伍宏美，陳亞軍，孟朋飛，馬強，宋小勇，何興華，于家義，何伯斌

1.北京中科聯(lián)華石油科學研究院，北京 100101

2.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆哈密 839009

3.中國石油玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅酒泉 735019

4.中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室，貴陽 550081

5.中國科學院大學，北京 100049

0 引言

近年來，火山巖作為一類非常規(guī)油氣儲層及新的油氣勘探領域，在國內外取得了一系列較為重要的油氣發(fā)現(xiàn)，表明其中蘊藏著豐富的油氣資源。對我國已發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的火山巖油氣田統(tǒng)計表明，從基性的氣孔、碎裂玄武巖[1-5]，到中性的自碎、氣孔—杏仁狀安山巖[1-4,6]和氣孔或多孔熔渣（堿性）粗面巖[1-4,7]，再到酸性的流紋巖[1-4,8-9]，以及凝灰?guī)r、火山角礫巖[1-4,10-12]和沉凝灰?guī)r[13]，都能作為有效的儲集巖類。諸多學者研究認為風化淋濾作用[14-16]、火山巖巖相[17-18]及成巖作用[19-21]是控制儲層發(fā)育形成的關鍵，但這些認識多以陸上噴發(fā)沉積形成的火山巖儲集層為研究對象，卻很少關注或重視過水下噴發(fā)水下沉積的火山巖儲集體。陸上與水下兩種不同沉積環(huán)境形成的火山巖儲集體的儲集空間類型、特征，以及發(fā)育機理大相徑庭[19]，油氣成藏規(guī)律[22]以及對優(yōu)質烴源巖[23]形成的影響亦差異巨大；因此，準確判別火山噴發(fā)沉積古地理環(huán)境是火山巖油氣儲層評價研究的一項重要依據(jù)。陸上與水下由于氧含量的原因[24-25]，火山巖中變價元素鐵的氧化物含量（Fe2O3、FeO）及其比值（Fe2O3/FeO、Fe2O3/Fe2O3+FeO）不同；陸上地表氧化環(huán)境使得低價態(tài)鐵（Fe2+）易氧化為高價態(tài)鐵（Fe3+），表現(xiàn)為Fe2O3較為富集的特征；水下還原環(huán)境使得低價態(tài)鐵（Fe2+）難以被氧化，表現(xiàn)為FeO含量較高的特征[24-27]。誠然，影響火山巖Fe2O3、FeO 含量的不只是火山噴發(fā)沉積古地理環(huán)境，還有巖漿性質（酸度）[28-29]、風化淋濾作用[14-16]、成巖溶蝕蝕變作用[30-31]、構造背景[32-33]等因素。因此，運用火山巖氧化系數(shù)來判別火山噴發(fā)沉積古環(huán)境時，需要對這些干擾因素進行合理校正或規(guī)避，這不僅是火山巖巖石化學特征方面研究的熱點，更是難點。

研究使用Fe2O3/FeO和Fe2O3/（Fe2O3+FeO）作為火山巖氧化系數(shù)，在充分考慮前述幾項關鍵影響因素下，改進了傳統(tǒng)意義上基于火山巖氧化系數(shù)的噴發(fā)環(huán)境判別圖，并對判識結果的準確性做了檢驗與評估分析。以新疆東疆地區(qū)三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖為應用實例，應用改進的圖版對上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）和哈爾加烏組（C2h）火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境進行了判別，并與前人基于該區(qū)火山巖共生巖石與化石組合、風化殼等有效判別依據(jù)得到的結果對比檢驗。研究豐富了含油氣盆地火山巖儲層評價地質理論，改進的方法和形成的圖版，為火山巖噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的判定提供了一種更為科學合理的方法。

