Question

成岩作用

Answer 1

一、成岩作用阶段

成岩作用(Diagenesis)一词，最先由VonGümbel(1868)引入文献，但开始并没有引起人们的注意。后来，Walther(1894)在他著名的《LithogenesissderGegenwart》一书中重提这一术语，并给予严格的定义，成岩作用才为人们所接受。按照Walther(1894)对成岩作用的定义为:“岩石(即沉积物)在其沉积以后在没有经受压力和火成热的情况下，所发生的一切物理和化学变化。”一般将Walther(1894)的定义视为成岩作用的经典定义。然而，百余年来，人们对成岩作用的理解很不一致，概括起来主要有两种观点。

1.广义的成岩作用概念与成岩阶段划分

一些研究者认为，成岩作用应该是广义的，该作用应包括自沉积以后至变质和风化之前，所发生的所有对沉积物特征的改造作用。将成岩作用划分为早期、中期和晚期成岩作用阶段。

2.狭义的成岩作用概念与成岩阶段划分

持该观点的研究者将成岩作用的概念限制于由沉积物为上覆沉积掩埋开始，至转变成固结的岩石之前所发生的变化。按照这一观点，沉积物沉积下来至沉积岩的变质和风化作用之前所发生的变化为“沉积期后变化”，而“沉积期后变化”则是由一系列相继发生的作用或过程组成，即由同生作用、成岩作用、后生作用和表生作用组成。

◎同生作用:指沉积物沉积下来以后，在与沉积介质还保持联系的情况下，沉积物表层与底层之间发生的一系列作用和反应。同生作用的深度下限一般不超过几十厘米。成岩作用是指松软的沉积物脱离沉积环境至固结成岩期间所发生的所有变化。一般情况下，沉积物被埋藏时，与底水隔离，沉积物的质点仅与孔隙水发生作用。此带的深度范围一般为1～100m。

◎成岩作用:指松软的沉积物脱离沉积环境至固结成岩期间所发生的所有变化。一般情况下，沉积物被埋藏时，与底水隔离，沉积物的质点仅与孔隙水发生作用。此带深度范围一般为1～100m，最深可达300m。持续的时间介于1万年～100万年之间。

◎后生作用:是沉积岩转变成变质岩之前所经受的一切作用。后生作用的深度下限可达10000m，持续的时间为10⁴～10⁸a。

◎表生作用:是指沉积岩被抬生至近地表，在潜水面以下的常温常压或低温低压条件下，由于渗透水和浅部地下水(包括上升水)的影响下而发生的变化。

显而易见，上述两种观点各有利弊，广义的概念简单明确，但过于笼统;狭义的概念阶段性清晰，但在实际研究中难以将各个作用截然分开。为了便于理解和应用，本书采用广义的成岩作用概念。

此外，在文献中尚经常提到自生作用和自生矿物。所谓自生作用是指特殊矿物的形成作用，在某种程度上是成岩作用的同义词(Pettijohn，1982)。自生矿物则是在成岩作用过程中新形成的矿物。

需要指出的是，成岩作用与热液作用、变质作用及其结果之间的界限是渐变的，很难做出严格的限定。同样，成岩作用、成壤作用、风化作用(包括地下水的活动)也同样难以限定。如果沉积物没有经过搬运，则初期的风化作用和成壤作用都可以视为成岩作用的一部分，但沉积岩出露地表或经受的晚期风化作用不在其内(Lewis，1984)。

二、沉积物在成岩过程中的变化

沉积物在成岩过程中发生的变化是多种多样的。沉积岩无论在结构和矿物学上，还是在物理性质和化学性质方面都与其相应的沉积物有很大差别。下边以砂岩为例说明这种变化的特点。

◎结构:矿物颗粒和晶体之间的结构关系是砂岩有别于沙的主要特征之一。原生的、可识别的结构被保存在非原生的物质之中。例如，砂岩中交代假象、幻影构造、孔隙充填、穿切、自形晶面和交织颗粒嵌晶等，显然这些结构在松散的沙中是不存在的。

