DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.022

基性熔岩火山地层单元类型、特征及其储层意义

衣健¹，唐华风¹，王璞珺¹，高有峰²，赵然磊¹

(1. 吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061；

2. 吉林大学 古生物学与地层学研究中心，吉林 长春，130061)

摘要：为了探索基性熔岩的火山地层单元类型、特征与叠置关系，精选中国东北3个具有代表性的基性熔岩露头区和松辽盆地徐家围子断陷典型钻井，进行露头剖面二维测量、钻井岩心观察、盆内钻井和地震解释。研究结果表明：基性熔岩火山地层单元由冷凝固结成岩方式形成，根据外部形态可分为辫状、扇状、板状和管状4类，前3类均由基性岩浆地表溢流形成，管状熔岩流由岩浆于隐伏管道(lava tube)中流动形成。基性熔岩火山地层单元内部结构可用孔-缝带进行表征。辫状熔岩流从上到下由泡沫状气孔带、稀疏气孔带和底部气孔带构成。扇状熔岩流在泡沫状气孔带上部发育自碎角砾岩带，在稀疏气孔带下部发育厚度不大的致密带。板状熔岩流在稀疏气孔带下部发育厚度较大的致密带。管状熔岩流由外圈环形柱状节理带和内部自碎角砾核心构成。火山地层单元的形态和叠置关系直接约束了火山岩岩性、岩相和储层在火山地层中的时空分布特征，形成了基性熔岩火山地层内部层状、似层状和交织-透镜状3种孔隙分布模式。该研究可以为利用露头、钻井、地震实现火山地层和储层的精细刻画提供理论依据。

关键词：火山地层；火山地层界面；火山地层单元；叠置关系；火山岩储层

中图分类号：P539          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)01-0149-10

Types, characteristics and reservoir significance of basic lava flow units

YI Jian¹, TANG Huafeng¹, WANG Pujun¹, GAO Youfeng², ZHAO Ranlei¹

(1. College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China;

2. Research Center of Paleontology and Stratigraphy, Jilin University, Changchun 130061, China)

Abstract: Based on profile measurements, the observation of the core samples, the interpretation of detection logging and seismic profiles, three typical fields and wells in Songliao Basin were chosen, and the types, the characteristics and the stacking patterns of the volcanic units were studied. The results show that the basic lava volcanic units can be formed by the diagenesis of solidification with cooling, and can be divided into four types according to their external morphology: the braid lava flow units, the fan-like lava flow units, the tabular lava flow units, and the tube lava flow units. The first three of these lava flow units are formed by the lava effusion on the ground, and the tube lava flow units are formed by the lava flowing along the buried tube underground. The internal structure of the lava flow units can be characterized by the vesicular zones. The braid lava flow units are divided into three parts: the rich vesicular zone on the tope, the spare vesicular zone in the middle, and the base vesicular zone at the base. The fan-like lava flow units have an autoclastic breccia zone on the rich vesicular zone, and a thin dense zone under the spare vesicular zone. The tabular lava flow units have a thick dense zone under the spare vesicular zone. The tube lava flow consists of a loop columnar zone in the outer ring and an autoclastic breccia core. The volcanostratigraphy is built by the stacking of volcanic units, and the spatial and temporal distribution of the lithology, and facies and reservoir are directly controlled by the shape and stacking patterns of lava flow units, and make up three distribution modes of reservoirs: the layered, the quasi layered and the mixed-lenticular. Thus this study may provide theoretic foundation for the final target attempt to define the fine characterization of the volcanostratigraphy using outcrop, well and seismic data.

Key words: volcanostratigraphy; volcanic boundary; volcanic unit; stacking type; volcanic reservoir