1 火山巖氧化系數(shù)的計算方法及影響因素

1.1 火山巖氧化系數(shù)常見的幾種計算方法

火山巖氧化系數(shù)常見的計算方法和表達方式眾多：Rittmann[34]在火山巖的穩(wěn)定礦物組合研究中將氧化度用OX＝Fe3+/(Fe3++Fe2++Mn)（原子數(shù)）來表示，Le Maitre[28]在幾種常見火山巖的化學變化研究中用FeO/（FeO+Fe2O3）（百分重量比值）表示氧化率，邱家驤[24]在火山巖中Fe2O3、FeO 的調整與方法研究中指出Fe2O3/FeO 比值是反應火山巖氧化程度的常用參數(shù)，可稱為氧化系數(shù)、氧化度、氧化率等。黃劍霞[35]在廈門港灣氧化—還原沉積環(huán)境的劃分研究中，以Fe3+/Fe2+比值0.8、1.0和1.5為界，將0.8以下劃為強還原環(huán)境區(qū)，1.5 往上劃為強氧化環(huán)境區(qū)，0.8~1.0 和1.0~1.5 之間為弱還原環(huán)境、弱氧化環(huán)境區(qū)；單玄龍等[23]據(jù)此劃分標準，計算分析松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖氧化比（Fe2O3/FeO）均低于0.8，推測該區(qū)火山巖成巖過程中可能受到水下強還原環(huán)境的影響。李明連等[26]在巖漿的氧逸度與巖石的氧化系數(shù)研究中，指出巖石的氧化系數(shù)（K）是一個可用以反映巖石形成時氧化還原環(huán)境條件的參數(shù)，有2種計算方式：1）K＝Fe3+/（Fe3++Fe2+）；2）K＝Fe2O3/（Fe2O3+FeO）；何衍鑫等[36]據(jù)此表達式計算分析了準噶爾盆地西北緣下二疊統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境。

盡管火山巖氧化系數(shù)計算表達式多樣，但都遵循化學平衡原理（與化學反應有關）。單玄龍等[23]運用黃劍霞[35]提出的傳統(tǒng)判識方法，認為火山巖Fe2O3/FeO比值在0.8以上為陸上沉積，其下為水下沉積；何衍鑫等[36]運用李明連等[26]提出的K=Fe2O3/（Fe2O3+FeO）參數(shù)，計算得出陸上、水下兩種不同沉積環(huán)境下基性到酸性火山巖的氧化系數(shù)最值；前者劃分沒有考慮巖漿性質（酸度）、風化淋濾作用、埋藏溶蝕蝕變作用、構造背景等影響因素，后者雖然考慮了部分影響因素，但圖版建立時獲取的數(shù)據(jù)較少，且對圖版判識結果的準確性未做檢驗與評估分析，是否具有普遍適用意義有待商榷。為提高判別結果的科學性和準確性，研究使用Fe 的不同價態(tài)氧化物質量分數(shù)之比來計算火山巖氧化系數(shù)；采用黃劍霞[35]、李明連等[26]的定義和計算方式，沿用Rittmann[34]提出的代號，記作為OX，即OX1＝Fe2O3/FeO，OX2＝Fe2O3/（Fe2O3+FeO）。

1.2 火山巖氧化系數(shù)的影響因素及校正思路

1.2.1 影響火山巖氧化系數(shù)的因素

火山噴發(fā)沉積環(huán)境介質（空氣和水），巖漿性質（酸度），風化淋濾作用，埋藏溶蝕蝕變作用，構造環(huán)境等均可能對火山巖氧化系數(shù)造成影響。

噴發(fā)沉積環(huán)境介質（空氣和水）：海水（湖水）中含氧量遠遠低于陸上空氣介質，因此，水下沉積保存的火山巖，通常以FeO>Fe2O3為特征；且水體越深，還原性越強，巖石氧化系數(shù)[Fe2O3/FeO、Fe2O3/（Fe2O3+FeO）]值越低；Dyaret al.[25]利用淬火方法對Fe3+/Fe2+比值的影響研究重融噴發(fā)實驗結果即是證實。

巖漿性質（酸度）：Le Maitre[28]在對幾種常見火山巖地球化學特征差異分析研究中指出，巖漿酸度與堿度不同，巖石中Fe2O3、FeO的含量及其比值有著明顯差異（表1）；具體表現(xiàn)為隨巖石酸度的增大Fe2O3的含量增高，巖石氧化系數(shù)[Fe2O3/FeO 或Fe2O3/（Fe2O3+FeO）]也隨之增大（表1）。

表1 幾種常見火山巖氧化系數(shù)變化統(tǒng)計結果（%）（據(jù)Le Maitre[28]）Table 1 Oxidation index changes for several common volcanic rocks（%）(after Le Maitre[28])