◎矿物学:在矿物学上，砂岩中存在着许多成分较纯和易溶矿物。例如，石英和其他矿物的次生加大边中一般缺乏晶体、液体和气体包裹体;自生长石往往是极纯的钠长石和钾长石;在一些砂岩中，甚至可出现在成岩作用过程中形成的石膏和石盐等易溶矿物。这些现象在砂质沉积物中是缺乏的。

◎物理性质:由于受上覆沉积物荷载的影响，与沙质沉积物相比，砂岩的孔隙度和渗透率降低，而有效密度(BulkDensity)和地震速度都明显增加。

◎化学性质:主要表现在砂岩中的孔隙流体成分和自生矿物的同位素成分都与其砂岩沉积物沉积时的沉积环境不相同。例如，砂岩可以成为石油和天然气储层，即砂岩的孔隙度流体为石油和天然气，但砂质沉积物的孔隙流体却不可能为石油和天然气。

三、主要的成岩作用现象

沉积岩的主要成岩作用包括压实作用、胶结(沉淀)作用、溶解作用、蚀变作用、交代作用和重结晶作用。

1.压实作用

压实作用是指沉积物在上覆沉积的重荷压力作用下，发生水分排出，孔隙度降低和密度增加作用。按照压实作用机制，压实作用可分为机械压实作用和化学压实作用两种类型。

◎机械压实作用:主要表现为颗粒的重新排列、塑性变形和破裂。机械压实作用可改变沉积物中某些片状、针状和柱状颗粒的排列方向，使之垂直于压力方向排列。例如，页岩的页理及沿页理方向的易裂性，就是压力作用使片状矿物平行排列造成的。

◎化学压实作用:亦称压溶作用。压溶作用是指在压力点处矿物的选择性溶解。压溶作用即可以发生在未胶结的沉积物中，也可以发生在已胶结的沉积岩中。①在未胶结的沉积物中，沉积物可通过颗粒表面滑动，当颗粒的重新排列和某些颗粒的破碎而达到紧密堆积之后，颗粒之间达到点接触。这时，上覆压力就通过颗粒接触处来传递。随着上覆压力的加大，就会发生晶格错位和溶解作用。随着溶解作用的加强，颗粒之间就由点接触，发展到线状接触、缝合接触和凹凸接触。这类压溶作用主要发生在石英砂岩中。②发生在已胶结的沉积岩中的压溶作用主要形成缝合线和压溶线。缝合线和压溶线都垂直于最大应力轴发育。该应力既可以是上覆压力，也可以是构造压力。缝合线和压溶线易于发生在富含黏土的碳酸盐岩中。

2.胶结作用

胶结作用是指从孔隙溶液中沉淀出矿物质(即胶结物)，将松散的沉积物黏结成坚硬岩石的过程。基本上是化学和生物化学作用，是中粗粒陆源碎屑岩(如砾岩和砂岩)和粒屑内源岩的主要成岩作用现象。

根据胶结物与其生长底质的关系，可将胶结物划分为共轴生长(SyntaxialGrowth)和外延生长(EpitaxialGrowth)胶结物两种类型(Pettijohn，1982)。

◎共轴生长胶结物:是与生长底质(碎屑矿物)在成分上和光性上一致的胶结物，如石英和长石的次生加大边是典型的共轴生长胶结物。

◎外延生长胶结物:指底质(碎屑矿物)与新形成的自生矿物无论在光性，还是在成分上均为完全不同的胶结物，如方解石在石英和长石颗粒之间的沉淀，黏土矿物无论在石英颗粒表面的生长等(Pettijohn，1982)。外延生长胶结物的个体大小和数量，主要取决于封存的流体成分和底质提供成核场所的能力。

3.溶解作用

在成岩作用过程中，当满足一定的条件时，沉积物或沉积岩往往发生溶解作用。溶解作用亦可以分为两种类型，即一致溶解作用和不一致溶解作用。

◎一致溶解作用:是指在溶解过程中，固相部分均匀溶解，而未溶部分总是保持着新鲜面。例如，纯的NaCl、SiO₂和CaCO₃的溶解便是如此。

◎不一致溶解作用:是一种选择性溶解作用。在溶解作用过程中，由于仅矿物晶体的某些部分被淋滤到溶液中，因而剩余部分的成分通常与其原始固相成分不一致，例如高镁方解石的溶解。此外，在重结晶作用、交代作用和蚀变作用过程中，也往往伴随着不一致溶解作用。

