火山碎屑岩结构

火山碎屑岩的特征和主要类型~

（一）火山碎屑岩的结构和构造
1.结构
（1）粒度结构
◎集块结构：粒度＞64mm的火山碎屑物含量一般＞50％，不少于1/3。
◎火山角砾结构：粒度介于64～2mm之间的火山碎屑物含量一般＞50％，不少于1/3。
◎凝灰结构：粒度介于2～0.0625mm之间的火山碎屑物含量一般＞50％。
◎尘屑结构：粒度＜0.0625mm之间的火山碎屑物含量一般＞50％。
（2）成因结构
◎塑变（熔结）结构：主要由塑性玻屑和塑性岩屑彼此平行重叠熔结而成，其中可含少量的刚性碎屑物，据主要碎屑粒度的大小可进一步分为熔结集块结构、熔结角砾结构和熔结凝灰结构。
◎碎屑熔岩结构：是火山碎屑岩向熔岩过渡的一种结构，火山碎屑物被熔岩胶结。也可进一步根据主要碎屑的粒度大小划分为集块熔岩结构、角砾熔岩结构、凝灰熔岩结构等。
◎沉火山碎屑结构：是火山碎屑岩向正常沉积岩的过渡类型的结构，以火山碎屑为主，混入有少量的正常沉积物。
◎凝灰沉积结构：是以正常沉积物为主的过渡类型的结构。一般在正常沉积物中混有少量（50％～10％）的火山碎屑物质，如凝灰砾状结构、凝灰泥质结构等。
2.构造
火山碎屑岩常见的构造有以下几种：
◎流状构造：由压扁拉长的塑变玻屑和塑变岩屑定向排列形成，在野外有时不易与流纹构造区别。它们的不同之处在于流纹构造是熔浆流动形成的纹理，平行延伸，遇斑晶或刚性岩屑会自然绕过，无变薄、变窄、嵌入等现象，延伸较为稳定；而流状构造的塑性岩屑和塑性玻屑在空间上延伸短，在遇到刚性岩屑时，会受刚性碎屑的压缩在其周围变薄变窄，甚至出现折断、嵌入的现象。
◎火山泥球构造：火山灰级碎屑物质凝聚成球状、豆状，中心粒度较粗，向边缘变细，具同心层构造。一般认为是当雨滴通过喷发云时由湿润的火山灰凝聚而成的。
◎层理构造：多见于水携或风携降落堆积的火山碎屑沉积物中，陆上堆积的涌浪相堆积中也可出现水平层理和交错层理。
◎粒序构造：有正粒序（由上向下粒度变粗）和逆粒序构造（由上向下粒度变细）两种。其中逆粒序构造是由于在火山碎屑中存在一些体积大但密度小的浮岩岩屑（密度小于1g/cm3）而造成的。
（二）火山碎屑岩的分类
火山碎屑岩兼有火山岩和沉积岩的一些特性，因此在分类上需考虑的因素较多。本教材推荐使用孙善平（2001）的分类方案（表10－2）。该分类不仅考虑了正常火山碎屑岩类型，还考虑了火山碎屑岩分别向熔岩和沉积岩过渡的类型，即分为正常火山碎屑岩类、向熔岩过渡的火山碎屑岩类和向沉积岩过渡的火山碎屑岩类3个大类，再进一步据成岩方式、结构构造和火山碎屑的粒径来划分种属。
表10－2 火山碎屑岩分类表


（据孙善平，2001）
1.正常火山碎屑岩类
火山碎屑物体积分数大于90％，正常沉积物和熔岩物质极少。按成岩作用方式和结构构造特点，又可分为普通火山碎屑岩、熔结火山碎屑岩和层火山碎屑岩3个亚类。

