引用本文
焦鑫, 柳益群, 杨晚, 周鼎武. 水下火山喷发沉积特征研究进展. 地球科学进展, 2017, 32(9): 926-937
Jiao Xin, Liu Yiqun, Yang Wan, Zhou Dingwu. Progress on Sedimentation of Subaqueous Volcanic Eruption. Advances in Earth Science, 2017, 32(9): 926-937  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.09.0926
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Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
水下火山喷发沉积特征研究进展
焦鑫1,2, 柳益群1,*, 杨晚2, 周鼎武1
1.大陆动力学国家重点实验室, 西北大学地质系, 陕西 西安 710069
2.Geology and Geophysics Program, Missouri University of Science and Technology, Rolla 65401, MO, USA
*通信作者:柳益群(1951-), 女, 山东淄博人, 教授, 主要从事岩石学研究.E-mail:liu-yiqun@263.net

作者简介:焦鑫(1985-), 男, 陕西宝鸡人, 博士研究生, 主要从事火山—热液沉积学研究.E-mail:jxin807@163.com

基金:国家自然科学基金项目“二叠系纹层状微生物白云岩研究——以新疆准噶尔盆地东部为例”(编号:41572086)和“新疆北东部三塘湖地区二叠纪地幔热液喷流沉积及其形成机理”(编号:41272116)资助
摘要

近年来,随着我国开展大量致密油层的基础地质研究工作,越来越多原本被称作含油气的黑色泥岩,被发现其成因与水下火山作用密切相关。然而由于受到矿物粒度细小,与正常陆源搬运成因泥岩难以区分,以及难以开展对现代水下远端沉积物的采集等问题的影响,国内关于水下火山喷发沉积特征的研究明显薄弱。在阅读大量国内外文献基础上,分别叙述了水下火山喷发作用产生的沉积物的破碎、搬运、沉积作用研究进展。并以三塘湖盆地芦草沟组纹层状泥岩与白云岩中的特殊夹层为研究对象,发现:①这些夹层中的矿物成分成熟度低,磨圆差,多呈自形晶体或鸡骨状,显示火山物质来源。②夹层呈纹层状和薄层状2类;前者底部具冲刷层,内部具正粒序,且颗粒多具有平行层理的定向性,显示侧向牵引流沉积作用;后者呈混杂堆积,无明显内部结构,显示高密度碎屑流沉积作用。③夹层在层序上往往具有局部性和重复性,代表火山脉动式喷发沉积。认为这些夹层可能由水下火山—热液喷发沉积作用形成。最后,对内碎屑、陆源碎屑以及深源碎屑,水下喷发与陆表喷发区别,以及水下喷发沉积岩命名3个问题展开讨论。并建议以宏观微观相结合、超微观岩矿学观察、重视与火山相关的热液喷流沉积作用、与多学科交叉研究4个方面为今后的研究方法与方向。

关键词: 水下火山喷发; 蒸汽岩浆; 湖相细粒沉积物; 沉积特征; 三塘湖盆地
中图分类号:P317.3 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)09-0926-11
Progress on Sedimentation of Subaqueous Volcanic Eruption
Jiao Xin1,2, Liu Yiqun1,*, Yang Wan2, Zhou Dingwu1
1.State Key Laboratory of Continental Dynamics,Department of Geology,Northwest University,Xi’an 710069,China
2.Geology and Geophysics Program,Missouri University of Science and Technology,Rolla 65401,MO,USA
*Corresponding author:Liu Yiqun(1951-), female, Zibo City, Shandong Province, Professor. Research areas include petrology.E-mail:liu-yiqun@263.net

First author:Jiao Xin(1985-), male, Baoji City, Shaanxi Province, Ph.D student. Research areas include volcanic-hydrothermal sedimentation.E-mail:jxin807@163.com.

