Volcanic sedimentation of Cretaceous Jiufotang Formation in the Chaoyang Basin and its impact on organic matter enrichment

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.9.22

Abstract

Abstract:

The Chaoyang Basin in western Liaoning, situated in the eastern section of the Yanshan tectonic belt, is a fault basin from the Mesozoic era on the periphery of Songliao. The level of exploration understanding in this region is relatively low. Previous studies on the Lower Cretaceous Jiufotang Formation in the Chaoyang Basin primarily focused on lacustrine deposits, overlooking the significant impact of volcanic events on the basin’s sedimentation. To address this gap, regional geological data investigation, drilling core description, core thin section data observation, and test data analysis were conducted. By classifying pyroclastic rocks into sedimentary pyroclastic rocks and pyroclastic sedimentary rocks based on their content and subdividing them into 11 lithofacies types and 9 lithofacies combinations according to particle size, composition, and sedimentary structure characteristics, five causal mechanisms were proposed: pyroclastic flow, volcanic hyperpycnal flow, volcanic ash heterogeneous light flow, hydrothermal intrusion, and microbial induction. The establishment of the volcanic-lake sedimentary model of the Jiufotang Formation in the Chaoyang Basin, based on volcanic sedimentary sequences and core observation findings, offers a theoretical foundation for oil and gas resource exploration and development in the area. Research indicates that volcanic material positively influences organic matter enrichment in the lake basin. Geochemical tests on source rocks of the Jiufotang Formation in the Chaoyang Basin revealed that samples containing volcanic fine particles involved in sedimentation exhibited better organic matter abundance and enrichment. Given the similar volcanic activity geological background in other basins within the Yanshan tectonic belt, these findings also serve as valuable comparative references for sedimentology and oil and gas resource research in those regions.

Key words: Chaoyang Basin, Jiufotang Formation, lithofacies type and combination, genesis mechanism, organic matter enrichment

CLC Number:

ZHANG Jiazhi, JIANG Zaixing, XU Jie, WEI Siyuan, SONG Lizhou, LIU Tong, SHEN Zhihan, JIANG Xiaolong, LI Yongfei, ZHANG Xi. Volcanic sedimentation of Cretaceous Jiufotang Formation in the Chaoyang Basin and its impact on organic matter enrichment[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(3): 284-297.

