盆地火山岩相研究进展

单玄龙 邹玉洁 衣健 郝国丽 李昂 石云倩 陆俊杰 李嘉慧

單玄龙，邹玉洁，衣健，等.盆地火山岩相研究进展：基性火山熔岩及水下喷发火山岩相新成果.吉林大学学报（地球科学版），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：火山岩相是火山物质喷发类型、搬运方式和就位环境与状态的总和，划分火山岩相是刻画盆地火山岩分布，寻找火山岩有利储层的基础，对盆地火山岩油气勘探具有重要作用。前人以火山岩的“岩性组构成因”为分类依据，建立了盆地火山岩“5相15亚相”分类方案，极大推动了我国盆地深层火山岩勘探进程。目前，我国大规模的盆地火山岩油气勘探已经走过了20余年的历程，随着勘探的深入对该岩相分类方案进行了不断地完善和丰富：针对基性火山熔岩，建立了基性溢流相，以及板状熔岩流、辫状熔岩流和玻质碎屑岩3种亚相及相模式；针对湖盆水下喷发，建立了水下爆发相，以及气携水下热碎屑流、水携火山高密度流和水下降落3种亚相及相模式，形成了“7相21亚相”的新的分类方案。基性溢流相中，辫状熔岩流亚相储层发育条件最好，玻质碎屑岩亚相次之，板状熔岩流亚相稍差；水下爆发相中，气携水下热碎屑流亚相控制有效储层的空间分布。基性溢流相的建立，克服了基性熔岩因单层厚度薄，钻井和地震亚相刻画困难等问题；水下爆发相的建立，实现了沉积盆地从陆上到水下不同喷发环境火山岩相的准确刻画。两种岩相的建立为进一步探索基性火山熔岩发育区和水下喷发火山碎屑岩发育区储层发育规律，寻找有利储层提供了基础。

关键词：火山岩相；基性溢流相；水下爆发相；火山岩储层；盆地

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230319

中图分类号：P618.13

文献标志码：A

收稿日期：20231118

作者简介：单玄龙（1969—），男，教授，博士生导师，主要从事盆地火山岩、变质岩油气藏和火山地质等方面的研究，E-mail：shanxl@jlu.edu.cn

通信作者：衣健（1984—），男，讲师，博士，主要从事盆地火山岩、变质岩油气藏和火山地质等方面的研究，E-mail：yijian@jlu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（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

火山岩相（volcanic facies）是指火山物质的噴发类型、搬运方式和就位环境与状态，即其形成方式的总和［1］。火山岩相包含了火山喷发物的喷发搬运就位过程以及火山岩的物质构成和结构构造等多重信息，其控制了火山岩储层的发育，是刻画盆地火山岩空间分布特征、研究盆地火山喷发机制、重塑盆地火山活动过程、寻找火山岩有利储层的基础，对盆地火山岩油气勘探具有重要作用［2］。

