松辽盆地营城组火山岩冷却单元及地层结构分析

程日辉，任延广，沈艳杰，许中杰

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712

松辽盆地营城组火山岩冷却单元及地层结构分析

程日辉1，任延广2，沈艳杰1，许中杰1

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712

火山岩冷却单元的识别是火山岩地层和岩相研究的重要环节。松辽盆地东南缘露头区和徐家围子断陷营城组火山岩剖面的剖析显示，冷却单元主要存在4种主要的单元类型：碎屑岩型、熔岩型、碎屑岩＋熔岩型和熔岩＋碎屑岩型。碎屑岩型和熔岩型是端元类型，分别反映蒸汽喷发和岩浆喷发的作用过程；碎屑岩＋熔岩型是基本组合单元类型，反映蒸汽－岩浆喷发的连续作用过程；熔岩＋碎屑岩型属于改造的或特殊机制的类型。冷却单元本身及其堆叠具有相的意义，是火山岩地层的基本成因地层单元，因此成为解释火山岩地层结构、了解形成与保存过程的重要基础。通过火山岩冷却单元识别与叠置分析，构建了松辽盆地徐家围子断陷营城组一段的地层结构。

火山岩地层；冷却单元；地层结构；营城组；松辽盆地；火山岩

0 引言

盆地火山岩是松辽盆地断陷期盆地充填的重要组成部分，且已成为深层油气勘探目标。由于被埋藏于地下，应用地震资料解释火山岩地层是必要的。营城组是火山岩地层和深部油气勘探的目标之一［1－3］，但同碎屑岩地层沙河子组有相似的或相近的地震反射结构和几何外形，显示火山岩地层同样受到断裂作用和构造沉降的控制。然而火山岩地层实质上是火山作用与密切相连的沉积作用形成的［4－6］，与单一沉积作用在机理和物质上均有明显区别。因此，在运用地震地层学研究火山岩地层时不仅需要分析其特殊的形成与堆积机理，而且要分析构造控制和保存机理。运用地震方法研究火山岩地层是正在形成和发展的新兴学科——地震火山地层学，是基于地震层序分析和地震相分析［7－8］，关注的焦点是火山成因堆积单元、过程和对比。火山岩岩性、岩相与地层研究对于重塑作用过程与环境变化，了解其在盆地中的赋存规律是重要的。鉴于火山岩地层的特殊形成与保存机理，火山岩冷却单元是连接地层和岩性岩相研究的重要环节。笔者以松辽盆地东南缘露头区和徐家围子断陷营城组火山岩为例，分析火山岩冷却单元及地层结构。

1 火山岩冷却单元及其类型

火山岩冷却单元是具有顶底界面、而且内部具有规律相带的火山岩地质体。火山喷发的产物是熔岩和火山碎屑岩。对于熔岩而言，一次喷溢形成的沿火山斜坡流动侵位的熔岩流就是一个流动单元，冷却固结成岩则为一个冷却单元。对于火山碎屑岩而言，一次爆发可以形成多个具有一定岩性序列的堆积单元，普林尼型的爆发可形成涌流、火山碎屑流、灰云等3个连续堆积单元，但由于是整体冷却则为一个冷却单元［9］。火山岩冷却单元的概念广泛用于火山岩野外地质调查和研究中［10－11］，尤其是在火山岩相和火山旋回方面，为火山地层学意义的深入研讨提供了基础。

松辽盆地东南边缘隆起区出露大面积营城组火山岩，其中吉林省九台市城子街镇石场村剖面（N44°23′28.9″，E126°9′32.3″—N44°23′3.9″，E126°6′17.6″）露头出露良好，层序连续（图1）。营城组一段为研究火山岩地层、岩性、岩相和火山冷却单元的目的层段。笔者及课题组已对该剖面进行过系统测量［12］，本次研究针对分析冷却单元进行了补充。九台市石场村营一段地层序列如下：

根据形成作用、岩性与岩相以及序列样式，冷却单元可以分为4个类型（图1，表1），以下以实例阐述：

熔岩型 层2为灰白色流纹质角砾熔岩，层3为灰白色石泡流纹岩，层4为灰白色流纹构造流纹岩。此3层构成了由流纹质角砾熔岩－石泡流纹岩－流纹构造流纹岩组成的一个流动单元，同时或准同时形成。由于冷却分异而出现分层，底部有凝灰角砾混入，中—上部发育石泡构造和流纹构造。此单元是一个冷却单元，为单元2（图1a）。

