火山巖陸上與水下噴發(fā)環(huán)境的氧化系數(shù)判別方法

伍宏美，陳亞軍，孟朋飛，馬強(qiáng)，宋小勇，何興華，于家義，何伯斌

1.北京中科聯(lián)華石油科學(xué)研究院，北京 100101

2.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆哈密 839009

3.中國石油玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅酒泉 735019

4.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550081

5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

0 引言

近年來，火山巖作為一類非常規(guī)油氣儲層及新的油氣勘探領(lǐng)域，在國內(nèi)外取得了一系列較為重要的油氣發(fā)現(xiàn)，表明其中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。對我國已發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的火山巖油氣田統(tǒng)計(jì)表明，從基性的氣孔、碎裂玄武巖[1-5]，到中性的自碎、氣孔—杏仁狀安山巖[1-4,6]和氣孔或多孔熔渣（堿性）粗面巖[1-4,7]，再到酸性的流紋巖[1-4,8-9]，以及凝灰?guī)r、火山角礫巖[1-4,10-12]和沉凝灰?guī)r[13]，都能作為有效的儲集巖類。諸多學(xué)者研究認(rèn)為風(fēng)化淋濾作用[14-16]、火山巖巖相[17-18]及成巖作用[19-21]是控制儲層發(fā)育形成的關(guān)鍵，但這些認(rèn)識多以陸上噴發(fā)沉積形成的火山巖儲集層為研究對象，卻很少關(guān)注或重視過水下噴發(fā)水下沉積的火山巖儲集體。陸上與水下兩種不同沉積環(huán)境形成的火山巖儲集體的儲集空間類型、特征，以及發(fā)育機(jī)理大相徑庭[19]，油氣成藏規(guī)律[22]以及對優(yōu)質(zhì)烴源巖[23]形成的影響亦差異巨大；因此，準(zhǔn)確判別火山噴發(fā)沉積古地理環(huán)境是火山巖油氣儲層評價(jià)研究的一項(xiàng)重要依據(jù)。陸上與水下由于氧含量的原因[24-25]，火山巖中變價(jià)元素鐵的氧化物含量（Fe2O3、FeO）及其比值（Fe2O3/FeO、Fe2O3/Fe2O3+FeO）不同；陸上地表氧化環(huán)境使得低價(jià)態(tài)鐵（Fe2+）易氧化為高價(jià)態(tài)鐵（Fe3+），表現(xiàn)為Fe2O3較為富集的特征；水下還原環(huán)境使得低價(jià)態(tài)鐵（Fe2+）難以被氧化，表現(xiàn)為FeO含量較高的特征[24-27]。誠然，影響火山巖Fe2O3、FeO 含量的不只是火山噴發(fā)沉積古地理環(huán)境，還有巖漿性質(zhì)（酸度）[28-29]、風(fēng)化淋濾作用[14-16]、成巖溶蝕蝕變作用[30-31]、構(gòu)造背景[32-33]等因素。因此，運(yùn)用火山巖氧化系數(shù)來判別火山噴發(fā)沉積古環(huán)境時(shí)，需要對這些干擾因素進(jìn)行合理校正或規(guī)避，這不僅是火山巖巖石化學(xué)特征方面研究的熱點(diǎn)，更是難點(diǎn)。

研究使用Fe2O3/FeO和Fe2O3/（Fe2O3+FeO）作為火山巖氧化系數(shù)，在充分考慮前述幾項(xiàng)關(guān)鍵影響因素下，改進(jìn)了傳統(tǒng)意義上基于火山巖氧化系數(shù)的噴發(fā)環(huán)境判別圖，并對判識結(jié)果的準(zhǔn)確性做了檢驗(yàn)與評估分析。以新疆東疆地區(qū)三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖為應(yīng)用實(shí)例，應(yīng)用改進(jìn)的圖版對上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）和哈爾加烏組（C2h）火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境進(jìn)行了判別，并與前人基于該區(qū)火山巖共生巖石與化石組合、風(fēng)化殼等有效判別依據(jù)得到的結(jié)果對比檢驗(yàn)。研究豐富了含油氣盆地火山巖儲層評價(jià)地質(zhì)理論，改進(jìn)的方法和形成的圖版，為火山巖噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的判定提供了一種更為科學(xué)合理的方法。