在成岩作用过程中，无论一致溶解作用，还是不一致溶解作用都将产生新的孔隙，即次生孔隙。

4.交代作用

交代作用系指成岩作用过程中，沉积物(岩)中某种矿物被化学成分不同的另一种矿物取代的现象，如石灰岩的白云岩化、硅化等都属于交代作用的范畴。在砂岩中，石英颗粒往往被方解石交代。值得注意的是，在大部分砂岩中，当一种矿物为另一种矿物取代时，岩石的体积并未发生变化，并且在作用发生过程中，颗粒(和任何胶结物)相互接触，继续支撑着岩石而不发生垮塌。这就要求被交代矿物的溶解和交代矿物的沉淀，是在两相之间极薄的膜中进行的。膜的厚度一般在0.1mm以下，有时甚至仅数微米。溶解的物质通过溶液膜的搬运作用被带出，交代的物质由附近孔隙水中通过薄膜溶液进入并代替被溶解的物质而沉淀。

5.重结晶作用和矿物的多相转变

◎重结晶作用:指矿物组分以溶解－再沉淀方式，使得细小晶粒集合成粗大晶粒的过程。其主要特征是小晶体重新组合并结晶成大晶体。胶体脱水，并转变成结晶物质的现象，称为胶体陈化。胶体陈化也是一种重结晶作用。按照热力学第二定律，任何一种物质由一种相转化为另一种相都伴随着自由能的减小，因此重结晶后晶体总能量亦趋向于减少。例如，一群微细晶体重新结晶成一个大晶体后，其表面肯定小于微细晶体的比表面之和，其比表面能也同样小于微细晶体的比表面能之和，这就意味着，在重结晶后的化学体系中，出现了吉布斯自由能的减少。其他诸如燧石中微石英重结晶成粗粒石英，石灰岩中泥晶方解石重结晶为粗晶方解石等，都伴随着吉布斯自由能的减少。

◎矿物的多相转变:是一种较复杂的广义重结晶作用。一般情况下，当一种矿物转变成另一种更稳定的矿物时，只发生晶格的形状及大小的变化，而无化学成分的变化，但矿物的名称都发生了改变。在沉积岩中，文石的最终归宿总是方解石。这是由于在这一体系中，两个多相体的自由能不等，化学平衡时，不稳定的文石将转变成方解石。在常温常压条件下，文石转变成方解石后，自由能将发生减少，说明方解石是化学平衡后的稳定生成物。

在沉积岩中，非晶质二氧化硅转变成玉髓或石英，隐晶质的胶磷矿转变成显晶质的磷灰石，隐晶质高岭石转变成鳞片状或蠕虫状结晶高岭石等，都是常见的矿物多相转变现象。

6.蚀变作用

伴随着碎屑颗粒不一致溶解作用的进行，其残余的固相部分的成分将发生改变，从而形成另一种矿物。例如，长石的高岭石化、火山玻璃的去玻璃化作用等都属于成岩蚀变作用的范畴。

四、成岩作用的影响因素

成岩作用的影响因素包括外部因素和内在因素两个方面，前者包括水、pH、E_h、温度、压力、细菌活动和有机质等;后者主要有沉积物的成分与结构(何起祥，1978)。

1.水

水是最重要的成岩作用影响因素之一。现已证实，几乎所有的成岩作用现象都是在水的参与下完成的。

水可以从不同角度进行分类，如按盐度可分为淡水和盐水;按产状可分为地表水(包括海水、河水)和地下水;按成因可以分为雨水、同生水、成岩水或变质水等(何起祥，1978)。