完整的熔岩型序列应为含一定碎屑的熔岩－发育石泡、气孔、球粒和流纹构造熔岩－流纹构造流纹岩－块状流纹岩－流纹构造流纹岩－发育球粒、流纹构造和气孔熔岩。此序列是岩浆型（溢流作用为主）火山作用形成的一个独立流动的熔岩流，在运移至侵位的逐渐冷却过程中因不同部位的冷却条件差异，形成具不同构造而有规律叠置的特有岩性序列。单元3、单元9、单元10、单元11和单元13、单元14都属于此类。营一段此类冷却单元最发育。

碎屑岩型 层9为灰白色流纹质含角砾凝灰岩和橘红色流纹质晶屑凝灰岩。下部是热碎屑流沉积，上部为热碎屑流沉积＋空落沉积，整体向上变细，粒序和块状层理发育。层9反映了火山碎屑流沿着火山斜坡的流动－堆积过程，是一个流动－堆积单元和冷却单元，为单元5（图1b）。

完整的碎屑岩型序列应由基浪沉积－热碎屑流沉积－空落沉积构成。考虑到空落沉积的降（坠）落特点，基浪和热碎屑流沉积搬运和堆积过程中均有空落碎屑加入，靠近火山口且可以成为主要沉积。一般而言：基浪沉积由凝灰质砂砾岩、火山角砾岩、凝灰岩或沉凝灰岩组成，发育规模不等的平行层理、波状－丘状层理和交错层理；热碎屑流沉积主要由熔结凝灰岩或角砾岩构成，而且熔结强度在堆积体内部强，向上、下边界均减弱，发育块状层理、粒序层理，整体向上、向前变细，其是冷却单元的主体。空落沉积可以单独形成岩层，主要为角砾岩、凝灰岩，部分发育熔结凝灰岩，发育水平层理和波状层理。这个序列反映蒸汽型火山作用（爆发作用为主）形成的基浪、热碎屑流和空落碎屑的流动、堆积过程。热碎屑流是主体，其前锋是热基浪，而空落成分随风向重力分异进入热碎屑流和热基浪沉积中，或单独成层。

图1 九台市石场村剖面营一段的冷却单元及其类型Fig.1 Cooling unit and types of the First Member of Yingcheng Formation in Shichangcun outcrop profile，Jiutai

表1 松辽盆地东南缘营城组火山岩冷却单元特征Table 1 Characteristics of volcanic cooling units in Yingcheng Formation of the southeast margin of Songliao basin

碎屑岩＋熔岩型 层11为灰白色流纹质含角砾晶屑凝灰岩和橘红色流纹质晶屑凝灰岩，角砾成分有黑色泥板岩。层12为灰白色含气孔流纹构造流纹岩。层11是热碎屑流和热基浪沉积，所含的泥板岩角砾是热基浪－热碎屑流冲蚀裹挟而至，为一个火山碎屑岩流动－堆积单元，反映爆发式火山喷发。层12为含气孔流纹构造流纹岩，是一个熔岩流动单元，反映溢流式火山喷发。考虑到这2个单元是连续的，准同时冷却形成的，是一个碎屑岩和熔岩组成的冷却单元，为单元7。

应该说，上述的层11和层12是可以作为独立冷却单元的（单元7－1为碎屑岩型，单元7－2为熔岩型），因为形成有先后，冷却也不同步。考虑到蒸汽－岩浆型喷发作用形成堆积体的特点，在其间无明显间断的条件下，可将碎屑岩和熔岩归为一个冷却单元。因此碎屑岩＋熔岩型是基本组合类型冷却单元，反映一个完整的爆发－溢流火山事件（图1b）。单元4属于此类。