1 火山巖氧化系數(shù)的計(jì)算方法及影響因素

1.1 火山巖氧化系數(shù)常見的幾種計(jì)算方法

火山巖氧化系數(shù)常見的計(jì)算方法和表達(dá)方式眾多：Rittmann[34]在火山巖的穩(wěn)定礦物組合研究中將氧化度用OX＝Fe3+/(Fe3++Fe2++Mn)（原子數(shù)）來表示，Le Maitre[28]在幾種常見火山巖的化學(xué)變化研究中用FeO/（FeO+Fe2O3）（百分重量比值）表示氧化率，邱家驤[24]在火山巖中Fe2O3、FeO 的調(diào)整與方法研究中指出Fe2O3/FeO 比值是反應(yīng)火山巖氧化程度的常用參數(shù)，可稱為氧化系數(shù)、氧化度、氧化率等。黃劍霞[35]在廈門港灣氧化—還原沉積環(huán)境的劃分研究中，以Fe3+/Fe2+比值0.8、1.0和1.5為界，將0.8以下劃為強(qiáng)還原環(huán)境區(qū)，1.5 往上劃為強(qiáng)氧化環(huán)境區(qū)，0.8~1.0 和1.0~1.5 之間為弱還原環(huán)境、弱氧化環(huán)境區(qū)；單玄龍等[23]據(jù)此劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算分析松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖氧化比（Fe2O3/FeO）均低于0.8，推測該區(qū)火山巖成巖過程中可能受到水下強(qiáng)還原環(huán)境的影響。李明連等[26]在巖漿的氧逸度與巖石的氧化系數(shù)研究中，指出巖石的氧化系數(shù)（K）是一個(gè)可用以反映巖石形成時(shí)氧化還原環(huán)境條件的參數(shù)，有2種計(jì)算方式：1）K＝Fe3+/（Fe3++Fe2+）；2）K＝Fe2O3/（Fe2O3+FeO）；何衍鑫等[36]據(jù)此表達(dá)式計(jì)算分析了準(zhǔn)噶爾盆地西北緣下二疊統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境。

盡管火山巖氧化系數(shù)計(jì)算表達(dá)式多樣，但都遵循化學(xué)平衡原理（與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)）。單玄龍等[23]運(yùn)用黃劍霞[35]提出的傳統(tǒng)判識方法，認(rèn)為火山巖Fe2O3/FeO比值在0.8以上為陸上沉積，其下為水下沉積；何衍鑫等[36]運(yùn)用李明連等[26]提出的K=Fe2O3/（Fe2O3+FeO）參數(shù)，計(jì)算得出陸上、水下兩種不同沉積環(huán)境下基性到酸性火山巖的氧化系數(shù)最值；前者劃分沒有考慮巖漿性質(zhì)（酸度）、風(fēng)化淋濾作用、埋藏溶蝕蝕變作用、構(gòu)造背景等影響因素，后者雖然考慮了部分影響因素，但圖版建立時(shí)獲取的數(shù)據(jù)較少，且對圖版判識結(jié)果的準(zhǔn)確性未做檢驗(yàn)與評估分析，是否具有普遍適用意義有待商榷。為提高判別結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，研究使用Fe 的不同價(jià)態(tài)氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比來計(jì)算火山巖氧化系數(shù)；采用黃劍霞[35]、李明連等[26]的定義和計(jì)算方式，沿用Rittmann[34]提出的代號，記作為OX，即OX1＝Fe2O3/FeO，OX2＝Fe2O3/（Fe2O3+FeO）。

1.2 火山巖氧化系數(shù)的影響因素及校正思路

1.2.1 影響火山巖氧化系數(shù)的因素

火山噴發(fā)沉積環(huán)境介質(zhì)（空氣和水），巖漿性質(zhì)（酸度），風(fēng)化淋濾作用，埋藏溶蝕蝕變作用，構(gòu)造環(huán)境等均可能對火山巖氧化系數(shù)造成影響。

噴發(fā)沉積環(huán)境介質(zhì)（空氣和水）：海水（湖水）中含氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陸上空氣介質(zhì)，因此，水下沉積保存的火山巖，通常以FeO>Fe2O3為特征；且水體越深，還原性越強(qiáng)，巖石氧化系數(shù)[Fe2O3/FeO、Fe2O3/（Fe2O3+FeO）]值越低；Dyaret al.[25]利用淬火方法對Fe3+/Fe2+比值的影響研究重融噴發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果即是證實(shí)。

巖漿性質(zhì)（酸度）：Le Maitre[28]在對幾種常見火山巖地球化學(xué)特征差異分析研究中指出，巖漿酸度與堿度不同，巖石中Fe2O3、FeO的含量及其比值有著明顯差異（表1）；具體表現(xiàn)為隨巖石酸度的增大Fe2O3的含量增高，巖石氧化系數(shù)[Fe2O3/FeO 或Fe2O3/（Fe2O3+FeO）]也隨之增大（表1）。