火山地层学(volcanostratigraphy)是地层学的分支学科，旨在建立一套专门的术语及其理论体系，以客观反映火山成因序列自身的规律性^[1]。盆地火山地层属于区别于沉积地层的异化地层^[2]，特征与沉积地层迥然不同^[3]，需要将其作为独立的研究对象进行详细研究。露头和盆地研究均表明，无论多么巍峨壮丽的火山景观或多么复杂的盆地埋藏火山，都是由火山地层界面围限的火山地层单元按照一定的叠置关系堆叠形成^[4-5]，因此，本文作者将火山地层界面、火山地层单元和叠置关系称为火山地层的3个基本要素。相对于整个火山地层的复杂性，火山地层单元尺度相对较小，是火山成因序列的基本构成单元，内部结构具有很强的规律性^[6]。通过火山地层单元对火山地层进行分解研究，进而根据单元叠置进行整体认知，可揭示火山地层结构，并从火山地层角度进一步认识火山岩储层发育规律。中国东北地区火山地层发育，中生代火山地层是该区盆地深层的重要储层^[7-9]，新生代火山地层构建了长白山等具有潜在喷发危险的活火山^[10]，火山地层研究具有重要的现实意义。而火山地层单元作为火山地层的基本堆积单元，目前尚缺乏系统性研究，仅少数学者从地质填图角度提及火山地层划分单位^[11-12]，但由于缺少从火山地层角度，以火山地层界面识别为基础的火山地层单元划分方案，导致火山地层单元划分缺乏一致的标准，也缺乏对火山地层单元类型、内部结构和叠置关系的详细研究；黄玉龙等^[13]论述了松辽盆地钻井中基性熔岩流单元，但由于钻井资料的局限性，并未区分类型，也缺乏对火山地层单元的几何形态和空间叠置样式的研究。本文作者精选内蒙古满洲里、五大连池和长白山3个基性火山岩露头区，以及松辽盆地钻遇基性熔岩的典型钻井，通过野外地质观察和测量，钻井岩心观察、测录井和地震解释，研究基性熔岩火山地层单元的类型、特征和地质模式，总结它们的组合规律、叠置关系和孔隙分布特征，并讨论火山地层与岩性、岩相之间的关系。

1  研究素材的选取

野外露头剖面可以提供大量高分辨率的三维地质信息，可详细研究火山成因序列中界面、单元和叠置方式，从而建立地质模式。进一步选取盆地内钻遇厚层基性熔岩的典型钻井，通过与野外剖面建立的地质模式进行类比分析，可进一步认识盆地深层基性熔岩火山地层的结构特征和储层分布特征。

1.1  野外露头剖面的选择

野外剖面选取以基性火山岩出露连续，剖面尺度足够揭示完整的火山地层单元，并存在大量的三维露头为原则，优选内蒙古满洲里呼伦湖西岸、黑龙江五大连池、长白山3个露头区。图1所示为野外研究区和本文涉及的钻井位置图。图1中内蒙古满洲里呼伦湖西岸塔木兰沟组玄武岩时代属中侏罗世末期，岩性主要由橄榄玄武岩、辉石玄武岩和玄武安山岩构成^[14]；黑龙江省黑河市五大连池老黑山玄武岩和吉林省安图县长白山均属于新生代火山岩，五大连池老黑山玄武岩为公元1720~1721年喷发形成^[15]，岩性以高钾碱性玄武岩为主^[16]，由火山渣锥和熔岩流台地构成^[17]；长白山具有早期火山盾、中期造锥、晚期碱性火山碎屑3层建造，玄武岩位于最下部的早期火山盾中，形成时代为中新世到更新世^[18]，岩性以碱性橄榄拉斑玄武岩为主^[19]。

1.2  盆内钻井的选择

松辽盆地徐家围子断陷安达地区基性熔岩发育，并且有多口钻遇基性熔岩的深钻井，钻遇的基性熔岩属下白垩统营城组，与海拉尔盆地塔木兰沟组同属中生代盆地火山岩充填。本文选取X1井进行典型解剖(图1)，通过岩心观察和测录井研究发现，火山地层单元类型和特征与呼伦湖西岸塔木兰沟组露头基性熔岩火山地层单元具有一定的相似性和可比性。

2  火山地层单元地质内涵和类型划分

通过对3个露头剖面区的地质观察，研究火山地层单元与火山地层界面的关系和火山地层单元的构成要素，指出火山地层单元的地质内涵和类型。

2.1  火山地层界面和火山地层单元的关系

火山地层界面是广泛发育在火山岩中的地层界面，可分为喷发整合、喷发不整合、喷发间断不整合、侵入不整合、构造不整合5类^[20]。图2所示为火山地层界面和火山地层单元划分示意图。火山地层中的这些界面代表火山喷发物就位时间存在长短不同的间隔，这些界面可将火山地层分解为多个相对独立的火山岩体(图2)，若这些火山岩体内部不再存在火山地层界面，则基本可认为它们是由连续喷发就位形成的，是火山地层的最小堆积单元。将火山地层中这些连续喷发就位形成的，以火山地层界面作为边界，彼此间相对独立的火山岩体称为火山地层单元。

