盆地火山巖相研究進展

單玄龍，鄒玉潔，衣健，等.盆地火山巖相研究進展：基性火山熔巖及水下噴發火山巖相新成果.吉林大學學報（地球科學版），2024，54（3）：721734.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230319.

Shan Xuanlong， Zou Yujie， Yi Jian，et al. Progress of Basin Volcanic Facies：New Results of Intermediate-Mafic Volcanic Lava and Volcanic Facies of Subaqueous Eruption. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2024，54（3）：721734.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230319.

摘要：火山巖相是火山物質噴發類型、搬運方式和就位環境與狀態的總和，劃分火山巖相是刻畫盆地火山巖分布，尋找火山巖有利儲層的基礎，對盆地火山巖油氣勘探具有重要作用。前人以火山巖的“巖性組構成因”為分類依據，建立了盆地火山巖“5相15亞相”分類方案，極大推動了我國盆地深層火山巖勘探進程。目前，我國大規模的盆地火山巖油氣勘探已經走過了20余年的歷程，隨著勘探的深入對該巖相分類方案進行了不斷地完善和豐富：針對基性火山熔巖，建立了基性溢流相，以及板狀熔巖流、辮狀熔巖流和玻質碎屑巖3種亞相及相模式；針對湖盆水下噴發，建立了水下爆發相，以及氣攜水下熱碎屑流、水攜火山高密度流和水下降落3種亞相及相模式，形成了“7相21亞相”的新的分類方案。基性溢流相中，辮狀熔巖流亞相儲層發育條件最好，玻質碎屑巖亞相次之，板狀熔巖流亞相稍差；水下爆發相中，氣攜水下熱碎屑流亞相控制有效儲層的空間分布?；砸缌飨嗟慕ⅲ朔嘶匀蹘r因單層厚度薄，鉆井和地震亞相刻畫困難等問題；水下爆發相的建立，實現了沉積盆地從陸上到水下不同噴發環境火山巖相的準確刻畫。兩種巖相的建立為進一步探索基性火山熔巖發育區和水下噴發火山碎屑巖發育區儲層發育規律，尋找有利儲層提供了基礎。

關鍵詞：火山巖相；基性溢流相；水下爆發相；火山巖儲層；盆地

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230319

中圖分類號：P618.13

文獻標志碼：A

收稿日期：20231118

作者簡介：單玄龍（1969—），男，教授，博士生導師，主要從事盆地火山巖、變質巖油氣藏和火山地質等方面的研究，E-mail：shanxl@jlu.edu.cn

通信作者：衣?。?984—），男，講師，博士，主要從事盆地火山巖、變質巖油氣藏和火山地質等方面的研究，E-mail：yijian@jlu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（41972313，41790453）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （41972313，41790453）

Progress of Basin Volcanic Facies：New Results of Intermediate-Mafic Volcanic Lava and Volcanic Facies of Subaqueous Eruption

Shan Xuanlong， Zou Yujie， Yi Jian， Hao Guoli，Li Ang， Shi Yunqian， Lu Junjie， Li Jiahui

College of Earth Sciences， Jilin University， Changchun 130061， China

Abstract：

Volcanic facies is the sum of volcanic material eruption type， transport mode， emplacement environment and state. The classification of volcanic facies is the basis for characterizing the distribution of volcanic rocks in a basin and searching for favorable volcanic reservoirs， which plays an important role in the exploration of volcanic oil and gas in a basin. Based on the “lithology， petrofabric and petrogenesis” of volcanic rocks， a classification scheme of “5 facies and 15 subfacies” of volcanic rocks in the basin was established， which greatly

