0 引言
火山岩油气藏勘探研究成果表明，形成环境是影响火山岩储层发育的重要因素之一［1-2］，陆上和水下火山岩因喷发介质在密度、黏度、比热容等物理性质上的差异，造成火山喷发过程和火山喷发产物都有明显的不同［3］，形成的火山岩储集体储集空间类型、特征大相径庭，导致油气成藏规律差异明显，对优质烃源岩的形成影响亦差异巨大［4-5］。因此，开展火山岩形成环境识别研究对指导火山岩油气勘探具有重要的支撑作用。单玄龙等［5］、王岚等［6］、王盛鹏等［7］、张艳等［8］、朱卡等［9］从岩石颜色、岩性组合、结构构造、蚀变及孔隙发育等方面对陆上、水下2种不同喷发沉积环境火山岩开展了判识研究并取得重要认识，但目前为止通过元素地球化学方法判别火山岩形成环境的研究还较少。
本文在宏观微观岩石学和元素分析识别的基础上，应用有机地球化学参数识别火山岩形成环境，建立了准噶尔盆地东部陆上与水下火山岩地球化学识别标志，并揭示了不同形成环境火山岩的时空展布规律，为准噶尔盆地火山岩储层岩石成因环境分析及岩相古地理研究提供依据。
1 地质背景
准噶尔盆地地处古亚洲洋构造域的南部，是中亚造山带的重要组成部分，三面被古生代的缝合线和褶皱带围限。依据盆地内部二叠纪构造特征及后期构造改造特点，将准噶尔盆地划分为西部隆起、东部隆起、陆梁隆起、北天山山前冲断带、中央坳陷和乌伦古坳陷等6个一级构造单元。本文研究区地理位置位于准噶尔盆地东部克拉美丽山前陆东—五彩湾地区（图1），二级构造单元主要包括了滴南凸起、滴水泉凹陷、五彩湾凹陷、东道海子凹陷和白家海凸起。
研究区经历了由海西期到燕山期的多期地质构造运动，其中石炭纪为构造活动强烈时期，是区域构造海陆地质环境的转换时期。该时期伴随着多期火山活动，形成了一套多期喷发、多期改造而成的火山熔岩、浅层侵入岩、火山碎屑岩和（火山）沉积岩组合。钻井揭示该区石炭系自下而上发育滴水泉组（C1 d）、松喀尔苏组（C1 s）、巴塔玛依内山组（C2 b）和石钱滩组（C2 sh），其中下石炭统和上石炭统之间以角度不整合接触［23］。受盆地整体的构造演化影响和控制，准噶尔盆地东部石炭系分布呈现明显的分带分块特征，火山岩建造主要分布在下石炭统滴水泉组和上石炭统巴塔玛依内山组，是目前勘探开发的重点对象［24］。研究区发育多条典型露头剖面，本文自西向东选取滴水泉、白碱沟和双井子3条剖面进行踏勘研究（图１）。滴水泉剖面位于克拉美丽山西端，主要以下石炭统滴水泉组（C1 d）发育最为典型。白碱沟剖面位于克拉美丽山西南缘，分为东沟和西沟2个基本平行的剖面，主要出露松喀尔苏组（C1 s）和巴塔玛依内山组（C2 b）。双井子剖面位于准噶尔盆地东北缘，克拉美丽山南部，主要出露巴塔玛依内山组（C2 b）和石钱滩组（C2 sh）。
2 形成环境判别标志
根据火山岩喷发沉积时所处地理环境可将火山岩形成环境主要分为陆上和水下2种。陆上环境与水下环境最大的区别在于环境介质的不同，陆上环境喷发形成的火山岩是在开放的氧化环境下堆积成岩，并接受开放环境中的大气降水；水下环境形成的火山岩是在水介质的包围下处于一个封闭的特殊化学环境下成岩，因此不同环境形成的火山岩在岩石学特征与地球化学特征方面有着显著的区别。
2.1 岩石学相标志
图2 准噶尔盆地东部水下火山岩岩石学特征图版（a）白碱沟剖面，石泡流纹岩；（b）双井子剖面，冻鱼层构造；（c）白碱沟剖面，火山岩与泥岩互层；（d）Q4井，2 527.27 m，细碧岩；（e）DX22井，3 636.2 m，珍珠岩；（f）DX34井，3 960 m，蚀变玄武岩，中空骸晶结构；（g）DX14井 ，3 840.58 m，晶屑凝灰岩 ，自碎斑结构；（h）DX22井，3 636.63 m，珍珠岩，球颗结构；（i）M005井，4 343.48 m，安山岩，收缩缝 Fig.2 Plate of petrological characteristics of underwater volcanic rocks in the eastern Junggar Basin |