图10－3 秦皇岛上庄沱安山质集块岩（a）和秦皇岛火山角砾岩（b）（文霞摄于2009年）

◎普通火山碎屑岩亚类：成岩方式以压实为主，常叠加有水化学胶结，胶结物往往为火山灰分解物，由蛋白石和粘土矿物（如蒙脱石）构成，重结晶后变成玉髓和水云母集合体，成层构造一般不明显。火山碎屑物质主要由火山集块、火山角砾、火山砾、晶屑和半塑性的玻屑组成，以刚性和半塑性碎屑为主，没有堆积后的压扁、拉长等塑性变形现象。按岩石中主要碎屑（一般大于50％，不少于1/3）的粒度可分为集块岩（agglomerate）（图10－3a）、火山角砾岩（volcanic breccia）（图10－3b）、火山砾角砾岩（lapilli stone）和凝灰岩（tuff）等类型。当不同粒级的火山碎屑含量混杂时，定名时可据各种碎屑的含量投点（图10－4），确定复合名称，如角砾凝灰岩、集块角砾岩等。进一步定名还应据晶屑组合或同源岩屑中斑晶成分特征等，确定火山碎屑对应的熔岩成分，并作为前缀参加到定名中，如安山质火山角砾岩、流纹质凝灰岩等。凝灰岩是火山碎屑岩中分布最广的一种，主要由粒度小于2mm的火山灰组成，晶屑、玻屑和岩屑均有，进一步可据“三屑” 的相对含量分为7种类型（图10－5）。

图10－4 火山碎屑岩定量粒级分类（据刘宝珺等，1980）


图10－5 凝灰岩中 “三屑”命名图（据孙善平，1984，转引自邱家骧，1990）

◎熔结火山碎屑岩亚类：火山碎屑物在堆积后仍具较高的温度，处于可塑状态，在上覆物质的负荷压力下，经变形、熔结而成。岩石具熔结结构，碎屑主要由晶屑、塑变岩屑、塑变玻屑和火山尘组成，也可有少量的刚性岩屑，由于塑变碎屑拉长定向而具流状构造。据碎屑的粒度分为熔结集块岩（weldedagglomerate）、熔结角砾岩（welded breccia）图10－6）和熔结凝灰岩（welded tuff或ignimbrite），也可据图10－4、图10－5进一步定名，再加上相应熔岩名称作为前缀，如流纹质玻屑熔结凝灰岩等。熔结集块岩和熔结角砾岩在露头上经常共生，分布面积不大，主要见于火山喷出口附近，是近火山口相产物。熔结凝灰岩则分布较广，可分布在近火山口附近，也可以远离火山口分布。同一喷发单元的不同部位以及不同厚度的喷发单元之间，熔结凝灰岩的玻屑和塑变岩屑的变形程度也有所不同，即具有不同的熔结程度（图10－7）。根据塑性玻屑和塑性岩屑的变形特点，可分为弱熔结、熔结和强熔结3个等级：(1)弱熔结凝灰岩：即塑性玻屑微受变形，部分棱角开始圆化，部分仍保留弧面棱角状，略有压扁拉长现象，塑性岩屑少见，岩石流状构造不明显，常产于熔结凝灰岩的上、下部，与熔结凝灰岩显渐变过渡关系；(2)熔结凝灰岩：塑变玻屑仍可恢复弧面棱角状形态，塑变岩屑发育，塑变碎屑受刚性碎屑挤压，在其边缘，尤其是在受压的一侧，出现明显的变形和定向性，显示了特征的流状构造，常呈巨厚堆积，剖面上位于喷发单元的中上部；(3)强熔结凝灰岩：塑变玻屑含量极高，变形强烈而呈扁平状，仅在刚性碎屑（通常为晶屑）的撑开部位偶尔见变形弱的玻屑，塑变碎屑多直接接触，尘屑少见，流状构造十分明显，有时与流纹构造不易区别，一般位于喷发单元的中下部。一般说来，近火山口处和喷发单元层中下部的熔结程度要强于远火山口处和喷发单元层中上部。

图10－6 粗面质熔结角砾岩可见流状构造，产于河北省秦皇岛张家口组火山岩（王连训摄于2008年）


图10－7 流纹质熔结凝灰岩塑性玻屑的变形程度与熔结强度的关系（引自叶德隆等，1995）

在一些大的火山岩省内，如与岛弧、活动大陆边缘有关的火山岩省中，常有以中、酸性火山碎屑岩为主的大规模火山爆发，形成以熔结凝灰岩为主要成分、规模巨大的火山碎屑岩堆积，被称为熔结凝灰岩大爆发（ignimbrite flare－up）。这些凝灰岩的体积巨大，形成周期长，如北美洲在50～20Ma的时间内，火山爆发形成了超过5×105km3的熔结凝灰岩堆积，澳大利亚东部早白垩世的Whitsunday火山岩省、我国东部早白垩世的滨太平洋火山岩省中也有体积巨大的熔结凝灰岩堆积。这样巨量的熔结凝灰岩爆发的成因机制，引起了学者们的广为关注，但目前并未形成统一的认识。Farmer et al.（2008）认为美国西部的落基山脉南部的熔结凝灰岩大爆发与板块的俯冲作用有关，由于俯冲角度在深部的突然变陡（回转），导致软流圈地幔的对流上升，发生部分熔融的同时，还将热能传导给上部的岩石圈地幔。软流圈地幔、岩石圈地幔部分熔融形成的岩浆与上覆地壳中形成的岩浆混合，就形成了巨量的中酸性岩浆，这些岩浆的爆发就产生了大量的熔结凝灰岩（图10－8）。Gerardo et al.（2008）认为墨西哥Sierra Madre Occidental的熔结凝灰岩大爆发与地堑式的张性断裂有关，并提出了地堑火山口的概念。