promoted the exploration process of deep volcanic rocks in China basins. At present， the large-scale volcanic oil and gas exploration in basins in China has gone through a course of more than 20 years， and with the in-depth exploration， the lithofacies classification scheme has been improved and enriched： For the intermediate-mafic volcanic lava， the intermediate-mafic effusive lava flow facies has been established， and three sub-facies have been divided into braided lava flow unit， tabular lava flow unit and the lava dome. Aiming at subaqueous volcanic eruption in lacustrine basin， three subfacies and facies models of subaqueous volcanic eruption phase， gas-supported hot pyroclastic flow subfacies， water-laid density current subfacies and subaqueous fallout subfacies are established. A new classification scheme of “7 facies and 21 subfacies” was formed. In the intermediate-mafic volcanic lava facies， the braided lava flow subfacies has the best development conditions， followed by the hyaloclastic rock subfacies and the tabular lava flow subfacies. Gas-supported hot pyroclastic flow subfacies control the spatial distribution of effective reservoirs in the subaqueous volcanic eruption facies. The establishment of the intermediate-mafic effusive lava flow facies overcomes the difficulty in characterizing the subfacies of the basic lava due to the thin monolayer thickness and the difficulty in drilling and seismic characterization. The establishment of subaqueous volcanic explosive facies has realized the accurate characterization of volcanic facies in different eruptive environments of sedimentary basins from land to subaqua. The establishment of the two lithofacies provides a basis for further exploration of the reservoir development law in the intermediate-mafic effusive development area and the subaqueous volcanic eruption pyroclastic rock development area and searching for favorable reservoirs.

Key words：

volcanic facies; intermediate-basic effusive facies; subaqueous explosive facies; volcanic reservoir; basin

0" 引言

火山巖相（volcanic facies）是指火山物質的噴發類型、搬運方式和就位環境與狀態，即其形成方式的總和［1］?；鹕綆r相包含了火山噴發物的噴發搬運就位過程以及火山巖的物質構成和結構構造等多重信息，其控制了火山巖儲層的發育，是刻畫盆地火山巖空間分布特征、研究盆地火山噴發機制、重塑盆地火山活動過程、尋找火山巖有利儲層的基礎，對盆地火山巖油氣勘探具有重要作用［2］。

火山巖相的劃分一直沒有統一的分類方案。國外學者在現代火山研究中，建立了多種不同的火山巖相分類方案，如蘇聯學者科普切弗德沃爾尼科夫［3］首次以巖體的形成條件作為火山巖相的主要區分依據，而將巖體形態僅列為次要標志，劃分出原始噴發相、次火山巖相以及火山管道相3種火山巖相；Cas等［4］將火山巖劃分為噴溢相、爆發相和侵出相3個端元，并詳細區分了不同類型侵出巖丘、熔巖流和火山碎屑流等多種類型噴發物。我國火山巖相研究從1980年以來已經取得了一系列進展，邱家驤［5］將火山巖劃分為溢流相、爆發相、侵出相、火山通道相、次火山相和噴發沉積相等多種火山巖相。陶奎元［6］針對中國東部陸相火山巖提出了噴溢相、空落相、火山碎屑流相、涌流相、火山泥流相、火山爆發崩塌相、侵出相、火山口、火山頸相、次火山巖相、隱爆發角礫巖相、火山噴發沉積相等12種火山巖相分類方案。謝家瑩等［78］在中國大陸東南部火山巖研究中，依據巖漿噴發方式、搬運方式、堆積或侵位環境、成巖過程以及噴發產物在火山機構內的位置，將巖相劃分為3大類12種，其中：噴出相類包括溢流相、爆發空落相、火山碎屑流相、爆溢相、基底涌流相、火山泥石流相和噴發沉積相；侵出相類包括火山頸相和侵出相；侵入巖相類包括深成巖相、淺火山相和隱爆角礫巖相。這些火山巖相分類方案的劃分標準不統一，導致火山巖相類型復雜，系統性不強，使用中易混淆，同時部分火山巖相與火山巖儲層關系不緊密，無法有效指導盆地火山巖油氣勘探。出于盆地火山巖油氣勘探的需要，王璞珺等［9］以巖相與儲層物性的關系為重點，提出基于巖性組構成因的火山巖相分類方案，將陸上噴發盆地火山巖相劃分為5種相和15種亞相，包括火山通道相（火山頸亞相、隱爆角礫巖亞相、次火山巖亞相）、爆發相（熱基浪亞相、熱碎屑流亞相、空落亞相）、中酸性噴溢相（上部亞相、中部亞相、下部亞相）、侵出相（外帶亞相、中帶亞相、內帶亞相）和火山沉積相（再搬運火山碎屑沉積巖亞相、凝灰巖夾煤亞相、含外碎屑火山碎屑沉積巖亞相）（圖1）。該火山巖相分類方案系統性強，易于利用鉆井、地震資料識別和劃分火山巖相，同時與火山巖儲層聯系緊密，在盆地火山巖研究中得到了廣泛的應用，極大地促進了盆地火山巖油氣藏勘探的發展。陳歡慶等［10］在研究松遼盆地徐東地區營城組一段火山巖中將火山巖相劃分補充為5相16亞相，