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Research on laminated microbial dolomite in Permian-reference with the Eastern Junggar Basin, Xinjiang” (No.41572086) and “Mantle-originated hydrothermal exhalative deposition in Permian and its mechanism, Santanghu area, NE Xinjiang”(No.41272116)
Abstract

In recent years, more and more originally regarded as black oil and gas-bearing shales have been found, whose formation has close relationship with subaqueous volcanic activities, with much more fundamental research work on tight oil in China. However, our study of sedimentations of subaqueous eruption has not been well studied since their sediments are very tiny, not easy to be sampled, and extremely difficult to differentiate from mud-size clastic sediments. This paper reviewed the advances of the processes of fragmentation, transportation, and deposition of sediments originated by subaqueous eruption, on the basis of publications and research experience on some special intervals in interlaminated shales and dolostones in Permian Lucaogou Formation in Santanghu Basin. Three main features and their implications were documented. ① Minerals in those intervals were angular with a low component maturity, and some of them were shard-like, suggesting volcanic-eruptive origin. ② Intervals were laminated and thin bedded. The former had a sharp erosional base, and was internal normal graded, and showed crude orientation of elongate grains parallel to bedding plane, suggesting deposition of lateral tractive current; the latter showed messy accumulation without internal structure, suggesting deposition of dense granular flow. ③ Intervals were localized and repetitive in stratigraphy, indicating origin from episodic-pulsating volcanic activities. We preliminarily interpreted those intervals as sedimentations of subaqueous volcanic-hydrothermal activities (phreatomagmatic/hydrovolcanic deposition). Then, the relationship of intraclasts, extraclasts, and deep-derived clasts, the difference of sedimentary rocks formed by subaqueous between subaerial eruptions, and the terminology of these eruptive rocks were discussed. Finally, macro to micro scale observation, micro-texture of minerals, attaching importance on hydrothermal exhalative sedimentations, and multidisciplinary studies were suggested for future research on those rocks.

Keyword: Subaqueous eruption; Phreatomagmatic/hydrovolcanic; Lacustrine fine-grained deposits; Features of sedimentation; Sangtanghu Basin.

随着现代深水探测技术的发展, 越来越多的湖/海底的火山活动及其相关的热液活动被发现, 并被逐步研究[1~10]。水下岩浆及热液活动不但提供了特殊的深部物质, 也局部改变了水下沉积环境, 形成诸如枕状熔岩、“ 黑白烟囱” 、块状硫化物矿床等诸多地质现象。对地质时期该类样品展开研究可为古构造、古环境和沉积与火山作用过程的研究提供有效证据[11~15]。然而, 受采样限制以及与正常沉积物混合难以区分, 关于其远端沉积物及沉积特征研究较少。柳益群等[16, 17]在对新疆三塘湖盆地二叠系芦草沟组的岩石、矿物学研究中发现了大量来自火山、热液沉积的证据, 认为该套岩石是一类特殊的岩浆— 热液喷积岩。本文结合研究团队对三塘湖喷积岩实际研究的积累, 参考国内外的研究成果, 重点探讨了关于水下火山喷发沉积学方面的进展, 探讨可能存在的问题, 并展望了未来研究重点。

1 水下火山喷发研究进展

不同于地表环境, 水下火山喷发所受到的环境影响因素(高水压、高温差)更为复杂[4, 18]。由此产生的沉积作用, 包括碎屑形成机理[1, 19~22]、搬运流体特征[4, 23]、搬运方式[3, 24~26]、沉积物特征[18, 25, 27~31]及其与湖/海水间相互作用[32~34]等近年来得到广泛关注。同时, 与火山活动相关的热液喷流沉积既见于不同大洋, 直接表现为洋底、湖底的“ 黑、白烟囱” , 如大西洋洋中脊附近The Lost City feild[35]和The Rainbow[36], 也见于大陆环境, 如东非裂谷[37, 38]和美国黄石公园[39]。热液活动所形成的沉积产物(喷流岩)最先由White[40]定义为喷流岩(exhalite), 后经Ridler[41]重新评述, 其后被广泛使用。喷流岩又称为热水沉积岩, 是指由地球内部热水流体进入海/湖盆水体, 经历热水沉积作用所形成的岩石[38, 42~46]。它们主要由化学沉淀产生, 并与盆内、外搬运的陆源沉积物以及火山喷发沉积物互层或混在一起, 形成纹层状[47]。然而, 由于受到深水取样较难的限制, 水下火山及热液活动的研究基本限于喷口本身及较近距离沉积物, 如“ 黑烟囱” 喷口附近的块状硫化堆积物[33], 岩浆侵入未固结、弱固结的湿沉积物形成的熔积岩 (peperite)[48~51], 熔岩流与海水淬火反应所形成的玻璃质碎屑岩(hyaloclastites)[52, 53]。因此, 难以将细粒的火山碎屑沉积与泥级的盆外搬运碎屑区分开来[27]。远距离的沉积物, 包括细粒火山碎屑、热液化学沉淀及正常远离物源的湖/海相沉积物的一系列几乎不相关的混合沉积物, 则较少被研究[54]。地质时期的这类样品由于缺乏现代实例的对比研究, 更加难以开展工作。国内关于水下火山— 热液研究主要集中于地质时期的热液活动沉积特征及其机理方面[16, 17, 55, 56], 而关于水下火山喷发的研究则主要聚焦在火山活动对储层以及烃源岩的影响, 如研究认为松辽盆地徐家围子断陷和渤海湾盆地东营凹陷的烃源岩受益于来自火山作用提供的营养物质以及异常的高温[57~59], 对于火山喷发沉积物特征及其成因机理的研究基本处于空白状态。