图10－8 与俯冲有关的熔结凝灰岩爆发模式（据Farmer et al.，2008）

◎层火山碎屑岩亚类：指具明显的韵律层理和层理构造的火山碎屑岩，以层状凝灰岩较常见。层状凝灰岩一般是火山灰在水盆中堆积形成的，其中正常沉积物体积分数小于10％，火山碎屑主要为玻屑、刚性－半塑性岩屑和火山尘，由火山灰和火山尘分解的少量水化学沉积物胶结，部分为压实胶结。当正常沉积物体积分数大于10％时，就过渡为沉凝灰岩。
2.向熔岩过渡的火山碎屑岩类
火山碎屑体积分数占10％ ～90％，碎屑由熔浆胶结，可称为火山碎屑熔岩。碎屑熔岩类的成因多样：已固结的熔岩表壳在下部熔浆继续流动和逸出的气体产生爆炸的情况下，使表壳破碎再被熔岩胶结形成角砾熔岩（breccia lava）和集块熔岩（agglomeratic lava）；爆发能量不足时，往往在从火山口中抛出碎屑的同时，亦有熔岩溢出，降落于熔岩中的碎屑物质被熔岩胶结而形成各种碎屑熔岩；当熔岩以较大的冲力从火山口喷发时，可使熔岩中的斑晶大部分破碎，形成碎屑以晶屑为主的晶屑凝灰熔岩；岩浆在地下的隐爆作用常使内部的斑晶破碎亦可形成晶屑凝灰熔岩。凝灰熔岩中的碎屑以晶屑为主，也可有少量刚性岩屑，但一般不出现玻屑。
3.向沉积岩过渡的火山碎屑岩类
由落入水盆中的火山碎屑物与正常沉积物同时堆积而形成。根据火山碎屑物的含量可分为沉积火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩两亚类。
◎沉积火山碎屑岩亚类：火山碎屑体积分数占50％～90％，常与正常火山碎屑岩和正常沉积岩共生，并往往呈过渡关系，据火山碎屑的粒度可分为沉集块岩、沉火山角砾岩和沉凝灰岩等，以沉凝灰岩（tuffite）为常见。岩石具层理构造，韵律层较发育。在碎屑物中常见具磨圆的砾、砂、粘土等正常沉积物，有时还可出现生物化石和生物碎屑。
◎火山碎屑沉积岩亚类：火山碎屑体积分数较少，介于10％ ～50％之间，具更接近于沉积岩的特征，常与沉积火山碎屑岩呈渐变过渡关系，堆积位置一般离火山口较远，命名时以正常沉积岩的名称为基本名称，将火山碎屑作前缀，如凝灰质砂岩、凝灰质砾岩等。

一、火山碎屑岩的结构
首先根据主要火山碎屑物的粒度可划分为三种结构类型(表6－2)。再根据其成因特点，进一步分为火山碎屑结构、熔结结构和沉火山碎屑结构(表6－2)。
根据火山碎屑的粒度大小，火山碎屑结构可分为集块结构、火山角砾结构和凝灰结构(表6－2)。
表6－2 火山碎屑岩的结构分类