熔岩＋碎屑岩型 层28为浅灰紫色含气孔球粒流纹岩，代表一个熔岩流动单元。层29为灰白色膨润土，是空落沉积，亦有风化作用的改造。此2层组成熔岩＋碎屑岩型冷却－堆积单元，为单元15。这是一个特殊的冷却单元，表现在膨润土层的发育上。可能的成因有2种：一是火山爆发形成的火山碎屑粒度偏小，呈灰云形式，在火山溢流作用的熔岩流形成后才以空落沉积的形式堆积下来，岩石鉴定为蚀变流纹质岩屑晶屑凝灰岩；二是熔岩层顶部的层位发生水解或风化等作用，形成膨润土层。由此形成熔岩＋碎屑岩型冷却－堆积单元，其界面意义明显（图1c、d），其与上覆营二段复成分砾岩以角度不整合接触。

单元12属于此类。层19浅灰色含石泡气孔流纹岩与层20灰色气孔流纹岩构成了一个熔岩流动单元，类似地，层21浅灰色石泡流纹岩与层22灰白色气孔流纹岩构成了另一个熔岩流动单元。层20底部为流纹构造流纹岩，流纹理弧形前端指示流动方向，是流动单元的核心层（图2），其上下层因为冷却而发育气孔构造和石泡构造。实质上，上述2个流动单元组成一个冷却单元12，考虑到层23为膨润土，有风化成因，具界面性质，因而归入冷却单元12。

需要指出，单元1（层1）是膨润土层，有初期火山喷发的空落成因，也有风化成因，与层2存在明显界面，且与下伏地层角度不整合接触，为特殊的堆积单元。单元6（层10）为熔浆胶结复成分砾岩，河流成因，有一定的熔岩流和热碎屑流加入［13］，是一个流动－堆积单元。此2个单元应属于碎屑型。

4种类型冷却单元中：熔岩型和碎屑岩型是端元类型，反映岩浆喷发和蒸汽爆发的作用过程；碎屑岩＋熔岩型与熔岩＋碎屑岩型是基本组合单元类型，反映蒸汽－岩浆喷发的作用过程，代表普遍意义的火山作用过程。在划分和鉴定冷却单元（流动单元或堆积单元）时，界面的间断特征及其延展范围是很重要的地层因素。火山岩地层中的冷却单元反映了火山物质流（熔岩流和火山碎屑流）在火山环境（尤其是火山斜坡）内的流动、堆积与成岩过程，因此冷却单元是一种成因地层单元。火山物质流流出、运移和堆积可以在很短的时间内完成，另一些火山物质流也可以很快叠置其上，但叠置在一起的各个流动单元或堆积单元却是一起冷却成岩，需要相对较漫长的时间。冷却过程中，在冷却体的不同部位会形成不同的岩性岩相和构造，并具有规律性的组合（鉴定特征），尤其是形成了具有一定延展范围的界面。不同冷却单元之间的界面代表一定的时间间断，是具有地层意义的间断面。在冷却单元的内部也同样形成一些界面，可以区分不同的岩性或岩层，不完全具有地层意义。

图2 九台市石场村剖面营一段的冷却单元12部分序列Fig.2 Part of sequence of cooling unit 12，the First Member of Yingcheng Formation in Shichangcun outcrop profile，Jiutai

当然，火山岩地层的形成作用并非仅是熔岩流和火山碎屑流的堆积作用，如侵出、部分空落、水流等均是火山岩地层的其他形成作用。尤其在火山口的侵出、空落和塌陷使得岩性和地层穿插混乱，因此，火山地层分析时要区分破火山口环境和斜坡环境，或者层状火山地层和非层状火山地层。但除了熔岩流和火山碎屑流沉积以外，冷凝固结作用可以包含侵出和空落产物的成岩作用，如单元13的珍珠岩就是一个冷却单元。冷却单元是火山岩地层的主要成因单元，利用4种类型冷却单元可以进行火山岩地层的划分与对比。

2 盆地中的火山岩冷却单元

2.1 连井剖面

徐家围子断陷营城组火山岩地层发育，组段特征与松辽盆地东南缘露头区近似。肇深9—徐深28地震剖面展示了营城组一段的构造与地层发育特征（图3）。营一段划分出3个层序，其界面为不整合面或间断面。由于地震分辨率的局限，组成层序的准层序和火山岩冷却单元基本不能进一步识别。连井剖面（图4）实现了营城组一段火山岩冷却单元的划分、对比和地层结构。营一段共划分出19个火山岩冷却单元，具体分述如下：

