成岩作用

成岩作用及研究进展 一、成岩作用的概念： 成岩作用 diagenesis ：是指使松散沉积物固结形成沉积岩石的作用。形成岩石的各种地质作用的统称。如岩浆成岩作用、变质成岩作用、沉积成岩作用、花岗岩化作用、混合岩化作用等。通常所说的成岩作用是指沉积物沉积后至岩石固结，在深埋环境下直到变质作用之前发生的物理、化学的变化，以及埋藏后演示又被抬升至地表或接近地表的环境中所发生的一切物理、化学变化。直到固结为岩石以前所发生的一切物理的和化学的 （或生物）变化过程。一般包括沉积物的压实作用、胶结作用、交代作用、结晶作用、淋滤作用、水合作用和生物化学作用等。这些作用通常是在压力、温度不高的地壳表层发生的。当成岩物质被覆盖之后，由于厌氧细菌的作用 ，有机质腐烂分解 ，产生H2S 、CH4、NH3 和 CO2 等气体 ，促使碳酸基矿物溶解成重碳酸盐 ，高价氧化物还原成低价硫化物，酸性氧化环境变为碱性还原环境。此时沉积物质发生重新分配、组合，胶体矿物脱水陈化、压缩胶结，最终固结为岩石。成岩作用一词最早由德国学者C.W.冈贝尔（1868 )提出，各国学者对这一名词所赋予的含义并不完全一致。 压实作用（compaction）又称压固作用、压缩作用，压实作用是沉积物最重要的成岩作用之一。指沉积物沉积后，由于上覆沉积物不断加厚，在重荷压力下所发生的作用。通过压实作用沉积物发生脱水，孔隙度降低，体积缩小，密度增大，松软的沉积物变成固结的岩石。例如泥炭，通过压实体积缩小（到1／20～1／30）后,便转变为坚硬的煤。研究资料表明，碎屑沉积物在300米深处，受压实作用影响，其所含75%以上的水已被排出，石英砂岩由40%左右的原始孔隙降低至30%～10%。 胶结作用是沉积物在成岩过程中的一种变化。沉积物的松散碎屑被胶结成坚硬岩石的作用。其胶结物的成分不同，也可以和碎屑物成分相同。前者如钙质胶结的钙质砂岩，后者如硅质胶结的石英砂岩。常见的胶结物有泥质的、铁质的、硅质的和钙质的等。 交代作用即变质过程中，围岩与侵入体发生物质交换，代入某些新的化学组分，代出一些原有的化学组分，从而使岩石的化学组成和矿物组成发生变化，形成新岩石。在这一过程中岩石成分发生显著变化，新矿物大量产生。交代作用主要表现在接触交代作用过程中。 结晶作用（crystallization）即形成晶体的作用，指物质在一定的物理化学条件下（温度、压力、组分浓度）转变为结晶质的作用。结晶的方式有：①气体结晶，如火山口硫蒸气冷凝形成硫磺晶体；②液体结晶，如盐湖中因蒸发使溶液达到过饱和而结晶出石盐、硼砂等，又如岩浆熔融体因冷却而结晶出长石、石英、云母等晶体；③固态非晶质结晶，如非晶质的火山玻璃质经过晶化而形成结晶质的石髓。 水合作用是指溶质的分子或离子与溶剂的分子相结合的作用称为溶剂化作用。 生物化学作用，由于生命活动直接或间接导致物质的迁移和聚集的一种成岩作用，主要有3种途径来实现，生物化学、改变环境的物化条件、机械捕集或粘结。 二、成岩作用研究主要进展 1、成岩环境研究 成岩作用是内部系统与外界环境相互作用、相互协调的过程 ,因而探讨外界环境是成岩作用研究的必要条件。