火山岩相的划分一直没有统一的分类方案。国外学者在现代火山研究中，建立了多种不同的火山岩相分类方案，如苏联学者科普切弗德沃尔尼科夫［3］首次以岩体的形成条件作为火山岩相的主要区分依据，而将岩体形态仅列为次要标志，划分出原始喷发相、次火山岩相以及火山管道相3种火山岩相；Cas等［4］将火山岩划分为喷溢相、爆发相和侵出相3个端元，并详细区分了不同类型侵出岩丘、熔岩流和火山碎屑流等多种类型喷发物。我国火山岩相研究从1980年以来已经取得了一系列进展，邱家骧［5］将火山岩划分为溢流相、爆发相、侵出相、火山通道相、次火山相和喷发沉积相等多种火山岩相。陶奎元［6］针对中国东部陆相火山岩提出了喷溢相、空落相、火山碎屑流相、涌流相、火山泥流相、火山爆发崩塌相、侵出相、火山口、火山颈相、次火山岩相、隐爆发角砾岩相、火山喷发沉积相等12种火山岩相分类方案。谢家莹等［78］在中国大陆东南部火山岩研究中，依据岩浆喷发方式、搬运方式、堆积或侵位环境、成岩过程以及喷发产物在火山机构内的位置，将岩相划分为3大类12种，其中：喷出相类包括溢流相、爆发空落相、火山碎屑流相、爆溢相、基底涌流相、火山泥石流相和喷发沉积相；侵出相类包括火山颈相和侵出相；侵入岩相类包括深成岩相、浅火山相和隐爆角砾岩相。这些火山岩相分类方案的划分标准不统一，导致火山岩相类型复杂，系统性不强，使用中易混淆，同时部分火山岩相与火山岩储层关系不紧密，无法有效指导盆地火山岩油气勘探。出于盆地火山岩油气勘探的需要，王璞珺等［9］以岩相与储层物性的关系为重点，提出基于岩性组构成因的火山岩相分类方案，将陆上喷发盆地火山岩相划分为5种相和15种亚相，包括火山通道相（火山颈亚相、隐爆角砾岩亚相、次火山岩亚相）、爆发相（热基浪亚相、热碎屑流亚相、空落亚相）、中酸性喷溢相（上部亚相、中部亚相、下部亚相）、侵出相（外带亚相、中带亚相、内带亚相）和火山沉积相（再搬运火山碎屑沉积岩亚相、凝灰岩夹煤亚相、含外碎屑火山碎屑沉积岩亚相）（图1）。该火山岩相分类方案系统性强，易于利用钻井、地震资料识别和划分火山岩相，同时与火山岩储层联系紧密，在盆地火山岩研究中得到了广泛的应用，极大地促进了盆地火山岩油气藏勘探的发展。陈欢庆等［10］在研究松辽盆地徐东地区营城组一段火山岩中将火山岩相划分补充为5相16亚相，

据文献［9］修编。

其中爆发相增加溅落亚相，溢流相增加顶部亚相，火山沉积相则分为含外碎屑亚相、再搬运亚相两种亚相。

随着勘探的深入，钻井钻遇火山岩的类型逐渐增多，5相15亚相火山岩相分类方案也显示出一定的局限性：①5相15亚相以松辽盆地东南隆起区九台营城组酸性火山岩剖面为原型建立，由于酸性熔岩流单元厚度大，其喷溢相上、中、下部亚相易于划分，在钻井上划分标志清晰，地震上易于识别；但是对于基性熔岩，由于喷发单元厚度本身较薄，其上、中、下部亚相的厚度更薄，在钻井和地震上刻画和识别相对困难。②5相15亚相及其相模式的原型火山岩剖面由陆上喷发形成。由于喷发环境不同，陆上喷发和水下喷发在火山喷发作用、喷发产物，以及喷发物的搬运和就位机制上具有较大的差异性，陆上喷发熔岩占比高，火山碎屑和沉火山碎屑岩主要分布在火山机构边部，而水下喷发以形成火山碎屑岩和沉火山碎屑岩为主，火山机构主体由火山碎屑岩和沉火山碎屑岩构成；因此5相15亚相在对陆相湖盆广泛发育的水下喷发火山岩进行准确描述方面存在困难。针对5相15亚相在基性火山熔岩和水下喷发火山岩刻画方面存在的局限性，在开展大量国内外文献调研、野外地质剖面测量和盆地钻井、地震研究的基础上，建立了基性溢流相和水下爆发相两种火山岩相。基性溢流相包括辫状熔岩流、板状熔岩流和玻质碎屑岩3种亚相，水下爆发相包括气携水下热碎屑流、水携火山高密度流和水下降落3种亚相（图1）。这两种火山岩相的建立，有效克服了基性火山熔岩因单层厚度薄，钻井和地震亚相刻画困难等问题，实现了陆相沉积盆地从陆上到水下不同喷发环境火山岩相的准确刻画，是对盆地火山岩5相15亚相的丰富和发展（表1）。

1  基性溢流相

盆地火山岩相的划分以能有效指导火山岩储层勘探为目标［10，1213］。基性熔岩流单元厚度薄，多数单元厚度小于20 m［11］，如果参照厚度较大的酸性熔岩流在其内部依据气孔分布划分上、中、下部亚相，则存在钻井划分困难、地震上难于识别等问题。因此，需要针对基性熔岩流的特点，寻找既能与基性

熔岩流成因和火山岩结构构造建立联系，又能做到钻井和地震可识别性强，能够有效指导盆地火山岩储层勘探的亚相划分方案。

1.1  基性溢流相亚相构成

野外剖面中基性熔岩的气孔分布具有一定的规律性，部分气孔带呈层状分布，部分气孔带呈交织状分布，其分布特征与熔岩流单元的厚度和形态有关［11］。其中：厚度小于7 m的基性熔岩流，熔岩流

