沉积成岩作用研究进展及其应用

薛 超，齐桂民，魏安军，胡秀强

(西北大学地质学系，陕西西安 710069)

1 成岩作用的概念及简要概况

虽然“沉积作用”早在19世纪中叶就被Gumbel提出，并用于冰川学、有机地球化学等学科中，而且被广泛的地质学家们所接受，但不同的学者对此有着不同的认识，目前最为普遍的理解为: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。

其研究的方向也由20世纪中后期的孔隙成因、粘土矿物及二氧化硅来源问题，转向了次生孔隙对油气勘探，储层物性等研究，更是随着流体包裹体、镜质体反射率及电子探针等新分析测试技术的引进，研究越来越广泛。

刚刚沉积堆积的沉积物并不一定完全平衡，这种混合物，在物理化学条件下不断的进行调整，且随着温度、压力及离子浓度等热力学条件的变化而变化，且这种变化受控于成岩演化的调整作用，反应在岩石的组构和矿物学特征上，这种序列称为成岩作用等级。其情况类似于变质相。Dapples(1959)曾研究了砂岩中的成岩等级，他认为分三个阶段，初始成岩或成岩阶段、中成岩或早期埋藏阶段以及晚期埋藏或变质浅阶段;他在1962年又提出了砂岩成岩变化的地球化学阶段(即氧化还原阶段、交代阶段和层状硅酸盐阶段)。Fairbridge(1967)［2］在深入研究成岩作用之后提出了划分三个成岩时期，即同生期、后生期和表生成岩期。(见图 1)。其小于100m埋深的同生及成岩阶段，相当于浅埋阶段;1 000～10 000m后生作用，温度在100℃ ～200℃，相当于深埋阶段。Choquette等(1970)在讨论碳酸盐岩孔隙时，提出了始成岩阶段、中成岩阶段和晚成岩阶段的划分，也得到不少人的赞同。部分人还将其引用到砂质沉积物的研究中。Choquette等的始成岩阶段的变化是氧化还原反应;前期的中成岩阶段变化主要是机械的压实、压溶、自生矿物析出和交代，是沉积物固结成岩石，原生粒间孔大量消耗(偶尔会产生次生孔隙)，后期的中成岩阶段变化反应在粘土矿物向伊利石转变;晚成岩阶段代表沉积有效埋藏以后，重新抬升至地表附近，在地表水作用下所发生的作用，相当于表生成岩作用。Schmidt(1979)为了研究砂体孔隙演化和次生孔隙的形成，将Choquette的划分方案进行延伸，参考砂质沉积物的结构特征并结合沉积物中有机质的热演化程度，划分了:未成熟期、次成熟期、成熟期和超成熟期。同时各个学者有着形异而神同的划分意见，见图表1。研究对象的差异，解决问题的目的不同，所以对于成岩阶段的划分是不一致的，划分所依据的标志也不相同［1－4］。

图1 以大陆边缘剖面为例，说明海洋沉积作用的三个成岩作用期(据Fairbridge，1967年改)。

2 成岩作用的进展及应用

2.1 成岩环境

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。

例如罗静兰等对鄂尔多斯盆地延长组砂岩储层物性研究，强烈的压实作用造成了延长组砂岩孔隙的大量丧失，晚成岩期的有机酸、大气降水一定程度的改善了储层的物性［5］。除此，成岩裂缝环境［6］、地幔热流体等也对成岩起着举足轻重的作用，压力场的影响也是不容小觑，同样也会是研究的重要进展，压力系统的差别也会导致不同的结果，松辽盆地欠压实和正常压力系统，形成氯化钙、碳酸氢钠等层间水［7］。

表1 成岩作用阶段的划分和对比

2.2 成岩流体方面

成岩作用和古流体演化过程有着密切的关系，全面深入的分析其渐变过程对研究成岩过程的多面性和复杂性非常重要。

在科技全球化的大背景下，美国政府通过出台相关政策来鼓励全民创新，大力引进和培养创新人才。同时，美国政府对创新成果的归属问题给予高度重视。具体来讲，在法律方面，美国制定众多促进技术创新的法律法规，其中包括早期的《1996年美国联邦技术转让法》《小企业创新发展法》以及不断完善的《美国专利法》等[15]。此外，在支持中小企业创新方面，美国采用政府牵头，多方共同协作研究的模式，协助解决中小企业资金和技术问题。与美国相比，我国现阶段缺乏体系性创新法律制度，对创新型企业的支持和保障制度较少。此外，我国缺少创新教育制度保障，这些创新制度的缺失将会严重阻碍我国科技创新活动的实施和推进。