1.1 水下火山喷发物破碎方式

区别于陆地上的火山喷发, 水下喷发后由于喷发物或溢流岩浆首先接触的是水而非大气, 此外还受到水压的作用, 在异常温差与压力的影响下, 其喷发特征主要有以下3点:①破碎作用更加剧烈。一旦岩浆进入水体环境, 破碎作用除了由于岩浆中的挥发分膨胀造成, 还存在重要的二次破碎过程, 即炙热的岩浆与冷的海/湖水接触, 产生大量水蒸气, 在此过程中所释放的大量能量使得破碎作用更加强烈[22, 60]。因此, 相较于陆地上的同类型岩浆喷发, 水下喷发所产生的碎屑更细[20]。②随着水体的加深, 受到水压影响, 火山喷发强度减小, 但次数变多, 形成脉动式喷发或以溢流方式为主的喷发[2]。例如, 1996年在Karymskoye湖观测到水下火山活动以间隔大致6秒的6次喷发[61]。因而, 这类沉积物具有单次量小, 但次数频繁的特征。该类火山喷发方式也因此被命名为蒸汽火山喷发 (phreatomagmatic/hydrovolcanic)[1, 19, 20, 22, 62]。

1.2 水下火山喷发物搬运与沉积方式

水下喷发沉积物的搬运与沉积方式按流体性质不同可分为悬浮型(fallout)和流动型(flow)[4, 23]。首先, 最早与水发生接触的岩浆发生二次破碎, 由岩浆碎屑、岩浆气、水蒸气及水形成的流体向上浮动, 在此过程中由于水体不断加入, 该流体密度逐渐降低。当密度达到与周围水体环境一致时, 碎屑颗粒脱离了与流体中其他物质的依附关系, 于是呈粉尘状悬浮于湖/海水中(图1a)。由于沉积过程非常缓慢, 悬浮型沉积会在离火山喷口较远处形成非常好的正粒序[63]。这类极细的火山尘物质同样也可形成浊流, 发生影响广泛的沉积作用[64, 65]。其次, 水蒸气除了产生二次破碎的作用外, 还起到了保温的作用[4, 66]。在火山喷口附近, 由岩浆、矿物碎屑、火山气及少量的水形成了高温、高密度碎屑流体。这一流体表层与海/湖水接触形成的水蒸气膜阻隔了周围水体的进入, 并能使碎屑流长时间保持高温、高密度[67], 形成水下重力流, 也有学者称之为高密度颗粒流 (dense granular flow)[68]。这种碎屑流体形成的沉积物具有磨圆差, 缺乏内部沉积结构, 保持一定的岩浆岩结构的特征(图1b)。此外, 在这种碎屑流体中, 由于高温以及具有一定的湿度, 碎屑颗粒之间彼此碰撞并聚集在一起, 可形成特殊的增生火山泥粒 (accretionary lapilli)[28]。随着碎屑流继续向远端扩散, 内部温度由于逐渐与周围水体传导, 水蒸气逐渐较少, 海/湖水逐渐不断地混入碎屑流体, 使其密度逐渐降低, 碎屑流逐步由沉积物彼此搬运的碎屑流变为水携型的牵引流搬运, 形成分布广、成层性好, 分选好, 富含晶屑的沉积物[69, 70]。