埋藏溶蝕蝕變作用：與油氣相關的火山巖基本都遭受了較深的埋藏，一般情況下埋深愈小，噴發(fā)愈強者，F(xiàn)e2O3越高，F(xiàn)eO 越低少，巖石氧化系數(shù)Fe2O3/FeO、Fe2O3/（Fe2O3+FeO）值愈大[24]；巖石在埋藏成巖演化過程中遭受強烈的溶蝕蝕變作用后，一般也造成Fe3+的富集，F(xiàn)e2+減少，F(xiàn)e3+/Fe2+比值增大。

構造環(huán)境：巖漿活動總是與區(qū)域構造環(huán)境的變動密切相關，板內環(huán)境和島弧環(huán)境形成的火山巖地球化學特征是不同的[32]；一般在相同堿度條件下，島弧造山帶比板塊內部Fe2O3含量高，而FeO含量低。

表生風化淋濾作用：對于陸相地表火山噴發(fā)來說，在噴發(fā)間歇期或之后，火山巖暴露于表生環(huán)境，受到大氣、淡水及火山噴發(fā)間歇期飽和CO2氣雨水的風化淋濾，形成多套風化淋濾作用面。在風化淋濾作用過程中，火山巖中易遷移元素和可遷移元素都會被淋失，只有惰性元素（如Fe、Al等元素）與不遷移元素表現(xiàn)出累積的現(xiàn)象[37-40]；長期風化淋濾必然使得火山巖原生礦物中大部分鐵元素被釋放出來，F(xiàn)e2+（低價態(tài)）被氧化為Fe3+（高價態(tài)），F(xiàn)e3+很快水解氧化成氫氧化物Fe（OH）3，脫水后形成Fe2O3，并因其自身的化學惰性殘留下來[37,41-42]；因此，表生風化淋濾作用的結果必然造成火山巖中惰性Fe3+離子的富集，F(xiàn)e2+減少，F(xiàn)e3+/Fe2+比值增大。

1.2.2 影響因素校正或規(guī)避思路

埋藏作用對氧化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在埋藏深度上，若火山巖遭受過深埋藏，巖石普遍遭受明顯的綠泥石化和碳酸鹽化等后期蝕變作用，巖礦發(fā)生變化，可能引起巖石Fe2O3與FeO含量的改變。因此，受埋藏成巖作用影響較大的樣品氧化系數(shù)對噴發(fā)環(huán)境的指示意義不大；在薄片資料充分的情況下，可選取蝕變相對較弱的樣品做化學分析；另外，可根據(jù)燒失量值（LOI）來分析，一般認為高燒失量是由于熔巖受到強烈的蝕變作用所導致。

次生變化對氧化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在溶蝕、風化和充填膠結等作用上，遭受強烈溶蝕及充填膠結嚴重的火山巖，其氧化系數(shù)對噴發(fā)沉積環(huán)境的記錄已不太確切。采樣分析時要選擇較為新鮮的樣品，通過薄片鑒定篩選剔除溶蝕蝕變、充填礦化較強的樣品；同時，考慮到有杏仁體發(fā)育的火山巖其杏仁體充填或半充填物的影響，在采樣時需敲擊觀察新鮮面氣孔—杏仁體是否發(fā)育。

表生風化淋濾作用對氧化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在噴發(fā)間歇期或之后暴露于地表的火山巖，對于高強度、長時間遭受表生風化淋濾作用改造的火山巖，其氧化系數(shù)對噴發(fā)沉積環(huán)境的指示意義不大，不再是反映古地理環(huán)境演化的良好信息載體。有2 種簡要方法可以合理規(guī)避：其一是分析化驗的巖石要選用新鮮巖石，新鮮巖石的巖石化學標準[43]是ω（H2O）<2%，ω（CO2）<0.5%，風化破碎者不予取樣；其二是地球化學參數(shù)分析法，常用的判斷表生風化淋濾作用強弱的地球化學參數(shù)有淋溶系數(shù)、風化勢能指數(shù)和化學蝕變指數(shù)等[38-40,44]，王盛鵬等[19]在相關研究中對風化淋濾強度大小定量分析時應用了化學蝕變指數(shù)CIA（CIA=(Al2O3/（Al2O3+Na2O+K2O+CaO））×100%），CIA 指數(shù)大于0.5，表示火山巖遭受過明顯的表生風化淋濾作用，大于0.6 時，表示火山巖巖石受風化淋濾作用十分強烈。此外，侯連華等[14]在三塘湖盆地石炭系卡拉崗組（C2k）火山巖風化體儲層控制因素研究中得出，風化淋濾作用改造后的火山巖孔吼直徑明顯大于未遭風化淋濾火山巖的孔吼直徑，未經(jīng)風化淋濾火山巖孔吼直徑只存在單峰特征，而風化淋濾后的火山巖孔吼直徑具有雙峰分布特征。