沉积物在压实作用过程中排出孔隙水。在沉积时，砂质沉积物中含有40%体积的水，而泥质沉积物中则最高可含90%体积的水。由于这些沉积物在上覆沉积物重力的作用下孔隙的体积就要减少，而被封闭的水一定会排出(恩格尔哈特，1977)。排出水的数量大得惊人，Hitchon(1968)曾计算了加拿大西部盆地在成岩作用过程中排出水的数量。该盆地面积为1260772km²，充填了从中寒武世到新近纪的沉积岩，其平均厚度为1778m，体积为2242074km³，盆地中共含有11%的蒸发岩。碳酸盐岩由44%的白云岩和56%的石灰岩组成。整个盆地的平均孔隙度为12%，也就是说，目前在这些沉积层中存在的孔隙空间是265000km³，而且基本上由水充填。如果假设砂的原始孔隙度为40%，黏土是70%，石灰岩是70%的话，那么成岩作用过程中通过压实作用由盆地排出的水比目前仍然包含在沉积物中的孔隙水的量大十多倍，且稍大于目前盆地充填物的总量。

这些压实水在向上运动过程必然要穿过泥质沉积物层。由于黏土层的选择性过滤，即盐筛作用，一部分盐残留在渗滤层以下，使其盐度增高，进而导致化学物质的沉淀，这些化学物质就是常说的胶结物(何起祥，1978)。

大气孔隙水主要与盆地周围的古地理和构造隆起有关。大气水可以达到很高的孔隙流通量，并且经常与砂岩中的长石和碳酸盐矿物的溶解作用有关。

2.E_h和pH值

沉积物中的E_h和pH值变化较大。据斯拉霍夫研究，E_h值的最大值见于沉积表面以下25cm至几厘米，甚至几毫米的地方，即氧化带。再向下，E_h值逐渐减小为负值，转为还原环境。还原带上部几十厘米是细菌活动最强，也是E_h值最低的地段。在1～1.5m以下，E_h值又重新升高，趋近于零。E_h值的大小取决于两个因素，即有机物的含量和沉积物的粒度，与前者成反比，与后者成正比。

pH值的变化比较复杂。一般而言，在不含石灰质而富含有机质的淡水湖相中，pH值通常都小于7，有时为6或更低;在极少或没有碳酸盐的软泥中，pH值在7.7～8.2之间。海相碳酸盐软泥的pH值永久为碱性;大陆干旱带含碳酸盐软泥的半碱水湖中，pH值亦为弱碱性，而且明显地随着湖水的化学成分而变化。

3.温度

沉积物及岩石随着埋藏深度的加大，温度逐渐增加。温度与岩石反应的关系极为密切，例如次生加大石英的沉淀开始于40℃左右。

4.有机质和细菌作用

有机质和细菌作用也是影响成岩作用的主要因素。它们通过改造成岩环境的物理化学条件而直接影响成岩作用的进程和方向。

在成岩阶段，细菌的生命活动分解有机质，产生大量的CO₂、H₂S、NO、CH₄、H₂等。这一过程改变了介质的成分，也消耗了沉积物中的游离氧，于是介质由氧化性质转化为还原性质。变价元素Fe、Mn等的高价化合物转变为低价化合物(如黄铁矿)。当有碳酸盐存在时，由于CO₂的作用，就能形成Ca、Mg、Fe和Mn的重碳酸盐，转入软泥水中。SiO₂、磷酸盐、Al(OH)₃以及有机质和胶体携带的Cu和稀有元素As、Cr、Ni、Co等也转入溶液，使得软泥水中的组成部分发生迁移。因此，软泥水中盐类的浓度较底水高得多，甚至可以达到饱和而析出，形成自生矿物或矿床。

5.沉积物的成分和结构

沉积物的成分和结构对成岩作用方式、强度和演化方向都有重要影响。例如，泥质沉积物在成岩过程中主要表现为压实和脱水，碎屑岩主要表现为压实和胶结，碳酸盐岩则主要表现为压溶(化学压溶作用)、重结晶和交代作用。即使在砂质沉积物中，碎屑颗粒不同，其成岩产物也不同。此外，沉积物的结构也是影响成岩作用的重要因素，如细粒石英砂岩中的石英胶结物的数量比粗粒石英砂岩中的多。