对于这类由火山碎屑为主构成的流体 (pyroclastic density currents) 在逐渐变为水携型流体的过程中, 如何保持原有的火山结构, 并长时间保持碎屑流为主的机理存在较大的争议[64, 69, 71]。Sparks等[71]认为厚度大的沉积物、大的流率和高的流体密度是保持流体不分散的3个因素。但许多科学家在对现今火山活动观察后, 对该观点提出了质疑[64, 69]。Wadsworth等[72]和Von Aulock等[73]则通过实验室研究发现水可以使炙热的火山灰发生熔结过程, 从而起到保持碎屑流体不分散的作用。

图1 水下火山喷发模式图及其沉积模式图
(a)水下火山喷发方式及其喷出物搬运、沉积模式图 (据参考文献[3, 4]修改, 无比例尺), 其中a为火山碎屑与周围湖/海水混合后形成喷发柱, b为火山碎屑不与周围湖/海水混合保持高温并沉积, c为火山碎屑逐渐从保持高温的碎屑流中向上剥离出来, d为火山碎屑流顶部逐渐降温后, 部分碎屑上浮; (b) 理想状况下水下火山喷发沉积物柱状图 (据参考文献[25]修改, 无比例尺); (c)三塘湖盆地芦草沟组ML1井(3 669~3 676 m)岩心描述简化图Fig.1 Schematic diagram of subaqueous eruption and its sedimentation
(a)Transport and deposition mode of sediments originated from subaqueous eruption (modified after references[3, 4], no relative scales are implied).a.Pyroclasts mix with ambient lake/sea water to form eruption column; b. Pyroclasts do not mix with ambient water and retain heat to deposit; c.Pyroclasts liable to be stripped from thermal flow; d. Flow-top stripping. (b) Idealized stratigraphic deposit from a subaqueous volcanic eruption (modified after reference[25], No relative scales are implied). (c) Simplified interpreted petrology of core from Well ML1 (3 669~3 676 m) in Permian Lucaogou Formation in Santanghu Basin

除以喷出的形式产生碎屑外, 岩浆还可以以侵入的方式进入湿的、未固结的湖底沉积物[48, 49]。同样由于水蒸气的产生, 使温度与压力骤变, 从而发生流体化作用 (fluidization)[65, 66]。该作用可在短时间内使原本的沉积物的构造与成分均发生变化, 形成水压裂缝 (hydrofracture)[65, 66]。直到温度达到均一化后, 破碎的沉积物以单矿物或集合体的方式沿破碎缝发生局部的搬运与沉积[66]。

综上, 关于水下火山喷发物产生的方式, 目前没有太大的争论, 均与水蒸气产生并在此过程中释放出高能量, 而与发生的强烈的破碎作用有关。争论点则主要集中在火山碎屑的搬运方式机理。作者认为该争论需要大量的现今实例观察以及实验室模拟分析工作来逐渐总结规律进而解决。作为以相似地质作用所形成的地质时期的岩石样本为研究对象, 作者认为水下火山喷发沉积物应具有以下3个特征:① 理想状态下, 层序从底到顶应分为块状高密度碎屑流沉积(主要为岩浆碎屑杂乱堆积, 分选差), 层状高密度浊流沉积(为蒸汽火山喷发碎屑, 即由水蒸气作用产生了二次破碎的碎屑流沉积, 具有一定的成层性与分选性)和纹层状低密度浊流沉积3个部分(由粉尘状的火山碎屑通过悬浮作用沉积形成, 呈纹层状和正粒序, 局部可见由侧向流体作用形成的碎屑颗粒定向排列; 图1b)。② 由于水蒸气保温作用, 水体对沉积物的筛选与改造作用, 以及相对于陆地之上较慢的沉积速率, 沉积物中矿物保留了多以熔结结构为特征的岩浆结构, 并富含晶屑。③ 由于水下喷发多为脉动式, 因此层序上多呈现出火山碎屑与正常湖相沉积形成的韵律层理(图1c)。