據文獻［9］修編。

其中爆發相增加濺落亞相，溢流相增加頂部亞相，火山沉積相則分為含外碎屑亞相、再搬運亞相兩種亞相。

隨著勘探的深入，鉆井鉆遇火山巖的類型逐漸增多，5相15亞相火山巖相分類方案也顯示出一定的局限性：①5相15亞相以松遼盆地東南隆起區九臺營城組酸性火山巖剖面為原型建立，由于酸性熔巖流單元厚度大，其噴溢相上、中、下部亞相易于劃分，在鉆井上劃分標志清晰，地震上易于識別；但是對于基性熔巖，由于噴發單元厚度本身較薄，其上、中、下部亞相的厚度更薄，在鉆井和地震上刻畫和識別相對困難。②5相15亞相及其相模式的原型火山巖剖面由陸上噴發形成。由于噴發環境不同，陸上噴發和水下噴發在火山噴發作用、噴發產物，以及噴發物的搬運和就位機制上具有較大的差異性，陸上噴發熔巖占比高，火山碎屑和沉火山碎屑巖主要分布在火山機構邊部，而水下噴發以形成火山碎屑巖和沉火山碎屑巖為主，火山機構主體由火山碎屑巖和沉火山碎屑巖構成；因此5相15亞相在對陸相湖盆廣泛發育的水下噴發火山巖進行準確描述方面存在困難。針對5相15亞相在基性火山熔巖和水下噴發火山巖刻畫方面存在的局限性，在開展大量國內外文獻調研、野外地質剖面測量和盆地鉆井、地震研究的基礎上，建立了基性溢流相和水下爆發相兩種火山巖相?；砸缌飨喟ㄞp狀熔巖流、板狀熔巖流和玻質碎屑巖3種亞相，水下爆發相包括氣攜水下熱碎屑流、水攜火山高密度流和水下降落3種亞相（圖1）。這兩種火山巖相的建立，有效克服了基性火山熔巖因單層厚度薄，鉆井和地震亞相刻畫困難等問題，實現了陸相沉積盆地從陸上到水下不同噴發環境火山巖相的準確刻畫，是對盆地火山巖5相15亞相的豐富和發展（表1）。

1" 基性溢流相

盆地火山巖相的劃分以能有效指導火山巖儲層勘探為目標［10，1213］?；匀蹘r流單元厚度薄，多數單元厚度小于20 m［11］，如果參照厚度較大的酸性熔巖流在其內部依據氣孔分布劃分上、中、下部亞相，則存在鉆井劃分困難、地震上難于識別等問題。因此，需要針對基性熔巖流的特點，尋找既能與基性

熔巖流成因和火山巖結構構造建立聯系，又能做到鉆井和地震可識別性強，能夠有效指導盆地火山巖儲層勘探的亞相劃分方案。

1.1" 基性溢流相亞相構成

野外剖面中基性熔巖的氣孔分布具有一定的規律性，部分氣孔帶呈層狀分布，部分氣孔帶呈交織狀分布，其分布特征與熔巖流單元的厚度和形態有關［11］。其中：厚度小于7 m的基性熔巖流，熔巖流

