火山碎屑岩

第十章火山碎屑岩火山碎屑岩是主要由火山碎屑物质组成的岩石。火山碎屑岩是介于火山岩与沉积岩之间的岩石类型，兼有两者的特点，又与两者相互过渡。在沉积岩系中它属于碎屑沉积岩中的一种特殊类型。与火山碎屑岩相伴生的还有熔岩、次火山岩（或超浅层侵入岩）和正常沉积岩类。火山碎屑岩在自然界分布十分广泛，从前寒武纪至第四纪均有分布。我国东部地处环太平洋火山活动地带，中、新生代沉积中有着发育的火山岩系。由于不少重要矿产常与其有关，近20年来，对于这些地区的火山作用及火山碎屑岩的研究有较大的进展。火山岩和火山碎屑岩可作为油气储集层，其目前已是我国中、新生代陆相含油气盆地重要的油气储集层类型之一。第一节火山碎屑岩的成分第二节火山碎屑岩的结构、构造特征及颜色第三节火山碎屑岩的分类及命名第四节主要岩类及其特征第五节火山碎屑岩的成因类型及其标志第六节火山岩系与油气第一节火山碎屑岩的成分火山碎屑物质按其组成及结晶状况分为岩屑（岩石碎屑）、晶屑（晶体碎屑）和玻屑（玻璃碎屑）三种。此外还有一些其他的物质成分，如正常沉积物、熔岩物质等。一、岩屑二、晶屑三、玻屑一、岩屑岩屑形状多样，大小不一。依其物态可分为刚性和塑性两种。刚性岩屑是已凝固的熔岩，或火山基底或管道的围岩，当火山爆发时冲碎而成。塑性岩屑又称为塑性玻璃岩屑、浆屑或火焰石等，是由塑性、半塑性熔浆在喷出后经塑变而成，具有玻璃质结构，断面呈火焰状、撕裂状、树枝状、纺锤状、透镜状、条带状等（图10－1）。火山弹是由于塑性熔浆团在空中旋转而成，形如纺锤、椭球、麻花、陀螺、梨状等，表面具有旋扭纹理和裂隙，并具有一层淬火边（图10－2），大者可达数米。二、晶屑晶屑多为早期析出的斑晶随熔浆炸碎而成，大小一般不超过2～3mm，常呈棱角状，有时保持原来的部分晶形，其成分多为石英、长石、黑云母、角闪石、辉石等。石英晶屑表面极为光洁，具有不规则裂纹及港湾状熔蚀外形（圈10－3）。长石晶屑主要为透长石、酸性至基性斜长石，有较高自形程度，可见沿解理破裂及明显的裂纹（图10－4），扫描电镜下更为清晰。黑云母和角闪石晶屑常具有弯曲、断裂及暗化现象（图10－5）。辉石主要出现在偏基性的火山碎屑岩中。三、玻屑玻屑通常大小在0.1~0.01mm之间，很少超过2mm；2～0.01mm者称为火山灰，小于0.01mm者称为火山尘。酸性和中酸性熔浆生成的玻屑折光率在1.48～1.51之间。刚性玻屑有弧面棱角状和浮石状两种：弧面棱角状刚性玻屑出现普遍，形状多样，镜下常用弓形、弧形、镰刀形、月牙形、鸡骨状、管状、海绵骨针状、不规则尖角状等一系列形容词来描述（图10—6）。综观其共同特点不外是一些不完整的气孔壁和贝壳状断口等所组成。浮石状刚性玻屑不甚普遍，是没有彻底炸碎的弧面、棱面状玻屑，内部保留较多的气孔，状如浮石，在中基性火山碎屑岩中出现较多。塑性玻屑是炽热的玻屑在上覆火山碎屑物的重压下，彼此压扁拉长叠置并定向排列，且相互粘连熔结在一起而成。强烈塑变玻屑显流纹状，通称为假流纹构造。第二节火山碎屑岩的结构、构造特征及颜色一、火山碎屑岩的结构二、火山碎屑岩的构造三、火山碎屑岩的颜色一、结构按火山碎屑的粒级划分为：集块（＞100mm）火山角砾（100～2mm）火山灰（2～0.01mm）火山尘（＜0.01mm）。专属性的火山碎屑岩结构有：集块结构（火山集块大于50％）、火山角砾结构（火山角砾大于75％）、凝灰结构（火山灰大于75％）。视碎屑形态特点，尚有塑变碎屑结构（主要由塑变碎屑组成）、碎屑熔岩结构（基质为熔岩结构）、沉凝灰结构（指混入正常沉积物而言），以及凝灰砂状、凝灰粉砂状、凝灰泥状等过渡类型结构等。在已出版的《浙江火山岩结构图册》中，对这些结构一般都有描述。火山碎屑物的分选及圆度都很差，这是由于未经长距离搬运或就地堆积所致。近年来，在研究火山碎屑物的粒度分布与成因关系方面，已获得了较好效果。二、构造在火山碎屑岩中，常见的构造如下所述。1）层理构造：火山碎屑岩通常不显层理，但在水携或风携的火山碎屑沉积中，也可出现小型和大型交错层理及平行层理。