火山岩陆上与水下喷发环境的氧化系数判别方法

伍宏美，陈亚军，孟朋飞，马强，宋小勇，何兴华，于家义，何伯斌

1.北京中科联华石油科学研究院，北京 100101

2.中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆哈密 839009

3.中国石油玉门油田分公司勘探开发研究院，甘肃酒泉 735019

4.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室，贵阳 550081

5.中国科学院大学，北京 100049

0 引言

近年来，火山岩作为一类非常规油气储层及新的油气勘探领域，在国内外取得了一系列较为重要的油气发现，表明其中蕴藏着丰富的油气资源。对我国已发现和开发的火山岩油气田统计表明，从基性的气孔、碎裂玄武岩[1-5]，到中性的自碎、气孔—杏仁状安山岩[1-4,6]和气孔或多孔熔渣（碱性）粗面岩[1-4,7]，再到酸性的流纹岩[1-4,8-9]，以及凝灰岩、火山角砾岩[1-4,10-12]和沉凝灰岩[13]，都能作为有效的储集岩类。诸多学者研究认为风化淋滤作用[14-16]、火山岩岩相[17-18]及成岩作用[19-21]是控制储层发育形成的关键，但这些认识多以陆上喷发沉积形成的火山岩储集层为研究对象，却很少关注或重视过水下喷发水下沉积的火山岩储集体。陆上与水下两种不同沉积环境形成的火山岩储集体的储集空间类型、特征，以及发育机理大相径庭[19]，油气成藏规律[22]以及对优质烃源岩[23]形成的影响亦差异巨大；因此，准确判别火山喷发沉积古地理环境是火山岩油气储层评价研究的一项重要依据。陆上与水下由于氧含量的原因[24-25]，火山岩中变价元素铁的氧化物含量（Fe2O3、FeO）及其比值（Fe2O3/FeO、Fe2O3/Fe2O3+FeO）不同；陆上地表氧化环境使得低价态铁（Fe2+）易氧化为高价态铁（Fe3+），表现为Fe2O3较为富集的特征；水下还原环境使得低价态铁（Fe2+）难以被氧化，表现为FeO含量较高的特征[24-27]。诚然，影响火山岩Fe2O3、FeO 含量的不只是火山喷发沉积古地理环境，还有岩浆性质（酸度）[28-29]、风化淋滤作用[14-16]、成岩溶蚀蚀变作用[30-31]、构造背景[32-33]等因素。因此，运用火山岩氧化系数来判别火山喷发沉积古环境时，需要对这些干扰因素进行合理校正或规避，这不仅是火山岩岩石化学特征方面研究的热点，更是难点。

研究使用Fe2O3/FeO和Fe2O3/（Fe2O3+FeO）作为火山岩氧化系数，在充分考虑前述几项关键影响因素下，改进了传统意义上基于火山岩氧化系数的喷发环境判别图，并对判识结果的准确性做了检验与评估分析。以新疆东疆地区三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统火山岩为应用实例，应用改进的图版对上石炭统卡拉岗组（C2k）和哈尔加乌组（C2h）火山岩喷发沉积环境进行了判别，并与前人基于该区火山岩共生岩石与化石组合、风化壳等有效判别依据得到的结果对比检验。研究丰富了含油气盆地火山岩储层评价地质理论，改进的方法和形成的图版，为火山岩喷发沉积古地理环境的判定提供了一种更为科学合理的方法。

1 火山岩氧化系数的计算方法及影响因素

1.1 火山岩氧化系数常见的几种计算方法

火山岩氧化系数常见的计算方法和表达方式众多：Rittmann[34]在火山岩的稳定矿物组合研究中将氧化度用OX＝Fe3+/(Fe3++Fe2++Mn)（原子数）来表示，Le Maitre[28]在几种常见火山岩的化学变化研究中用FeO/（FeO+Fe2O3）（百分重量比值）表示氧化率，邱家骧[24]在火山岩中Fe2O3、FeO 的调整与方法研究中指出Fe2O3/FeO 比值是反应火山岩氧化程度的常用参数，可称为氧化系数、氧化度、氧化率等。黄剑霞[35]在厦门港湾氧化—还原沉积环境的划分研究中，以Fe3+/Fe2+比值0.8、1.0和1.5为界，将0.8以下划为强还原环境区，1.5 往上划为强氧化环境区，0.8~1.0 和1.0~1.5 之间为弱还原环境、弱氧化环境区；单玄龙等[23]据此划分标准，计算分析松辽盆地徐家围子断陷营城组火山岩氧化比（Fe2O3/FeO）均低于0.8，推测该区火山岩成岩过程中可能受到水下强还原环境的影响。李明连等[26]在岩浆的氧逸度与岩石的氧化系数研究中，指出岩石的氧化系数（K）是一个可用以反映岩石形成时氧化还原环境条件的参数，有2种计算方式：1）K＝Fe3+/（Fe3++Fe2+）；2）K＝Fe2O3/（Fe2O3+FeO）；何衍鑫等[36]据此表达式计算分析了准噶尔盆地西北缘下二叠统火山岩喷发沉积环境。