单元1 徐深13井单元1以不整合接触发育在沙河子组砂砾岩之上，为黑色沉凝灰岩。其是混入一定量陆源碎屑的火山碎屑沉积，是一个堆积单元，属于碎屑岩型。

单元2和单元3 徐深13井单元2和单元3分别由灰白色玄武安山岩和绿色玄武安山岩组成。此两单元界线明显，是熔岩型冷却单元。单元2也在肇深9井发育，以不整合与沙河子组泥岩接触。

图3 徐家围子断陷肇深9—徐深28地震剖面和构造地层解释Fig.3 Seismic profile and interpretation of structure and stritagraphy in line ZS9－XS28of Xujiaweizi fault depression

图4 徐家围子断陷肇深9—徐深28营城组一段火山岩冷却单元及地层格架图Fig.4 Volcanic cooling units and stratigraphic framework of the First Member of Yingcheng Formation in line ZS9－XS28of Xujiaweizi fault depression

单元4 徐深13井单元4由绿色流纹质凝灰岩和灰色玄武岩构成，属于碎屑岩＋熔岩型。此单元的流纹质凝灰岩与玄武质熔岩堆叠在一起，是一种特殊的冷却－堆积单元。此单元由深灰色－黑色玄武岩构成，是熔岩型冷却单元。此层玄武岩与徐深13井单元4上部玄武岩对应。徐深7井单元4（未穿）也是由玄武岩构成，与上述对应。

单元5 徐深201井单元5由紫色流纹岩和绿色流纹岩构成，是熔岩型冷却单元（未穿）。

单元6 徐深7井单元6由巨厚的火山角砾岩与顶部薄层流纹岩构成，是碎屑岩＋熔岩型冷却单元，以碎屑岩为主。下部的厚层火山角砾岩是火山口堆积产物，中—上部中层火山角砾岩属于火山斜坡顶部—上部的空落堆积和热碎屑流沉积，顶部的薄层熔岩是熔浆溢流在火山口附近的堆积。徐深201井单元6由中—薄层流纹岩和凝灰岩、火山角砾岩互层构成，其下—中部为灰色、灰白色，上部为紫色，属于熔岩＋碎屑岩或碎屑岩＋熔岩型的堆积单元。此单元主要发育在火山斜坡上，与徐深7井单元6中上部火山角砾岩和薄层熔岩对应。由于徐深7井位于火山口或附近，可能遭受垮塌和剥蚀的改造，熔岩层被改造成火山角砾或被剥蚀成薄层。徐深13井单元6为灰色凝灰岩，自下而上为流纹质凝灰岩、流纹质凝灰熔岩和流纹质熔结凝灰岩，是碎屑型堆积－冷却单元。下部的凝灰岩是热基浪沉积，中—上部为热碎屑流沉积。

肇深9井单元6是由3个次级别的堆积单元叠置而成的复合堆积单元（6－1、6－2和6－3）。次级单元由紫色凝灰岩、紫色凝灰质砾岩、紫色凝灰岩和灰色凝灰质粉砂岩构成，是热基浪、火山泥石流和灰云空落沉积的产物。中、下部的厚度较小，上部的规模较大，是单元6的主体。

从徐深7井至肇深9井单元6，反映了从火山口至火山斜坡的环境变化，依次出现火山口堆积、热碎屑流、热碎屑流＋热基浪和热基浪沉积。

单元7、单元8和单元9 徐深201井此3个单元由中层凝灰岩与薄层英安岩、流纹岩组成，凝灰岩比例大，属于碎屑型＋熔岩型冷却单元。徐深7井3个单元也具有相似特征。

单元10和单元11 徐深201井和徐深7井此2个单元由凝灰岩和流纹岩组成，凝灰岩比例大，为碎屑岩型＋熔岩型。

单元12—14 徐深7井单元12—14均由凝灰岩和流纹岩构成，流纹岩比例较大，属于碎屑岩型＋熔岩型。徐深201井单元12—14是一个单元，由一薄层灰白色凝灰岩和巨厚的流纹岩构成，也是碎屑岩＋熔岩型冷却堆积单元。然而徐深13井单元12—14却是由灰黑、灰、灰绿色玄武岩构成，显然与徐深201井不是一个火山机构，或可存在叠置关系。肇深9井此单元也为一套黑色玄武岩，与徐深201井一致。需要指出的是，单元12—14本身是一个单元，如此命名是单元对比的结果。

