新疆北天山泥火山固体喷出物特征及成因机制初探

杨晓芳 于红梅 赵 波 许建东 高小其 张 涛

1)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市 830011

2)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029

0 引言

泥火山即由泥浆构成的火山，形状类似火山，具有喷发口，和真正的火山一样会出现剧烈喷发的现象。然而泥火山并非真正意义上的火山，两者具有本质上的区别。泥火山是特定地质构造与水文地质环境下的一种构造流体地质现象，其主要由泥质、黏土质沉积物与水及气体的混合物喷出地面后逐渐堆积所形成的。泥火山不具有岩浆通道，在物质来源、成分、压力、温度、喷发规模等方面与火山都有根本的不同。泥火山喷发的物质是地壳浅部的沉积物，而岩浆－火山作用所喷发的物质是来自地壳深部或地幔的岩浆(王道，2000;JUI et al.，2006;万园，2011;黄华谷，2011)。

全球泥火山的数量还是未知数，尤其是海底泥火山目前数量尚未可知(Dimitrov，2003)。陆地上有超过40个地区，海底有超过20个海域发育泥火山，每个区域有几座至200多座不等，陆地和浅海区已经发现2000多座泥火山，大陆斜坡和深海区可能还会有5000～10000座泥火山(Milkov，2000)。从构造上说全球泥火山主要分布在阿尔卑斯山－特提斯缝合带和环太平洋带(Kopf，2002;Sun et al.，2010)。世界上著名的泥火山有美国的黄石公园、伊朗的马克兰、罗马尼亚的布扎等，阿塞拜疆的巴库地区是全球泥火山发育最多的地方，大约有220座。在中国，台湾地区有十几个泥火山活动区，而在新疆地区也存在多个形态各异、规模不一的泥火山。

以往人们普遍认为泥火山带来的灾害无法和熔岩火山相比，灾害较轻，不会造成严重的人员伤亡和财产损失。然而事实并非如此，据报道印度尼西亚的鲁西泥火山于2006年5月开始喷发，生活在东爪哇岛的大约3万人因为它的喷发被迫转移，大约1万个家庭房屋被毁，赔偿金将高达7000万美元(4300万英镑)。因此，对于泥火山的研究显得非常有意义。

目前对泥火山的系统研究较少，路盼盼等(2011)、李建辉等(2011)利用多种生物学方法分析研究了泥火山细菌多样性及群落结构。马骏(1999)介绍了台湾泥火山的分布;何家雄等(2012)分析了台湾南部泥火山的地质特征及伴生气地球化学特点，认为其具有明显的沉积型壳源成因特点;朱婷婷等(2009)对台湾西南部乌山顶泥火山进行了较为全面的分析，初步探讨了该区泥火山的成因机制。新疆地区的泥火山研究也主要集中于两方面:1)针对泥火山中细菌群落的研究(马小龙等，2010);2)探讨泥火山与油气的关系(范卫平等，2007;高苑等，2012;戴金星等，2012)。此外王道等(1997)、李猛等(1996)、高小其等(2008)都曾对新疆的泥火山喷发特征、与地震的关系等方面进行了研究。但是，对新疆泥火山喷发物的特征及其反映的地质意义、泥火山的成因机制等方面还未开展过研究。

本文在对新疆北天山地区的泥火山野外考察的基础上，针对前人对泥火山固体喷出物研究相对薄弱、对物源缺乏清晰认识的状况，从粒径分析、显微形貌、矿物组分等方面系统分析了北天山泥火山固体喷出物，初步探讨泥火山的物质来源及形成机制。

1 研究区地质概况

新疆地区的泥火山主要分布在北天山一线(图1)，其中最具有代表性的是沙湾县南霍尔果斯、独山子、乌苏市白杨沟镇、乌苏市赛力克提牧场艾其沟等地。每处又有数个至几十个喷溢出口，其中，乌苏白杨沟镇分布着亚洲最大的泥火山群，乌苏赛力克提牧场则有亚洲最大的泥火山堆。这些泥火山都处于天山北麓乌鲁木齐山前拗陷带内，此拗陷带是一个山前薄皮构造发育区，逆断裂控制的活动背斜和断裂构造发育，且活动逆断裂大多在背斜核部及北翼区域附近。该拗陷带由东段的博格达推覆构造系和西段的北天山山前断展褶皱系构成，本文所研究的泥火山均集中于北天山山前断展褶皱系内。

图1 新疆北天山泥火山分布Fig.1 Distribution of mud volcanoes in North Tianshan Mountains，Xinjiang.

