成岩作用研究进展与发展方向
2009-05-25樊爱萍杨仁超李义军
樊爱萍 杨仁超 李义军
文章编号：1006-6535(2009)02-0001-08
摘要：随着能源勘探开发研究和现代测试技术的不断提高，成岩作用研究取得了重大进展。为了把握成岩作用研究的现状，进而了解其发展趋势，通过对国内外大量有关成岩作用研究成果的调研，从成岩环境、成岩流体、成岩模拟实验、成岩相、成岩作用与沉积相的结合、成岩作用与层序地层学的交叉、成岩作用在层控固体矿床中的应用，以及早期成岩作用等8个方面对成岩作用的研究进展进行了总结，并在此基础上，简要分析了成岩作用研究未来的发展方向。
关键词：成岩作用；成岩环境；成岩相；研究进展；发展方向
中图分类号：TE121.3
文献标识码：A
前 言
“成岩作用”一词早在19世纪中期就被提出来，但在早期并未引起地质学家的重视，直至20世纪七、八十年代，由于能源紧缺，沉积岩储层的成岩作用、孔隙特征和孔隙成因等研究才被列为沉积岩石学、石油地质学和层控矿床学的重要研究内容。由于成岩作用研究在层控矿床学研究中占据不可替代的位置，因此，总结近30 a来成岩作用研究的一些主要进展，展望成岩作用的未来发展方向，具有重要的科学意义。
1 成岩作用的概念及发展史
对于成岩作用的概念，国内外学者有不同的认识[1~5]。国内目前广泛采用郑浚茂等[3]对成岩作用的定义，即沉积物在沉积后到变质作用之前，这一漫长阶段所发生的各种物理、化学作用及生物化学作用，而不是指狭义的、仅指沉积物的石化和固结作用。
20世纪中、后期的成岩作用研究主要集中于次生孔隙成因、自生粘土矿物的重要性及二氧化硅来源等问题，关于次生孔隙成因的研究，对石油地质勘探起到了关键性的作用，由此引发了成岩作用的研究热潮。成岩压实作用、胶结作用都使得原生孔隙大幅度减少[6，7]，直接影响到储层的储集性能，因此，有关成岩作用与储层孔隙特征的研究成果大量出现。加上电子显微镜、X射线衍射、阴极发光、流体包裹体、稳定同位素、镜质体反射率、电子探针等多种分析测试技术的不断提高，极大地促进了成岩作用研究的发展。
2 成岩作用研究主要进展
2.1 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[8]。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[9]。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[10]；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[11]；罗元华等[12]从有限元数学模拟的角度指出水平构造外力作用可使岩石的渗透率发生变化；Escuminac组沉积时为相对平静的海相环境，构造活动微弱，因而在碳酸盐沉积物中保存了良好的孔隙[13]。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[14]。
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TDS(total dissolved solution)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[15]。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[16，17]。
2.2 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[18，19]。
