火山口堆积及其相模式:以松辽盆地白垩系营城组为例
沈艳杰，程日辉，王腾飞，于振锋
(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061)
摘要：松辽盆地东南缘露头区出露白垩系营城组火山口堆积，火山碎屑堆积特征显示，营城组时期火山活动具有阶段性，营1段时期为酸性岩浆活动期，营2段时期为火山活动间歇期，营3段时期先后有中基性岩浆和酸性岩浆活动发生。恢复火山口堆积岩性的时间先后和空间位置关系，建立火山口堆积相模式。研究结果表明：营一段时期火山活动以岩浆含气量大的喷发为特征，喷发分4个阶段，即蒸汽喷发—蒸汽岩浆喷发—岩浆喷发—火山活动期后的岩浆侵出/侵入活动。营3段火山活动分为早-中期的中基性岩浆喷发和晚期的酸性岩浆的侵入/侵出：那中基性岩浆喷发活动包括产生火山弹的“爆炸”式岩浆喷发—“爆炸”式向“喷溢/溢流”式岩浆喷发的过渡—“喷溢/溢流”式岩浆喷发—“爆炸”式岩浆喷发4种形式；酸性岩浆的侵入/侵出活动包括岩浆侵入围岩引起隐爆—岩浆侵出导致形成柱状节理岩穹2个阶段。
关键词：火山口；火山碎屑岩；相模式；营城组；松辽盆地
中图分类号：P586；P588.14；P588.21+1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)06-2006-08
Pyroclastics deposition and its facies model of crater: An example from Yingcheng formation in Songliao basin, Cretaceous, NE China
SHEN Yanjie, CHENG Rihui, WANGTengfei, YU Zhenfeng
(College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China)
Abstract: Crater depositions of Yingcheng formation outcropped in the outcrop area in the southeast margin of Songliao Basin, Cretaceous, NE China. Sedimentation characteristics show that the volcanic activity of Yingcheng formation occurred in stages. Main are the acidic magma activated in the first member of Yingcheng formation, and the volcano inactivity period in the second member of Yingcheng formation, however, the intermediate-basic magma activated firstly, and then the acidic magma activated in the third member of Yingcheng formation. The relationship of chronological order and spatial position of the crater deposition was restored, and based on those studies the facies models of the crater deposition were established. The results show that, the volcanic activity characteristics are that a mass of gas was produced in the process of volcanic eruption in the first member of Yingcheng formation. The volcanic eruption process consisted of four stages, i.e., steam explosion – steam magma eruption-magmatic eruption-magmatic extrusive/magmatic intrusive after the volcanic activity. The intermediate-basic magma eruption in the early stage, and the acidic magmatic intrusive/magmatic extrusive activity in the late stage both composed the volcanic activity in the third member of Yingcheng formation. Intermediate-basic magma activities were composed of 4 forms: “Explosive” type magmatic eruption with volcanic bombs produced-transition from “Explosive” type magmatic eruption to “Effusive/overflow” magmatic eruption-“Effusive/overflow” type magmatic eruption-“Explosive” type magmatic eruption. The acidic magmatic intrusive/magmatic extrusive activity is composed of the county rock cryptoexplosion caused by magmatic intrusive activity and columnar joints dome were generated by the magmatic extrusive activity.