北天山山前断展褶皱系由多排逆断裂－背斜带构成，从南向北依次为南部山麓逆断裂－背斜带、霍尔果斯－玛纳斯－吐谷鲁逆断裂－背斜带以及独山子－安集海逆断裂－背斜带。此外，在独山子－安集海逆断裂－背斜带的西北部还发育了1个最新活动的、隆起幅度更小的西湖隆起。本文研究的4处泥火山就依次分布在前3排逆断裂－背斜带上。3排背斜山岭之间表现为缓倾的冲洪积平原，是由下更新世地层组成的向斜谷地，核部地层几乎水平，两翼地层角约为14°～15°，将3排背斜山岭隔离开，形成了挤压型背、向斜相间排列的盆－岭地貌组特点(邓起东等，1999;赵瑞斌等，2000)。

南部山麓逆断裂－背斜带:西起托斯台东至奇台，主要包括3个背斜亚带，形成于中生代末，地层组成为中新生界，核部由三叠系和侏罗系组成，海拔1300～2100m，在背斜核部及北翼逆断裂发育，以南倾为主。

霍尔果斯－玛纳斯－吐谷鲁逆断裂－背斜带:位于中部的逆断褶皱带，在呼图壁河至安集海河之间，长约130km，海拔1000～1500m，自西向东依次为霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁逆断裂－背斜。该构造于上新世至早更新世初形成，背斜核部为古近系，翼部由上新统和下更新统组成。背斜不对称，表现为南缓北陡，局部地层发生倒转。

独山子－安集海逆断裂－背斜带:长约80km，在乌苏至沙湾之间，海拔600～1200m。包括独山子、哈拉安德和安集海等3个逆断裂－背斜，主要形成于中、下更新统时期，由新近系和第四系组成。变形最为强烈的是独山子背斜。其核部出露的最老地层为中新统塔西河组。

2 泥火山喷发特征及取样点位置

泥火山的喷发类型跟泥浆的黏稠度有关(高小其等，2009)，主要分为5类，包括喷泥锥、喷泥盾、喷泥盆、喷泥池和喷泥洞(表1)。新疆北天山的泥火山喷发类型十分丰富，几乎包括了上述所有类型，但是喷泥盆及喷泥池所占数量最多。本次对该区的4处泥火山进行详细的野外考察和喷发类型分类，包括白杨沟泥火山群、艾其沟泥火山、独山子泥火山、霍尔果斯泥火山，并采集9个泥火山固体喷发物样品(表2)。

表1 泥火山类型和参数表Table1 The types and parameters of mud volcano

白杨沟泥火山群:位于新疆乌苏市西南的白杨沟镇，距该镇2.5km，是亚洲最大的泥火山群，构造上处于托斯台背斜轴部。自2002年后该区的泥火山喷口逐渐减少，从200多个减少至20多个，较大喷口的直径为2.5m，小的有10cm左右。由于泥浆稠度较稀，周边没有形成喷泥堆，大多为喷泥池和喷泥洞，也有个别喷泥盾。彼此间距离不一，松散处相距几百m，密集处数十m的区域分布着数个喷泥口，活动较弱，有部分喷泥口出现鼓泡等现象。喷发物的颜色主要以灰绿色和红褐色为主，在多数的喷口液面上可以看到漂浮的褐色的油状物质，近距离观察时，还可以闻到石油味。野外考察时有1个大小约为10cm的喷口下方布满了新鲜的溢出泥浆(图2a)，在此流动单元的上中下游各取了1个样品(编号为 BYG－1、BYG－2、BYG－3)。另外又在2处泥浆颜色差别较大的喷泥池内各取了1个样品(图2b，c)(编号为BYG－4、BYG－5)。

表2 新疆北天山泥火山基本情况(据王道，2000修改)Table2 Basic information of mud volcanoes in North Tianshan Mountains，Xinjiang(modified from Wang，2000)