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[20]。加拿大南部Chaswood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[21]；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[22，23]；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[24]。大气水在碳酸盐岩中的作用也是不容忽视的，鄂尔多斯盆地中部气田马5段白云岩δ13C平均为0.194 5×10-3(PDB)，δ18O平均为-8.06×10-3(PDB)，从δ18O值看，与现代海水中的δ18O 相比明显偏负，这是由于白云岩形成时海域水温度高，且形成后埋藏深度大，经历的时间长，又经历了大气水淋滤作用的影响[25]；塔里木盆地和田河气田上奥陶统碳酸盐岩中发育的溶沟、溶缝、溶洞和颗粒铸模孔是大气淡水淋滤的结果[26]；塔河油田碳酸盐岩储层中第一世代栉壳状胶结物是大气淡水作用的结果[27]。
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[17]。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[28~32]。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[17]。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SiO2为石英自生加大提供了新的解释[33]。塔中地区志留系烃类侵位后因淡水注入而使烃类被氧化，所产生的有机酸促进了钾长石等矿物的溶解，导致了次生孔隙的发育[34]。
除有机质转化产生有机酸外，油气的产生对成岩作用有着重要意义。文献[35]、[36]认为油气充注阻止成岩反应的进行，因为成岩反应的进行，要求有化学物质通过孔隙中的水体进行扩散或平流，而油气的充注，使岩石中水体形态变得复杂多样，限制了化学物质通过水体进行扩散，不利于成岩反应的进行[37]。渤海湾盆地埕岛东斜坡地区东三段砂体成藏对应于早成岩B阶段，油气过早进入砂岩体，充填了孔隙，抑制了成岩作用的进行，使原生孔隙得以良好的保存[38]。也有人认为，烃类充注不完全阻止成岩反应的进行，蔡进功等[39]发现东营凹陷储集层含油饱和度较低时会促进伊利石生长，只有在含油程度较高时伊利石生长才受到抑制。对Maestrat盆地中油气充注的详细研究发现，只有第二期自生矿物中发现油气包裹体，且充注发生在构造运动之前，后期遭到构造作用的强烈破坏，解释了该盆地油气含量较少的原因[40]。埋藏成岩过程中，由于有机质的转化，孔隙流体化学性质从碱性—酸性—碱性变化，导致次生孔隙的形成，并可使某些金属的溶解度发生变化，在适当的条件下沉淀、聚集[41~48]。有机质的增加(伴随着水深增加)导致了波罗的海Baltic proper盆地深部大规模的氧气匮乏和大量H2S的存在，盆地沉积样品和层间水中发现高浓度的硫化物降解，使层间水碳酸盐碱度增加，导致富钙碳酸盐和富镁碳酸盐的沉淀[49]。
2.3 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[17]。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]。
第2期樊爱萍等：成岩作用研究进展与发展方向 近年来的模拟汲取了室内实验模拟和热力学模拟的优点[51~53]，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，R. Karmakar等[54]从孔隙系统角度出发，提出了基于渗透率理论的成岩作用几何学模型。J. S. Reed等[55]应用多元探索方法、单因素相关分析法(CA)和去势相关分析法(PCA)，对Appalachian盆地石炭纪砂岩进行了详细研究，由此得出该盆地古气候、沉积和埋藏演化史是控制成岩作用的主要因素，并由此导致成岩演化的差异，进而影响储层性质。
2.4 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[56]。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[44]。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[57]。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[58]。