表1 幾種常見火山巖氧化系數(shù)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果（%）（據(jù)Le Maitre[28]）Table 1 Oxidation index changes for several common volcanic rocks（%）(after Le Maitre[28])

埋藏溶蝕蝕變作用：與油氣相關(guān)的火山巖基本都遭受了較深的埋藏，一般情況下埋深愈小，噴發(fā)愈強(qiáng)者，F(xiàn)e2O3越高，F(xiàn)eO 越低少，巖石氧化系數(shù)Fe2O3/FeO、Fe2O3/（Fe2O3+FeO）值愈大[24]；巖石在埋藏成巖演化過程中遭受強(qiáng)烈的溶蝕蝕變作用后，一般也造成Fe3+的富集，F(xiàn)e2+減少，F(xiàn)e3+/Fe2+比值增大。

構(gòu)造環(huán)境：巖漿活動總是與區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的變動密切相關(guān)，板內(nèi)環(huán)境和島弧環(huán)境形成的火山巖地球化學(xué)特征是不同的[32]；一般在相同堿度條件下，島弧造山帶比板塊內(nèi)部Fe2O3含量高，而FeO含量低。

表生風(fēng)化淋濾作用：對于陸相地表火山噴發(fā)來說，在噴發(fā)間歇期或之后，火山巖暴露于表生環(huán)境，受到大氣、淡水及火山噴發(fā)間歇期飽和CO2氣雨水的風(fēng)化淋濾，形成多套風(fēng)化淋濾作用面。在風(fēng)化淋濾作用過程中，火山巖中易遷移元素和可遷移元素都會被淋失，只有惰性元素（如Fe、Al等元素）與不遷移元素表現(xiàn)出累積的現(xiàn)象[37-40]；長期風(fēng)化淋濾必然使得火山巖原生礦物中大部分鐵元素被釋放出來，F(xiàn)e2+（低價(jià)態(tài)）被氧化為Fe3+（高價(jià)態(tài)），F(xiàn)e3+很快水解氧化成氫氧化物Fe（OH）3，脫水后形成Fe2O3，并因其自身的化學(xué)惰性殘留下來[37,41-42]；因此，表生風(fēng)化淋濾作用的結(jié)果必然造成火山巖中惰性Fe3+離子的富集，F(xiàn)e2+減少，F(xiàn)e3+/Fe2+比值增大。

1.2.2 影響因素校正或規(guī)避思路

埋藏作用對氧化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在埋藏深度上，若火山巖遭受過深埋藏，巖石普遍遭受明顯的綠泥石化和碳酸鹽化等后期蝕變作用，巖礦發(fā)生變化，可能引起巖石Fe2O3與FeO含量的改變。因此，受埋藏成巖作用影響較大的樣品氧化系數(shù)對噴發(fā)環(huán)境的指示意義不大；在薄片資料充分的情況下，可選取蝕變相對較弱的樣品做化學(xué)分析；另外，可根據(jù)燒失量值（LOI）來分析，一般認(rèn)為高燒失量是由于熔巖受到強(qiáng)烈的蝕變作用所導(dǎo)致。

次生變化對氧化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在溶蝕、風(fēng)化和充填膠結(jié)等作用上，遭受強(qiáng)烈溶蝕及充填膠結(jié)嚴(yán)重的火山巖，其氧化系數(shù)對噴發(fā)沉積環(huán)境的記錄已不太確切。采樣分析時(shí)要選擇較為新鮮的樣品，通過薄片鑒定篩選剔除溶蝕蝕變、充填礦化較強(qiáng)的樣品；同時(shí)，考慮到有杏仁體發(fā)育的火山巖其杏仁體充填或半充填物的影響，在采樣時(shí)需敲擊觀察新鮮面氣孔—杏仁體是否發(fā)育。