垂直流向延伸距离小，横截面为透镜状（图2），熔岩流沿其流向延伸距离较长，多股熔岩流叠加后空间上类似辫状河道状（图2a，b，c），根据熔岩流单元形态将其命名为辫状熔岩流亚相［14］；厚度大于7 m的基性熔岩流，其横向延伸距离长（图3），空间上熔岩流单元呈板状形态（图3a，b，c），同样根据熔岩流单元形态将其命名为板状熔岩流［14］。辫状熔岩流亚相中，气孔带沿着透镜状单元的顶、底界面分布，多个单元叠加后即在剖面上形成交织状分布的气孔带（图2b）［15］；而在板状熔岩流亚相中，气孔带分布在板状熔岩流顶底界面附近，多个板状熔岩流单元垂向叠加后，即形成垂向离散分布的气孔带（图3b）［16］。由于辫状熔岩流单元厚度薄，其气孔带厚度占整个熔岩流单元的厚度比例大，多个辫状熔岩流单元叠加后气孔带总厚度相对较大（图2d）；而板状熔岩流单元由于厚度较厚，其气孔带占整个熔岩流单元厚度的比例相对较小（图3d），多个板状熔岩流叠加后，气孔带总厚度则相对较薄［11］。因此，相同厚度的辫状熔岩流亚相与板状熔岩流亚相相比，辫状熔岩流的原生孔隙更为发育。另外，辫状熔岩流和板状熔岩流均由多个熔岩流单元构成，其厚度和规模则远超单个熔岩流单元，易于从钻井和地震上进行识别，其中：板状熔岩流测井上表现为多个正反箱形曲线形态的组合，地震上为平行亚平行连续反射；而辫状熔岩流测井上表现为中高幅度指状曲线形态，地震上为断续乱岗状反射［11］。由此可见，这两种亚相即可以与基性火山岩储层建立联系，又可以实现有效识别，对基性火山岩储层的勘探具有指导意义。另外，基性熔岩流由于流动距离较远，熔岩流易于远距离流动进入水体，淬火后岩浆碎屑化（图4a，b），形成玻质碎屑岩（图4c），我们将其命名为玻质碎屑岩亚相［14］。玻质碎屑岩亚相的火山岩集块和角砾发育（图4d，e），玻璃质岩石易于溶蚀和脱玻化，储层物性通常较好。玻质碎屑岩亚相测井上表现为较为平直的微齿化曲线，地震上为杂乱反射，可以通过测井的地震进行有效识别［11］。

1.2  基性溢流相相模式

基性溢流相的3种亚相，受控于熔岩流的流量、

黏度和就位环境，在空间上的分布具有一定的规律性。辫状熔岩流岩浆流量低，黏度稍小，流动距离近，多分布在火山喷发中心附近；板状熔岩流岩浆的流量大，岩浆黏度较辫状熔岩流大，岩浆的流动距离远，从近源到远源均可发育［11］；玻质碎屑岩亚相是由于基性熔岩流的流动距离远，因此容易进入水体，在火山的中远源形成的［17］。因此，基性熔岩具有从近源到远源，依次发育辫状熔岩流和板状熔岩流复合体、板状熔岩流和玻质碎屑岩的相模式（图5）。

2  水下爆发相

火山喷发既可发生在陆上，也可发生在水下［1820］，由于沉积环境的不同，陆上和水下喷发在喷发作用、喷发物的构成、搬运和就位方式有较大的区别［20］。陆上喷发火山岩熔岩占比高，火山机构近源相带以熔岩和火山集块、角砾岩为主，凝灰岩和沉凝灰岩分布在火山机构的边部，厚度较薄［21］；水下喷发火山岩由于水与岩浆混合发生强烈的爆炸作用，熔岩比例较少，喷发物以凝灰岩和沉凝灰岩为主，火山口附近缺少集块、角砾成分，火山机构主要由细粒火山碎屑构成，常形成凝灰岩丘［22］。盆地深层火山岩油气藏勘探过程中发现，在松辽盆地、渤海湾盆地和准噶尔盆地等沉积盆地中，均有一定数量的钻井揭示了大套厚层凝灰岩和沉凝灰岩［2324］。地球化学分析表明，这些凝灰岩和沉凝灰岩形成于较深水体水下喷发的还原环境中［2526］。另外，通过地震火山机构解释发现，这些细粒火山碎屑岩位于火山机构的中心相带而非远源相带，属于典型的水下爆发凝灰岩丘火山机构［22］。由此可见，水下喷发在沉积盆地中是一种较为常见的喷发类型，需要建立专门的水下爆发相对陆相盆地水下喷发进行描述和刻画。