图3 准噶尔盆地东部火山岩岩石学特征及古生物学特征图版（a）白碱沟剖面西沟，气孔状玄武岩；（b）C25井，3 038.4 m，安山岩，斑状结构；（c）C6井，1 848.26 m，安山岩，斑状结构；（d）滴水泉剖面，生物扰动；（e）滴水泉剖面，腕足类化石；（f）滴水泉剖面，海百合化石；（g）双井子剖面，泥灰岩与生物碎屑灰岩互层；（h）双井子剖面，珊瑚、海百合化石 Fig.3 Plate of petrological and paleontological features of volcanic rocks in the eastern Junggar Basin |
2.2 古生物学相标志
2.3 地球化学相标志
运用地球化学手段判断火山岩环境特征是一种常用的手段，但大多用来判断火山岩构造环境，本文通过有机地球化学和无机地球化学手段来判断火山岩形成环境，总结形成地球化学环境识别指标分级标准（表1）。
表1 准噶尔盆地东部火山岩地球化学环境识别指标分级标准Table 1 Classification standard of volcanic rock geochemical environment identification index in the eastern Junggar Basin |
| 判断指标 | 指标分级 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 无机地球化学指标 | OX | 氧化（>0.5） | 还原（<0.5） | ||
| 古盐度 | Sr/Ba | 淡水（<0.5） | 半咸水（0.5~1） | 咸水（>1） | |
| B/Ga | 淡水（<3） | 半咸水（3~5） | 咸水（>5） | ||
| 古氧 化度 | V/Cr | 氧化（<2） | 贫氧（2~4.25） | 厌氧（>4.25） | |
| V/（V+Ni） | 氧化（<0.46） | 贫氧（0.46~0.6） | 厌氧（>0.6） | ||
| Ce/La | 氧化（<1.5） | 贫氧（1.5~1.8） | 厌氧（>2.0） | ||
| | / | / | 还原（>1） | ||
| Ce异常（Ceanom） | 氧化（<-0.1） | 缺氧（>-0.1） | |||
| 有机地球化学 指标 | 甾烷 | 4-甲基甾烷和甲藻甾烷具有海相或湖相指示意义 | |||
| Pr/Ph | 氧化（>3） | 弱还原—弱氧化（0.8~3） | 强还原（<0.8） | ||
| 三环萜烷 | 陆相（C19和C20三环萜烷含量高） | 海相或湖相（C23三环萜烷含量高） | |||
| 正构烷烃 | 陆相［奇偶优势高碳数（>C23）］ | 海相或湖相［奇偶优势不明显的中等相对分子量（nC15—nC17）］ | |||
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2.3.1 无机地球化学相标志