Key words: crater; pyroclastic rock; facies model; Yingcheng formation; Songliao basin
图1所示为松辽盆地东南缘露头区白垩系营城组火山口分布图。松辽盆地白垩系营城组时期火山活动频繁。火山活动不但产生大量的熔岩，也产生数量不等的火山碎屑堆积[1]。火山喷发类型不同，其剧烈程度、火山碎屑物质种类和数量都不尽相同。但火山环境基本都由火山口、火山斜坡和过渡环境组成[2-3]。尤其是中心式喷发常形成层状圆锥形火山口—火山斜坡堆积。Howel Williams与Jaggar按成因将火山口分为3类[4]：(1) 喷发火山口，单纯因喷发形成；(2) 沉降火山口，单纯因沉降形成；(3) 复式火山口，喷发后沉降所形成。在现代火山岩区内，火山口堆积常常发育较完全的火山岩-火山碎屑岩堆积序列[5]。在盆地内随地层埋深、压实，再抬升而被剥蚀，出露地表的火山岩堆积，往往呈现不完整的堆积序列[6]。在松辽盆地东南缘露头区营城组1段和营城组3段有多处火山口堆积的岩性序列出露[7-8](图1)，常见的充填方式有2种：(1) 火山活动晚期侵入/侵出充填，火山口周围常有集块和角砾级火山碎屑堆积，有时发育隐爆角砾岩；(2) 火山柱垮塌充填，常见集块、角砾和火山凝灰，有时呈现正粒序。
火山碎屑在空间位置的堆积(火山口-近火山口火山碎屑堆积)与火山机构形式多样，不但反映火山活动的性质与剧烈程度，同时也反映火山岩相分布规律[9-11]。以岩性识别为基础，对岩相分布规律的正确认识是油气储层准确预测的重要前提[12-13]。作者对松辽盆地东南缘营城组露头的火山机构堆积进行恢复，推演火山活动过程，建立松辽盆地白垩系营城组火山机构发育的相模式。
图1 松辽盆地东南缘露头区白垩系营城组火山口分布图
Fig. 1 Map of crater position of Yingcheng formation in southeastern of Songliao basin, Cretaceous, NE China
1 岩石类型
图2所示为松辽盆地东南缘露头区营城组1段和3段岩石TAS图解。样品来自研究区营城组1段和3段火山口堆积，主要元素分析采用定熔法和X荧光光谱分析法。图2显示：研究区28件岩石样品有半数以上落入流纹岩成分分区，少数样品落入粗面岩、安山岩和玄武质粗面安山岩成分分区。表明营城组一段岩石样品均为流纹质岩石，营城组3段岩石样品一部分为流纹质岩石，另一部分为安山质-玄武质岩石。
图2 松辽盆地东南缘露头区营城组1段和3段岩石TAS图解
Fig. 2 TAS diagram of rocks of member 1st and 2nd of Yingcheng formation in outcrop area in southeast margin of Songliao basin
2 岩性岩相序列
保存于地层中的火山口堆积，往往在火山喷发过程中，受爆炸的破坏以及后期火山口塌陷的影响，火山口顶部中心部位的碎屑堆积略微呈现混乱状态[14-16]，而火山口越向深部则越呈现一定的规律性。对火山口堆积岩石序列进行研究，依据岩性的空间分布和发育的先后关系可以将其恢复到未塌陷之前的相对有序的堆积状态，因此恢复后的岩性序列将显示火山口原始堆积特征，反映火山活动的性质。作者对松辽盆地东南缘露头区出露的白垩系营城组1段和营城组3段火山口堆积序列进行研究，结果显示，研究区发育3类火山口堆积类型，第1类是以酸性火山碎屑岩、碎屑熔岩和熔岩堆积为主的火山口堆积类型，由酸性岩浆参与的火山喷发活动形成，发育于营城组1段；第2类是以中性-基性火山碎屑岩和熔岩为主的火山口堆积类型，由中性-基性岩浆参与的火山活动形成，发育于营城组3段；第3类是以酸性熔岩堆积为主的火山口堆积类型，无火山碎屑产生，由酸性岩浆侵出作用形成。
2.1 酸性火山口堆积(K1y1)