構造背景對火山巖演化系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在板內環(huán)境和島弧環(huán)境形成火山巖地球地球化學特征的差異上，中基性火山巖的構造環(huán)境可用Ti-Zr-Y 圖解、TiO2-MnO-P2O5圖解MgO-FeO-Al2O3圖解和里特曼—戈蒂里圖解等來判定[43,45]，中酸性火山巖構造環(huán)境的判別可用化學性質相近的花崗巖R1￣R2圖解來判定[32]（陽離子數(shù)：R1=[4Si-11（Na+K）-2（Fe+Ti）]，R2=Al+2Mg+6Ca），也可用巖石微量元素豐度、稀土元素配分形式并結合構造演化分析來判斷。由于不同盆地相關資料收集及數(shù)據(jù)獲取難度大，研究中該影響因素未作考慮。

巖漿性質表現(xiàn)在巖石地球化學特征上，即為酸度（SiO2含量）的連續(xù)變化。因此，巖漿性質對氧化系數(shù)的影響可通過酸度進行校正，以國際地科聯(lián)（IUGS）火成巖分類學分委會1986年推薦的火山巖化學成分分類方案中SiO2含量<45%、45%~52%、52%~63%、>63%為域值，將圖版橫坐標定義為巖石酸度，縱坐標定義為巖石氧化系數(shù)，建立經(jīng)巖漿酸度校正后的氧化系數(shù)分布特征的火山噴發(fā)環(huán)境判別圖。

2 基于火山巖氧化系數(shù)的噴發(fā)環(huán)境判別圖版的建立

2.1 國內外文獻資料數(shù)據(jù)獲取

研究參閱國內外不同盆地文獻資料[28,36,46-55]，從中獲取充分的樣品數(shù)據(jù)，用于判別圖版的建立和檢驗與評估。數(shù)據(jù)獲取時遵循以下五項原則：1）目的性—根據(jù)研究的目的獲取數(shù)據(jù)，力求多盆地少而精準；2）代表性—獲取的數(shù)據(jù)資料應涵蓋不同巖漿性質的火山巖，即從基性到酸性的熔巖以及火山碎屑巖（凝灰?guī)r和火山角礫巖）；3）真實性—獲取的數(shù)據(jù)要能反映巖石的實際成分；4）數(shù)據(jù)規(guī)范性—樣品主量地球化學成分測試結果至少包括SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、LOI 等地球化學數(shù)據(jù)；5）確定性—必須有其他有效判別依據(jù)，如淬碎構造、紅頂現(xiàn)象、風化殼、生物化石、冰川火山等能明確證實樣品是水下沉積成因還是陸上沉積成因。

基于上述原則，調研共獲取了世界范圍不同盆地124 件樣品數(shù)據(jù)（表2），巖石類型包括基性玄武巖、中性安山巖、酸性流紋巖、英安巖、珍珠巖，以及角礫巖、凝灰?guī)r；已知水下沉積成因火山巖樣品68件，陸上沉積成因火山巖樣品56件（表2）。

表2 研究調研國內外不同盆地124件火山巖樣品數(shù)據(jù)資料Table 2 Data for 124 volcanic rock samples from different basins in China and globally

2.2 所獲數(shù)據(jù)的試驗方法及流程

綜合文獻篩選的不同盆地124 件火山巖樣品主量元素分析由不同測試單位和測試中心完成，其Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、SiO2、TiO2等11項氧化物多采用壓片法-X射線熒光光譜法（XRF）測定，檢出限為0.05%~0.10%；TFe2O3采用熔片法-X 射線熒光光譜（XRF）法、等離子全譜分析測定，檢出限為0.10%；FeO 含量采用重鉻酸鉀容量法測定，檢出限一般0.10%；CO2采用電位法分析測試，檢出限為0.1%；H2O+、H2O-采用重量法（GR）分析測試，檢出限為0.1%；燒失量（LOI）又稱灼燒減量，采用重量法（GR）測得。