2.2  火山地层单元的构成要素和类型划分

通过火山岩野外地质观察和测量发现，火山地层单元包括成岩方式、外部形态和内部结构3个构成要素。其中成岩方式(冷凝固结/压实固结)反映了形成火山地层单元的火山喷发方式，冷凝成岩方式由火山喷溢作用形成，而压实成岩方式由火山爆发作用形成。2种成岩方式形成的火山地层单元在特征上具有较大的差异，因此，应首先按成岩方式将火山地层单元分为熔岩型(冷凝固结)、火山碎屑岩型(压实固结)2类。火山地层单元外部形态则反映了岩浆性质、搬运和就位环境等因素^[21]，因此，在成岩方式类型划分的基础上，应根据外部形态进一步分类，其中本文重点讨论的基性熔岩火山地层单元可以根据外部形态分为辫状熔岩流、板状熔岩流、扇状熔岩流、管状熔岩流4种(见图2)，不同类型火山地层单元的内部结构具有一定的差异，反映了挥发分分异等作用。

图1  野外研究区和本文涉及的钻井位置图

Fig. 1  Location of fields and wells used in this study

图2  火山地层界面和火山地层单元划分示意图

Fig. 2  Sketch map of volcanic boundary and volcanic units

3  露头剖面基性熔岩流单元特征和地质模式

在明确火山地层单元地质内涵和类型的基础上，对3个露头区不同类型基性熔岩火山地层单元的外部形态、内部结构和叠置方式进行观察和测量，以探索建立不同类型熔岩流单元的地质模式。

3.1  基性辫状熔岩流单元

基性辫状熔岩流为空间上类似辫状河道状，剖面透镜状的薄层基性熔岩火山地层单元，通过野外露头区辫状熔岩流单元各个方向剖面的测量发现，熔岩流单元厚1~6 m，垂直流向延伸30~100 m，沿流向的延伸距离为100~300 m。典型剖面如图3所示，由喷发整合界面(图3(b))可将玄武岩分割为7个单元(图3(a))，熔岩流单元横截面为透镜状，顶部椭圆状小气孔发育，直径为0.2~1.0 cm，定向排列(图3(b))；中部为圆状气孔，气孔直径为1~2 cm，气孔面孔率较顶部的小(图3(c))；底部发育一薄层椭圆状气孔和管状气孔，气孔面孔率较中部的大，较顶部的小(图3(b))。

3.2  基性扇状熔岩流单元

图4所示为黑龙江省五大连池老黑山玄武岩组中的扇状熔岩流地质特征。五大连池部分基性熔岩流空间几何形态为扇状(图4(a))，根据几何形态将其类型归为基性扇状熔岩流单元。基性扇状熔岩流单元厚度为4~8 m，沿熔岩流方向的延伸距离在200~2 000 m之间，可以分为扇根、扇中和扇端3部分，从扇根到扇端熔岩流单元表面构造存在变化，扇根以绳状熔岩为主(图4(b))，扇中过渡为涌浪状熔岩(图4(c))，扇端主要为渣状和块状熔岩(图4(d))。由于扇根和扇中缺乏出露完整的掌子面，本文仅研究扇端部位的纵向结构构造序列(图4(e))。掌子面观察表明：基性扇状熔岩流扇端部位顶部为渣状/块状熔岩，向下过渡为柱状节理熔岩，过渡带厚度为5~10 cm，柱状节理熔岩上部和中部发育管状气孔，下部气孔逐渐较少，岩石变致密，由于剖面露头情况限制，熔岩流底部特征不清。

图3  辫状熔岩流单元野外地质特征

Fig. 3  Characteristics of basic braid lava flow units in field

图4  黑龙江省五大连池老黑山玄武岩组中的扇状熔岩流地质特征

Fig. 4  Characteristics of basic fan-like lava flow units of Laoheishan Basalt Formation in Wudalianchi, Heilongjiang Province

3.3  基性板状熔岩流单元

基性板状熔岩流为形态近板状的厚层熔岩流，通过野外露头区辫状熔岩流单元测量发现，熔岩流单元厚为7~22 m，延伸距离多超过3 km。典型剖面如图5所示，该剖面中玄武质熔岩流单元横向延伸3 km以上(图5(b))，由喷发整合界面分割为2个板状的火山地层单元(图5(a))，单元1位于界面下部，顶部发育椭圆状小气孔，气孔面孔率较大(图5(c))，向下气孔变大，最大直径超过10 cm，气孔形态变为圆状，气孔面孔率较顶部的小，再向下部气孔逐渐消失(图5(d))，该单元未出露底界面。单元2位于界面上部，最下部发育一层厚度不大的层节理(图5(a))，向上岩性致密，发育柱状节理(图5(a))。