2.5 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[59]。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、测井等资料，进行剖面展开和平面成图，研究成岩相在纵向和横向上的分布规律及控制因素[60]。利用成岩相类型及分布进行有利储集体、油气勘探的“甜点”，以及成岩圈闭的有效预测，已经成为储层地质学研究的前缘和热点。陈彦华等[59]通过对有效储集空间形成作用定量分布的研究，划分出不同孔渗条件的成岩相，并通过建立成岩相与沉积相、地震相、测井相的相关判别模式，把点上的成岩相的研究扩展到三维空间的定量研究，从而预测有利成岩相区。之后，有关成岩相的研究逐渐成为储层地质学研究的热点[61~65]。虽然不同的学者将不同的地质体划分了多种不同的成岩相，但其基本的分类命名依据基本相同，那就是以控制孔缝演化的主要作用作为划分和命名成岩相的依据，成岩相的命名采用岩性加主要作用(或作用环境)联合命名的原则[59]。邹才能[60]探讨了成岩相的形成机理、划分方案与评价方法及其在油气勘探中的应用和意义；针对碎屑岩、碳酸盐岩和火山岩等不同岩性，提出9类扩容性成岩相和7类致密化成岩相，提出了反映岩性、成岩作用和孔渗性3个层次内容的“孔渗级别+岩石类型+成岩作用类型”的成岩相命名方案。
2.6 成岩作用与层序地层学的交叉
层序地层学是一门相对新兴的地层分支学科，其基本思想是强调地层层序的形成受控于全球海平面升降、构造沉降、气候和沉积物供给等因素[66]。由这几种因素所控制的相对海平面变化，不仅造成层序内部沉积体系域发生有序的变化，而且使其沉积介质或原生孔隙水(主要包括pH值、eH值和含盐度)也产生相应的变化[67]。沉积介质或原生孔隙水的pH、eH值和含盐度对同生期和早期成岩作用具有直接的控制作用，并对深埋藏过程中的中、晚期成岩-孔隙演化具有重要影响[68，69]。陈方鸿等[70]将鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩与层序地层学结合起来进行研究后发现，随着海平面升降的不断进行，沉积体系域相应地从海侵体系域向高水位体系域演变，沉积物由海侵体系域的海底成岩环境进入埋藏成岩环境，高水位体系域的沉积物则由早期的海底潜流环境向晚期的混合水成岩环境演变，最后随着层序界面的形成，沉积物进入大气淡水成岩环境或表生成岩环境。由此可见，沉积体系域垂向上的演化控制了成岩环境的演化。因此，将层序地层学与成岩作用相结合[71，72]，不仅可以弄清沉积体的空间展布形态，还可以了解沉积体的演化，使储层预测更加准确。
2.7 成岩作用与层控固体矿床研究
对于许多固体矿产来说，其含矿建造即为沉积岩，沉积岩的孔隙为其提供有效的容矿空间，因此，成岩作用研究就成为这些层控固体矿床研究的重要内容之一。研究表明，鄂尔多斯盆地东胜地区超大型砂岩型铀矿与成岩作用有密切的关系[73~75]。从早成岩期铀的预富集，至表生成岩期铀的成岩成矿响应，在不同的成岩阶段铀的地球化学活动性表现出不同的特性。杨仁超等[76]则从成岩作用角度出发，对鄂尔多斯盆地镇原地区下白垩统砂岩的岩石学特征、成岩作用演化和铀成矿条件进行了分析研究，并通过铀成矿条件分析，对该区下白垩统铀成矿前景进行了预测。
2.8 早期成岩作用研究进展
沉积物形成以后，从沉积物到沉积岩直至遭受风化或变质前，还要发生一系列变化，受到多种作用的改造，这一系列改造统称为成岩作用[77]。早期成岩作用是指沉积物沉积至浅埋藏过程中，在沉积颗粒、孔隙水及沉积环境水介质之间发生的一系列物理、化学及生物学作用[78]。早期成岩作用作为一个重要的研究领域受到广泛关注。鲜本忠等[79]总结了早期成岩作用的主要特点、地质响应和研究思路，介绍了在元素的迁移转化、硫酸盐还原反应、数学模型及微生物成岩等理论领域和多金属结核及早期成岩成矿、环境沉积学、土壤性质评价与改良等应用领域的主要研究进展。
3 成岩作用研究的发展趋势