氧化系数是判断火山岩形成环境的重要参数，氧化环境和还原环境具有不同的pH值和Eh值，使得铁呈现不同的价态，在氧化环境下铁通常以Fe3+状态存在，在还原条件下，铁以Fe2+状态存在，因此利用样品的Fe3+和Fe2+可对研究区氧化还原环境进行判断。何衍鑫等［29］采用Fe2O3/（Fe2O3+ FeO）作为火山岩氧化系数，建立了基于经岩浆酸度校正的氧化系数的喷发环境判别图，对准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩喷发环境进行判别，并以0.5为界，其上为陆上喷发，其下为水下喷发，与实际地质情况符合率达92.86%。利用该图版对研究区样品进行环境判断，结果显示研究区下石炭统氧化系数大部分小于0.5，显示为还原环境，上石炭统氧化系数多大于0.5，为氧化环境（图4），整体表现为自早石炭世至晚石炭世由还原环境过渡至氧化环境。
研究区发育大面积火山岩夹暗色泥岩，推测这类火山岩形成于水下环境。其中的泥岩夹层通常于短暂的火山喷发间隙沉积形成，或火山喷发过程中存在突发的小股海水侵入事件形成，可以在一定程度上反映大套火山岩形成水体的性质。通常采用Sr/Ba值与B/Ga值反映古水体盐度，Sr/Ba<0.5指示水体为淡水，0.5<Sr/Ba<1为半咸水，Sr/Ba>1为咸水。Sr/Ba高值反映湖水盐度较高［30］。B/Ga<3时指示水体主要为淡水，当B/Ga=3~5时指示水体主要为半咸水，当B/Ga>5时指示水体主要为咸水［31］。V/Cr、V/（V+Ni）、Ce/La等比值及U等敏感元素可以用于反映水体的古氧化度。V/Cr<2为氧化环境，2<V/Cr<4.25为贫氧环境，V/Cr>4.25为厌氧环境［32］；0.46<V/（V+Ni）<0.6为贫氧环境，V/（V+Ni）>0.6为厌氧环境［33-34］；当Ce/La>2.0时为厌氧环境，Ce/La值在1.5~1.8之间时为贫氧环境，Ce/La<1.5时为富氧环境［35］。Ce异常（Ceanom）>-0.1为缺氧环境，Ceanom<-0.1为氧化环境［36］。δU值由2U/（Th/3+U）计算求出，正常水体环境中δU<1，还原环境中δU>1［37］。郑一丁等［30］、李青等［31］、刘德成等［38］分别将上述指标应用于鄂尔多斯盆地东南部张家滩页岩、青藏高原北部东昆仑地区三叠系和新疆三塘湖盆地上石炭统火山岩的喷发环境判别中，这些指标指示性强。用以上方法对研究区泥岩夹层进行微量元素分析，结果表明研究区下石炭统整体盐度偏高。表现为淡水—半咸水—咸水，呈现自西向东水体盐度升高的趋势，上石炭统属于淡水至半咸水环境，盐度低于下石炭统。从古氧化度看，下石炭统古氧化度介于贫氧至缺氧之间，上石炭统古氧化度介于贫氧—富氧，处于弱氧化环境（图5）。
2.3.2 有机地球化学相标志
岩石中的甾烷是一种重要的有机物，它可以提供丰富的信息，甾烷包括多种类型，其中4-甲基甾烷和甲藻甾烷在环境判别方面具有重要的指示意义。4-甲基甾烷主要来源于海洋生物沟鞭藻，但在湖相环境中也可存在。甲藻甾烷目前被认为唯一来源即为海洋生物沟鞭藻，具有更强的指示意义［40］。因此泥岩样品中的4-甲基甾烷和甲藻甾烷可以指示海相环境或湖相环境。选取研究区15块样品送至长江大学进行双质谱分析，检测结果表明白碱沟-19［图6（a）］、白碱沟-4［图6（b）］、滴水泉-14［图6（c）］共3块样品具有相对明显的甲藻甾烷，另外来自白碱沟剖面、滴水泉剖面和M11井的6块样品含有甲基甾烷，个别样品含有微量甲藻甾烷，DX17井3 911.7 m处出现少量甲基甾烷和甲藻甾烷。