图3所示为松辽盆地营城组1段火山口堆积。研究区出露的营城组1段酸性火山碎屑岩和熔岩，在空间上表现为，各种岩石类型呈现略微混杂堆积，发育的岩性有珍珠岩(图3(c))、火山角砾岩(图3(d)，3(e))、火山角砾熔岩(图3(a)，3(b))、火山角砾岩和层状凝灰岩(图3(f))。对营城煤矿火山口堆积露头剖面进行测量，并且恢复堆积的各种岩性在空间上的相对位置关系。图4所示为松辽盆地营城组1段火山口堆积。由图4可见：剖面从左到右堆积岩性依次为：表面覆盖的第四纪沉积物，层状晶屑凝灰岩，火山角砾岩，火山角砾熔岩，珍珠岩，隐爆角砾岩，火山角砾熔岩，层状晶屑凝灰岩，表面覆盖的第四纪沉积物。
图5所示为松辽盆地营城组1段火山口堆积恢复。由图5可见：剖面中心位置发育浅粉色珍珠岩，向两侧过渡为浅灰色火山角砾岩、浅灰色/灰绿色火山角砾熔岩，火山角砾岩上覆为灰白色隐爆角砾岩，顶部岩性为成层性较好的浅灰色晶屑凝灰岩，并夹有薄层的流纹质熔岩层。层状凝灰岩在剖面的两侧(近火山口)顶部位置堆积较厚，且岩石堆积成层性好，发育平行层理、波状层理。后期的剥蚀作用导致在剖面中心顶部晶屑凝灰岩层不发育，表面覆盖有第4纪沉积物。
图3 松辽盆地营城组1段岩性图版
Fig. 3 Lithologic plate of 1st member of Yingcheng formation in Songliao basin
图4 松辽盆地营城组1段火山口堆积
Fig. 4 Crater deposition of 1st member of Yingcheng formation in Songliao basin
图5 松辽盆地营城组1段火山口堆积恢复
Fig. 5 Rebuild of crater deposition of member 1st of Yingcheng formation in Songliao basin
图6所示为松辽盆地营城组1段火山口岩性柱状图。依据研究区营城煤矿火山口堆积岩性的空间位置判断，火山口堆积具有较好的对称性(图6)，这种对称性不但符合火山口堆积的特征，同时也说明了火山碎屑的相对形成时间先后。从火山口堆积的中心向两侧依次为珍珠岩—火山角砾熔岩—凝灰质火山角砾岩—隐爆角砾岩—层状晶屑凝灰岩，这种顺序反映了火山活动过程中，火山碎屑物质的堆积特征。堆积序列的底部为粒度级别较大的集块岩和火山角砾岩，集块与角砾之间有少量的凝灰和炸裂的晶屑(长石、石英)填充，是火山活动初期的产物；堆积序列的中部是层状凝灰岩，这一阶段岩浆爆发，快速脱气引起爆炸作用，碎屑随气体喷出，产生大量的围岩岩屑、浆屑、晶屑、玻屑和火山凝灰，并夹熔岩层(图6)，岩层堆积呈现平行层理、粒序层理构造；堆积序列的上部珍珠岩和隐爆角砾岩，这一阶段为岩浆的侵出活动导致围岩炸裂和形成珍珠岩岩穹。
图6 松辽盆地营城组1段火山口岩性柱状图
Fig. 6 Lithological column of crater of member 1 of Yingcheng formation in Songliao basin
2.2 中-基性火山口堆积(K1y3)
研究区营城组3段堆积以含火山弹的火山集块岩、火山角砾岩和熔岩的互层为总体特征，缺少凝灰级火山碎屑岩(或凝灰岩量比较少，被集块岩“淹没”)。堆积岩性主要为集块岩、熔结集块岩、集块熔岩、角砾熔岩、火山角砾岩、酸性熔岩和中基性熔岩。对石场村出露的火山口堆积露头剖面进行测量，恢复火山口堆积岩性的空间相对位置关系。图7所示为松辽盆地营城组3段火山口堆积，图8所示为松辽盆地营城组3段火山口堆积恢复。由图7可见：露头剖面岩性以玄武质安山岩与安山质集块岩的互层堆积为主，堆积相对有序，露头剖面从右到左(代表地层从下到上)的岩性堆积依次为：块状玄武岩，安山质集块岩，块状玄武岩，安山质集块岩，顶部发育流纹质隐爆角砾岩和柱状节理流纹岩。并且剖面从底部到顶部不同程度的发育火山弹，火山弹岩性为气孔粗面安山岩，表明火山喷发初期有熔岩块或火山渣形成。
图7 松辽盆地营城组3段火山口堆积
Fig. 7 Crater deposition of 3rd member of Yingcheng formation in Songliao basin
图8 松辽盆地营城组3段火山口堆积恢复
Fig. 8 Rebuild of crater deposition of member 3rd of Yingcheng formation in Songliao basin