不同盆地类型有不同的成岩演化 ,克拉通盆地经历地史时间长 ,构造运动旋回多 ,导致成岩环境多变 ,成岩作用复杂;裂谷盆地地史时间短暂 ,构造运动旋回少 ,埋藏速率大 ,成岩序列和孔隙演化史简单;前陆盆地则介于前两者之间。同一盆地 ,不同部位成岩演化也可能不同 ,并导致储层性质差异明显。除盆地背景外 ,构造活动也是不可忽略的因素 ,如法国 Balazuc储层成岩演化明显受控于裂缝的形成 ,裂缝的产生虽然为储层提供了流体运移的通道 ,但后期流体循环导致了石英、 白云石等自生矿物的沉淀 ,使储层物性变差;侧向上的构造挤压变形作用会影响砂岩成岩压实进程和储集空间类型 ,它主要以物理作用方式改变砂岩的形态和体积 ,并使砂岩的成岩压实演化具有突变性。盆地中岩浆活动也会对成岩作用产生显著影响:一方面是岩浆活动形成的热流体促进或加速了矿物间的成岩反应 ,形成“相对高温 ” 的自生矿物或引起一些溶解度对温度变化敏感的自生矿物的溶解和重新沉淀;另一方面 ,岩浆活动也直接或间接地为成岩作用提供了深源物质或深部物质 ,形成特征的片钠铝石及具有幔源特征的方解石胶结物。成岩环境压力场及其对成岩作用影响的探讨,也是该领域研究的重要进展之一。压力系统的差别可能导致成岩流体和反应差异性变化 ,采用试压及 T DS( t otal diss olved s oluti on)数据 ,发现松辽盆地欠压实和正常压力系统下 ,分别形成了富含 CaCl2和 NaHCO3的层间水。目前,人们还注意到深部优质储层与异常流体压力有密切的联系 ,异常流体压力客观上对形成的次生孔隙起到了一个充涨和保护作用 ,如美国海湾地区、 新疆库车坳陷和板桥地区等。 2、成岩流体活动分析 了解盆地演化过程中古流体和成岩作用的关系 ,可以更全面、 深入地分析成岩过程的多面性和复杂性。盆地流体主要包括大气水、 沉积物压实 -相变释放出的流体、 由沉积有机物质转化而成的各种气态 -液态有机流体以及深部热液流体等 ,其流动机制为重力驱动流和压实驱动流。大气水与砂岩的相互作用是成岩作用研究的主要内容之一 ,大气水在重力驱动下从盆地边缘向盆地内部流动 ,一方面导致碎屑颗粒和自生矿物的淋滤 ,形成新的自生矿物;另一方面 ,大气水的性质被“ 岩石 ” 缓慢改变 , eH值减小 , pH值增大。加拿大南部 Chas wood组发育浅灰色泥岩和深灰色泥岩 ,其中浅灰色泥岩是由深灰色泥岩与大气淋滤水作用转变而来 ;鄂尔多斯盆地三叠系延长组砂岩经历了大气水的淋滤作用,靠近不整合面附近由长石等铝硅酸盐溶解形成的次生孔隙增加使岩石的孔隙度、 渗透率增加 ,物性变好 ,并形成高岭石等特征自生矿物;沙特阿拉伯白垩世 Safaniya组砂岩早成岩作用阶段形成方解石、 菱铁矿、 海绿石、黄铁矿和蠕虫状高岭石 ,晚白垩世的隆升使该组砂岩遭受大气水淋滤 ,形成骸晶高岭石和微晶石英 ,晚白垩世 -古近纪又开始接受沉降 ,压实水的侵入导致石英次生加大和自形高岭石的沉淀。 由有机质转化来的有机流体是整个地壳流体活动的一部分 ,对成岩演化有着至关重要的影响 ,也是盆地发展演化的一个重要侧面。将成岩作用和油气成藏史等纳入到盆地发展演化历史中统一考虑 ,是当前研究的趋势所在。