熔结结构是主要由塑性岩屑和塑性玻屑组成的岩石具有的结构，这些碎屑呈近平行状分布，可含有少量的刚性岩屑和晶屑。它是各种塑性碎屑经火山灰流运移堆积时，靠本身的高温熔结而成的。此结构是熔结火山碎屑岩特征结构。依塑性碎屑的粒径可分为熔结凝灰结构、熔结角砾结构和熔结集块结构(表6－2)。
沉火山碎屑结构和凝灰沉积结构是介于火山碎屑岩和正常沉积岩之间的过渡类型岩石具有的结构。沉火山碎屑结构仍以火山碎屑为主(75%～50%)，外生碎屑含量相对少。当外生碎屑含量超过火山碎屑含量时，称为凝灰沉积结构。具体描述时以沉积结构为基本名称，如凝灰砂状结构、凝灰粉砂结构等。
二、火山碎屑岩的构造
由于火山碎屑岩是火山碎屑物经堆积、压结和胶结而成，因而岩石的构造更接近于沉积岩的构造，如层状、似层状和韵律层构造等，也有一些特征构造，如假流纹构造、火山泥球构造等。
1.假流纹(动)构造
为岩石中的塑性玻屑和塑性岩屑经压扁拉长而呈定向排列，类似于流纹构造，显然它不是岩浆活动所成的纹理，而是塑性火山碎屑变形所致。它与流纹构造的区别在于，其塑性碎屑多呈不规则的透镜状、焰舌状、条纹状，延伸短而不连续，且有分叉现象，遇刚性岩屑或晶屑时，被压弯，晶屑长轴可垂直假流纹分布(见图6－7)。它是中－酸性熔结火山碎屑岩的特征构造。
2.火山泥球构造
火山泥球呈球状、扁豆状或椭球状，泥球的成分主要为晶屑、岩屑等火山灰和火山尘以及一些陆源物质，也有的是由塑性玻屑等熔结凝灰质组成。球体内具有同心纹层，由不同颜色或不同粒度的纹层组成，球体直径变化较大，小的不到1mm，大的可达十几厘米。这种构造在凝灰岩和沉凝灰岩的顶部较多见。
3.层理构造
多见于风携或水携下降落的火山碎屑沉积物中，大气降落火山碎屑沉积物中较少见。陆上堆积的涌浪相堆积中也可出现水平层理和交错层理。
4.粒序构造
火山碎屑岩中可以见到两种粒序构造:一种为剖面自下而上由粗变细的正粒序;一种为自下而上由细变粗的逆粒序。在火山碎屑沉积中，岩屑和晶屑含量较多时，多出现正粒序，这主要是由重力分异作用造成的，在熔结火山碎屑岩中，由于大量存在密度小于1g/cm3的浮岩岩屑，故常见逆粒序。

构成火山碎屑岩类的沉火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩的火山碎屑颗粒主要由较大的火山碎屑物和较小的火山填隙物（较细的火山灰、尘等）两部分物质所组成。

火山碎屑物质包括石屑、晶屑、玻屑。石屑还可进一步细分为岩屑、火山弹、浮石、火山渣、塑性岩屑，而玻屑可分为非塑性玻屑和塑性玻屑（表3-5）。

表3-5 火山碎屑物的种类、成因及特征

根据火山碎屑颗粒的大小和形态，火山碎屑岩结构可划分为集块结构、火山角砾结构、凝灰结构、火山尘结构、塑变结构及沉凝灰结构。

（1）集块结构（agglomeratic texture）：火山碎屑颗粒大于64mm且含量大于50%，这些碎屑颗粒被细小的火山碎屑物胶结而成的岩石结构。

（2）火山角砾结构（volcanic breccia texture）：粒度为2～64mm的火山碎屑物的含量超过75%，并被细小的火山碎屑物胶结而成的岩石结构。

（3）凝灰结构（tuffaceous texture）：又称玻屑结构（vitroclastic texture）、弓形玻屑结构（bow-shaped hyaloclastic texture）、火山灰结构（volcanic clastic）。粒度小于2mm的火山碎屑物含量超过75%，并被细小的火山碎屑物胶结而成的岩石结构，是玻屑凝灰岩的典型结构。

（4）火山尘结构（volcanic dust texture）：碎屑颗粒以小于0.0625mm的尘状火山碎屑物为主，并与相应成分粒径更大的火山碎屑物一起固结而成。

（5）塑变结构（plastopyroclastic texture）：主要由塑性玻屑和塑性岩屑彼此平行重叠熔结而成，其中可有少量刚性碎屑物。

（6）沉凝灰结构（tuffite texture）：是凝灰岩与正常碎屑岩之间的过渡岩石的结构。如粗砂状沉凝灰结构、细砂状沉凝灰结构等，凝灰碎屑结构是以正常沉积碎屑物为主的过渡型岩石的结构。如凝灰砂状结构，凝灰粉砂状结构等。

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