艾其沟泥火山锥:位于新疆乌苏赛力克提牧场艾其沟山前阶地上，构造上位于托斯台背斜轴部，是亚洲最大的泥火山锥。由2座泥火山喷泥锥构成(图2d)，相距10m左右，SN向分布，锥底至锥顶高差为10～15m，坡度自上而下由陡变缓，泥锥表面布满密集的流痕和冲迹，在泥锥底部形成放射性的泥垄。北边的泥火山喷口较大，直径约2m，底座大约为5m，不时有银灰色的泥浆溢出火口顺着锥体缓慢流下，液面上漂浮着黄褐色的油状物。南边的泥火山口较小，大约有1.2m左右，但是已经干涸，露出底部的干泥，靠近时可以闻到石油味。在北边的泥火山喷口内取一泥浆样品(图2e)(编号AQG－1)。

独山子泥火山:位于新疆克拉玛依市独山子区西南约1km处的黄土山上，构造上位于独山子背斜轴部。据文献(李锰，1996;王道等，1997)记载该区曾有5个泥火山喷口，但目前只剩2个，一个喷口(椭圆状)为2×5cm的泥洞，活动较强，间歇地向外喷射泥浆，泥浆较黏稠，颜色为灰绿色，略带油味，溢出的泥浆在地面形成了泥火山堆，底座直径大约10m，坡度为24.5°，溢出的泥浆流动距离大约6.5m。另一泥火山口呈坑状，东侧有一缺口，1.6×1.1m，泥浆较稀，上层液体较多，表面有油花，近距离能闻到石油味，无明显活动，冒泡间隔时间长，深1.1m。在2个喷口内各取1个泥浆样品(编号为DSZ－1、DSZ－2)。

霍尔果斯泥火山:位于新疆沙湾县南霍尔果斯金沟河水管处，构造上处于霍尔果斯背斜轴部。该区有2个泥火山口出露，一个于1990年改造后，使用红旗－1型水位仪进行液面连续观测。另一喷口直径大约为1m，活动较弱，有冒泡，但无泥浆溢出，液面上漂浮着绿色及红褐色的油花，气味较浓，泥浆较稀。在喷口内取一泥浆样品(编号为HEGS－1)。

3 粒度分析

使用德国Retsch的激光粒度仪对泥火山喷出物进行粒度分析，测得的各样品参数列入表3。描述粒度的重要参数有平均粒径(Mz/μm)、中值粒径(Md/μm)、标准偏差(σф)、偏度(SK1)以及峰度(KG)(Inman，1952;Folk et al.，1957)。

图2 泥火山喷发类型及采样点图片Fig.2 Photos showing types of mud volcanoes and sampling locations.

由表3可以看出，各样品的粒度参数较为接近，除了白杨沟BYG－3样品外，其他样品的平均粒径都集中在6.87～12.73μm，中值粒径集中在4.93～10.01μm，标准偏差为6.81～14.76，偏度为0.425～0.665，峰度为0.978～1.679。白杨沟BYG－3样品的平均粒径、中值粒径以及标准偏差明显大于其他样品，几乎为其他样品的2倍。图3为样品直方图和质量累积曲线图的复合图，采用对数坐标，横坐标为粒径大小，左侧纵坐标代表质量累积百分含量，右侧纵坐标代表质量百分含量。由图3可以看出:1)样品粒径主要集中在0.3～100μm，中值基本在10μm左右，标准偏差较大，分选差;2)白杨沟 BYG－1、BYG－2、BYG－4、BYG－5样品粒度分布极为相似，直方图均呈单峰态分布且基本居中，唯有BYG－3样品呈双峰态分布，最大粒径超过100μm;3)不同泥火山喷口内的样品在粒度分布形态上略有差异，主要表现在峰度上。全部样品根据其偏度数据认为其粒度分布对称性为极正偏，以粗粒为主。

白杨沟 BYG－1、BYG－2、BYG－3号样品是同一喷泥口喷出的泥浆的上、中、下游不同位置采集的，颗粒在搬运过程中受到水流搬运和重力分选作用，理论上应该随着搬运距离的增大粒度呈减小的趋势，然而实际得到的实验数据显示前2个样品基本符合，但下游样品的粒径均值却远远大于前2个样品。分析认为由于样品取自泥浆单元的最下游，厚度远不及上、中游，极有可能在采样过程中夹杂了外部环境中的颗粒，该样品的直方图显示为双峰态也恰好证明了这一点。

表3 样品粒度参数表Table3 Parameters of sample particle size

图3 泥火山样品悬浮液粒度分布图Fig.3 Particle size distribution of suspension liquid of mud volcano samples.