对露头剖面的岩石组合及成因进行分析，结果显示，研究区营城组3段火山口堆积可划分为2种岩浆参与的4种火山活动成因类型，图9所示为松辽盆地营城组3段火山口岩性柱状图。
第1类：爆炸-喷溢组合的火山喷发类型。
堆积序列底部的1~6层为爆炸阶段，以含火山弹为主要特征；堆积序列下部的7~10层为喷溢阶段，其中7层以含火山集块熔岩堆积为主，是火山喷发的继续，8~10层为熔岩堆积，为宁静溢流型岩浆活动形成的玄武岩。
第2类：爆炸-溢流组合的火山喷发类型。
堆积序列中部的11层为爆炸阶段，是以产生大量火山集块为特征的火山喷发；堆积序列中部的12层为溢流阶段，以岩浆的宁静溢流为特征，形成玄武岩浆的火山喷发。
第3类：爆炸火山喷发类型。
堆积序列中部的13层为爆炸阶段，这一阶段的火山喷发性质并未改变，依旧是沿袭“喷溢/溢流”之后的“爆炸”火山喷发类型。
第4类：岩浆的侵出作用阶段。
堆积序列上部的14层是爆炸之后的岩浆相对安静阶段的产物，与之前的“爆炸-喷溢/溢流”相比，火山作用形式没有发生大的改变化，但岩浆性质发生变化变，由中基性岩浆转变为酸性岩浆。这一阶段流纹质岩浆以相对安静的侵出形式，使围岩隐爆，形成隐爆角砾岩，堆积序列上部的15层为泥石流堆积，与14层的侵出作用为同期；堆积序列上部的16层为酸性岩浆的侵出的产物，形成柱状节理流纹岩。
图9 松辽盆地营城组3段火山口岩性柱状图
Fig. 9 Lithological column of crater of member 3rd of Yingcheng formation in Songliao basin
3 相模式
研究区营城组1段和3段发育的火山口堆积序列显示，营一段岩浆活动为酸性，以生成大量火山凝灰的爆炸型火山活动为主；营3段早期-中期火山活动的岩浆为中基性，晚期为酸性。本文分别建立研究区内出露的这2类火山口堆积的相模式。
3.1 酸性岩浆活动火山口
图10所示为松辽盆地营城组一段火山口堆积相模式。研究区出露的营城组1段火山口堆积为酸性岩浆活动形成的火山口堆积，其形成过程分为4个阶段(图10)：
(1) 第1阶段：蒸汽爆发，形成集块岩、火山角砾岩和斜坡层状凝灰堆积。在火山爆发初期，火山口内蓄积的大量气体猛烈的冲出火山口，将围岩炸裂，产生大量的围岩集块和火山角砾，由于自身质量较大，因此这些火山碎屑主要堆积在火山口周围，形成堆积序列底部的集块岩和火山角砾岩(图9)。在近火山口-火山斜坡位置有少量以基浪和空落形式堆积的集块和火山角砾，大量的以基浪形式堆积的火山凝灰。这部分堆积中有少量的凝灰和炸裂的晶屑。
(2) 第2阶段：蒸汽岩浆爆发，形成角砾熔岩和斜坡层状凝灰岩堆积。在火山爆发初期大量气体喷出火山口之后，紧接着是含气量高的岩浆的喷出。气体的喷出和岩浆的快速脱气，在火山口形成一定程度的爆炸作用，碎屑(围岩碎屑、岩浆碎屑)随气体喷射出火山口，大部分集块和角砾级碎屑(包括碎屑柱垮塌形成的回填火山碎屑)堆积于火山口，少部分粗碎屑(粒径＞2 mm)以空落形式落入沿地面流动的熔岩流中(图10)，另有部分高度炸裂的细碎屑以热基浪、热碎屑流的形式搬运，堆积于火山斜坡—过渡环境，或随空气飘远，空落堆积于沉积环境。这部分岩石组分中，有大量围岩岩屑、浆屑、晶屑和玻屑。
(3) 第3阶段：岩浆爆发，形成层状凝灰岩夹熔岩层堆积。剧烈的蒸汽爆发-蒸汽岩浆爆发之后，这一阶段主要为岩浆爆发。而之前爆炸产生的细粒(粒径＜2 mm)火山碎屑开始大量的降落，包括空落的火山碎屑柱顶部气浪中裹挟的犀利火山凝灰和火山碎屑柱垮塌形成的细粒部分。表现为火山口-火山斜坡堆积大量的层状堆积的火山凝灰，堆积中夹熔岩层(图9)，岩层呈现平行层理、粒序层理构造。
(4) 第4阶段：火山活动期后的岩浆活动，形成珍珠岩和隐爆角砾岩。在爆发结束之后，岩浆的侵出作用发生，在火山口形成珍珠岩岩穹。侵出作用以及前期的爆炸均可导致火山通道的围岩或火山口中先期形成的熔岩发生隐爆，形成隐爆角砾岩。本区出露的火山口堆积中的珍珠岩与隐爆角砾岩均为流纹质岩石(图10)。
图10 松辽盆地营城组1段火山口堆积相模式
Fig. 10 Facies model of crater deposition of member 1st of Yingcheng formation in Songliao basin
3.2 中-基性火山口