单元15 徐深7井单元15由火山角砾岩和火山集块岩构成，是碎屑岩型堆积单元。徐深28井是由绿色、灰白色流纹质凝灰岩、熔结凝灰岩构成。由此显示，徐深7井位于火山口，而徐深28井位于火山斜坡。火山口主要为喷发碎屑柱重力垮塌和空落形成的堆积，热碎屑流和热基浪碎屑则堆积在火山斜坡上。肇深9井也发育单元15，由深灰色凝灰岩和玄武岩构成，厚度较薄。该单元是碎屑岩＋熔岩型冷却单元，但与徐深7井和徐深28井不是同一火山机构。

单元16 徐深7井单元16由凝灰岩和流纹岩薄互层构成，为碎屑岩＋熔岩的次级单元叠置而成。徐深28井单元16由灰色、灰白色流纹质凝灰岩构成，厚度较大，是碎屑岩型堆积单元。肇深9井单元16由紫色凝灰岩构成，顶界遭受剥蚀，是碎屑岩型堆积单元。

单元17—19 徐深7井单元17—19均由凝灰岩与流纹岩构成，其中单元17下部发育火山集块岩，属于碎屑岩＋熔岩型冷却堆积单元。徐深28井单元17—19为一个冷却单元，由灰白色流纹岩构成，是熔岩型（命名为单元17—19是对比的结果）。徐深7井的位置是火山口或邻近，火山集块岩发育，互层的出现可能是火山口垮塌所致。在火山斜坡的徐深28井发育厚层熔岩流堆积。徐深13井（图4）单元17由灰色火山角砾岩夹灰色凝灰岩构成，是碎屑岩型堆积单元，以不整合直接发育在单元12—14之上。单元18由绿色流纹岩构成，是熔岩型冷却单元。单元19由绿色流纹质凝灰岩构成，顶部遭受剥蚀，是碎屑岩型堆积单元（图5、图6）。

2.2 地层结构分析

徐家围子断陷营城组一段连井剖面的火山岩冷却单元分析显示，基于露头区冷却单元划分和类型确定可以很好地用于盆地火山岩的地层结构建立。其不仅能反映火山作用过程，而且可以实现有效的井间以致于较大范围的对比，对火山岩地层的发育与赋存取得规律性认识。

1）剖面域内单元1至单元5（层序1）、单元6至单元19（层序2和层序3）分别代表火山作用的两个阶段：早期为中基性转变为酸性的火山作用，晚期主要为酸性的火山作用（仅肇深9一带仍有一定规模的中基性火山活动）。早期火山口区位于肇深9以东盆缘断层附近，晚期的火山口除了在肇深9处外还在徐深7断裂处发育。

图5 徐深13井营一段火山岩层序Fig.5 Volcanic sequences of the First Member，Yingcheng Formation of XS13

2）各冷却单元均是以火山口为中心发育的，并沿着火山斜坡环境发生成分比例和类型变化，反映了控制其形成的火山作用特点以及火山环境的变化。在剖面域内肇深9和徐深7代表两个火山机构，各冷却单元围绕此在一定的范围内分布。

3）冷却单元在空间上堆积叠置，受到不整合界面的制约，并在界面上许多单元遭受不同强度的剥蚀。显然因不整合限定的由冷却单元叠置的地层（层序）分布范围更广，其受到盆地沉降的控制。

4）剖面域的两个断裂不仅是火山喷发的通道，而且控制着盆地沉降、火山岩地层（层序）的形成和保存，保存作用正是盆地火山岩地层的突出特点。自肇深9至徐深28沿着断裂倾向营一段厚度明显变大，是断裂控制作用的反映。近火山口肇深9附近，多数冷却单元均遭受严重剥蚀，而徐深7附近同样是火山口冷却单元，但被剥蚀的程度却很低。这说明火山作用控制了火山岩冷却单元和层序形成，但火山岩地层在盆地中的保存还要靠断裂控制的沉降作用。

图6 徐深13井营一段冷却单元19Fig.6 Cooling unit 19of the First Member，Yingcheng Formation of XS13