尽管火山岩氧化系数计算表达式多样，但都遵循化学平衡原理（与化学反应有关）。单玄龙等[23]运用黄剑霞[35]提出的传统判识方法，认为火山岩Fe2O3/FeO比值在0.8以上为陆上沉积，其下为水下沉积；何衍鑫等[36]运用李明连等[26]提出的K=Fe2O3/（Fe2O3+FeO）参数，计算得出陆上、水下两种不同沉积环境下基性到酸性火山岩的氧化系数最值；前者划分没有考虑岩浆性质（酸度）、风化淋滤作用、埋藏溶蚀蚀变作用、构造背景等影响因素，后者虽然考虑了部分影响因素，但图版建立时获取的数据较少，且对图版判识结果的准确性未做检验与评估分析，是否具有普遍适用意义有待商榷。为提高判别结果的科学性和准确性，研究使用Fe 的不同价态氧化物质量分数之比来计算火山岩氧化系数；采用黄剑霞[35]、李明连等[26]的定义和计算方式，沿用Rittmann[34]提出的代号，记作为OX，即OX1＝Fe2O3/FeO，OX2＝Fe2O3/（Fe2O3+FeO）。

1.2 火山岩氧化系数的影响因素及校正思路

1.2.1 影响火山岩氧化系数的因素

火山喷发沉积环境介质（空气和水），岩浆性质（酸度），风化淋滤作用，埋藏溶蚀蚀变作用，构造环境等均可能对火山岩氧化系数造成影响。

喷发沉积环境介质（空气和水）：海水（湖水）中含氧量远远低于陆上空气介质，因此，水下沉积保存的火山岩，通常以FeO>Fe2O3为特征；且水体越深，还原性越强，岩石氧化系数[Fe2O3/FeO、Fe2O3/（Fe2O3+FeO）]值越低；Dyaret al.[25]利用淬火方法对Fe3+/Fe2+比值的影响研究重融喷发实验结果即是证实。

岩浆性质（酸度）：Le Maitre[28]在对几种常见火山岩地球化学特征差异分析研究中指出，岩浆酸度与碱度不同，岩石中Fe2O3、FeO的含量及其比值有着明显差异（表1）；具体表现为随岩石酸度的增大Fe2O3的含量增高，岩石氧化系数[Fe2O3/FeO 或Fe2O3/（Fe2O3+FeO）]也随之增大（表1）。

表1 几种常见火山岩氧化系数变化统计结果（%）（据Le Maitre[28]）Table 1 Oxidation index changes for several common volcanic rocks（%）(after Le Maitre[28])

埋藏溶蚀蚀变作用：与油气相关的火山岩基本都遭受了较深的埋藏，一般情况下埋深愈小，喷发愈强者，Fe2O3越高，FeO 越低少，岩石氧化系数Fe2O3/FeO、Fe2O3/（Fe2O3+FeO）值愈大[24]；岩石在埋藏成岩演化过程中遭受强烈的溶蚀蚀变作用后，一般也造成Fe3+的富集，Fe2+减少，Fe3+/Fe2+比值增大。

构造环境：岩浆活动总是与区域构造环境的变动密切相关，板内环境和岛弧环境形成的火山岩地球化学特征是不同的[32]；一般在相同碱度条件下，岛弧造山带比板块内部Fe2O3含量高，而FeO含量低。