垂直流向延伸距離小，橫截面為透鏡狀（圖2），熔巖流沿其流向延伸距離較長，多股熔巖流疊加后空間上類似辮狀河道狀（圖2a，b，c），根據熔巖流單元形態將其命名為辮狀熔巖流亞相［14］；厚度大于7 m的基性熔巖流，其橫向延伸距離長（圖3），空間上熔巖流單元呈板狀形態（圖3a，b，c），同樣根據熔巖流單元形態將其命名為板狀熔巖流［14］。辮狀熔巖流亞相中，氣孔帶沿著透鏡狀單元的頂、底界面分布，多個單元疊加后即在剖面上形成交織狀分布的氣孔帶（圖2b）［15］；而在板狀熔巖流亞相中，氣孔帶分布在板狀熔巖流頂底界面附近，多個板狀熔巖流單元垂向疊加后，即形成垂向離散分布的氣孔帶（圖3b）［16］。由于辮狀熔巖流單元厚度薄，其氣孔帶厚度占整個熔巖流單元的厚度比例大，多個辮狀熔巖流單元疊加后氣孔帶總厚度相對較大（圖2d）；而板狀熔巖流單元由于厚度較厚，其氣孔帶占整個熔巖流單元厚度的比例相對較小（圖3d），多個板狀熔巖流疊加后，氣孔帶總厚度則相對較?。?1］。因此，相同厚度的辮狀熔巖流亞相與板狀熔巖流亞相相比，辮狀熔巖流的原生孔隙更為發育。另外，辮狀熔巖流和板狀熔巖流均由多個熔巖流單元構成，其厚度和規模則遠超單個熔巖流單元，易于從鉆井和地震上進行識別，其中：板狀熔巖流測井上表現為多個正反箱形曲線形態的組合，地震上為平行亞平行連續反射；而辮狀熔巖流測井上表現為中高幅度指狀曲線形態，地震上為斷續亂崗狀反射［11］。由此可見，這兩種亞相即可以與基性火山巖儲層建立聯系，又可以實現有效識別，對基性火山巖儲層的勘探具有指導意義。另外，基性熔巖流由于流動距離較遠，熔巖流易于遠距離流動進入水體，淬火后巖漿碎屑化（圖4a，b），形成玻質碎屑巖（圖4c），我們將其命名為玻質碎屑巖亞相［14］。玻質碎屑巖亞相的火山巖集塊和角礫發育（圖4d，e），玻璃質巖石易于溶蝕和脫玻化，儲層物性通常較好。玻質碎屑巖亞相測井上表現為較為平直的微齒化曲線，地震上為雜亂反射，可以通過測井的地震進行有效識別［11］。

1.2" 基性溢流相相模式

基性溢流相的3種亞相，受控于熔巖流的流量、

黏度和就位環境，在空間上的分布具有一定的規律性。辮狀熔巖流巖漿流量低，黏度稍小，流動距離近，多分布在火山噴發中心附近；板狀熔巖流巖漿的流量大，巖漿黏度較辮狀熔巖流大，巖漿的流動距離遠，從近源到遠源均可發育［11］；玻質碎屑巖亞相是由于基性熔巖流的流動距離遠，因此容易進入水體，在火山的中遠源形成的［17］。因此，基性熔巖具有從近源到遠源，依次發育辮狀熔巖流和板狀熔巖流復合體、板狀熔巖流和玻質碎屑巖的相模式（圖5）。

2" 水下爆發相

火山噴發既可發生在陸上，也可發生在水下［1820］，由于沉積環境的不同，陸上和水下噴發在噴發作用、噴發物的構成、搬運和就位方式有較大的區別［20］。陸上噴發火山巖熔巖占比高，火山機構近源相帶以熔巖和火山集塊、角礫巖為主，凝灰巖和沉凝灰巖分布在火山機構的邊部，厚度較?。?1］；水下噴發火山巖由于水與巖漿混合發生強烈的爆炸作用，熔巖比例較少，噴發物以凝灰巖和沉凝灰巖為主，火山口附近缺少集塊、角礫成分，火山機構主要由細?；鹕剿樾紭嫵桑Ｐ纬赡規r丘［22］。盆地深層火山巖油氣藏勘探過程中發現，在松遼盆地、渤海灣盆地和準噶爾盆地等沉積盆地中，均有一定數量的鉆井揭示了大套厚層凝灰巖和沉凝灰巖［2324］。地球化學分析表明，這些凝灰巖和沉凝灰巖形成于較深水體水下噴發的還原環境中［2526］。另外，通過地震火山機構解釋發現，這些細?；鹕剿樾紟r位于火山機構的中心相帶而非遠源相帶，屬于典型的水下爆發凝灰巖丘火山機構［22］。由此可見，水下噴發在沉積盆地中是一種較為常見的噴發類型，需要建立專門的水下爆發相對陸相盆地水下噴發進行描述和刻畫。