2 三塘湖盆地芦草沟组水下火山— 热液喷发沉积岩

三塘湖盆地芦草沟组作为二叠系重要的生、储一体层位, 是油气勘探开发的重点目标。以往均认为该层位是由发育于半深— 深湖相的纹层状碳酸盐岩与黑色泥岩互层组成[17]。柳益群等[16, 17]和焦鑫等[56]在研究精细岩石、矿物学的基础上, 发现这类黑色泥岩并非传统的全部由陆源经过长距离搬运沉积后形成的以黏土矿物和硅酸盐矿物为主的富含有机质的泥岩, 而是混入了大量的粉尘状的火山碎屑(主要为晶屑与岩屑)和热液喷流沉积矿物, 局部夹较粗的岩浆岩碎屑层甚至火山熔岩层[17]。朱国华等[74]也根据全岩X衍射结果以及岩石显微特征将这类“ 泥岩” 定义为沉火山尘凝灰岩。本节选择其中的3类火山碎屑沉积岩为研究对象, 并探讨其形成机理。

根据沉积结构特征, 可将三塘湖盆地芦草沟组中的火山碎屑沉积分为3类。第一类为远端沉积, 该类全部与湖相碳酸盐岩呈极细纹层状接触(图2a~c)。沉积结构与矿物构造特征主要有4点:①与碳酸盐岩呈剥蚀面接触, 且层内矿物以长轴方向水平于层理方向的方式略微定向(图2b, c), 指示侧向牵引流体搬运特征; ②部分单纹层内具有正粒序层理, 显示较为缓慢的悬浮沉积(图2c); ③单层厚度非常薄, 多小于0.5 mm, 显示相对缓慢的沉积环境; ④矿物以石英、长石为主, 磨圆非常差, 部分呈鸡骨状结构, 可能指示了火山喷发所造成的强烈破碎, 以及这些碎屑并非经历了长距离的搬运与磨圆。作者认为该类纹层形成于相对稀释的水下浊流作用, 并未经过超长距离搬运的局部沉积。

第二类较第一类离物源相对较近, 其主要沉积结构与矿物构造特征有3点: ①呈纹层— 薄层状, 夹于碳酸盐岩或泥岩中, 接触面较为清晰, 局部呈剥蚀面接触(图2d); ②层内矿物较为自形, 无明显破碎现象, 部分颗粒彼此构成团块(图2d); ③矿物类型相对于第一类成分成熟度较低, 多为中基性火山岩产物。该类岩石应形成于相对密度较高的水下浊流, 层内成层性较不明显。

第三类离物源最近, 其特征主要有3点:①呈中厚层甚至块状, 夹于泥岩中, 接触面相对模糊(图2e), 层内矿物成层性差, 显示大量沉积物快速混杂堆积; ②层内具有类似于典型火山岩的斑状结构(图2e), 也具有粗晶级别的矿物彼此镶嵌形成的薄层状结构(图2f), 显示明显的岩浆结晶成因; ③矿物类型多为超基性— 基性岩浆矿物。此外, 由于泄水/气结构的发现说明少量的水/气混入了这类沉积物, 因此区别于熔浆溢流结晶形成的火山岩。作者认为该类型形成于密度极高的水下火山— 岩浆碎屑流。

在精确观察芦草沟组这一类明显异源沉积夹层的沉积学与矿物学基础上, 二叠纪时期研究区在整体湖相沉积的背景下, 湖底所存在的火山— 热液活动留下的少量, 但是特殊的岩石类型逐步显露出来。这一发现对于理解芦草沟组沉积形成机理, 以及有机质富集和成油气机理均具有开拓思维的作用。然而, 值得进一步探讨的是, 3类岩石均具有成分简单的特征。尤其是第二类岩石, 其骨架颗粒均为方沸石, 这与成分复杂的火山碎屑岩完全不同。在沉积过程中, 矿物的分异作用可能发生在搬运过程或源岩本身在岩浆房中的结晶分异, 然而搬运过程以对矿物的物理性质改变为主, 成分的分异需要长距离的搬运, 并导致碎屑颗粒具有非常高的结构成熟度。这显然与所观察到的低成分成熟度与结构成熟度的现象不符。因此, 这类以单一或十分简单的成分作为骨架颗粒的碎屑岩很可能是熔浆在上涌过程中在岩浆通道中发生的分异, 并可能被影响范围相对较小的热液活动沿着裂缝或热液喷口搬运至水下, 并发生局部的沉积, 也可能直接由热液在上涌过程中沉淀形成。由于上文所述的水下火山喷发机理难以解释三塘湖岩浆— 热液沉积岩的一些现象, 说明该形成机理还需要做大量的工作进行进一步研究与论证。