2）递变层理：主要出现在沉积物重力流火山碎屑岩类中，系陆上或水下火山碎屑重力流以悬浮和递变悬浮搬运和沉积作用所致，如有正递变、反递变以及叠覆递变层理，是反映重力流水道微环境。3）斑杂构造：是火山碎屑物在颜色、粒度、成分上分布不均，且无排列性，而表现出来的一种杂乱构造。4）平行构造：泛指由伸长形的火山碎屑物，如透镜体、饼状体、熔岩团块和条带等定向排列所组成的构造，它的连续性与平行性不及假流纹构造。5）假流纹构造：主要出现在流纹质熔结凝灰岩中，塑性玻屑可见燕尾状分叉。在刚性碎屑边部可见塑变不强的弧面棱角状外形，“假流纹”延伸不远，一般无气孔及杏仁体等而有别于流纹构造。除上述构造外，有时还见气孔、杏仁构造、火山泥球及豆石构造等，甚至在某些火山细屑岩中还见有生物搅动构造及实体化石。三、颜色火山碎屑岩常具有特殊鲜艳的颜色，如浅红、紫红、嫩绿、浅黄、灰绿等，它是野外鉴别火山碎屑岩的重要标志之一。颜色主要取决于物质成分，中基性火山碎屑岩色深，为暗紫红、墨绿等色；中酸性者色则浅，常为粉红、浅黄等色。其次取决于次生变化，如绿泥石化则显绿色，蒙脱石化则显灰白或浅红色。第三节火山碎屑岩的分类及命名广义的火山碎屑岩类的分类和命名原则如下所述：1）首先根据物质来源和生成方式，划分为火山碎屑岩类型、向熔岩过渡类型和向沉积岩过渡类型三种成因类型。2）再根据碎屑物质相对含量和固结成岩方式，划分为火山碎屑熔岩、熔结火山碎屑岩、火山碎屑岩、沉火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩等五种岩类。3）再根据碎屑粒度和各粒级组分的相对含量，划分为三个基本种属，即集块岩、火山角砾岩和凝灰岩，之间的过渡型为凝灰角砾岩、角砾凝灰岩等。4）最后再以碎屑物态、成分、构造等依次作为形容词，对岩石进行命名，如晶屑凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩、含火山球流纹质玻屑凝灰岩等。5）次生变化也常作为命名的形容词，如硅化凝灰岩、蒙脱石化凝灰岩、沸石化凝灰岩和变质流纹质晶屑凝灰岩等。第四节主要岩类及其特征一、火山碎屑熔岩类二、熔结火山碎屑岩类三、火山碎屑岩类四、沉火山碎屑岩类五、火山碎屑沉积岩类一、火山碎屑熔岩类火山碎屑熔岩类是火山碎屑岩向熔岩过渡的一个类型，熔岩基质中可含90％～10％的火山碎屑物质，具有碎屑熔岩结构、块状构造。熔岩基质中可含数量不定的斑晶，呈斑状结构，或气孔杏仁构造。火山碎屑主要是晶屑及一部分岩屑，玻屑少见。当成分相近时，往往不易区分岩屑与熔岩基质；而误认为熔岩。按主要粒级碎屑划分为集块熔岩、角砾熔岩和凝灰熔岩。二、熔结火山碎屑岩类熔结火山碎屑岩类是以熔结（焊结）方式而形成的一类火山碎屑岩。火山碎屑物质达90％以上，其中以塑变碎屑为主，主要产于火山颈、破火山口、火山构造洼地和巨大的火山碎屑流与侵入状的熔结凝灰岩体中，其中较粗粒的熔结集块岩和熔结角砾岩分布不广，主要组成近火山口相。细粒的熔结凝灰岩分布很广，可组成厚度大的火山碎屑岩层，此类岩石的中外文名称较多，如火山灰流（ashflow）、火山碎屑流（pyroclasticflow）、热云（nueeardente）、热云岩（ignimbrite）、阿苏熔岩（asolava）、砂流（sandflow）等，国内较通用的译名为熔结凝灰岩或火山灰流凝灰岩，更多的趋于使用熔结凝灰岩（ignimbrite）。它主要由小于2mm的塑性玻屑和岩屑组成，也有一定数量晶屑，具有熔结凝灰结构、假流纹构造，碎屑以相互熔结压紧成岩。还可根据熔结（焊接）强度划分亚类。三、火山碎屑岩类火山碎屑岩类即狭义的火山碎屑岩类，火山碎屑占90％以上，经压积或压实作用成岩。其按粒度大小分为集块岩、火山角砾岩和凝灰岩。1.集块岩集块结构由火山弹及熔岩碎块堆积而成，也常混入一些火山管道的围岩碎屑，一般未经过搬运而呈棱角状，由细粒级角砾、岩屑、晶屑及火山充填压实胶结成岩，多分布于火山通道附近构成火山锥，或充填于火山通道之中。2.