2.1" 水下爆發相亞相構成

國外對海域水下噴發的研究開展較多，并取得了一系列成果［2730］。海域條件下水下噴發按水體深度可分為深水水下噴發和淺水水下噴發兩類［3134］。深水水下噴發由于水深較大、水體沸點高，水與巖漿互相作用不產生爆炸，而以平靜溢流形成枕狀熔巖為主。淺水水下噴發則產生劇烈的爆炸作用。White［31］、Mueller［32］和Kano［33］根據噴發物搬運和沉積條件的不同，將水下爆發形成的火山碎屑沉積分為氣攜水下熱碎屑流亞相、水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相3種亞相。陸相湖盆水體較淺，其水下噴發與海域淺水水下噴發具有一定的相似性。參考海域淺水水下噴發的亞相劃分方案和相模式，綜合利用盆地鉆井的巖心、測井和地震資料，建立了陸相湖盆水下爆發相亞相劃分方案，即陸相湖盆水下爆發相分為氣攜水下熱碎屑流亞相、水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相3種亞相。其中，氣攜水下熱碎屑流亞相由White［31］和Kano［33］提出：在水下火山噴發的初始階段，火山碎屑流保留的熱量使其內部產生足夠的蒸汽量，當水下碎屑流溫度遠高于周圍水的沸點時，表面會形成阻礙水體與火山灰混合的蒸汽膜，主體形成氣攜水下熱碎屑流；當氣體支撐的水下噴發柱發生垮塌，形成的水下火山碎屑流在自身重力作用下沿地表流動沉積（圖6a），形成類似陸上噴發的正常凝灰巖［3133］。但是由于火山灰較為潮濕，在氣膜中會互相碰撞粘接，形成大量增生火山礫，即火山灰球［24］。氣攜水下熱碎屑流隨著搬運距離的增加，水體逐漸突破水蒸汽包膜進入火山碎屑流中，與火山碎屑進行混合，在氣攜水下熱碎屑流的前部和周緣逐漸形成由水體搬運且具有較高顆粒密度的高密度濁流（圖6a），形成水攜火山高密度流亞相，其特點是以發育粒度偏粗的沉凝灰巖為主，層理發育［24］。水下噴發導致大量細粒火山灰呈懸浮狀漂浮在水體中，隨著水下噴發的結束，這部分火山灰逐漸沉降，形成粒度極細、水平層理發育、摻入大量泥質的沉凝灰巖或凝灰質泥巖（圖6a），即水下降落亞相［24］。

2.2" 水下爆發相相模式

水下爆發相通常形成凝灰巖丘火山機構［22］。凝灰巖丘通常由多個堆積單元疊和構成，可分為近源和遠源兩個相組。距火山口較近的近源相組的巖相序列發育較為完整（圖6b），其以水下噴發間歇期含外碎屑火山碎屑沉積巖亞相為底座，向上發育氣攜水下熱碎屑流亞相，并逐漸過渡為水攜火山高密度流亞相，最上部為水下降落亞相，巖性由下到上總

體上由凝灰質粗砂巖或凝灰質細礫巖—細砂質沉凝灰巖—粉砂質沉凝灰巖—泥質沉凝灰巖構成，表現

為一個完整的正粒序［24］。距火山口較遠的遠源相組，橫向上氣攜水下熱碎屑流隨著搬運距離的增加，逐漸向水攜火山高密度流亞相過渡（圖6c），導致凝灰巖丘遠源相組基本不發育氣攜水下熱碎屑流亞相，堆積單元縱向序列以含外碎屑火山碎屑沉積巖亞相開始，向上以水下降落亞相為主，夾有多個薄層水攜火山高密度流亞相沉積［24］。