3.4  基性管状熔岩流单元

厚层基性熔岩表面冷凝后，内部未冷凝部分持续流动形成延伸可达数百千米级别的管状的岩浆供给通道^[22]，岩浆供给通道内最后1期熔岩冷凝后形成几何形态为管状的熔岩流，即管状熔岩流。长白山地区和龙市崇善镇军舰剖面中见典型管状熔岩流掌子面，图6所示为基性管状熔岩流野外地质实例。该管状熔岩流剖面为圆形，发育于柱状节理玄武岩中，与柱状节理玄武岩间由喷发不整合界面分割，界面表现为环形柱状节理与围岩产状角度相交，并发育冷凝边和烘烤边。该熔岩流单元外缘发育环形柱状节理，向内部过渡为玄武质角砾岩。

4  基性熔岩火山地层单元组合规律和叠置关系

通过对露头区基性熔岩火山地层单元进行研究，总结4种类型火山地层单元的三维地质模式，包括形态、规模、叠置方式、内部结构、面孔率特征5个方面，图7所示为基性熔岩火山地层地质模式。在实际应用中，可根据某一维度或某一些方面的信息(如熔岩流的厚度或孔-缝结构)，判断熔岩流单元的类型、三维空间的展布、叠置方式和孔隙分布等。

4.1  形态、规模和叠置方式

基性辫状熔岩流、扇状熔岩流、板状熔岩流、管状熔岩流中前3种为熔浆地表溢流形成，形态由辫状到扇状再到板状的变化过程中，熔岩流的厚度、横向和纵向延伸规模也相应地逐渐增大，反映了岩浆流量的增加，叠置方式由交织叠置逐渐变为层状叠置；管状熔岩流则由地下潜流形成，其规模受岩浆供给通道约束。

图5  基性板状熔岩流野外地质实例

Fig. 5  Characteristics of basic tabular lava flow units in field

图6  基性管状熔岩流野外地质实例

Fig. 6  Characteristics of basic tube lava flow unit in field

4.2  内部结构

基性熔岩流单元内部结构可用不同的孔-缝带进行表征，表1所示为孔-缝带构成要素。总结4种基性熔岩流单元的孔-缝带发育模式(见图7)，其中辫状熔岩流、扇状熔岩流和板状熔岩流共同点是均发育泡沫状气孔带、稀疏气孔带，不同点是扇状熔岩流顶部发育自碎角砾岩带，并且从辫状熔岩流到板状熔岩流，随着熔岩流单元厚度逐渐增加，致密带厚度不断增加。管状熔岩流与前3种类型熔岩流特征差别较大，呈环状圈层结构，可分为外圈环形柱状节理带和内部角砾核心。

4.3  面孔率特征

火山岩中具有孔隙和裂缝才能形成有效储层，因此，火山地层单元的面孔率可以一定程度上反映火山岩的储层特征。总结4种火山地层单元的面孔率特征(见图7)，从辫状熔岩流到板状熔岩流，单元顶部面孔率均较高，向下降低，但辫状熔岩流面孔率均在5%以上，扇状熔岩流和板状熔岩流中下部面孔率在5%以下。管状熔岩流单元外圈面孔率高，核心面孔率低，但下降的幅度不大。

表1  孔-缝带构成要素

Table 1  Elements of pore-fissure zone

图7  基性熔岩火山地层地质模式

Fig. 7  Model of basic lava flow units

5  盆地基性熔岩火山地层单元

对于松辽盆地深层大面积的埋藏火山岩而言，由于只能通过钻井、地震反射等有限的信息对它们进行认识，因此其精细刻画更需要地质模式的支撑。本文选择松辽盆地典型钻井进行解剖，通过钻井揭示的熔岩火山地层单元与野外剖面建立的地质模式类比分析，实现盆内火山地层的刻画，并在此基础上研究孔隙的空间分布特征。

5.1  火山地层单元的井-震刻画

图8所示为盆地基性熔岩火山地层单元划分实例。通过对火山地层界面的测井识别(喷发不整合和喷发整合界面在钻井上通常表现为电阻率、声波和密度曲线的陡坎状突变，界面附近蚀变可形成自然伽马曲线的指状突变)，将徐家围子断陷X1井中的基性熔岩划分为12个基性熔岩流单元，结合岩心观察和测录井，对这些火山地层单元的孔隙结构进行刻画，据此可对X1井熔岩流单元类型进行划分(图8(a))。