2.3 判別圖版的建立

基于文獻獲取的124 件樣品Fe2O3、FeO、SiO2含量數(shù)據(jù)，建立及改進傳統(tǒng)意義上基于氧化系數(shù)分布特征的火山噴發(fā)環(huán)境判識圖，具體步驟如下。

（1）坐標建立：以巖石酸度即SiO2重量（%）為橫坐標，巖石氧化系數(shù)（Fe2O3/FeO、Fe2O3/Fe2O3+FeO）為縱坐標，建立巖石酸度—氧化系數(shù)二維坐標系統(tǒng)。

（2）氧化—還原界線的厘定：將124件樣品數(shù)據(jù)在巖石酸度—氧化系數(shù)坐標系統(tǒng)中投點，以68 件已知水下沉積成因火山巖樣品的氧化系數(shù)值和56件已知陸上沉積成因火山巖樣品的氧化系數(shù)值為控制點，界定出陸上強氧化環(huán)境和水下強還原環(huán)境界線；縱向上取兩界線之間樣品氧化系數(shù)值加權平均，厘定出弱還原環(huán)境與弱氧化環(huán)境界線。

（3）氧化—還原沉積環(huán)境的分區(qū)：根據(jù)124件樣品控制點確定的強氧化、弱氧化、弱還原和強還原界線的趨勢形態(tài)，縱向上表征出強氧化環(huán)境區(qū)、弱氧化環(huán)境區(qū)、弱還原環(huán)境區(qū)、強還原環(huán)境區(qū)；橫向上依據(jù)124 件樣品SiO2含量的分布范圍，以SiO2含量<45%、45%~52%、52%~63%、>63%為域值，表征出超基性、基性、中性、酸性4類不同巖漿性質火山巖，完成圖版縱向上沉積環(huán)境的分區(qū)和橫向上巖石酸度的校正（圖1a，b）。

（4）與前人劃分標準的對比：黃劍霞[35]提出的Fe3+/Fe2+之比1.5、1.0、0.8 的劃分標準界限（圖1a），由于未考慮關鍵影響因素，不能對不同巖漿性質（酸度）火山巖的噴發(fā)沉積環(huán)境進行科學的判識；何衍鑫等[36]在考慮了巖漿性質的影響因素下，應用Fe2O3/（Fe2O3+FeO）值建立了劃分標準，得出陸上噴發(fā)的超基性巖氧化系數(shù)最小為0.35，基性巖最小為0.43，中性巖最小為0.47，酸性巖最小為0.53；水下噴發(fā)的超基性巖氧化系數(shù)最0.43，基性巖最0.47，中性巖最大0.53，酸性巖最大0.54（圖1b）；但該標準應用數(shù)據(jù)資料老舊，且未做準確性檢驗與評估分析，是否具有普遍適用性有待商榷。

2.4 判別圖的準確性檢驗與評估

調研獲取四川雷波峨眉山[56]已知海相玄武巖樣品11 組，遼河油田坨32 井區(qū)[57]已知陸上噴發(fā)沉積環(huán)境的玄武安山巖、安山巖、粗安巖、英安巖、流紋巖樣品9組（表3），對改進的基于氧化系數(shù)判識圖判別結果的準確性進行檢驗評估。結果表明，四川雷波峨眉山11 件海相玄武巖樣品90.91%落在強還原環(huán)境區(qū)（水下沉積環(huán)境）（圖1a，b），與劉建清等[56]研究的結果一致；遼河油田坨32 井區(qū)9 件樣品88.89%落在強氧化和弱氧化環(huán)境區(qū)域（陸上沉積環(huán)境及水、陸過渡復雜環(huán)境）（圖1a，b），與趙海玲等[57]研究的結果相符合。

圖1 基于火山巖氧化系數(shù)OX1（上）和OX2（下）的火山噴發(fā)沉積環(huán)境判別及檢驗評估圖版Fig.1 Discrimination and evaluation chart of volcanic eruption sedimentary environment based on oxidation index of volcanic rocks