图6 准噶尔盆地东部典型样品甲藻甾烷双质谱峰值（a）白碱沟-19，白碱沟西沟；（b）白碱沟-4，白碱沟东沟；（c）滴水泉-14，滴水泉剖面注：1-4.因本批次样品中含量不高或共注严重，未判别具体异构体；5-6.4-甲基甾烷系列；9-12. C30甲藻甾烷系列.5.20S-4-甲基-24-乙基-5α(H),14α(H),17α(H)-胆甾烷；6.20R-4-甲基-24-乙基-5α(H),14β(H),17β(H)-胆甾烷；7.20S-4-甲基-24-乙基-5α(H),14β(H),17β(H)-胆甾烷;8.20R-4-甲基-24-乙基-5α(H),14α(H),17α(H)-胆甾烷；9.4α,23S,24S-三甲基-20R-胆甾烷；10.4α,23S,24R-三甲基-20R-胆甾烷；11.4α,23R,24R-三甲基-20R-胆甾烷；12.4α,23R,24S-三甲基-20R-胆甾烷 Fig.6 Double mass spectrometry peaks of diinosterane in typical samples from the eastern Junggar Basin |
三环萜烷同样对环境具有指示作用，C19和C20三环萜烷主要来源于高等植物，而C23三环萜烷主要来源于藻类［42］，在海相及湖相环境的相对含量明显高于陆相环境，通常作为指示海相及湖相的生物标志物。研究区大部分样品的C23三环萜烷高于C21三环萜烷，呈C23占优势的正态分布，指示为海相或咸水湖盆相沉积，母质来源以藻类为主。
正构烷烃的奇偶优势和碳数分布可以指示生物来源。通常认为具有奇偶优势的高碳数（大于C23）正构烷烃的分布可能指示陆源有机质的输入，奇偶优势不明显的中等相对分子量（nC15—nC17）的正构烷烃可能指示藻类等水生生物的来源［43］。研究区所取样品正构烷烃整体分布面貌以单峰—前峰型为主，最高碳数为C15— C18，系海相母质或湖相母质生源特征。
3 形成环境对火山岩储层储集性能影响机理
准噶尔盆地东部石炭系火山岩储集空间类型多样，按成因可分为原生孔隙［包括原生气孔、晶间（粒间）孔］，次生气孔（包括溶蚀孔、脱玻化孔），原生裂缝（包括收缩缝、解理缝、自碎缝和砾间缝）和次生裂缝（包括溶蚀缝和构造缝）。根据不同形成环境火山岩岩石学、古生物学和地球化学研究发现，陆上及水下2种环境会导致火山岩储层特性产生一定差异，从而导致储集空间的差异，进而对储层储集性能造成影响。
3.1 陆上环境对储集性能的影响
陆上火山岩原生气孔较为发育，后期溶蚀改造作用较为强烈，陆上喷发沉积环境对火山岩储层储集性能的影响具体表现在以下3点：
综上所述，陆上环境形成的火山岩储集空间整体上具有类型组合多，气孔构造发育，层状、柱状节理发育和溶蚀孔缝较发育等特征，这些特征均可以在一定程度上提升火山岩储层的储集性能，有利于油气成藏。
3.2 水下环境对储集性能的影响
对研究区水下保存火山岩储集空间特征研究表明，水下环境对火山岩储层储集性能的影响具体表现在：
（1）气孔小而少，且充填程度严重，岩石致密。由于水体存在静水压力，且岩浆入水会快速冷却，水下形成的火山熔岩挥发份脱溶逸散受到抑制，原生气孔发育程度减弱。且由于气孔本身较为独立，相互之间连通性不好，在没有裂缝沟通的情况下，对储层性能的提升并无太大帮助。
图9 准噶尔盆地东部水下火山岩储集空间特征图版（a）DX22井，3 636.6 m，珍珠岩绿泥石化；（b）DX21井，3 277.11 m，浊沸石化珍珠岩；（c）DX21井，3 277.11 m，珍珠岩，球状裂理；（d）DX14井，3 959.9 m，凝灰岩，网状裂缝；（e）DX10井，3 027.07 m，玻璃质脱玻化作用形成晶间微孔；（f）白碱沟剖面，火山岩与暗色泥岩互层 Fig.9 A map of reservoir space characteristics of underwater volcanic rocks in the eastern Junggar Basin |