4 显微形貌特征及成分分析

4.1 偏光显微镜

在室内将采集的样品磨制成薄片，以便在显微镜下进行详细观察。由于所采集的为湿的黏土物质，因此需要先将样品烘干，用环氧树脂进行胶结，然后磨制成薄片。使用德国蔡司(Zeiss)Axioskop40偏光显微镜对样品进行显微形貌观察。

显微镜下显示样品基质均以泥质为主，主要为黏土矿物，颜色灰绿色居多，少量呈褐色(图4)。矿物碎屑颗粒为石英及长石晶体颗粒，主要为它形，部分发生了蚀变，晶体颗粒含量较少，最多的可以达到15%，如独山子地区的样品，少的为2%，如霍尔果斯地区样品。石英晶体粒径150～300μm，长石晶体颗粒30～250μm，但霍尔果斯地区样品中晶体颗粒明显小于其他区域。另外含有较多黑色的颗粒状物质，不透明，在单偏光和正交偏光下均呈黑色，根据X射线粉晶衍射分析结果可能为铁矿物。

图4 泥火山固体喷出物显微照片(Pl为长石Q为石英)Fig.4 Microphotographs of solid products of mud volcanoes.

4.2 成分分析

使用X射线粉晶衍射仪对泥火山喷口处物质进行物相鉴定，结果显示泥浆样品中石英所占比例最大，接近50%，次之为长石、方解石和白云石，其余为黏土矿物。在白杨沟和艾其沟的泥浆样品中发现有铁矿物存在，其他2个地点没有发现。X射线粉晶衍射结果与显微镜下观察的结果非常吻合。

表4 X射线粉晶衍射结果Table4 Results from X－ray powder diffraction analysis

4.3 扫描电镜分析

将样品放置在真空喷镀仪上镀上炭膜，对处理过的样品进行扫描电镜(SEM)观察和能谱成分测试。在中国地震局地质研究所活动构造与火山重点实验室进行分析，所使用的扫描电镜为日本电子JSM－6701F型，能谱仪为美国热电NS7能谱仪。扫描电镜下显示样品内部主要为石英、长石、方解石晶体颗粒及黏土矿物，晶体颗粒较小，粒径一般＜100μm(图5a，b)。白杨沟样品(样品号:BYF－1)和艾其沟样(样品号:AQG－1)内可见较多的铁矿物颗粒，根据其能谱成分推测为黄铁矿和菱铁矿，粒径在几个μm至几十个μm之间(图5c—f)。其他泥火山样品中铁矿物极少，仅见一处粒径＜1μm的铁矿物集合体，这些均与X－射线衍射成分测试结果一致。

5 讨论

5.1 成因机制

泥火山一般出现在构造挤压环境下，其形成的地质条件包括:1)深部具有丰富的泥岩层，以提供泥浆来源;2)具有较高的孔隙流体压力;3)具有泥浆通道;4)需要一定的诱发条件(Milkov，2000;高小其等，2009;朱婷等，2009;万园等，2011;何家雄，2012)。

图5 样品背散射图像及能谱测试结果Fig.5 Backscattered images of samples and results from energy spectrum analysis.