2.1  水下爆发相亚相构成

国外对海域水下喷发的研究开展较多，并取得了一系列成果［2730］。海域条件下水下喷发按水体深度可分为深水水下喷发和浅水水下喷发两类［3134］。深水水下喷发由于水深较大、水体沸点高，水与岩浆互相作用不产生爆炸，而以平静溢流形成枕状熔岩为主。浅水水下喷发则产生剧烈的爆炸作用。White［31］、Mueller［32］和Kano［33］根据喷发物搬运和沉积条件的不同，将水下爆发形成的火山碎屑沉积分为气携水下热碎屑流亚相、水携火山高密度流亚相和水下降落亚相3种亚相。陆相湖盆水体较浅，其水下喷发与海域浅水水下喷发具有一定的相似性。参考海域浅水水下喷发的亚相划分方案和相模式，综合利用盆地钻井的岩心、测井和地震資料，建立了陆相湖盆水下爆发相亚相划分方案，即陆相湖盆水下爆发相分为气携水下热碎屑流亚相、水携火山高密度流亚相和水下降落亚相3种亚相。其中，气携水下热碎屑流亚相由White［31］和Kano［33］提出：在水下火山喷发的初始阶段，火山碎屑流保留的热量使其内部产生足够的蒸汽量，当水下碎屑流温度远高于周围水的沸点时，表面会形成阻碍水体与火山灰混合的蒸汽膜，主体形成气携水下热碎屑流；当气体支撑的水下喷发柱发生垮塌，形成的水下火山碎屑流在自身重力作用下沿地表流动沉积（图6a），形成类似陆上喷发的正常凝灰岩［3133］。但是由于火山灰较为潮湿，在气膜中会互相碰撞粘接，形成大量增生火山砾，即火山灰球［24］。气携水下热碎屑流随着搬运距离的增加，水体逐渐突破水蒸汽包膜进入火山碎屑流中，与火山碎屑进行混合，在气携水下热碎屑流的前部和周缘逐渐形成由水体搬运且具有较高颗粒密度的高密度浊流（图6a），形成水携火山高密度流亚相，其特点是以发育粒度偏粗的沉凝灰岩为主，层理发育［24］。水下喷发导致大量细粒火山灰呈悬浮状漂浮在水体中，随着水下喷发的结束，这部分火山灰逐渐沉降，形成粒度极细、水平层理发育、掺入大量泥质的沉凝灰岩或凝灰质泥岩（图6a），即水下降落亚相［24］。

2.2  水下爆发相相模式

水下爆发相通常形成凝灰岩丘火山机构［22］。凝灰岩丘通常由多个堆积单元叠和构成，可分为近源和远源两个相组。距火山口较近的近源相组的岩相序列发育较为完整（图6b），其以水下喷发间歇期含外碎屑火山碎屑沉积岩亚相为底座，向上发育气携水下热碎屑流亚相，并逐渐过渡为水携火山高密度流亚相，最上部为水下降落亚相，岩性由下到上总

体上由凝灰质粗砂岩或凝灰质细砾岩—细砂质沉凝灰岩—粉砂质沉凝灰岩—泥质沉凝灰岩构成，表现

为一个完整的正粒序［24］。距火山口较远的远源相组，横向上气携水下热碎屑流随着搬运距离的增加，逐渐向水携火山高密度流亚相过渡（图6c），导致凝灰岩丘远源相组基本不发育气携水下热碎屑流亚相，堆积单元纵向序列以含外碎屑火山碎屑沉积岩亚相开始，向上以水下降落亚相为主，夹有多个薄层水携火山高密度流亚相沉积［24］。