3" 儲層意義

基性熔巖流儲集空間以原生氣孔為主［11］。物性分析表明，在基性溢流相3種亞相中，氣孔帶最發育的辮狀熔巖流亞相的儲層物性最好，最大孔隙度達23.6%，平均孔隙度16.2%（圖7a）；氣孔帶占比較低的板狀熔巖流亞相物性差于辮狀熔巖流，雖然最大孔隙度可達25.7%，但平均孔隙度只有7.1%，為辮狀熔巖流亞相的一半（圖7b）；玻質碎屑巖亞相最大孔隙度要小于上述2種亞相，但是其平均孔隙度為7.8%，高于板狀熔巖流（圖7c）。由此可見，以平均孔隙度為標準，辮狀熔巖流儲層物性最好，玻質碎屑巖次之，板狀熔巖流儲層則相對較差。水下爆發相的3種亞相儲集空間以脫?；缀腿芪g孔為主，屬于致密儲層，易于脫?；腿芪g的火山玻屑體積分數是決定儲層物性好壞的關鍵因素［3539］。通過物性分析發現，泥質體積分數少，玻屑體積分數最高的氣攜水下碎屑流亞相物性相對最好，最大孔隙度9.6%，平均孔隙度3.3%（圖7d），由于泥質體積分數的增加和玻屑體積分數的降低，水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相的儲層物性相對較差，水攜火山高密度流亞相最大孔隙度4.2%，平均孔隙度1.6%（圖7e），水下降落亞相最大孔隙度4.0%，平均孔隙度1.0%（圖7f）。因此，根據物性特征，水下爆發相中有利儲層主要發育在氣攜水下熱碎屑流亞相中，水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相基本不發育有利儲層。

4" 勘探應用

基性溢流相3種亞相和水下爆發相3種亞相的劃分，已經在盆地深層火山巖油氣藏勘探過程中得到了較為廣泛的應用。本文以2個典型實例進行說明：①松遼盆地長嶺斷陷東嶺地區營城組為典型的基性火山巖，依據建立的基性溢流相劃分方案，在基性溢流相相模式的約束下，通過鉆井巖心、測井和地震綜合研究，在該區基性熔巖中識別出基性溢流相辮狀熔巖流、板狀熔巖流和玻質碎屑巖3種亞相（圖8），實現了對這3種亞相空間分布特征的刻畫?；鹕綆r相的分布規律性明顯：火山近源相帶附近主要為辮狀熔巖流疊和板狀熔巖流亞相；中源相帶辮狀熔巖流亞相不發育，主要為板狀熔巖流亞相；遠源相帶發育板狀熔巖流和玻質碎屑巖2種亞相。②松遼盆地查干花地區火石嶺組火山巖以厚層的火山碎屑巖和沉火山碎屑巖為主，巖性分布復雜，鉆井和地震綜合研究表明，該地區火山碎屑巖為水下噴發成因，根據建立的水下爆發相巖相劃分方案，對該區火山巖相進行了識別和刻畫（圖9）。結果表明，該區火山碎屑巖由多個互相疊置的凝灰巖丘構成，凝灰巖丘中心部位氣攜水下碎屑流亞相發育比例較大，遠源主要發育水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相。在火山巖相平面分布刻畫的基礎上，結合風化和裂縫等控儲要素，有效實現了基性火山巖發育區和水下噴發火山碎屑巖發育區儲層分類評價。

5" 結論

1）在前人建立的火山巖5相15亞相基礎上，增加了基性溢流相和水下爆發相2種火山巖相，進一步形成了7相21亞相的分類方案。

2）基性溢流相可分為辮狀熔巖流、板狀熔巖流和玻質碎屑巖3種亞相，火山機構中心相帶辮狀熔巖流和板狀熔巖流亞相均發育，中源相帶板狀熔巖流發育，遠源相帶發育板狀熔巖流和玻質碎屑巖亞相。水下爆發相發育氣攜水下熱碎屑流亞相、水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相3種亞相。凝灰巖丘中心相帶3種亞相均發育，氣攜水下熱碎屑流亞相占比較大，遠源主要發育水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相。

3）基性溢流相中，儲層發育情況從好到差依次為辮狀熔巖流亞相、玻質碎屑巖亞相和板狀熔巖流亞相；水下爆發相中，有利儲層主要發育在氣攜水下熱碎屑流亞相中，水攜火山高密度流亞相和水下降落亞相基本不發育有利儲層。

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