图8(b)所示为过X1井东西向地震剖面，过X1井上部的地震反射同相轴为较为连续的平行反射，提示波阻抗界面为稳定层状，火山地层单元的厚度稳定，侧向延伸较远，符合板状熔岩流的特征；过X1井下部地震反射同相轴为断续的波状反射，提示波阻抗界面不稳定，说明熔岩流侧向延伸较近，符合辫状熔岩流的特征。同相轴连续性上应介于两者之间的应解释为扇状熔岩流单元。

5.2  孔隙空间分布特征及与火山地层单元的相关性

基于X1井火山地层单元解释和测井孔隙度资料、过井地震解释和基性熔岩火山地层单元地质模式，制作了玄武岩火山地层结构和孔隙度分布特征示意图，如图9所示，图中：T₄为营城组顶面；T₄₁为营城组底面。从图9可知：基性熔岩火山地层中孔隙的分布主要有3种模式：1) 层状孔隙带，孔隙度在5%~10%之间的孔隙带与孔隙度小于5%的致密带相间分布，成因为板状熔岩流单元纵向叠置；2) 交织-透镜状孔隙带，孔隙度在10%~15%之间的孔隙带交织状分布，孔隙度在5%~10%之间的孔隙带呈透镜状分布，基本不发育致密带，成因为辫状熔岩流单元交织状叠置；3) 似层状孔隙带，为前2种的过渡类型，由扇状熔岩流单元侧向叠加形成。通过这3种孔隙带发育模式可以发现，辫状熔岩流单元叠加后孔隙发育较为集中，对形成优质储层较为有利。

图8  盆地基性熔岩火山地层单元划分实例

Fig. 8  Depiction example of basic lava flow units in basin

图9  玄武岩火山地层结构和孔隙度分布特征示意图

Fig. 9  Sketch map of structure of basic volcanostratigraphy and distribution of porosity

6  讨论

6.1  岩性、岩相和火山地层研究的互相关系

松辽盆地火山岩研究中，岩性、岩相的研究相对较为成熟，这里探讨一下岩性、岩相与火山地层，特别是本文所探讨的火山地层单元之间的关系。岩性指反映岩石特征的一些属性，如颜色、成分、结构、构造、胶结物及胶结类型、特殊矿物等；岩相反映的是火山岩形成方式的总和，包括火山物质的喷发类型、搬运方式和就位环境与状态^[23]；而火山地层研究的是火山岩的纵向序列和横向对比关系。对于它们之间的互相关系，本文认为岩性是物质，岩相是成因，而火山地层则是不同岩性、不同岩相火山岩之间的互相关系(即等时格架)。

6.2  火山地层研究对盆地火山岩研究的促进作用

火山地层单元作为由火山地层界面围限的最小成因单元，约束了内部岩性、岩相(特别是亚相)的空间分布，并通过自身的叠置控制了岩性、亚相的空间叠置关系。因此在岩性、岩相研究的基础上，进一步识别火山岩内部的火山地层界面，划分火山地层单元，研究叠置关系，有助于探索岩性、岩相(特别是亚相)在火山地层中的时空分布规律。另外，不同类型的火山地层单元也是由特定的喷发、搬运和就位方式形成，其本身和叠置后也具有相的含义，因此对火山地层单元的详细刻画和研究，也有助于对火山岩喷发、搬运和就位条件的深入认识。

7   结论

1) 火山地层单元是指连续喷发就位形成的，以火山地层界面作为边界，彼此间相对独立的火山岩体。基性熔岩火山地层单元根据外部形态分为辫状熔岩流、板状熔岩流、扇状熔岩流、管状熔岩流4种。

2) 火山地层单元内部岩石结构构造可用孔-缝带进行表征，辫状熔岩流纵向序列从上到下通常由泡沫状气孔带、稀疏气孔带构成。随着流动单元厚度增加，扇状熔岩流和板状熔岩流逐渐发育致密带。管状熔岩流为环状圈层结构，由外圈环形柱状节理带和内部角砾核心构成。

3) 基性熔岩火山地层中受不同类型单元叠置的影响，主要存在3种孔隙分布模式：板状熔岩流纵向叠置形成的层状孔隙带；辫状熔岩流交织叠置形成的交织-透镜状孔隙带；由扇状熔岩流侧向叠置形成的似层状孔隙带。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2014-12-10；修回日期：2015-02-10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41472304)；国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2012CB822002，2009CB219303) (Project(41472304) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2012CB822002, 2009CB219303) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

通信作者：唐华风，副教授，从事火山岩储层和火山地层学研究；E-mail: tanghfhc@jlu.edu.cn