需要說明的是，本次圖版建立參閱不同盆地文獻資料獲取124塊樣品數(shù)據(jù)時，未能充分克服風化淋濾作用對所獲樣品氧化系數(shù)的影響，這給判斷火山巖的噴發(fā)環(huán)境帶來一定誤差；但通過對圖版判別標準的準確性檢驗與評估得出，改進的圖版仍具有較好的普遍適用性。

3 應用實例

縱觀現(xiàn)有資料，對新疆三塘湖盆地石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境的研究主要集中在火山巖巖石組合特征、構造結構與粒度、儲集空間類型等方面[14,16,19-20,43,58-64]，僅個別學者利用古生物標志、自身礦物分布特征等來判定火山巖層系的沉積古地理環(huán)境[43,59-60]，而基于火山巖地球化學特征，利用火山巖氧化系數(shù)來探討噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的研究尚未見報道。以此為實際應用實例，應用改進的圖版標準對上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）和哈爾加烏組（C2h）火山巖沉積古地理環(huán)境進行判別。研究豐富三塘湖盆地火山巖儲層評價地質理論，為該區(qū)火山巖儲層評價提供新思路和新方法，以期能為該區(qū)火山巖油氣勘探新區(qū)或具有相似地質背景的地區(qū)提供技術參考和啟示。

3.1 三塘湖盆地馬朗凹陷地質概況

三塘湖盆地屬晚泥盆—早石炭世褶皺基底上發(fā)育的多旋回復雜疊加型殘留盆地，經(jīng)過海西、印支、燕山、喜山等多期構造運動的復合作用，呈現(xiàn)今南北分帶、東西分塊的構造格局。盆地中部的馬朗凹陷（圖2a）為一個向北東隆升的前陸凹陷，上石炭統(tǒng)火山巖大面積分布（圖2b），已發(fā)現(xiàn)的牛東油田和牛圈湖含油氣構造，具上億噸儲量規(guī)模。前人[43,61-64]通過對新疆石炭系火山巖年代學、巖石化學成分、主微量元素分布特征和稀土元素配分形式等研究，并結合區(qū)域大地構造背景和火山活動事件分析，認為三塘湖盆地受西伯利亞板塊和塔里木板塊擠壓應力的作用，在晚石炭世—早二疊世洋殼閉合，受洋殼俯沖消減作用的影響，位于克拉美麗北側的三塘湖地區(qū)以大陸邊緣的島弧火山活動最為發(fā)育，但火山成分仍具有部分洋殼熔融的洋島堿性玄武巖的特點；綜合運用多種方法分析得出[43,61-62]石炭系火山巖總體形成于大陸邊緣構造環(huán)境，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）火山巖形成于火山島弧建造環(huán)境，哈爾加烏組（C2h）火山巖以板內環(huán)境為主。

鉆井揭露馬朗凹陷牛圈湖—牛東構造帶地層自下而上依次為上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內山組（C2b）、哈爾加烏組（C2h）和卡拉崗組（C2k）、上二疊統(tǒng)蘆草溝組（P2l）和條湖組（P2t）、中上三疊統(tǒng)小泉溝群（T2-3xq）、西山窯組（J2x）、中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）、上侏羅統(tǒng)齊古組（J3q）、下白堊統(tǒng)（K1）和第三系（R），各層組間大都以不整合接觸（圖2b）。上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）至卡拉崗組（C2k）發(fā)育了一套海相、海陸交互相及陸相的熔巖、火山碎屑巖與沉火山碎屑巖沉積，巖性極為復雜，非均質性極強；在各噴發(fā)間歇期沉積有薄層沉積巖（泥巖、碳質泥巖、泥質砂巖等）。

圖2 三塘湖盆地馬朗凹陷構造位置及牛圈湖—牛東構造帶井位分布與地層綜合柱狀圖（a）馬朗凹陷牛圈湖牛東構造帶位置及井位分布；（b）地層綜合柱狀圖Fig.2 Structural location of Malang Sag, Santanghu Basin and well location inthe Niuquanhu￣Niudong structural belt,and comprehensive stratigraphic column