图2 三塘湖盆地芦草沟组水下火山喷发沉积岩
(a)纹层状火山碎屑(白色)岩与白云岩(深褐色)互层, M11井, 2 944.8 m; (b)为(a)中B框的放大, 长英质颗粒(白色)呈棱角状, 个别具鸡骨状结构(红箭头); (c)为(a)中C框的放大, 火山碎屑岩(上半部)与白云岩(下半部)呈明显的剥蚀面接触(红箭头), 火山碎屑岩显示正粒序; (d)方沸石质火山碎屑岩与黑色泥岩呈明显剥蚀面接触, 方沸石(褐色)呈较自形粒状并被铁白云石(染色为蓝绿色)胶结。部分方沸石颗粒彼此接触构成团块。M33井, 1 720.1 m; (e)白云岩质火山碎屑岩, 上部呈类似火山岩的斑状结构, 下部呈条带状。可见泄水结构(红色虚线)。ML1井, 3 670 m; (f)为图(e)中F框的放大, 条带有粗晶白云石组成。(a)~(d), (f)为单偏光显微镜薄片照片; (e)为岩心剖面照片; (c), (e)和(f)修改自参考文献[75]Fig.2 Subaqueous eruptive sedimentary rocks in Lucaogou Formation in Santanghu Basin
(a) Interlaminated pyroclastic rock (white) and dolostone (dark brown). Well M11 at 2 944.8 m; (b) is a magnified image of the box B in (a), felsic grains (white) are angular, and some of them are shard-like (red arrow); (c) is a magnified image of the box C in (a), pyroclastic rock (upper part) and dolostone are contact with a erosional base (red arrows), and the pyroclastic rock are internal normal graded; (d) Analcime pyroclastic rock and black mud rock show erosional contaction, the analcime grains (brown) are subhedral and cemented by stained ankerite (blue-green), and some of the analcime grains are aggregated together, Well M33 at 1 720.1 m; (e) Dolomitic pyroclastic rock show suspected porphyritic texture of volcanic rock at upper part, and laminae at lower part, a vertical-subvertical veinlet (dashed red line) may have originated from lower laminated part as a gas/water escaping conduit; (f) is a magnified image of the box F in (e). The laminae are composded of coarse dolomite cyrastals. (a)~(d), (f) are plane-polarized light image; (e) is a vertical cut of a core; (c), (e) and (f) are modified after reference[75]

3 讨论与研究建议
3.1 关于内碎屑、陆源碎屑以及深源碎屑的讨论

湖/海底部多以碳酸盐岩及陆源碎屑岩混合沉积为主。碳酸盐岩主要由内碎屑(intraclasts)及部分陆源碎屑(extraclasts)组成。前者来源于盆地内部半固结的碳酸盐沉积物, 而后者则是指沉积盆地外的更古老的灰岩经破碎、搬运并在盆地内沉积。Folk[76]也将后者称之为异化颗粒 (allochems)。两者除非有明显的风化作用痕迹, 否则难以区分[77]。广义上讲, 陆源碎屑也可以包含来自盆缘的硅酸盐矿物。然而, 区别于陆源搬运的硅酸盐矿物碎屑, 水下火山喷发所形成的碎屑由于缺乏暴露于大气中的长距离搬运所造成的风化作用, 其成分缺乏黏土矿物, 且并不存在成分成熟度与结构成熟度呈正相关的关系。当然, 这类碎屑可归类为火成碎屑(pyroclasts)或水成碎屑(hydroclasts), 然而前者范围过大, 囊括了一切火山碎屑, 而后者又忽略了热液活动造成的碎屑。因此, 是否需要提出一类新的碎屑颗粒定义来命名这类特殊的来自于湖/海盆底部直接由火山— 热液作用喷发带来的地球深部碎屑颗粒值得探讨。