表生風(fēng)化淋濾作用對氧化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在噴發(fā)間歇期或之后暴露于地表的火山巖，對于高強(qiáng)度、長時(shí)間遭受表生風(fēng)化淋濾作用改造的火山巖，其氧化系數(shù)對噴發(fā)沉積環(huán)境的指示意義不大，不再是反映古地理環(huán)境演化的良好信息載體。有2 種簡要方法可以合理規(guī)避：其一是分析化驗(yàn)的巖石要選用新鮮巖石，新鮮巖石的巖石化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[43]是ω（H2O）<2%，ω（CO2）<0.5%，風(fēng)化破碎者不予取樣；其二是地球化學(xué)參數(shù)分析法，常用的判斷表生風(fēng)化淋濾作用強(qiáng)弱的地球化學(xué)參數(shù)有淋溶系數(shù)、風(fēng)化勢能指數(shù)和化學(xué)蝕變指數(shù)等[38-40,44]，王盛鵬等[19]在相關(guān)研究中對風(fēng)化淋濾強(qiáng)度大小定量分析時(shí)應(yīng)用了化學(xué)蝕變指數(shù)CIA（CIA=(Al2O3/（Al2O3+Na2O+K2O+CaO））×100%），CIA 指數(shù)大于0.5，表示火山巖遭受過明顯的表生風(fēng)化淋濾作用，大于0.6 時(shí)，表示火山巖巖石受風(fēng)化淋濾作用十分強(qiáng)烈。此外，侯連華等[14]在三塘湖盆地石炭系卡拉崗組（C2k）火山巖風(fēng)化體儲層控制因素研究中得出，風(fēng)化淋濾作用改造后的火山巖孔吼直徑明顯大于未遭風(fēng)化淋濾火山巖的孔吼直徑，未經(jīng)風(fēng)化淋濾火山巖孔吼直徑只存在單峰特征，而風(fēng)化淋濾后的火山巖孔吼直徑具有雙峰分布特征。

構(gòu)造背景對火山巖演化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在板內(nèi)環(huán)境和島弧環(huán)境形成火山巖地球地球化學(xué)特征的差異上，中基性火山巖的構(gòu)造環(huán)境可用Ti-Zr-Y 圖解、TiO2-MnO-P2O5圖解MgO-FeO-Al2O3圖解和里特曼—戈蒂里圖解等來判定[43,45]，中酸性火山巖構(gòu)造環(huán)境的判別可用化學(xué)性質(zhì)相近的花崗巖R1￣R2圖解來判定[32]（陽離子數(shù)：R1=[4Si-11（Na+K）-2（Fe+Ti）]，R2=Al+2Mg+6Ca），也可用巖石微量元素豐度、稀土元素配分形式并結(jié)合構(gòu)造演化分析來判斷。由于不同盆地相關(guān)資料收集及數(shù)據(jù)獲取難度大，研究中該影響因素未作考慮。

巖漿性質(zhì)表現(xiàn)在巖石地球化學(xué)特征上，即為酸度（SiO2含量）的連續(xù)變化。因此，巖漿性質(zhì)對氧化系數(shù)的影響可通過酸度進(jìn)行校正，以國際地科聯(lián)（IUGS）火成巖分類學(xué)分委會1986年推薦的火山巖化學(xué)成分分類方案中SiO2含量<45%、45%~52%、52%~63%、>63%為域值，將圖版橫坐標(biāo)定義為巖石酸度，縱坐標(biāo)定義為巖石氧化系數(shù)，建立經(jīng)巖漿酸度校正后的氧化系數(shù)分布特征的火山噴發(fā)環(huán)境判別圖。

2 基于火山巖氧化系數(shù)的噴發(fā)環(huán)境判別圖版的建立

2.1 國內(nèi)外文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)獲取

研究參閱國內(nèi)外不同盆地文獻(xiàn)資料[28,36,46-55]，從中獲取充分的樣品數(shù)據(jù)，用于判別圖版的建立和檢驗(yàn)與評估。數(shù)據(jù)獲取時(shí)遵循以下五項(xiàng)原則：1）目的性—根據(jù)研究的目的獲取數(shù)據(jù)，力求多盆地少而精準(zhǔn)；2）代表性—獲取的數(shù)據(jù)資料應(yīng)涵蓋不同巖漿性質(zhì)的火山巖，即從基性到酸性的熔巖以及火山碎屑巖（凝灰?guī)r和火山角礫巖）；3）真實(shí)性—獲取的數(shù)據(jù)要能反映巖石的實(shí)際成分；4）數(shù)據(jù)規(guī)范性—樣品主量地球化學(xué)成分測試結(jié)果至少包括SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、LOI 等地球化學(xué)數(shù)據(jù)；5）確定性—必須有其他有效判別依據(jù)，如淬碎構(gòu)造、紅頂現(xiàn)象、風(fēng)化殼、生物化石、冰川火山等能明確證實(shí)樣品是水下沉積成因還是陸上沉積成因。

基于上述原則，調(diào)研共獲取了世界范圍不同盆地124 件樣品數(shù)據(jù)（表2），巖石類型包括基性玄武巖、中性安山巖、酸性流紋巖、英安巖、珍珠巖，以及角礫巖、凝灰?guī)r；已知水下沉積成因火山巖樣品68件，陸上沉積成因火山巖樣品56件（表2）。

表2 研究調(diào)研國內(nèi)外不同盆地124件火山巖樣品數(shù)據(jù)資料Table 2 Data for 124 volcanic rock samples from different basins in China and globally