表生风化淋滤作用：对于陆相地表火山喷发来说，在喷发间歇期或之后，火山岩暴露于表生环境，受到大气、淡水及火山喷发间歇期饱和CO2气雨水的风化淋滤，形成多套风化淋滤作用面。在风化淋滤作用过程中，火山岩中易迁移元素和可迁移元素都会被淋失，只有惰性元素（如Fe、Al等元素）与不迁移元素表现出累积的现象[37-40]；长期风化淋滤必然使得火山岩原生矿物中大部分铁元素被释放出来，Fe2+（低价态）被氧化为Fe3+（高价态），Fe3+很快水解氧化成氢氧化物Fe（OH）3，脱水后形成Fe2O3，并因其自身的化学惰性残留下来[37,41-42]；因此，表生风化淋滤作用的结果必然造成火山岩中惰性Fe3+离子的富集，Fe2+减少，Fe3+/Fe2+比值增大。

1.2.2 影响因素校正或规避思路

埋藏作用对氧化系数的影响主要体现在埋藏深度上，若火山岩遭受过深埋藏，岩石普遍遭受明显的绿泥石化和碳酸盐化等后期蚀变作用，岩矿发生变化，可能引起岩石Fe2O3与FeO含量的改变。因此，受埋藏成岩作用影响较大的样品氧化系数对喷发环境的指示意义不大；在薄片资料充分的情况下，可选取蚀变相对较弱的样品做化学分析；另外，可根据烧失量值（LOI）来分析，一般认为高烧失量是由于熔岩受到强烈的蚀变作用所导致。

次生变化对氧化系数的影响主要体现在溶蚀、风化和充填胶结等作用上，遭受强烈溶蚀及充填胶结严重的火山岩，其氧化系数对喷发沉积环境的记录已不太确切。采样分析时要选择较为新鲜的样品，通过薄片鉴定筛选剔除溶蚀蚀变、充填矿化较强的样品；同时，考虑到有杏仁体发育的火山岩其杏仁体充填或半充填物的影响，在采样时需敲击观察新鲜面气孔—杏仁体是否发育。

表生风化淋滤作用对氧化系数的影响主要体现在喷发间歇期或之后暴露于地表的火山岩，对于高强度、长时间遭受表生风化淋滤作用改造的火山岩，其氧化系数对喷发沉积环境的指示意义不大，不再是反映古地理环境演化的良好信息载体。有2 种简要方法可以合理规避：其一是分析化验的岩石要选用新鲜岩石，新鲜岩石的岩石化学标准[43]是ω（H2O）<2%，ω（CO2）<0.5%，风化破碎者不予取样；其二是地球化学参数分析法，常用的判断表生风化淋滤作用强弱的地球化学参数有淋溶系数、风化势能指数和化学蚀变指数等[38-40,44]，王盛鹏等[19]在相关研究中对风化淋滤强度大小定量分析时应用了化学蚀变指数CIA（CIA=(Al2O3/（Al2O3+Na2O+K2O+CaO））×100%），CIA 指数大于0.5，表示火山岩遭受过明显的表生风化淋滤作用，大于0.6 时，表示火山岩岩石受风化淋滤作用十分强烈。此外，侯连华等[14]在三塘湖盆地石炭系卡拉岗组（C2k）火山岩风化体储层控制因素研究中得出，风化淋滤作用改造后的火山岩孔吼直径明显大于未遭风化淋滤火山岩的孔吼直径，未经风化淋滤火山岩孔吼直径只存在单峰特征，而风化淋滤后的火山岩孔吼直径具有双峰分布特征。

构造背景对火山岩演化系数的影响主要体现在板内环境和岛弧环境形成火山岩地球地球化学特征的差异上，中基性火山岩的构造环境可用Ti-Zr-Y 图解、TiO2-MnO-P2O5图解MgO-FeO-Al2O3图解和里特曼—戈蒂里图解等来判定[43,45]，中酸性火山岩构造环境的判别可用化学性质相近的花岗岩R1￣R2图解来判定[32]（阳离子数：R1=[4Si-11（Na+K）-2（Fe+Ti）]，R2=Al+2Mg+6Ca），也可用岩石微量元素丰度、稀土元素配分形式并结合构造演化分析来判断。由于不同盆地相关资料收集及数据获取难度大，研究中该影响因素未作考虑。