3.2 上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)分布特征

研究系統(tǒng)采集馬朗凹陷牛圈湖—牛東構造帶上12 口井40 塊火山巖樣品，巖石主量元素測定分析由新疆有色地質勘查局測試中心完成，采用壓片法-X 射線熒光光譜法（XRF）測定了Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、SiO2、TiO2等11 項氧化物及燒失量（LOI），采用重鉻酸鉀容量法測定了FeO含量；相對標準樣品的偏差，高含量氧化物低于2%，低含量氧化物低于10%。主量元素氧化物、燒失量（LOI）及氧系數(shù)（OX1、OX2）分析結果如表4、5所示。

表4 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）火山巖主量元素分析結果（%）及氧化系數(shù)Table 4 Major elements (%) and oxidation coefficient of volcanic rocks from Kalagang Formation (C2k)in Malang Sag, Santanghu Basin

表5 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）火山巖主量元素分析結果（%）及氧化系數(shù)Table 5 Major elements (%) and oxidation coefficient of volcanic rocks of Upper Carboniferous Haerjiawu Formation (C2h) in Malang Sag, Santanghu Basin

數(shù)理統(tǒng)計表明，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）20塊火山巖樣品OX1（Fe2O3/FeO）介于1.12~3.71，85%集中在1.0~2.5 之間，OX2（Fe2O3/（Fe2O3+FeO））介于0.54~0.79，65%集中在0.60~0.70之間（圖3a）；初步推斷該組火山巖噴發(fā)沉積期的古地理環(huán)境復雜，陸上地表強氧化環(huán)境與頻繁水、陸過渡復雜環(huán)境都存在；上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）20 塊火山巖樣品OX1（Fe2O3/FeO）介于0.26~0.94，70%分布在0.20~0.40 之間，OX2（Fe2O3/（Fe2O3+FeO））介于0.21~0.48，75%分布在0.25~0.30 之間（圖3b）；初步推測該組火山巖噴發(fā)沉積期的古地理環(huán)境相對單一，以水下噴發(fā)水下還原環(huán)境為主。

圖3 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)分布直方圖（a）上石炭統(tǒng)卡拉崗組火山巖氧化系數(shù)分布直方圖；（b）上石炭統(tǒng)哈爾加烏組火山巖氧化系數(shù)分布直方圖Fig.3 Oxidationindices of Upper Carboniferous volcanic rocks in Malang Sag, Santanghu Basin

從垂向分布來看，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）部分單井火山巖氧化系數(shù)隨埋深變化跳躍性較大，而上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）部分單井火山巖氧化系數(shù)隨埋深變化甚微，分布較為集中。以馬19 井卡拉崗組（C2k）和馬361 井哈爾加烏組（C2h）巖心段為例（圖4a，b），馬19 井卡拉崗組（C2k）非連續(xù)取心段揭露的巖性有灰褐色玄武巖和安山巖、灰綠色和紫色玄武巖、灰黑色碳質泥巖和灰色泥質粉砂巖，巖石中Fe2O3含量高，氧化系數(shù)受埋深影響較大（圖4a）；紫色玄武巖及高的氧化系數(shù)揭示了陸上強氧化沉積環(huán)境的特征。馬361 井哈爾加烏組（C2h）連續(xù)取心段巖心揭露的巖性有深灰色凝灰?guī)r和灰黑色碳質泥巖，巖石FeO 含量高，氧化系數(shù)均低于0.5（圖4b），受埋深影響較小，揭示了水下還原環(huán)境沉積的特征。

圖4 三塘湖盆地馬朗凹陷單井上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)垂向分布特征（a）馬19井上石炭統(tǒng)卡拉崗組巖心樣品氧化系數(shù)垂向分布特征；（b）馬361井上石炭統(tǒng)哈爾加烏組巖心樣品氧化系數(shù)垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of oxidation index of Upper Carboniferous volcanic rocks at a well in Malang Sag,Santanghu Basin