2.2 所獲數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方法及流程

綜合文獻(xiàn)篩選的不同盆地124 件火山巖樣品主量元素分析由不同測試單位和測試中心完成，其Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、SiO2、TiO2等11項(xiàng)氧化物多采用壓片法-X射線熒光光譜法（XRF）測定，檢出限為0.05%~0.10%；TFe2O3采用熔片法-X 射線熒光光譜（XRF）法、等離子全譜分析測定，檢出限為0.10%；FeO 含量采用重鉻酸鉀容量法測定，檢出限一般0.10%；CO2采用電位法分析測試，檢出限為0.1%；H2O+、H2O-采用重量法（GR）分析測試，檢出限為0.1%；燒失量（LOI）又稱灼燒減量，采用重量法（GR）測得。

2.3 判別圖版的建立

基于文獻(xiàn)獲取的124 件樣品Fe2O3、FeO、SiO2含量數(shù)據(jù)，建立及改進(jìn)傳統(tǒng)意義上基于氧化系數(shù)分布特征的火山噴發(fā)環(huán)境判識圖，具體步驟如下。

（1）坐標(biāo)建立：以巖石酸度即SiO2重量（%）為橫坐標(biāo)，巖石氧化系數(shù)（Fe2O3/FeO、Fe2O3/Fe2O3+FeO）為縱坐標(biāo)，建立巖石酸度—氧化系數(shù)二維坐標(biāo)系統(tǒng)。

（2）氧化—還原界線的厘定：將124件樣品數(shù)據(jù)在巖石酸度—氧化系數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)中投點(diǎn)，以68 件已知水下沉積成因火山巖樣品的氧化系數(shù)值和56件已知陸上沉積成因火山巖樣品的氧化系數(shù)值為控制點(diǎn)，界定出陸上強(qiáng)氧化環(huán)境和水下強(qiáng)還原環(huán)境界線；縱向上取兩界線之間樣品氧化系數(shù)值加權(quán)平均，厘定出弱還原環(huán)境與弱氧化環(huán)境界線。

（3）氧化—還原沉積環(huán)境的分區(qū)：根據(jù)124件樣品控制點(diǎn)確定的強(qiáng)氧化、弱氧化、弱還原和強(qiáng)還原界線的趨勢形態(tài)，縱向上表征出強(qiáng)氧化環(huán)境區(qū)、弱氧化環(huán)境區(qū)、弱還原環(huán)境區(qū)、強(qiáng)還原環(huán)境區(qū)；橫向上依據(jù)124 件樣品SiO2含量的分布范圍，以SiO2含量<45%、45%~52%、52%~63%、>63%為域值，表征出超基性、基性、中性、酸性4類不同巖漿性質(zhì)火山巖，完成圖版縱向上沉積環(huán)境的分區(qū)和橫向上巖石酸度的校正（圖1a，b）。

（4）與前人劃分標(biāo)準(zhǔn)的對比：黃劍霞[35]提出的Fe3+/Fe2+之比1.5、1.0、0.8 的劃分標(biāo)準(zhǔn)界限（圖1a），由于未考慮關(guān)鍵影響因素，不能對不同巖漿性質(zhì)（酸度）火山巖的噴發(fā)沉積環(huán)境進(jìn)行科學(xué)的判識；何衍鑫等[36]在考慮了巖漿性質(zhì)的影響因素下，應(yīng)用Fe2O3/（Fe2O3+FeO）值建立了劃分標(biāo)準(zhǔn)，得出陸上噴發(fā)的超基性巖氧化系數(shù)最小為0.35，基性巖最小為0.43，中性巖最小為0.47，酸性巖最小為0.53；水下噴發(fā)的超基性巖氧化系數(shù)最0.43，基性巖最0.47，中性巖最大0.53，酸性巖最大0.54（圖1b）；但該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用數(shù)據(jù)資料老舊，且未做準(zhǔn)確性檢驗(yàn)與評估分析，是否具有普遍適用性有待商榷。

2.4 判別圖的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)與評估

調(diào)研獲取四川雷波峨眉山[56]已知海相玄武巖樣品11 組，遼河油田坨32 井區(qū)[57]已知陸上噴發(fā)沉積環(huán)境的玄武安山巖、安山巖、粗安巖、英安巖、流紋巖樣品9組（表3），對改進(jìn)的基于氧化系數(shù)判識圖判別結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)評估。結(jié)果表明，四川雷波峨眉山11 件海相玄武巖樣品90.91%落在強(qiáng)還原環(huán)境區(qū)（水下沉積環(huán)境）（圖1a，b），與劉建清等[56]研究的結(jié)果一致；遼河油田坨32 井區(qū)9 件樣品88.89%落在強(qiáng)氧化和弱氧化環(huán)境區(qū)域（陸上沉積環(huán)境及水、陸過渡復(fù)雜環(huán)境）（圖1a，b），與趙海玲等[57]研究的結(jié)果相符合。