岩浆性质表现在岩石地球化学特征上，即为酸度（SiO2含量）的连续变化。因此，岩浆性质对氧化系数的影响可通过酸度进行校正，以国际地科联（IUGS）火成岩分类学分委会1986年推荐的火山岩化学成分分类方案中SiO2含量<45%、45%~52%、52%~63%、>63%为域值，将图版横坐标定义为岩石酸度，纵坐标定义为岩石氧化系数，建立经岩浆酸度校正后的氧化系数分布特征的火山喷发环境判别图。

2 基于火山岩氧化系数的喷发环境判别图版的建立

2.1 国内外文献资料数据获取

研究参阅国内外不同盆地文献资料[28,36,46-55]，从中获取充分的样品数据，用于判别图版的建立和检验与评估。数据获取时遵循以下五项原则：1）目的性—根据研究的目的获取数据，力求多盆地少而精准；2）代表性—获取的数据资料应涵盖不同岩浆性质的火山岩，即从基性到酸性的熔岩以及火山碎屑岩（凝灰岩和火山角砾岩）；3）真实性—获取的数据要能反映岩石的实际成分；4）数据规范性—样品主量地球化学成分测试结果至少包括SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、LOI 等地球化学数据；5）确定性—必须有其他有效判别依据，如淬碎构造、红顶现象、风化壳、生物化石、冰川火山等能明确证实样品是水下沉积成因还是陆上沉积成因。

基于上述原则，调研共获取了世界范围不同盆地124 件样品数据（表2），岩石类型包括基性玄武岩、中性安山岩、酸性流纹岩、英安岩、珍珠岩，以及角砾岩、凝灰岩；已知水下沉积成因火山岩样品68件，陆上沉积成因火山岩样品56件（表2）。

表2 研究调研国内外不同盆地124件火山岩样品数据资料Table 2 Data for 124 volcanic rock samples from different basins in China and globally

2.2 所获数据的试验方法及流程

综合文献筛选的不同盆地124 件火山岩样品主量元素分析由不同测试单位和测试中心完成，其Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、SiO2、TiO2等11项氧化物多采用压片法-X射线荧光光谱法（XRF）测定，检出限为0.05%~0.10%；TFe2O3采用熔片法-X 射线荧光光谱（XRF）法、等离子全谱分析测定，检出限为0.10%；FeO 含量采用重铬酸钾容量法测定，检出限一般0.10%；CO2采用电位法分析测试，检出限为0.1%；H2O+、H2O-采用重量法（GR）分析测试，检出限为0.1%；烧失量（LOI）又称灼烧减量，采用重量法（GR）测得。

2.3 判别图版的建立

基于文献获取的124 件样品Fe2O3、FeO、SiO2含量数据，建立及改进传统意义上基于氧化系数分布特征的火山喷发环境判识图，具体步骤如下。

（1）坐标建立：以岩石酸度即SiO2重量（%）为横坐标，岩石氧化系数（Fe2O3/FeO、Fe2O3/Fe2O3+FeO）为纵坐标，建立岩石酸度—氧化系数二维坐标系统。

（2）氧化—还原界线的厘定：将124件样品数据在岩石酸度—氧化系数坐标系统中投点，以68 件已知水下沉积成因火山岩样品的氧化系数值和56件已知陆上沉积成因火山岩样品的氧化系数值为控制点，界定出陆上强氧化环境和水下强还原环境界线；纵向上取两界线之间样品氧化系数值加权平均，厘定出弱还原环境与弱氧化环境界线。

（3）氧化—还原沉积环境的分区：根据124件样品控制点确定的强氧化、弱氧化、弱还原和强还原界线的趋势形态，纵向上表征出强氧化环境区、弱氧化环境区、弱还原环境区、强还原环境区；横向上依据124 件样品SiO2含量的分布范围，以SiO2含量<45%、45%~52%、52%~63%、>63%为域值，表征出超基性、基性、中性、酸性4类不同岩浆性质火山岩，完成图版纵向上沉积环境的分区和横向上岩石酸度的校正（图1a，b）。

（4）与前人划分标准的对比：黄剑霞[35]提出的Fe3+/Fe2+之比1.5、1.0、0.8 的划分标准界限（图1a），由于未考虑关键影响因素，不能对不同岩浆性质（酸度）火山岩的喷发沉积环境进行科学的判识；何衍鑫等[36]在考虑了岩浆性质的影响因素下，应用Fe2O3/（Fe2O3+FeO）值建立了划分标准，得出陆上喷发的超基性岩氧化系数最小为0.35，基性岩最小为0.43，中性岩最小为0.47，酸性岩最小为0.53；水下喷发的超基性岩氧化系数最0.43，基性岩最0.47，中性岩最大0.53，酸性岩最大0.54（图1b）；但该标准应用数据资料老旧，且未做准确性检验与评估分析，是否具有普遍适用性有待商榷。