成岩作用是极其复杂的物理化学过程，其影响因素的多变和过程的复杂性主要体现在岩石成分的复杂性，流体来源的广泛性，温度、压力等成岩环境条件的多变性等；储层孔隙演化的过程同时受到沉积体系、古气候、盆地沉降与折返等多因素的作用和影响，体现了有机和无机界长时间作用的结果，故重塑一个地区成岩演化的历史是一项十分艰难的工作[17]。从目前发展趋势来看，成岩作用的研究内容已经远远超越了岩石学的范畴[3]，它已发展成为沉积岩石学、石油地质学、矿床学与各种测试技术相互渗透的一门边缘学科。成岩作用与构造、沉积相、层序地层学、成矿(藏)作用等方面的联系也更加密切[80]。新的技术手段将不断涌现，如利用测井解释技术研究成岩作用；传统的成岩作用研究手段，如：薄片鉴定、粘土矿物X衍射、阴极发光、流体包裹体、稳定同位素、镜质体反射率、扫描电镜和电子探针等，仍将发挥重要作用。
3.1 成岩系统研究
把成岩(子)系统的结构功能演化纳入盆地大系统中进行考察[81]，符合“结构”与“功能”等级的辨证统一，可以更全面地揭示成岩作用规律，因此盆地-成岩系统研究仍是成岩作用研究的重要方面；盆地演化过程中流体参与了各种成岩变化，并影响有机质和某些分散元素成矿作用的发生和形成，因此，通过流体活动这一枢纽，在成岩过程中考察成矿作用的发生、发展和形成[82]，将是盆地成岩作用研究的发展趋势。盆地成岩作用系统分析的新观点仍将是未来成岩作用研究中的一个显著特点，即将油气盆地的成岩史与油气的成藏演化史紧密结合起来，使成岩作用研究工作的开展能直接为油气勘探服务[17]。
3.2 早期成岩作用研究的应用
早期成岩作用在环境沉积学及环境监测和治理领域将得到重点发展[79]。沉积物污染已经成为威胁人类可持续发展和生态系统平衡的环境问题，沉积物污染也为环境沉积学和环境保护研究提供了研究对象和空间。污染物在沉积物中的迁移、转化及归宿是沉积物污染化学研究的核心问题，也是早期成岩作用研究的一个重要方面。对于早成岩期有机质降解过程、微生物作用特点、早期成岩作用序列及早期成岩作用数学模型等方面都缺乏深入而系统的研究[79]。另外，对湖泊、河口三角洲地区及土壤的早期成岩研究，将有助于建立各种环境中早期成岩模式，也有助于环境生态评价，有利于指导生态农业、林业、牧业和渔业的健康发展，具有重要的现实意义。
3.3 成岩相研究
成岩相研究将更加精细化、规范化、系统化，与油气地质研究和资源勘探开发关系将更加紧密，成岩相研究成果在指导资源勘探开发方面将发挥更重要的作用。虽然目前关于成岩相的研究和应用探讨较多，但缺乏一套完整的概念体系和理论技术体系，在成岩相的划分和命名上没有规范化的统一认识，多处于定性研究阶段。因此，成岩相研究在上述方面还有很大的发展空间。
3.4 成岩模拟和实验研究
以化学热力学平衡理论为基础的成岩作用热力学模拟仍将在成岩作用的定量研究中发挥重要作用[17]，成岩环境下各种矿物的热力学参数的进一步完善、各种矿物模型更加精确以及地层水测试技术的进一步提高都直接关系到成岩模拟的客观性和准确性。各种成岩作用的模拟实验仍将广泛开展，包括：有机质在地层温、压条件及地层水条件下的裂解机理；岩石骨架矿物及胶结物在地层水条件下的溶解速率、溶解平衡常数的测定；有机酸与无机酸在矿物溶解过程中的具体影响和差异；金属离子在有机酸条件下的络合机理及对成岩作用的影响，以及模拟地层水运动状态及地质结构特点等[17]。
3.5 水岩反应与成岩-成矿响应
地层水作为成岩反应的介质，一直是成岩作用的研究所关注的重要对象，地层水的多种可能来源决定其物理化学特征和水岩反应的复杂性。因此，研究不同成岩环境下各种性质地层水与矿物岩石之间的物质能量交换、矿物稳定条件和变化，以及在此过程中发生的元素赋存状态的改变、有机-无机相互作用、成岩-成矿响应，对于重建某个地区的成岩演化，以及从成岩角度理解成矿(藏)机理都具有十分重要的意义。
3.6 多学科交叉
成岩作用研究与沉积学、层序地层学、地球化学等学科的交叉，产生了一些边缘分支学科，如储层沉积学、成岩层序地层学和储层地球化学等。利用碳、氧、锶等同位素值可分析地层水的来源，还可以判断HCO3-中的碳是有机还是无机来源等；借助成岩作用特征的不同可以识别不整合面等。这些边缘分支学科的理论体系和技术方法研究尚有很大的发展空间，也是未来成岩作用和储层地质学研究的发展趋势。
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编辑 刘兆芝