3 讨论

营城组火山岩冷却单元识别与划分是在岩性和岩相深入研究的基础上进行的，同时为岩性－岩相（尤其是亚相和微相）的研究提供了框架。所谓的冷却单元实质上是岩相的有规律叠置或者本身就是岩相。然而有实际应用价值的冷却单元自身除了有一定的成因机制，还有一定的发育规模与范围，也有一定的几何学特征，由此具有“地层单元”价值。野外剖面可以进行冷却单元的规模、延展和几何学的研究，其突出的优势是精细岩性－岩相研究，但依然受到限制。有井约束的地震剖面（尤其是三维地震）却明显地在分析冷却单元的界面、规模、延展和几何学方面具有优势。营城组的地震剖面联合解释，不仅可以通过冷却单元的概念来充分了解火山岩地层形成过程、机理、赋存状况以及岩性－岩相的类型与分布，而且可以成为油气勘探的有效手段［14］。

火山岩地层研究中，不仅要考虑岩相更要结合火山构造分析。火山机构是火山岩区的基本构造单元［11，15］。火山岩地层的形成与分布受火山机构制约或控制，因此火山产物与火山构造形迹必须作为地质整体进行研究。目前在沉积岩地层中，层序地层学已经成为油气勘探的有效手段［16－20］，火山岩层序地层学也一直处于探索中［21－23］。火山岩冷却单元（包括流动单元和堆积单元）是火山岩地层的成因单元，是具有层序地层意义的。这些单元有规律地时空叠置便构成了准层序，多数由不整合界面或地层间断面限定，反映火山喷发的一个期次。由分布广泛的不整合界面限定的、由准层序叠置的地层序列就是一个层序，反映一个火山喷发旋回。火山岩层序或火山喷发旋回的级别相当于三级沉积层序，“冷却单元”是火山岩层序的基本地层单位（火山岩层序地层另文讨论）。

4 结论

1）松辽盆地东缘露头区和徐家围子断陷营城组火山岩冷却单元主要存在4种单元类型：碎屑岩型、熔岩型、碎屑岩＋熔岩型和熔岩＋碎屑岩型。

2）冷却单元是火山岩地层的重要成因地层单元，其划分和类型确定不仅能反映火山作用过程，而且可以实现有效的井间以致于较大范围的火山岩地层对比。

3）冷却单元是火山作用控制的，但其本身以及由此堆叠的火山岩地层（层序）是受盆地沉降和断裂作用控制的。

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Volcanic Cooling Unit and Analysis of Stratigraphic Architecture of Yingcheng Formation in Songliao Basin

Cheng Ri－hui1，Ren Yan－guang2，Shen Yan－jie1，Xu Zhong－jie1

1.CollegeofEarthSciences，JilinUniversity，Changchun130061，China
2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment，DaqingOilfieldLimitedCompany，Daqing163712，Heilongjiang，China

The reorganization of volcanic cooling unit is a key to analyze volcanic stratigraphy and litho－facies.The study of the sections of Yingcheng Formation in Songliao basin shows that there are four types of cooling unit including pyroclastic，lava，pyroclastic＋lava and lava＋pyroclastic in the outcrop of the southeast margin and Xujiaweizi fault depression.The type of pyroclastic is an end unit reflecting the processes of hydro explosion.The type of lava is another end unit reflecting the processes of magma effusion.The type of pyroclastic＋lava is a basic unit reflecting the consequent processes of hydro－magma eruption.The type of lava＋pyroclastic is a reformed or special unit.Cooling unit itself and its stacking contain meaning of litho－facies.The cooling unit is a genetic stratigraphic unit in volcanic stratigraphy，which is fundamental to learn architecture，forming and preservation of volcanic strata.The recognition of volcanic cooling units and analysis of superimposition give a stratigraphic architecture of the First Member，Yingcheng Formation in Xujiaweizi of Songliao basin.

volcanic stratigraphy；cooling unit；stratal aichitecture；Yingcheng Formation；Songliao basin；volcanic rocks

618.13

A

1671－5888（2012）05－1338－10

2012－04－05

国家自然科学基金项目（40972074）；国家“973”计划项目（2009CB219303）

程日辉（1963—），男，教授，博士生导师，主要从事石油地质科研与教学，E－mail：chengrh＠jlu.edu.cn。