2.4 判别图的准确性检验与评估

调研获取四川雷波峨眉山[56]已知海相玄武岩样品11 组，辽河油田坨32 井区[57]已知陆上喷发沉积环境的玄武安山岩、安山岩、粗安岩、英安岩、流纹岩样品9组（表3），对改进的基于氧化系数判识图判别结果的准确性进行检验评估。结果表明，四川雷波峨眉山11 件海相玄武岩样品90.91%落在强还原环境区（水下沉积环境）（图1a，b），与刘建清等[56]研究的结果一致；辽河油田坨32 井区9 件样品88.89%落在强氧化和弱氧化环境区域（陆上沉积环境及水、陆过渡复杂环境）（图1a，b），与赵海玲等[57]研究的结果相符合。

图1 基于火山岩氧化系数OX1（上）和OX2（下）的火山喷发沉积环境判别及检验评估图版Fig.1 Discrimination and evaluation chart of volcanic eruption sedimentary environment based on oxidation index of volcanic rocks

需要说明的是，本次图版建立参阅不同盆地文献资料获取124块样品数据时，未能充分克服风化淋滤作用对所获样品氧化系数的影响，这给判断火山岩的喷发环境带来一定误差；但通过对图版判别标准的准确性检验与评估得出，改进的图版仍具有较好的普遍适用性。

3 应用实例

纵观现有资料，对新疆三塘湖盆地石炭统火山岩喷发沉积环境的研究主要集中在火山岩岩石组合特征、构造结构与粒度、储集空间类型等方面[14,16,19-20,43,58-64]，仅个别学者利用古生物标志、自身矿物分布特征等来判定火山岩层系的沉积古地理环境[43,59-60]，而基于火山岩地球化学特征，利用火山岩氧化系数来探讨喷发沉积古地理环境的研究尚未见报道。以此为实际应用实例，应用改进的图版标准对上石炭统卡拉岗组（C2k）和哈尔加乌组（C2h）火山岩沉积古地理环境进行判别。研究丰富三塘湖盆地火山岩储层评价地质理论，为该区火山岩储层评价提供新思路和新方法，以期能为该区火山岩油气勘探新区或具有相似地质背景的地区提供技术参考和启示。

3.1 三塘湖盆地马朗凹陷地质概况

三塘湖盆地属晚泥盆—早石炭世褶皱基底上发育的多旋回复杂叠加型残留盆地，经过海西、印支、燕山、喜山等多期构造运动的复合作用，呈现今南北分带、东西分块的构造格局。盆地中部的马朗凹陷（图2a）为一个向北东隆升的前陆凹陷，上石炭统火山岩大面积分布（图2b），已发现的牛东油田和牛圈湖含油气构造，具上亿吨储量规模。前人[43,61-64]通过对新疆石炭系火山岩年代学、岩石化学成分、主微量元素分布特征和稀土元素配分形式等研究，并结合区域大地构造背景和火山活动事件分析，认为三塘湖盆地受西伯利亚板块和塔里木板块挤压应力的作用，在晚石炭世—早二叠世洋壳闭合，受洋壳俯冲消减作用的影响，位于克拉美丽北侧的三塘湖地区以大陆边缘的岛弧火山活动最为发育，但火山成分仍具有部分洋壳熔融的洋岛碱性玄武岩的特点；综合运用多种方法分析得出[43,61-62]石炭系火山岩总体形成于大陆边缘构造环境，上石炭统卡拉岗组（C2k）火山岩形成于火山岛弧建造环境，哈尔加乌组（C2h）火山岩以板内环境为主。