研究区出露的营城组3段火山口堆积序列的中下部发育中性-基性岩石，而堆积序列的上部发育酸性岩石，表明火山活动分为2个阶段，并且2个阶段的岩浆性质发生了变化。第1阶段是中性-基性岩浆参与的火山爆发/喷发活动，为初始火山口形成阶段；第2阶段是酸性岩浆参与的火山喷发/喷溢活动，为后期岩浆活动在破火山口—火山通道中的侵出作用。
(1) 第1阶段：中性-基性岩浆参与的火山爆发阶段。此阶段发育2种火山爆发类型，一种是相对猛烈的“爆炸”式喷发，另一种是相对安静的“喷溢/溢流”式喷发，图11所示为松辽盆地营城组3段火山口堆积第1阶段相模式。在同一火山旋回时限内的一个岩浆活动期次中，2种喷发类型交替发生，反映了火山活动从强到弱的过程，形成了集块、角砾级的中基性火山碎屑岩与中基性熔岩互层的火山口堆积序列。本阶段还可以细分为以下4个次级的“火山期次”。
阶段1-1：火山活动以猛烈的“爆炸式”爆发开始，形成含火山弹的集块、角砾级中基性火山碎屑堆积，由于此阶段爆炸过程中岩浆快速脱气，火山弹均发育大量气孔。
阶段1-2：猛烈的“爆炸式”爆发向相对宁静的“喷溢式”喷发过渡，反复交替的“爆炸”与“喷溢”形成了中基性火山集块岩、火山角砾岩与集块熔岩互层的堆积序列。
图11 松辽盆地营城组3段火山口堆积第1阶段相模式
Fig. 11 Facies model of crater deposition of member 3rd of Yingcheng formation in Songliao basin(stage 1)
阶段1-3：宁静的“喷溢式”火山喷发，形成以玄武岩为主的熔岩堆积。
阶段1-4：又一次猛烈的“爆炸式”爆发开始，形成含火山弹的集块、角砾级中基性火山碎屑堆积。
(2) 第2阶段：酸性岩浆参与的火山喷发阶段。研究区出露的营城组3段火山口堆积的上部序列为柱状节理流纹岩，表明这一阶段火山活动以相对宁静的岩浆侵入和侵出形式为主。岩浆作用形式不同，产物也各有特色，根据火山碎屑岩和熔岩堆积序列可将岩浆活动分为以下3个作用时期，图12所示为松辽盆地营城组3段火山口堆积第2阶段相模式。
阶段2-1：流纹质岩浆沿火山通道侵入围岩，使先期形成的围岩发生隐爆，形成流纹质隐爆角砾岩。在隐爆角砾岩形成的同时和形成之后，火山口-近火山口有滑塌成因的火山泥石流发育，形成以隐爆角砾岩为主要碎屑物的流纹质角砾岩堆积；
阶段2-2：流纹质岩浆继续活动侵出火山口，形成以火山通道为中心的流纹岩岩穹，岩浆活动结束，岩穹温度逐渐降低，由于岩穹表面与内部的不等速降温，使岩穹收缩不均匀形成柱状节理；
阶段2-3：岩穹降温过程结束，冷凝固结的柱状节理流纹岩由于出露地表，而遭受风化剥蚀作用，呈现现今的低缓角度的发散状产状。
图11 松辽盆地营城组3段火山口堆积第2阶段相模式
Fig. 11 Facies model of crater deposition of member 3rd of Yingcheng formation in Songliao basin(stage 2)
4 结论
(1) 松辽盆地东南缘露头区出露的营城组1段和营城组3段发育火山口堆积，参与火山活动的岩浆性质有酸性(营城组1段和营城组3段晚期)和中基性(营城组3段早期-中期)。
(2) 研究区营城组1段火山喷发分为4个阶段：蒸汽喷发—蒸汽岩浆喷发—岩浆喷发—火山活动期后的岩浆侵入/侵出作用。
(3) 研究区营城组3段火山活动分为２个阶段：① 早-中期的中-基性岩浆喷发阶段，即产生火山弹的“爆炸”式喷发—“爆炸”式向“喷溢/溢流”式的过渡 —“喷溢/溢流”式喷发—“爆炸”式喷发；② 晚期的酸性岩浆的侵入/侵出阶段，即岩浆侵入导致围岩隐爆—岩浆侵出形成流纹岩岩穹。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2013-08-06；修回日期：2013-11-16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40972074，41202085)
通信作者：程日辉(1963-)，男，吉林德惠人，博士，教授，从事沉积学和石油地质学研究；电话：0431-88502620；E-mail：Chengrh@jlu.edu.cn