火山角砾岩火山角砾岩主要由大小不等的熔岩角砾组成，分选差，不具有层理，通常为火山灰充填，并经压实胶结成岩，多分布在火山口附近。如河北宣化白垩纪火山口的中心，就被流纹质火山角砾岩所充填。3．凝灰岩“凝灰”系指主要由小于2mm的火山碎屑组成的结构。按碎屑粒级，进一步分为粗（2～1mm）、细（1～0.1mm）、粉（0.1~0.01mm）和微（0.01mm）四种凝灰岩。碎屑成分主要是火山灰，按其物态及相对含量，分为单屑凝灰岩（玻屑凝灰岩、晶屑凝灰岩或岩屑凝灰岩）、双屑凝灰岩（两种物态碎屑均在25％以上）和多屑凝灰岩（三种物态碎屑均在20％以上）。其中以玻屑凝灰岩、晶屑－玻屑凝灰岩最常见，具有典型凝灰结构，熔岩成分多为流纹质。河北宣化白垩系陆相地层中有较为新鲜的流纹质玻屑凝灰岩（图10－7）。张家口附近的白垩系普遍见流纹质晶屑－玻屑凝灰岩（图10－8）。下花园附近白垩系中的多屑凝灰岩中，三种物态成分都有，其中岩屑也主要是流纹质的，该岩石去玻化较甚（图10－9）。岩屑凝灰岩主要由熔岩碎屑组成，较少见，有时易与岩屑砂岩相混，需视有无搬运磨圆、有无玻屑存在加以区分。四、沉火山碎屑岩类沉火山碎屑岩类是火山碎屑岩和正常沉积岩间的过渡类型，火山碎屑物质占90％～50％，其他为正常沉积物质，经压积和水化学物胶结成岩，常显层理，故有时也称为层火山碎屑岩类。它与陆源火山碎屑沉积物的区别是新鲜、棱角明显、无明显磨蚀边缘及风化边缘。正常沉积物除陆源砂泥外，还可有化学及生物化学组分，以及生物碎屑等。五、火山碎屑沉积岩类火山碎屑沉积岩类以正常沉积物为主，火山碎屑物质占50％～10％，岩性特征基本与正常沉积岩相同。当主要为陆源的砂时，称为凝灰质砂岩；主要为泥时，称为凝灰质泥岩；主要为碳酸盐时，称为凝灰质石灰岩或凝灰质白云岩等一系列过渡类型岩石。第五节火山碎屑岩的成因类型及其标志火山可能是大陆喷发，也可能是水下喷发，其搬运和沉积方式也不尽相同，因此可以划分出不同成因类型的火山碎屑岩。各种火山碎屑岩可能生成的方式见表10－1。一、陆相与海相火山碎屑岩系的区别标志二、不同方式形成的火碎屑岩系及其特点一、陆相与海相火山碎屑岩系的区别标志研究火山碎屑岩的成因时，首先应注重的是区分海底喷发的海相和陆上喷发的陆相两大成因类型，其特点如下所述。1.海相火山碎屑岩系2.陆相火山碎屑岩系1.海相火山碎屑岩系海相火山岩系的最主要代表是细碧－角斑岩系。其特点是广泛的钠长石化作用，火山玻璃分解为含水的硅酸盐。由于绿帘石化和绿泥石化，岩石呈现绿色，枕状构造十分发育。由于海水中喷发－沉积的特殊环境，常具有：①韵律性层理，即不同粒级的火山碎屑物互层产出，主要为下粗上细的正韵律（也有人认为应是下细上粗，反序的）；②各个夹层的厚度及粒度一般较稳定：③往往可见到凝灰岩向沉凝灰岩和凝灰质砂岩（或泥岩）过渡的现象。另一特征是火山岩系和下伏海相沉积岩层多呈整合接触，或其中有海相夹层，如海相石灰岩、碧玉岩及岩屑砂岩等，其中常含有孔虫、放射虫和硅藻等海相动植物化石。2．陆相火山碎屑岩系由于熔浆流出地表时易于氧化，因而常呈现红褐色－黑色，火山岩系和下伏岩层多呈现不整合或假整合接触。分布于其中的火山碎屑岩系的特点是：①岩相及厚度变化大；②含梨形、椭圆形、纺锤形、球形等特征的火山弹；③存在泥石流角砾岩；④熔结火山碎屑岩类比较发育；⑤凝灰岩多半比较疏松；⑤有时有陆相砂砾岩和页岩夹层，并常见植物化石和淡水动物化石（多为湖相）。二、不同方式形成的火碎屑岩系及其特点按照火山碎屑物的主要搬运和沉积方式，可划分为以下三种成因类型：1．重力流型火山碎屑沉积2．降落型火山碎屑沉积3．水携型火山碎屑沉积1．重力流型火山碎屑沉积重力流型火山碎屑沉积按其沉积环境又可分为陆上和水下两种沉积类型。陆上的火山碎屑流沉积，或火山灰流、砂流沉积，是熔结火山碎屑岩类的主要形成方式。高粘度、富含挥发组分的酸性、中酸性熔浆，上升到地表浅处，由于压力骤降，气体大大膨胀，产生泡沫，然后以强烈爆发形式喷出火山口并将熔岩柱炸碎。其中一部分粉碎的火山碎屑物，呈火山灰、玻屑等碎屑