Figures/Tables 13

References 36

[1]	戴军. 辽西朝阳大平房-四官营子盆地油页岩资源预测[J]. 地质与资源, 2011, 20(3): 183-187.
[2]	雷琳琳. 鄂尔多斯盆地西南部晚加里东构造运动表现形式及其油气意义[D]. 西安: 西北大学, 2020.
[3]	朱国华, 张杰, 姚根顺, 等. 沉火山尘凝灰岩: 一种赋存油气资源的重要岩类: 以新疆北部中二叠统芦草沟组为例[J]. 海相油气地质, 2014, 19(1): 1-7.
[4]	宫占全. 辽西地区油页岩矿急待勘查开发[J]. 中国矿业, 2011, 20(2): 67-70.
[5]	贺聪, 吉利明, 苏奥, 等. 鄂尔多斯盆地南部延长组热水沉积作用与烃源岩发育的关系[J]. 地学前缘, 2017, 24(6): 277-285. DOI
[6]	张艳, 舒萍, 王璞珺, 等. 陆上与水下喷发火山岩的区别及其对储层的影响: 以松辽盆地营城组为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2007(6): 1259-1265.
[7]	王宜强, 赵媛. 世界天然气流动节点格局演化及其资源效应[J]. 资源科学, 2020, 42(8): 1630-1642. DOI
[8]	柳益群, 周鼎武, 焦鑫, 等. 深源物质参与湖相烃源岩生烃作用的初步研究: 以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系黑色岩系为例[J]. 古地理学报, 2019, 21(6): 983-998.
[9]	LI LI, ZHAOJUN LIU, PINGCHANG SUN, et al. Sedimentary basin evolution, gravity flows, volcanism, and their impacts on the formation of the Lower Cretaceous oil shales in the Chaoyang Basin, northeastern China[J]. Marine and Petroleum Geology, 2020, 119: 104472.
[10]	陈刚, 张晓明, 杨桂芳, 等. 辽西地区下白垩统九佛堂组沉积与有机质发育特征[J]. 地质通报, 2019, 38(1): 426-436.
[11]	王宇林, 郭强, 李喜海, 等. 辽西喀左盆地九佛堂组的划分及相关问题[J]. 地层学杂志, 2009, 33(2): 147-154.
[12]	杨庚, 郭华, 刘立. 辽西地区中生代盆地构造演化[J]. 铀矿地质, 2001(6): 332-340.
[13]	张国仁. 辽西地区中生代板内造山作用[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2006.
[14]	刘龙, 洪毅. 辽西地区朝阳盆地油气资源潜力分析[J]. 城市地理, 2016(16): 116.
[15]	PENG Y D, XING D H. Geochemical characteristics and genesis of volcanic rocks from Zhangjiakou Formation in the Chaoyang Basin, western Liaoning[J]. Advanced Materials Research, 2012, 1792(524): 1662-8985.
[16]	孙善平, 刘永顺, 钟蓉, 等. 火山碎屑岩分类评述及火山沉积学研究展望[J]. 岩石矿物学杂志, 2001, 20(3): 313-317.
[17]	姜雪. 海拉尔盆地乌尔逊-贝尔凹陷铜钵庙组-大磨拐河组火山-碎屑沉积岩岩性岩相分析[D]. 长春: 吉林大学, 2007.
[18]	LEWAN M D. Laboratory classification of very fine grained sedimentary rocks[J]. Geology, 1978, 6(12): 0091-7613.
[19]	FREYTET P, VERRECCHIA E P. Lacustrine and palustrine carbonate petrography: an overview[J]. Journal of Paleolimnology, 2002, 27(2): 0921-2728.
[20]	孔祥鑫. 湖相含碳酸盐细粒沉积岩特征、成因与油气聚集[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2020.
[21]	姜在兴. 沉积学[M]. 2版. 北京: 石油工业出版社, 2010: 424.
[22]	张国栋. 鄂尔多斯盆地南部长 7 油组深水沉积机理分析[D]. 北京: 中国石油大学(北京), 2019.
[23]	黎茂稳, 马晓潇, 金之钧, 等. 中国海、陆相页岩层系岩相组合多样性与非常规油气勘探意义[J]. 石油与天然气地质, 2022, 43(1): 1-25.
[24]	肖威, 张兵, 姚永君, 等. 川东二叠系龙潭组页岩岩相特征与沉积环境[J]. 岩性油气藏, 2022, 34(2): 1673-8926.
[25]	鲜本忠, 路智勇, 佘源琦, 等. 东营凹陷陡坡带盐18-永921地区砂砾岩沉积与储层特征[J]. 岩性油气藏, 2014, 26(4): 28-35.
[26]	衣健, 王璞珺, 单玄龙, 等. 长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积相特征[J]. 岩石学报, 2020, 36(11): 3346-3362.
[27]	栾国强, 董春梅, 林承焰, 等. 异重流发育条件、演化过程及沉积特征[J]. 石油与天然气地质, 2018, 39(3): 438-453.
[28]	WOHLETZ K H. Explosive magma-water interactions: thermodynamics, explosion mechanisms, and field studies[J]. Bulletin of Volcanology, 1986, 48(5): 245-264.
[29]	张艳, 舒萍, 王璞珺, 等. 陆上与水下喷发火山岩的区别及其对储层的影响: 以松辽盆地营城组为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2007, 37(6): 1259-1265.
[30]	PEDERSON G K, SURLYK F. Dish structures in Eocene volcanic ash layers, Denmark[J]. Sedimentology, 1977, 24(4): 581-590.
[31]	KOKELAAR B P, BUSBY C J. Subaqueous explosive eruption and welding of pyroclastic deposits[J]. Science, 1992, 257(5067): 196-201. PMID
[32]	WHITE J D L. Subaqueous eruption-fed density currents and their deposits[J]. Precambrian Research, 2000, 101(2/3/4): 87-109.
[33]	周洋. 柳河-通化盆地下白垩统混积岩岩相及沉积模式[D]. 长春: 吉林大学, 2019.
[34]	王书荣, 宋到福, 何登发. 三塘湖三塘湖盆地火山灰对沉积有机质的富集效应及凝灰质烃源岩发育模式[J]. 石油学报, 2013, 34(6): 1077-1087. DOI
[35]	KAMO S L, CZAMANSKE G K, AMELIN Y, et al. Rapid eruption of Siberian flood-volcanic rocks and evidence for coincidence with the Permian-Triassic boundary and mass extinction at 251 Ma[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 214(1/2): 75-91.
[36]	SCHOENE B, SAMPERTON K M, EDDY M P, et al. U-Pb geochronology of the Deccan Traps and relation to the end-Cretaceous mass extinction[J]. Science, 2015, 347(6218): 182-184.

类	亚类	火山碎屑含量占比	成岩作用方式	结构构造特征	基本名称
类	亚类	火山碎屑含量占比	成岩作用方式	结构构造特征	集块岩	角砾级	凝灰级
正常火山碎屑岩类	熔结火山碎屑岩亚类	占绝对优势 >90%	熔结状	具明显的假流纹构造	熔结集块岩	熔结角砾岩	熔结凝灰岩
正常火山碎屑岩类	普通火山碎屑岩亚类	占绝对优势 >90%	压紧胶结为主, 部分为火山灰分解物	层状构造一般不明显	集块岩	火山角砾岩	凝灰岩
火山-沉积岩类	沉积火山碎屑岩亚类	占多数 90%~50%	化学沉积物及黏土物质胶结	一般成层构造明显	沉集块岩	沉火山角砾岩	沉凝灰岩	沉粗粒凝灰岩	2~0.1 mm
								沉中粒凝灰岩	<0.1~0.01 mm
								沉细粒凝灰岩	<0.01 mm
	火山碎屑沉积亚类	占少数 <50%~10%			凝灰质砾岩(或角砾岩)		凝灰质砂岩凝灰质粉砂岩凝灰质泥岩凝灰质碳酸盐岩