钻井揭露马朗凹陷牛圈湖—牛东构造带地层自下而上依次为上石炭统巴塔玛依内山组（C2b）、哈尔加乌组（C2h）和卡拉岗组（C2k）、上二叠统芦草沟组（P2l）和条湖组（P2t）、中上三叠统小泉沟群（T2-3xq）、西山窑组（J2x）、中侏罗统头屯河组（J2t）、上侏罗统齐古组（J3q）、下白垩统（K1）和第三系（R），各层组间大都以不整合接触（图2b）。上石炭统哈尔加乌组（C2h）至卡拉岗组（C2k）发育了一套海相、海陆交互相及陆相的熔岩、火山碎屑岩与沉火山碎屑岩沉积，岩性极为复杂，非均质性极强；在各喷发间歇期沉积有薄层沉积岩（泥岩、碳质泥岩、泥质砂岩等）。

图2 三塘湖盆地马朗凹陷构造位置及牛圈湖—牛东构造带井位分布与地层综合柱状图（a）马朗凹陷牛圈湖牛东构造带位置及井位分布；（b）地层综合柱状图Fig.2 Structural location of Malang Sag, Santanghu Basin and well location inthe Niuquanhu￣Niudong structural belt,and comprehensive stratigraphic column

3.2 上石炭统火山岩氧化系数分布特征

研究系统采集马朗凹陷牛圈湖—牛东构造带上12 口井40 块火山岩样品，岩石主量元素测定分析由新疆有色地质勘查局测试中心完成，采用压片法-X 射线荧光光谱法（XRF）测定了Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5、SiO2、TiO2等11 项氧化物及烧失量（LOI），采用重铬酸钾容量法测定了FeO含量；相对标准样品的偏差，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、烧失量（LOI）及氧系数（OX1、OX2）分析结果如表4、5所示。

表4 三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统卡拉岗组（C2k）火山岩主量元素分析结果（%）及氧化系数Table 4 Major elements (%) and oxidation coefficient of volcanic rocks from Kalagang Formation (C2k)in Malang Sag, Santanghu Basin

表5 三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统哈尔加乌组（C2h）火山岩主量元素分析结果（%）及氧化系数Table 5 Major elements (%) and oxidation coefficient of volcanic rocks of Upper Carboniferous Haerjiawu Formation (C2h) in Malang Sag, Santanghu Basin

数理统计表明，上石炭统卡拉岗组（C2k）20块火山岩样品OX1（Fe2O3/FeO）介于1.12~3.71，85%集中在1.0~2.5 之间，OX2（Fe2O3/（Fe2O3+FeO））介于0.54~0.79，65%集中在0.60~0.70之间（图3a）；初步推断该组火山岩喷发沉积期的古地理环境复杂，陆上地表强氧化环境与频繁水、陆过渡复杂环境都存在；上石炭统哈尔加乌组（C2h）20 块火山岩样品OX1（Fe2O3/FeO）介于0.26~0.94，70%分布在0.20~0.40 之间，OX2（Fe2O3/（Fe2O3+FeO））介于0.21~0.48，75%分布在0.25~0.30 之间（图3b）；初步推测该组火山岩喷发沉积期的古地理环境相对单一，以水下喷发水下还原环境为主。

图3 三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统火山岩氧化系数分布直方图（a）上石炭统卡拉岗组火山岩氧化系数分布直方图；（b）上石炭统哈尔加乌组火山岩氧化系数分布直方图Fig.3 Oxidationindices of Upper Carboniferous volcanic rocks in Malang Sag, Santanghu Basin

从垂向分布来看，上石炭统卡拉岗组（C2k）部分单井火山岩氧化系数随埋深变化跳跃性较大，而上石炭统哈尔加乌组（C2h）部分单井火山岩氧化系数随埋深变化甚微，分布较为集中。以马19 井卡拉岗组（C2k）和马361 井哈尔加乌组（C2h）岩心段为例（图4a，b），马19 井卡拉岗组（C2k）非连续取心段揭露的岩性有灰褐色玄武岩和安山岩、灰绿色和紫色玄武岩、灰黑色碳质泥岩和灰色泥质粉砂岩，岩石中Fe2O3含量高，氧化系数受埋深影响较大（图4a）；紫色玄武岩及高的氧化系数揭示了陆上强氧化沉积环境的特征。马361 井哈尔加乌组（C2h）连续取心段岩心揭露的岩性有深灰色凝灰岩和灰黑色碳质泥岩，岩石FeO 含量高，氧化系数均低于0.5（图4b），受埋深影响较小，揭示了水下还原环境沉积的特征。