3.2 关于区别水下喷发与地面喷发沉积物

以往对于区别水下与地面火山喷发沉积物的方式, 主要为前者具有更细的粒度[20]。然而这一相对的比较区分方式在实践中并无可行有效的作用。结合过往研究内容, 作者认为地质时期的水下火山喷发沉积物所形成的岩石相较于地面喷发的岩石更为缺乏黏土矿物。原因如下:①前文已述, 水下火山碎屑流由于受到水蒸气的保护, 温度可长期保持高温, 这为熔浆凝结为矿物晶体, 以及非晶质的火山玻璃发生脱玻化作用提供了较好的温度条件。相较于火山玻璃, 矿物则更不易被风化而转变成黏土矿物。②水下属于较封闭的环境系统, 从破碎、搬运以及沉积都处于相对缺氧的背景, 因此在沉积期以及成岩作用早期蚀变作用相对较弱, 难以形成黏土。③由于水逐步参与到火山碎屑的搬运过程中, 由此产生的分选作用也使得较为稳定的晶屑得以大量保存, 因而较难在后期蚀变出大量的黏土。④由于水下喷发多呈脉动式, 往往形成了碎屑流沉积物, 湖相碳酸盐岩以及火山岩或熔结凝灰岩互层的岩石组合。这些岩石较为致密, 可起到阻隔作用, 因此很难接触到外来的流体, 从而降低了后期成岩作用的蚀变改造作用影响。

3.3 关于水下喷发沉积岩命名

由于水下火山喷发所形成的大量硅酸盐矿物混入了湖相碳酸盐岩, 其成分十分复杂, 建立便捷有效且被大众接受的命名方式变得十分重要。岩石的分类定名主要有由较为客观的成分定名和加入主观解释的成因定名2种。首先, 用最基本的碳酸盐岩与碎屑岩的命名原则, 以碳酸盐矿物的含量超过50%为划分二者的分界线。该方法虽然简单且争议较小, 但使用过于广泛, 缺乏成因方面的意义。其次, 关于碳酸盐岩的定名, 最著名的当属Folk[76]和Dunham[78]的分类, 两者虽各有优缺点并被广泛使用, 但均忽略了混入的硅酸盐矿物, 难以对本文探讨的这类混合的岩石类型定名。目前, 可检索到Mount[79]以及Zuffa[80]明确提出了这类混合岩类的定名。如Mount[79]建议以硅酸盐碎屑颗粒 (siliciclastic sand)、泥 (mud, 主要为泥级与黏土级基质)、异化颗粒 (allochems, 主要为碳酸盐颗粒) 和泥晶微晶碳酸盐 (carbonate mud or micrite, 晶体一般小于20 μ m)4组端元的相对含量分别定名。而Zuffa[80]则建议以非碳酸盐盆外颗粒(noncarbonate extrabasinal)、碳酸盐盆外颗粒 (carbonate extrabasinal)、非碳酸盐盆内颗粒 (noncarbonate intrabasinal)以及碳酸盐盆内颗粒 (carbonate intrabasinal) 4组端元来命名。前者强调组分特征, 而后者则更关注沉积物的来源。虽然可以用这2种方案对水下喷发沉积物定名, 但作者认为并没有反映出沉积过程, 缺乏针对性。White等[18]则以火山碎屑沉积机理为基础, 首先依据粒度将火山来源沉积物与正常搬运沉积物对比研究, 进行了简单的粒度命名(表1), 其次提出了pyroclastic (一切来源于火山作用的沉积岩)、autoclastic(熔岩表面与空气接触后降温产生的破碎碎屑)、hyaloclastic(熔岩与水接触后产生的淬火与破碎形成的碎屑)和peperite(特指侵入岩混入尚未固结的含水沉积岩中形成的混合沉积物)四大类。该方案从成因角度将一切火山碎屑岩进行分类, 但并没有具体到水下火山活动, 无法反映出其复杂的形成过程。柳益群等[17]在研究新疆三塘湖盆地二叠系芦草沟组岩浆— 热液湖相沉积岩的基础上, 考虑了与火山活动相关的热液活动作用, 提出了喷积岩这一概念。并根据不同的成因划分为喷爆岩、喷流岩、喷溢岩、喷混岩以及喷裂岩。该方案较好地反映了不同岩类的形成过程, 属于岩石成因学分类。作者认为, 鉴于水下火山喷发过程复杂, 且由于其远端沉积物与正常湖相沉积岩混合后难以区分, 应以超微观研究沉积结构、矿物构造的客观认识基础上, 考虑形成过程, 逐渐完善并形成一套综合客观与主观认识的命名方案。