类	亚类	火山碎屑含量占比	成岩作用方式	结构构造特征	基本名称
类	亚类	火山碎屑含量占比	成岩作用方式	结构构造特征	集块岩	角砾级	凝灰级
正常火山碎屑岩类	熔结火山碎屑岩亚类	占绝对优势 >90%	熔结状	具明显的假流纹构造	熔结集块岩	熔结角砾岩	熔结凝灰岩
正常火山碎屑岩类	普通火山碎屑岩亚类	占绝对优势 >90%	压紧胶结为主, 部分为火山灰分解物	层状构造一般不明显	集块岩	火山角砾岩	凝灰岩
火山-沉积岩类	沉积火山碎屑岩亚类	占多数 90%~50%	化学沉积物及黏土物质胶结	一般成层构造明显	沉集块岩	沉火山角砾岩	沉凝灰岩	沉粗粒凝灰岩	2~0.1 mm
								沉中粒凝灰岩	<0.1~0.01 mm
								沉细粒凝灰岩	<0.01 mm
	火山碎屑沉积亚类	占少数 <50%~10%			凝灰质砾岩(或角砾岩)		凝灰质砂岩凝灰质粉砂岩凝灰质泥岩凝灰质碳酸盐岩

岩性	岩相类型	岩相符号	镜下特征	晶屑含量占比	宏观特征	颜色
沉积火山碎屑岩	薄层状钙质沉细粒凝灰岩	TCFT	含大量泥晶方解石	5%~15%	薄层状,见高角度裂缝,方解石脉	灰色、浅绿色
	薄层状沉细粒凝灰岩	TFT	含黏土、晶屑、火山灰	10%~15%	薄层状,见高角度裂缝	灰色、浅绿色
	块状沉细粒凝灰岩	MFT	含石英晶屑及有机质	10%~15%	块状构造	浅绿色
	块状沉中粒凝灰岩	MMT	含晶屑、玻屑,呈斑状	10%~20%	块状构造	灰色、浅绿色
	变形沉中粒凝灰岩	DMT	见溶蚀边的石英晶屑	10%~15%	变形构造,滑动滑塌变形	灰色
	块状沉粗粒凝灰岩	MCT	成分以火山岩肩为主	15%~20%	块状构造,底部含少量角砾	灰绿色
	变形沉粗粒凝灰岩	DCT	含大量不规则晶属	15%~20%	变形构造,不规则侵入细粒凝灰岩中,见冲刷面	灰白色、杂色
	块状沉火山角砾岩	MVB	角砾成分为火山晶属	15%~25%	块状构造,角砾分选性差,磨圆度棱角-次棱角状,微定向性	杂色
火山碎屑沉积岩	纹层状凝灰质泥岩	LTM	泥质纹层与凝灰质纹层叠置	5%~10%	发育水平纹层,见热液侵入、生物化石等	灰黑色-黑色
	纹层状凝灰质碳酸盐岩	LTC	碳酸盐岩与火山碎屑呈层状	5%~15%	发育水平纹层,见生物遗迹	灰色、土黄色
	块状凝灰质碳酸盐岩	MTC	微生物诱导	5%~15%	块状构造,见生物遗迹	灰色、土黄色

岩性	岩相类型	岩相符号	镜下特征	晶屑含量占比	宏观特征	颜色
沉积火山碎屑岩	薄层状钙质沉细粒凝灰岩	TCFT	含大量泥晶方解石	5%~15%	薄层状,见高角度裂缝,方解石脉	灰色、浅绿色
	薄层状沉细粒凝灰岩	TFT	含黏土、晶屑、火山灰	10%~15%	薄层状,见高角度裂缝	灰色、浅绿色
	块状沉细粒凝灰岩	MFT	含石英晶屑及有机质	10%~15%	块状构造	浅绿色
	块状沉中粒凝灰岩	MMT	含晶屑、玻屑,呈斑状	10%~20%	块状构造	灰色、浅绿色
	变形沉中粒凝灰岩	DMT	见溶蚀边的石英晶屑	10%~15%	变形构造,滑动滑塌变形	灰色
	块状沉粗粒凝灰岩	MCT	成分以火山岩肩为主	15%~20%	块状构造,底部含少量角砾	灰绿色
	变形沉粗粒凝灰岩	DCT	含大量不规则晶属	15%~20%	变形构造,不规则侵入细粒凝灰岩中,见冲刷面	灰白色、杂色
	块状沉火山角砾岩	MVB	角砾成分为火山晶属	15%~25%	块状构造,角砾分选性差,磨圆度棱角-次棱角状,微定向性	杂色
火山碎屑沉积岩	纹层状凝灰质泥岩	LTM	泥质纹层与凝灰质纹层叠置	5%~10%	发育水平纹层,见热液侵入、生物化石等	灰黑色-黑色
	纹层状凝灰质碳酸盐岩	LTC	碳酸盐岩与火山碎屑呈层状	5%~15%	发育水平纹层,见生物遗迹	灰色、土黄色
	块状凝灰质碳酸盐岩	MTC	微生物诱导	5%~15%	块状构造,见生物遗迹	灰色、土黄色