根据粒度分析、显微形貌、成分分析等结果初步认为，北天山4处泥火山具有相似的动力学环境，极有可能是同源的。根据地质调查及文献记载(许春明，1992;冯先岳，1993;邓起东等，2000;黄彦庆，2008)，在北天山山前推覆构造带的托斯台背斜、独山子背斜以及霍尔果斯背斜主要由侏罗、白垩和古近纪等地层组成。由表5可知，在侏罗系八道湾组和三工河组中均有铁矿物质，根据地质调查结果①新疆维吾尔自治区地质局，1974，乌苏幅(L－45－XXXⅠ)地质图及说明书。，在研究区内菱铁矿为产在下－中侏罗统八道湾组的中上部及西山煤窑组的中下部地层中的沉积矿床，前者为主，后者次之，呈不连续层状、结核状及扁平的透镜体状，由西向东变为含铁的砂岩。X射线及扫描电镜分析结果显示，在白杨沟(编号BYG－1)和艾其沟(AQG－1)样品中均有铁矿物质，其他样品中含铁量甚微或者不含，因此认为泥浆来源最深应该为下－中侏罗统的泥岩。此外，戴金星等(2012)通过1991年6月和2010年8月2次对准噶尔盆地南缘泥火山(本文研究区内泥火山)进行考察，发现泥火山天然气具有相似的地球化学特征，表明其具有同源性或同因性。泥火山天然气主要组分是烷烃气，含量为91.15%～97.49%，其中甲烷含量最高;天然气n13Cl值为－49.1‰～－40.6‰，与世界范围内泥火山气n13Cl频率高峰段一致，且烷烃气碳同位素系列具有n13Cl＜n13C2＜n13C3特征，是典型热成因气;研究区泥火山气具有较低的3He/4He值，R/Ra为0.011～0.054，属典型壳源氦;泥火山天然气的n13C2值均＞－28‰，是典型煤成气，且C1/C1－4和n13Cl值两指标与该盆地下中侏罗统源岩形成的煤成气特征一致，因此认为准噶尔盆地南缘泥火山烷烃气的气源主要是下中侏罗统煤系源岩。这样从地球化学的角度也印证了物质来源的可靠性。

表5 北天山山前断展褶皱系中生代部分地层特征(根据地质图总结)Table5 Characteristics of parts of Mesozoic strata in fault propagation fold system in front of the North Tianshan Mountains(summarized from the geological map)

泥火山的形成说明有超压泥岩层的存在，朱婷婷(2009)等通过对台湾乌山顶泥火山的研究认为深部地层的压力可能来自3个方面:快速沉积超压、生烃作用增压和构造应力加压。根据Nordgard等(2004)计算，沉积速率高于160m/Ma是会导致地层出现异常高压，而北天山泥火山地层的平均沉积速率达不到这一指标，由此推断快速沉积超压并非该区压力的主要来源。野外考察时发现，泥火山喷口有油气显示，因此泥浆源区地层的生烃作用导致的膨胀增压应该会导致较高的地层压力。天山横亘亚洲大陆腹地，是全球新构造运动和地震活动最为强烈的板内造山带。长期以来，北天山山前推覆构造带受到印度板块向北挤压，该区的构造应力对于地层压力的积聚起着决定性作用。

北天山泥火山均处于背斜轴部，背斜轴部岩层常常较为破碎，产生许多裂隙或断层，这就为泥浆的上涌提供了通道。

构造活动和人为干扰被认为是引起泥火山喷发的诱因。从查阅的文献来看，引起北天山泥火山喷发的原因主要是构造活动。王道(2000)认为泥火山活动和地震具有同源关系，当构造应力增强时，封闭环境中的岩石孔隙压力也随之增大，达到喷发条件时，泥火山就开始活动。同样，构造应力的增强也会导致地震孕育和发生。

5.2 灾害

泥火山作为一种奇特的自然景观，具有一定的观赏价值，同时由于其和构造活动及生油气带之间的密切联系，使得它还具有重大的研究价值。但是，泥火山也会给人们带来巨大的灾害。泥火山的灾害种类具有多样性，喷出的泥浆会掩埋周边的建筑物，浆囊内天然气水合物分解会导致滑塌灾害对工程造成影响，溢出的高矿化水对周边环境会造成污染，喷出的气体可能会污染空气等。而根据粒度分析、显微形貌及成分分析，北天山泥火山样品粒度分布集中，分选较差，磨圆度较低，同时根据野外观察，该区域的泥火山口较以往有所减少，液面平静，冒泡频率极低，活动不剧烈，据此可推断其喷发强度较弱，所造成的灾害效应不强烈。

6 结论

通过对泥浆样品进行粒度、显微形貌及成分分析，认为北天山泥火山具有相同的物源，结合地质资料推断泥浆来源最深为下－中侏罗统的泥岩。泥火山的形成受构造活动的制约，其地层深部的压力主要来自于SN向的挤压应力。背斜轴部的破碎带为泥浆提供了通道。根据实验分析结果及野外观测情况，认为目前北天山泥火山处于平静期，活动状态较弱，但由于其和构造活动的密切关系，仍需对泥火山进行连续观测，并有针对性的逐步加深对泥火山的研究工作，以便得到更深入的研究成果。

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