表1 火山来源沉积物及岩石类型粒度划分表 (据参考文献[18]修改) Table 1 Grain-size terms for primary volcaniclastic deposits and rocks (modified after reference[18])
3.4 建议与展望

作者认为, 鉴别与研究水下火山喷发沉积物应当注意以下问题:

(1) 水下火山喷发是一个复杂的过程, 受到岩浆性质和水体深度综合控制, 因此很难用一种模式图来解释不同地质背景下的火山沉积物。

(2) 注意宏观研究相。宏观主要包含3点:①地质背景研究, 如构造背景是否支持研究区存在火山活动; ② 野外剖面或岩心纵向上的岩性组合研究, 如是否具有从火山熔岩— 粗粒火山碎屑岩— 粉砂、泥级火山灰与湖相碎屑混合沉积岩; ③ 平面上多点研究, 如典型火山碎屑粒度及含量由某一中心呈放射状或是沿某一方向(主要受水下暗流影响)逐渐减小。

(3) 由于火山远端沉积物粒度过于细小, 受实验条件限制, 以往常常将其定义为泥岩。随着基础研究的迫切性以及电子显微技术的发展, 应开始注意微观岩石与矿物学研究而非全岩地球化学研究。① 岩石层序特征以及不同岩性的接触关系可以直接体现出碎屑的搬运方式; ② 矿物的微观构造则直接展现出碎屑从破碎至沉积所经历的搬运过程; ③ 由于远端沉积已经与湖/海的正常沉积强烈混合, 很难开展如同火成岩般的全岩地球化学研究, 只能对其中微小的矿物进行矿物地球化学研究, 在此过程中获取有效数据, 为开展对比研究提供基础数据。

(4) 在上文所述的关于水下火山喷发沉积的文献中, 基本忽略了热液喷流的沉积作用。关于热液喷流沉积进展, 作者在2013年已经做过评述[56], 此文不再赘余。以往, 对热液喷流沉积的认识多以热液化学沉淀为主[55], 很少考虑到热液上涌过程中是否携带了深部碎屑矿物。作者认为, 由于水下的特殊环境, 火山活动必然会伴随着热液活动, 前者作为主要的物源供给者, 提供了大量的、广泛的火山物质沉积, 而后者则形成局部的、碎屑含量较少的、以化学沉淀为主的沉积。如上文描述的第二类岩石(图2d), 骨架颗粒以纯的, 晶形保存完好, 无明显破碎的方沸石组成, 胶结物则以化学沉淀形成的铁白云石为主。该现象用正常的陆源碎屑以及水下火山喷发沉积均难以解释。其成因很有可能是湖底局部的热液活动造成。因此, 在研究水下火山活动的同时, 需要结合研究相关的热液喷流沉积作用。

(5) 注意多学科交叉研究。①由于水下火山活动所带来的热量以及深大断裂的产生, 来自湖/海水下渗回流或是地球深部流体所形成的热液喷发、沉积环境所形成的“ 黑烟囱” 和“ 白烟囱” [33, 35]具有很高的能源矿产经济价值和科学研究价值; ②火山喷发所带来的的营养物质也促使大量水生生物的繁殖[81, 82], 而这些生物活动又反过来影响地质成矿作用, 该过程也是目前地学界的研究热点; ③随着我国对洋底可燃冰的成功开采, 表明我国开展全方位海洋地质科学研究的重要性与迫切性, 诸如大洋火山岩同位素研究[83]以及海洋碳封存研究[84]均离不开水下火山活动的影响。

The authors have declared that no competing interests exist.

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