圖1 基于火山巖氧化系數(shù)OX1（上）和OX2（下）的火山噴發(fā)沉積環(huán)境判別及檢驗(yàn)評估圖版Fig.1 Discrimination and evaluation chart of volcanic eruption sedimentary environment based on oxidation index of volcanic rocks

需要說明的是，本次圖版建立參閱不同盆地文獻(xiàn)資料獲取124塊樣品數(shù)據(jù)時(shí)，未能充分克服風(fēng)化淋濾作用對所獲樣品氧化系數(shù)的影響，這給判斷火山巖的噴發(fā)環(huán)境帶來一定誤差；但通過對圖版判別標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)與評估得出，改進(jìn)的圖版仍具有較好的普遍適用性。

3 應(yīng)用實(shí)例

縱觀現(xiàn)有資料，對新疆三塘湖盆地石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境的研究主要集中在火山巖巖石組合特征、構(gòu)造結(jié)構(gòu)與粒度、儲集空間類型等方面[14,16,19-20,43,58-64]，僅個(gè)別學(xué)者利用古生物標(biāo)志、自身礦物分布特征等來判定火山巖層系的沉積古地理環(huán)境[43,59-60]，而基于火山巖地球化學(xué)特征，利用火山巖氧化系數(shù)來探討噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的研究尚未見報(bào)道。以此為實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，應(yīng)用改進(jìn)的圖版標(biāo)準(zhǔn)對上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）和哈爾加烏組（C2h）火山巖沉積古地理環(huán)境進(jìn)行判別。研究豐富三塘湖盆地火山巖儲層評價(jià)地質(zhì)理論，為該區(qū)火山巖儲層評價(jià)提供新思路和新方法，以期能為該區(qū)火山巖油氣勘探新區(qū)或具有相似地質(zhì)背景的地區(qū)提供技術(shù)參考和啟示。

3.1 三塘湖盆地馬朗凹陷地質(zhì)概況

三塘湖盆地屬晚泥盆—早石炭世褶皺基底上發(fā)育的多旋回復(fù)雜疊加型殘留盆地，經(jīng)過海西、印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動的復(fù)合作用，呈現(xiàn)今南北分帶、東西分塊的構(gòu)造格局。盆地中部的馬朗凹陷（圖2a）為一個(gè)向北東隆升的前陸凹陷，上石炭統(tǒng)火山巖大面積分布（圖2b），已發(fā)現(xiàn)的牛東油田和牛圈湖含油氣構(gòu)造，具上億噸儲量規(guī)模。前人[43,61-64]通過對新疆石炭系火山巖年代學(xué)、巖石化學(xué)成分、主微量元素分布特征和稀土元素配分形式等研究，并結(jié)合區(qū)域大地構(gòu)造背景和火山活動事件分析，認(rèn)為三塘湖盆地受西伯利亞板塊和塔里木板塊擠壓應(yīng)力的作用，在晚石炭世—早二疊世洋殼閉合，受洋殼俯沖消減作用的影響，位于克拉美麗北側(cè)的三塘湖地區(qū)以大陸邊緣的島弧火山活動最為發(fā)育，但火山成分仍具有部分洋殼熔融的洋島堿性玄武巖的特點(diǎn)；綜合運(yùn)用多種方法分析得出[43,61-62]石炭系火山巖總體形成于大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）火山巖形成于火山島弧建造環(huán)境，哈爾加烏組（C2h）火山巖以板內(nèi)環(huán)境為主。

鉆井揭露馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶地層自下而上依次為上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組（C2b）、哈爾加烏組（C2h）和卡拉崗組（C2k）、上二疊統(tǒng)蘆草溝組（P2l）和條湖組（P2t）、中上三疊統(tǒng)小泉溝群（T2-3xq）、西山窯組（J2x）、中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）、上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q）、下白堊統(tǒng)（K1）和第三系（R），各層組間大都以不整合接觸（圖2b）。上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）至卡拉崗組（C2k）發(fā)育了一套海相、海陸交互相及陸相的熔巖、火山碎屑巖與沉火山碎屑巖沉積，巖性極為復(fù)雜，非均質(zhì)性極強(qiáng)；在各噴發(fā)間歇期沉積有薄層沉積巖（泥巖、碳質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等）。