图4 三塘湖盆地马朗凹陷单井上石炭统火山岩氧化系数垂向分布特征（a）马19井上石炭统卡拉岗组岩心样品氧化系数垂向分布特征；（b）马361井上石炭统哈尔加乌组岩心样品氧化系数垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of oxidation index of Upper Carboniferous volcanic rocks at a well in Malang Sag,Santanghu Basin

3.3 上石炭统火山岩喷发沉积古地理环境的判别与检验

将40 件分析样品数据在改进的判别图中投点，结果显示卡拉岗组（C2k）20 块样品60%落在强氧化环境区，25%落在弱氧化环境区，仅15%落在弱还原环境区（图5a，b）；揭示该组火山岩主要沉积成因于陆上氧化环境介质中，频繁水、陆交互复杂环境也存在。哈尔加乌（C2h）20 块样品95%落在强还原环境区，5%落在弱还原环境区（图5a，b）；指示该组火山岩主要沉积成因于水下还原环境介质中，局部具有一定水体深度。

图5 三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统火山岩喷发沉积环境判别图Fig.5 Discrimination map of eruption sedimentary environment of Upper Carboniferous volcanic rocks in Malang Sag,Santanghu Basin

卡拉岗组（C2k）火山岩Fe2O3和FeO 的这种变化关系与梁浩等[43]基于该组火山岩岩心观察裂缝周围见红色氧化边，以及王盛鹏等[19]应用化学风化指数CIA=Al2O3/(Al2O3+Na2O+K2O+CaO)×100%)定量分析判别的喷发沉积环境结果相符合。哈尔加乌组（C2h）火山岩Fe2O3和FeO 的这种变化关系与王岚等[58]镜下观察凝灰岩成分中玻屑的含量较高，岩屑、晶屑以及玻屑组成的凝灰岩、碳质凝灰岩发育明显的层理构造特征，可见到玻屑条带与暗色泥岩交替互层的现象等标志判别的结果相一致。

此外，王盛鹏等[19]通过对上石炭统火山岩夹持的部分泥岩微量元素对比分析显示，马24井（井位位置见图2）卡拉岗组（C2k）灰色砂砾岩及棕色细砂岩ω(Sr)/ω(Ba)值小于0.5，显示出陆相氧化环境特征，马38 井（井位位置见图2）哈尔加乌组（C2h）泥岩ω(Sr)/ω(Ba)值大于1，显示出海相水体环境特征（图6）。朱卡等[59]在三塘湖盆地石炭系火山岩喷发环境及储层特征研究中指出，反映卡拉岗组（C2k）陆上喷发环境的典型标志有共生岩石即化石、不整合及风化壳、柱状节理，如马19 井（井位位置见图2）在卡拉岗组（C2k）揭露风化壳，安山岩见示底构造（图6）；反映哈尔加乌组（C2h）水下喷发沉积环境的典型标志有共生岩石即化石、充填及胶结物，如马36 井（井位位置见图2）在哈尔加乌组（C2h）见亮晶方解石胶结的沉火山（角）砾岩（图6）。

图6 三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统火山岩喷发环境其他有效判别依据图版Fig.6 Identification of a selection from the volcanic eruption environment of the Upper Carboniferous in Malang Sag, Santanghu Basin

4 结论

（1）研究使用Fe的不同价态氧化物质量分数之比Fe2O3/FeO，Fe2O3/(Fe2O3+FeO)作为火山岩氧化系数，并充分考虑岩浆性质（酸度）、风化淋滤作用、成岩溶蚀蚀变作用、构造背景等影响因素，改进了传统意义上基于火山岩氧化系数的喷发环境判别图；该地球化学方法具有普适性，改进的判识图，可应用于不同盆地、不同地质年代火山岩的喷发沉积古环境的判别研究中。

（2）对新疆三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统火山岩喷发沉积环境判别实际应用结果表明，上石炭统卡拉岗组（C2k）火山岩主要喷发沉积和保存于陆上地表强氧化环境，频繁水、陆交替的弱氧化—弱还原复杂环境也存在，上石炭统哈尔加乌组（C2h）火山岩主要喷发沉积和保存于水下还原环境。

（3）实际应用结果与前人基于本区上石炭统火山岩共生岩石与化石组合、不整合及风化壳以及火山岩夹持的部分泥岩微量元素比值特征等有效判别依据得到的喷发环境结果相符合，表明改进的判别图识别标准具有较好的适用性。