（4）淬火作用导致脱玻化作用，形成微孔隙。由于水下火山岩会发生淬火作用而快速冷凝，使得其玻璃质含量明显高于陆上火山岩，且脱玻化作用常见。研究区脱玻化主要见于霏细岩、珍珠岩、英安岩等含有大量火山玻璃的酸性和中酸性火山熔岩以及含有岩屑和玻屑的火山碎屑熔岩、火山碎屑岩中。脱玻化作用会产生许多细小的微孔隙，改善水下火山岩的储集物性［图9（e）］。
（5）有机酸溶蚀改造形成溶孔、溶缝。野外剖面勘探显示，准东地区石炭系部分火山岩与暗色泥岩相互叠置接触［图9（f）］，证实了该地区水下保存的火山岩距烃源岩近，因此这些火山岩易受到有机酸的溶蚀改造，增加储集性能，为油气充注和保存提供了条件。
综上所述，水下保存的火山岩由于气孔不发育、裂缝虽然发育但大部分被填充，加上蚀变作用的影响导致其储集性能大打折扣，如果没有受到后期构造、有机酸以及风化淋滤作用的改造，其储集性能可能达不到理想程度；而陆上火山岩，其储集空间组合方式更加丰富，原生孔缝空间更大，加上其更容易受到风化淋滤作用的改造，可进一步改善储集性能。因此，从形成环境对储层的影响看，陆上环境形成的火山岩储集性能要好于水下环境。
4 准东石炭系火山岩形成环境分布规律
利用本文研究建立的环境判别标志对准东石炭系火山岩形成环境进行判识。在研究区下石炭统剖面上识别出石泡流纹岩、冻鱼层构造、球颗结构流纹岩、广泛分布的暗色泥岩夹层以及海相化石，氧化系数多小于0.5，指示研究区早石炭世以水下环境为主。地球化学研究表明早石炭世自西向东由淡水经半咸水过渡至咸水，水体盐度逐渐增大，古氧化度介于贫氧—缺氧之间，反映水体深度大［图10（a）］；上石炭统滴水泉井区、五彩湾井区、北三台井区广泛分布氧化色粗火山碎屑岩、具有熔结结构的火山碎屑岩和熔岩，具陆上火山岩的典型特征，氧化系数多大于0.5，在白碱沟剖面、双井子剖面和滴水泉部分井区识别出水下环境典型的岩石学与古生物学标志，指示晚石炭世整体以陆上环境为主，局部仍为水下环境。地球化学研究表明晚石炭世水体属于淡水—半咸水环境，盐度自西向东略有升高，但整体变化幅度不大，水体古氧化度介于贫氧—富氧之间，反映水体深度较小且自西向东水体深度逐渐变小［图10（b）］。综合认为研究区早石炭世至晚石炭世逐渐由水下环境转变为陆上环境、由深水环境转变为浅水环境、由半咸水环境转变为淡水环境、由海相环境转变为陆相环境。
5 结论
（1）陆上与水下形成的火山岩可以从岩石学相标志、古生物学相标志和地球化学相标志进行识别区分。水下火山岩表现为珍珠岩和细碧岩等典型岩性发育，与海相或湖相泥岩频繁互层，发育冻鱼层、变形流纹、石泡等特殊构造；微观显示细碧、珍珠、中空骸晶、自碎斑、球颗等特殊结构构造发育。而陆上火山岩表现为气孔杏仁构造发育，微观显示斑状、间粒、间隐、填间等结构发育特征。生物扰动痕迹和腕足、海百合、珊瑚等海相化石都标志着岩石形成于水下环境。在地球化学方面，利用氧化系数和甲藻甾烷、三环萜烷、正构烷烃等地球化学参数判断岩石的形成环境，并通过泥岩夹层的V/Cr、Ce/La等值判断水体性质。
（2）陆上火山岩原生气孔大量发育，层状、柱状节理缝发育，且后期淋滤溶蚀改造作用强烈，可以明显提高火山岩储层的储集性能；水下形成的岩石致密气孔少，蚀变作用强烈，淬火作用冷凝收缩形成火山岩原生裂缝和脱玻化微孔隙，有机酸溶蚀改造形成溶孔、溶缝，增加储集性能。相对而言，陆上火山岩储集空间组合更丰富，原生储集空间更大，且淋滤溶蚀改造作用对储集性能的改善更显著，因此陆上火山岩储集性能好于水下火山岩。
（3）准噶尔盆地东部自早石炭世至晚石炭世逐渐由水下环境转变为陆上环境、由深水环境转变为浅水环境、由半咸水环境转变为淡水环境、由海相环境转变为陆相环境。
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