圖2 三塘湖盆地馬朗凹陷構(gòu)造位置及牛圈湖—牛東構(gòu)造帶井位分布與地層綜合柱狀圖（a）馬朗凹陷牛圈湖牛東構(gòu)造帶位置及井位分布；（b）地層綜合柱狀圖Fig.2 Structural location of Malang Sag, Santanghu Basin and well location inthe Niuquanhu￣Niudong structural belt,and comprehensive stratigraphic column

3.2 上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)分布特征

研究系統(tǒng)采集馬朗凹陷牛圈湖—牛東構(gòu)造帶上12 口井40 塊火山巖樣品，巖石主量元素測定分析由新疆有色地質(zhì)勘查局測試中心完成，采用壓片法-X 射線熒光光譜法（XRF）測定了Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、SiO2、TiO2等11 項(xiàng)氧化物及燒失量（LOI），采用重鉻酸鉀容量法測定了FeO含量；相對標(biāo)準(zhǔn)樣品的偏差，高含量氧化物低于2%，低含量氧化物低于10%。主量元素氧化物、燒失量（LOI）及氧系數(shù)（OX1、OX2）分析結(jié)果如表4、5所示。

表4 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）火山巖主量元素分析結(jié)果（%）及氧化系數(shù)Table 4 Major elements (%) and oxidation coefficient of volcanic rocks from Kalagang Formation (C2k)in Malang Sag, Santanghu Basin

表5 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）火山巖主量元素分析結(jié)果（%）及氧化系數(shù)Table 5 Major elements (%) and oxidation coefficient of volcanic rocks of Upper Carboniferous Haerjiawu Formation (C2h) in Malang Sag, Santanghu Basin

數(shù)理統(tǒng)計(jì)表明，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）20塊火山巖樣品OX1（Fe2O3/FeO）介于1.12~3.71，85%集中在1.0~2.5 之間，OX2（Fe2O3/（Fe2O3+FeO））介于0.54~0.79，65%集中在0.60~0.70之間（圖3a）；初步推斷該組火山巖噴發(fā)沉積期的古地理環(huán)境復(fù)雜，陸上地表強(qiáng)氧化環(huán)境與頻繁水、陸過渡復(fù)雜環(huán)境都存在；上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）20 塊火山巖樣品OX1（Fe2O3/FeO）介于0.26~0.94，70%分布在0.20~0.40 之間，OX2（Fe2O3/（Fe2O3+FeO））介于0.21~0.48，75%分布在0.25~0.30 之間（圖3b）；初步推測該組火山巖噴發(fā)沉積期的古地理環(huán)境相對單一，以水下噴發(fā)水下還原環(huán)境為主。

圖3 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)分布直方圖（a）上石炭統(tǒng)卡拉崗組火山巖氧化系數(shù)分布直方圖；（b）上石炭統(tǒng)哈爾加烏組火山巖氧化系數(shù)分布直方圖Fig.3 Oxidationindices of Upper Carboniferous volcanic rocks in Malang Sag, Santanghu Basin

從垂向分布來看，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）部分單井火山巖氧化系數(shù)隨埋深變化跳躍性較大，而上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）部分單井火山巖氧化系數(shù)隨埋深變化甚微，分布較為集中。以馬19 井卡拉崗組（C2k）和馬361 井哈爾加烏組（C2h）巖心段為例（圖4a，b），馬19 井卡拉崗組（C2k）非連續(xù)取心段揭露的巖性有灰褐色玄武巖和安山巖、灰綠色和紫色玄武巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖和灰色泥質(zhì)粉砂巖，巖石中Fe2O3含量高，氧化系數(shù)受埋深影響較大（圖4a）；紫色玄武巖及高的氧化系數(shù)揭示了陸上強(qiáng)氧化沉積環(huán)境的特征。馬361 井哈爾加烏組（C2h）連續(xù)取心段巖心揭露的巖性有深灰色凝灰?guī)r和灰黑色碳質(zhì)泥巖，巖石FeO 含量高，氧化系數(shù)均低于0.5（圖4b），受埋深影響較小，揭示了水下還原環(huán)境沉積的特征。

圖4 三塘湖盆地馬朗凹陷單井上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)垂向分布特征（a）馬19井上石炭統(tǒng)卡拉崗組巖心樣品氧化系數(shù)垂向分布特征；（b）馬361井上石炭統(tǒng)哈爾加烏組巖心樣品氧化系數(shù)垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of oxidation index of Upper Carboniferous volcanic rocks at a well in Malang Sag,Santanghu Basin

3.3 上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的判別與檢驗(yàn)