3.3 上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積古地理環(huán)境的判別與檢驗

將40 件分析樣品數(shù)據(jù)在改進的判別圖中投點，結果顯示卡拉崗組（C2k）20 塊樣品60%落在強氧化環(huán)境區(qū)，25%落在弱氧化環(huán)境區(qū)，僅15%落在弱還原環(huán)境區(qū)（圖5a，b）；揭示該組火山巖主要沉積成因于陸上氧化環(huán)境介質中，頻繁水、陸交互復雜環(huán)境也存在。哈爾加烏（C2h）20 塊樣品95%落在強還原環(huán)境區(qū)，5%落在弱還原環(huán)境區(qū)（圖5a，b）；指示該組火山巖主要沉積成因于水下還原環(huán)境介質中，局部具有一定水體深度。

圖5 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境判別圖Fig.5 Discrimination map of eruption sedimentary environment of Upper Carboniferous volcanic rocks in Malang Sag,Santanghu Basin

卡拉崗組（C2k）火山巖Fe2O3和FeO 的這種變化關系與梁浩等[43]基于該組火山巖巖心觀察裂縫周圍見紅色氧化邊，以及王盛鵬等[19]應用化學風化指數(shù)CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO)×100%)定量分析判別的噴發(fā)沉積環(huán)境結果相符合。哈爾加烏組（C2h）火山巖Fe2O3和FeO 的這種變化關系與王嵐等[58]鏡下觀察凝灰?guī)r成分中玻屑的含量較高，巖屑、晶屑以及玻屑組成的凝灰?guī)r、碳質凝灰?guī)r發(fā)育明顯的層理構造特征，可見到玻屑條帶與暗色泥巖交替互層的現(xiàn)象等標志判別的結果相一致。

此外，王盛鵬等[19]通過對上石炭統(tǒng)火山巖夾持的部分泥巖微量元素對比分析顯示，馬24井（井位位置見圖2）卡拉崗組（C2k）灰色砂礫巖及棕色細砂巖ω(Sr)/ω(Ba)值小于0.5，顯示出陸相氧化環(huán)境特征，馬38 井（井位位置見圖2）哈爾加烏組（C2h）泥巖ω(Sr)/ω(Ba)值大于1，顯示出海相水體環(huán)境特征（圖6）。朱卡等[59]在三塘湖盆地石炭系火山巖噴發(fā)環(huán)境及儲層特征研究中指出，反映卡拉崗組（C2k）陸上噴發(fā)環(huán)境的典型標志有共生巖石即化石、不整合及風化殼、柱狀節(jié)理，如馬19 井（井位位置見圖2）在卡拉崗組（C2k）揭露風化殼，安山巖見示底構造（圖6）；反映哈爾加烏組（C2h）水下噴發(fā)沉積環(huán)境的典型標志有共生巖石即化石、充填及膠結物，如馬36 井（井位位置見圖2）在哈爾加烏組（C2h）見亮晶方解石膠結的沉火山（角）礫巖（圖6）。

圖6 三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)環(huán)境其他有效判別依據(jù)圖版Fig.6 Identification of a selection from the volcanic eruption environment of the Upper Carboniferous in Malang Sag, Santanghu Basin

4 結論

（1）研究使用Fe的不同價態(tài)氧化物質量分數(shù)之比Fe2O3/FeO，F(xiàn)e2O3/(Fe2O3+FeO)作為火山巖氧化系數(shù)，并充分考慮巖漿性質（酸度）、風化淋濾作用、成巖溶蝕蝕變作用、構造背景等影響因素，改進了傳統(tǒng)意義上基于火山巖氧化系數(shù)的噴發(fā)環(huán)境判別圖；該地球化學方法具有普適性，改進的判識圖，可應用于不同盆地、不同地質年代火山巖的噴發(fā)沉積古環(huán)境的判別研究中。

（2）對新疆三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境判別實際應用結果表明，上石炭統(tǒng)卡拉崗組（C2k）火山巖主要噴發(fā)沉積和保存于陸上地表強氧化環(huán)境，頻繁水、陸交替的弱氧化—弱還原復雜環(huán)境也存在，上石炭統(tǒng)哈爾加烏組（C2h）火山巖主要噴發(fā)沉積和保存于水下還原環(huán)境。

（3）實際應用結果與前人基于本區(qū)上石炭統(tǒng)火山巖共生巖石與化石組合、不整合及風化殼以及火山巖夾持的部分泥巖微量元素比值特征等有效判別依據(jù)得到的噴發(fā)環(huán)境結果相符合，表明改進的判別圖識別標準具有較好的適用性。