3  储层意义

基性熔岩流储集空间以原生气孔为主［11］。物性分析表明，在基性溢流相3种亚相中，气孔带最发育的辫状熔岩流亚相的储层物性最好，最大孔隙度达23.6%，平均孔隙度16.2%（图7a）；气孔带占比较低的板状熔岩流亚相物性差于辫状熔岩流，虽然最大孔隙度可达25.7%，但平均孔隙度只有7.1%，为辫状熔岩流亚相的一半（图7b）；玻质碎屑岩亚相最大孔隙度要小于上述2种亚相，但是其平均孔隙度为7.8%，高于板状熔岩流（图7c）。由此可见，以平均孔隙度为标准，辫状熔岩流储层物性最好，玻质碎屑岩次之，板状熔岩流储层则相对较差。水下爆发相的3种亚相储集空间以脱玻化孔和溶蚀孔为主，属于致密储层，易于脱玻化和溶蚀的火山玻屑体积分数是决定储层物性好坏的关键因素［3539］。通过物性分析发现，泥质体积分数少，玻屑体积分数最高的气携水下碎屑流亚相物性相对最好，最大孔隙度9.6%，平均孔隙度3.3%（图7d），由于泥质体积分数的增加和玻屑体积分数的降低，水携火山高密度流亚相和水下降落亚相的储层物性相对较差，水携火山高密度流亚相最大孔隙度4.2%，平均孔隙度1.6%（图7e），水下降落亚相最大孔隙度4.0%，平均孔隙度1.0%（图7f）。因此，根据物性特征，水下爆发相中有利储层主要发育在气携水下热碎屑流亚相中，水携火山高密度流亚相和水下降落亚相基本不发育有利储层。

4  勘探应用

基性溢流相3种亚相和水下爆发相3种亚相的划分，已经在盆地深层火山岩油气藏勘探过程中得到了较为广泛的应用。本文以2个典型实例进行说明：①松辽盆地长岭断陷东岭地区营城组为典型的基性火山岩，依据建立的基性溢流相划分方案，在基性溢流相相模式的约束下，通过钻井岩心、测井和地震综合研究，在该区基性熔岩中识别出基性溢流相辫状熔岩流、板状熔岩流和玻质碎屑岩3种亚相（图8），实现了对这3种亚相空间分布特征的刻画。火山岩相的分布规律性明显：火山近源相带附近主要为辫状熔岩流叠和板状熔岩流亚相；中源相带辫状熔岩流亚相不发育，主要为板状熔岩流亚相；远源相带发育板状熔岩流和玻质碎屑岩2种亚相。②松辽盆地查干花地区火石岭组火山岩以厚层的火山碎屑岩和沉火山碎屑岩为主，岩性分布复杂，钻井和地震综合研究表明，该地区火山碎屑岩为水下喷发成因，根据建立的水下爆发相岩相划分方案，对该区火山岩相进行了识别和刻画（图9）。结果表明，该区火山碎屑岩由多个互相叠置的凝灰岩丘构成，凝灰岩丘中心部位气携水下碎屑流亚相发育比例较大，远源主要发育水携火山高密度流亚相和水下降落亚相。在火山岩相平面分布刻画的基础上，结合风化和裂缝等控储要素，有效实现了基性火山岩发育区和水下喷发火山碎屑岩发育区储层分类评价。

5  结论

1）在前人建立的火山岩5相15亚相基础上，增加了基性溢流相和水下爆发相2种火山岩相，进一步形成了7相21亚相的分类方案。

2）基性溢流相可分為辫状熔岩流、板状熔岩流和玻质碎屑岩3种亚相，火山机构中心相带辫状熔岩流和板状熔岩流亚相均发育，中源相带板状熔岩流发育，远源相带发育板状熔岩流和玻质碎屑岩亚相。水下爆发相发育气携水下热碎屑流亚相、水携火山高密度流亚相和水下降落亚相3种亚相。凝灰岩丘中心相带3种亚相均发育，气携水下热碎屑流亚相占比较大，远源主要发育水携火山高密度流亚相和水下降落亚相。

3）基性溢流相中，储层发育情况从好到差依次为辫状熔岩流亚相、玻质碎屑岩亚相和板状熔岩流亚相；水下爆发相中，有利储层主要发育在气携水下热碎屑流亚相中，水携火山高密度流亚相和水下降落亚相基本不发育有利储层。

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