將40 件分析樣品數(shù)據(jù)在改進(jìn)的判別圖中投點(diǎn)，結(jié)果顯示卡拉崗組（C2k）20 塊樣品60%落在強(qiáng)氧化環(huán)境區(qū)，25%落在弱氧化環(huán)境區(qū)，僅15%落在弱還原環(huán)境區(qū)（圖5a，b）；揭示該組火山巖主要沉積成因于陸上氧化環(huán)境介質(zhì)中，頻繁水、陸交互復(fù)雜環(huán)境也存在。哈爾加烏（C2h）20 塊樣品95%落在強(qiáng)還原環(huán)境區(qū)，5%落在弱還原環(huán)境區(qū)（圖5a，b）；指示該組火山巖主要沉積成因于水下還原環(huán)境介質(zhì)中，局部具有一定水體深度。

圖5 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境判別圖Fig.5 Discrimination map of eruption sedimentary environment of Upper Carboniferous volcanic rocks in Malang Sag,Santanghu Basin

卡拉崗組（C2k）火山巖Fe2O3和FeO 的這種變化關(guān)系與梁浩等[43]基于該組火山巖巖心觀察裂縫周圍見紅色氧化邊，以及王盛鵬等[19]應(yīng)用化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO)×100%)定量分析判別的噴發(fā)沉積環(huán)境結(jié)果相符合。哈爾加烏組（C2h）火山巖Fe2O3和FeO 的這種變化關(guān)系與王嵐等[58]鏡下觀察凝灰?guī)r成分中玻屑的含量較高，巖屑、晶屑以及玻屑組成的凝灰?guī)r、碳質(zhì)凝灰?guī)r發(fā)育明顯的層理構(gòu)造特征，可見到玻屑條帶與暗色泥巖交替互層的現(xiàn)象等標(biāo)志判別的結(jié)果相一致。

此外，王盛鵬等[19]通過對上石炭統(tǒng)火山巖夾持的部分泥巖微量元素對比分析顯示，馬24井（井位位置見圖2）卡拉崗組（C2k）灰色砂礫巖及棕色細(xì)砂巖ω(Sr)/ω(Ba)值小于0.5，顯示出陸相氧化環(huán)境特征，馬38 井（井位位置見圖2）哈爾加烏組（C2h）泥巖ω(Sr)/ω(Ba)值大于1，顯示出海相水體環(huán)境特征（圖6）。朱卡等[59]在三塘湖盆地石炭系火山巖噴發(fā)環(huán)境及儲層特征研究中指出，反映卡拉崗組（C2k）陸上噴發(fā)環(huán)境的典型標(biāo)志有共生巖石即化石、不整合及風(fēng)化殼、柱狀節(jié)理，如馬19 井（井位位置見圖2）在卡拉崗組（C2k）揭露風(fēng)化殼，安山巖見示底構(gòu)造（圖6）；反映哈爾加烏組（C2h）水下噴發(fā)沉積環(huán)境的典型標(biāo)志有共生巖石即化石、充填及膠結(jié)物，如馬36 井（井位位置見圖2）在哈爾加烏組（C2h）見亮晶方解石膠結(jié)的沉火山（角）礫巖（圖6）。

圖6 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)環(huán)境其他有效判別依據(jù)圖版Fig.6 Identification of a selection from the volcanic eruption environment of the Upper Carboniferous in Malang Sag, Santanghu Basin

4 結(jié)論

（1）研究使用Fe的不同價(jià)態(tài)氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比Fe2O3/FeO，F(xiàn)e2O3/(Fe2O3+FeO)作為火山巖氧化系數(shù)，并充分考慮巖漿性質(zhì)（酸度）、風(fēng)化淋濾作用、成巖溶蝕蝕變作用、構(gòu)造背景等影響因素，改進(jìn)了傳統(tǒng)意義上基于火山巖氧化系數(shù)的噴發(fā)環(huán)境判別圖；該地球化學(xué)方法具有普適性，改進(jìn)的判識圖，可應(yīng)用于不同盆地、不同地質(zhì)年代火山巖的噴發(fā)沉積古環(huán)境的判別研究中。

（2）對新疆三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境判別實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）火山巖主要噴發(fā)沉積和保存于陸上地表強(qiáng)氧化環(huán)境，頻繁水、陸交替的弱氧化—弱還原復(fù)雜環(huán)境也存在，上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）火山巖主要噴發(fā)沉積和保存于水下還原環(huán)境。

（3）實(shí)際應(yīng)用結(jié)果與前人基于本區(qū)上石炭統(tǒng)火山巖共生巖石與化石組合、不整合及風(fēng)化殼以及火山巖夾持的部分泥巖微量元素比值特征等有效判別依據(jù)得到的噴發(fā)環(huán)境結(jié)果相符合，表明改進(jìn)的判別圖識別標(biāo)準(zhǔn)具有較好的適用性。