有机质转化形成的有机酸引起了地质界的广泛关注 ,主要是因为它可以溶解矿物 ,形成次生孔隙。有机酸主要由干酪根含氧基团的热催化断落、 烃类与矿物氧化剂之间的氧化还原反应、 原油微生物降解和热化学硫酸盐还原作用转化而来 ,但就其生成时间而言 ,尚未有定论。泌阳凹陷碎屑岩储层在碱性强碱性原始地层水中发现石英溶解型次生孔隙 ,不但丰富了次生孔隙的成因理论 ,而且石英溶解所产生的 Si O2为石英自生加大提供了新的解释。 3、成岩作用的定量模拟实验 通过成岩作用定量模拟 ,可以恢复盆地范围内的成岩史 ,起到“将今论古 ” 的作用。室内实验模拟可以“ 再现 ” 成岩演化中所出现的各种物理、 化学变化 ,不仅对于成岩作用的研究具有较大的理论意义 ,而且对于油气勘探和开发具有重要的现实意义。将热力学模拟计算应用于碎屑岩成岩过程的研究 ,确定成岩过 程中碎屑矿物的稳定性及其相关性 ,是近 30 a以来沉积地球化学的一个重要进展。通过水、 岩反应的热力学计算模拟 ,极大地推动了成岩作用定量化的进程。碎屑岩在成岩过程中各种造岩矿物的溶解特征研究表明 ,铁镁暗色矿物和中 — 基性斜长石在碎屑岩的成岩条件酸性介质中 ,比酸性斜长石和碱性长石更易发生溶解形成次生孔隙 ,为油气的储集和运移提供空间和通道[ 50 ]。近年来的模拟汲取了室内实验模拟和热力学模拟的优点,考虑到温度、压力、流体和时间等因素 ,从盆地或凹陷规模尺度上进行成岩过程综合模拟。通过模拟成岩参数镜质组反射率、古地温、伊 /蒙混层中蒙皂石的含量、 自生石英百分含量和甾烷异构化率在时空上的变化规律 ,进而模拟一个地区的成岩史并预测成岩阶段的展布特征;然后根据成岩作用对生、储、盖层的控制作用以及成岩史与构造发育史的匹配关系,预测有利区带。沉积岩中发育着高度分支和相互连接的孔隙系统 ,成岩作用过程会导致颗粒系统从未固结即高的孔隙度向更加致密的系统演化。 4、成岩作用与沉积 (微)相的紧密结合 成岩作用与沉积 (微 )相具有密切的关系 ,相关的研究成果很多。碎屑岩的碎屑颗粒成分与流体成分主要受沉积 (微 )相的影响与控制 ,因此 ,沉积 (微 )相是影响成岩作用的一个重要因素。庆阳地区长 8储层绿泥石环边相仅在三角洲分流河道和河口坝砂体中分布 ,构成了该区优质储层。吐哈盆地中三叠统辫状河三角洲前缘分流河道和河口坝砂体中陆源杂基含量低、 分选性较好 ,有利于保存原生孔隙 ,同时这些原生孔隙的存在也为后期溶蚀作用提供了通道和空间 ,次生孔隙较发育 ,物性普遍较好;而平原辫状河道、 河道间等砂体的压实强度大 ,溶蚀作用弱 ,储集性差。辽河坳陷西部凹陷南段扇三角洲各沉积微相中 ,河口坝砂体成熟度高 ,且长石和碳酸盐胶结物的含量相对较高 ,有利于溶解物质的迁移 ,因而溶蚀作用和次生孔隙最发育;辫状分流河道和心滩微相以机械压实作用为主;河口坝和沼泽微相以胶结作用为主 ,原因是其砂层薄 ,邻近泥岩区 ,砂岩胶结物中的方解石主要来源于相邻的泥岩。 5、成岩相研究 成岩相反映成岩环境的岩石学特征、 地球化学特征和岩石物理特征的总和。成岩相的研究内容主要是某一时段、 某一区域的地质体内现今成岩相的类型、 孔渗条件和分布特征 ,研究方法和流程通常是以单井成岩相为基础 ,结合地震、