火山形成基本條件是中新生代泥砂質(zhì)地層、封閉的背斜構(gòu)造中異常高的層間壓力、構(gòu)造頂端發(fā)育的張性斷裂和背斜頂部的構(gòu)造薄弱帶。

正在活動(dòng)的泥火山噴出的泥漿中，泥漿表層存在厚厚的深褐色原油，泥漿表層油花浮現(xiàn)，存在明顯油氣浸染現(xiàn)象，說(shuō)明斷層切割地層較深，褐黃色泥漿來(lái)源于中新統(tǒng)塔西河組。獨(dú)山子只有一處正在活動(dòng)且惟一形成錐狀火山口，其他泥火山口多呈凹陷的泥火山盾或泥火山錐。泥火山堆積物與中更新統(tǒng)礫石層相互交替堆積，泥火山噴發(fā)時(shí)期應(yīng)在早更新世末至中更新世初期。獨(dú)山子泥火山沿著獨(dú)山子背斜的近東西向長(zhǎng)軸方向展布，發(fā)現(xiàn)的17個(gè)泥火山出露點(diǎn)集中分布于獨(dú)山子背斜核部。

泥火山的形成機(jī)理是天然氣在地下形成壓力，為泥火山噴發(fā)提供的噴發(fā)動(dòng)力。背斜頂部受張力作用，巖性脆弱，易受斷層影響，易于形成裂縫，為泥火山噴出運(yùn)移提供了通道。發(fā)現(xiàn)獨(dú)山子地區(qū)有大量已干涸呈線狀排列的死泥火山口，是受斷裂影響所致。對(duì)于泥火山的外形，認(rèn)為噴出泥漿粘稠度大，在泥火山間歇期可干裂成泥火山角礫，隨著噴發(fā)過程，不受外界人為干擾，含礫碎屑流不坍塌可形成泥火山錐(X2d-13)。受人為因素影響或泥漿粘稠度小，可形成泥火山盆或泥火山盾(X2d-1、X2d-8)。

獨(dú)山子泥火山頂?shù)牡匦屋^為平緩，約略呈現(xiàn)出四周高中間低的態(tài)勢(shì)，可能為強(qiáng)烈噴發(fā)期形成的主泥火山口的反映。晚更新世以來(lái)，獨(dú)山子泥火山處于相對(duì)平靜期內(nèi)，泥火山的活動(dòng)以若干噴口不斷噴出天然氣、地下水和軟泥為特征，未發(fā)生強(qiáng)烈噴發(fā)，因此不發(fā)育泥火山角礫。

下一步研究工作須運(yùn)用地震儀器實(shí)測(cè)獨(dú)山子背斜的地震剖面，此外，發(fā)現(xiàn)6處泥火山噴出口，泥漿顏色不一，有灰綠色、深褐色、灰色等，活動(dòng)強(qiáng)烈差別大，泥漿溫度、氣泡噴出周期等存在明顯差異，泥火山的出露是否具有同源性有待研究。