盆地的流体简单讲包括了大气降水、沉积物压实脱水、相变释放的流体、有机物质转变释放的有机流体以及深部热液流体等。其流动的基本机制为重力驱动及压实或热驱动。地质学中引入流体概念可追溯到100 a前。虽然上世纪50年代以来人们通过对流体包裹体和水)岩反应的研究已意识到流体是地壳内部一种活跃的营力。但是由于传统理论和技术条件上的影响和限制，人们仍然把固体岩石作为研究中心，忽略地壳流体的作用。直到近10 a来，由于深部流体活动现象的不断揭示，人们才逐渐认识到地壳中物质和能量在很大程度上是通过流体进行搬运和传输的，地壳流体直接影响和控制着地壳内部的构造、成岩、变质、成矿等重大地质作用。用流体作用的观点不仅可以检验、修正和完善地质科学，而且还可能建立全新的地质理论。因此，当前世界各国都把地壳流体作用列为发展地质科学的重大基础理论研究课题之一。

孔隙流体对砂岩储层成岩作用和成岩演化的影响主要涉及砂岩成岩过程中的地球化学变化，如成岩矿物变化与水岩反应关系;成岩反应中储层渗透率和孔隙度变化;烃类充注对成岩作用的影响等。

碎屑岩成岩作用主要包括压实作用、自生矿物的形成作用、重结晶作用、胶结作用和溶解作用等，在成岩过程中，矿物相的转化经常发生，如碎屑长石可以被钠长石、方解石或其它的矿物相交代;风化作用过程中所形成的粘土矿物及残余的层状硅酸盐在成岩作用过程中会转变为自生富伊利石的伊/蒙混层和绿泥石［8］。成岩作用强度受埋藏深度、古地温场、埋藏时间三个因素的控制，它直接决定了水岩反应的强度，从而导致在不同成岩阶段成岩矿物组合的巨大差异。同时，沉积盆地成岩过程的流体活动也影响到体系内砂岩孔隙的特性，流动引起的化学成岩作用会导致新生矿物沉淀和次生孔隙形成，如楼章华［9］等指出不同孔隙水成因的局部水动力单元是决定松辽盆地扶扬油层砂岩成岩相类型的重要因素之一，而且各种成岩相特征、自生矿物组合、孔隙成因与孔隙组合都有明显的差别。因此，反过来利用成岩矿物的变化可以较好地指示盆地内流体活动特征。

碳酸盐岩是一种溶解性很强的可溶性岩石，自其沉积作用结束就开始沉积成岩、溶蚀破坏、溶蚀充填、溶蚀改造等漫长的多期溶解与沉淀成岩作用。碳酸盐岩岩溶储层的发育及空间展布特征受着多种因素的制约，不同因素对岩溶储层形成和发育的影响不同。影响碳酸盐岩岩溶发育的因素有很多，如古气候、海平面的升降以及构造活动等。其中，构造不整合面决定古地下水流平衡面、地下水的深度及活动范围，其中水动力场对碳酸盐岩岩溶发育起到了极其重要的作用，尤其是风化壳岩溶。不整合面对岩溶发育的控制主要体现在两个方面，一是古构造所形成的不整合面形态;二是古构造形成不整合面的强度。断裂带流体活动十分发育，一方面断裂带可能有多种流体来源，除了大气降水之外，岩石成岩、变质及剪切加热造成的矿物脱水也可能是浅层活动断裂带流体的一个来源，深源岩浆排出的流体或幔源流体也是断裂带流体可能的来源，另一方面深大断层经常是流体运移的通道和储集场所。深大断裂带是地壳流体释放的主要部位之一，特别是在构造活动强烈期及地震活动时期。因此，与碎屑岩相比，断裂带附近碳酸盐岩受流体活动及其影响更为明显，其突出进展体现在构造热液白云岩化［10－11］。

2.3 成岩作用模拟实验

实验的模拟实际上是一种“将今论古”的一种反推法，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。R.Karmakar等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［12－13］。

袁波等［14］以准噶尔盆地中央1区块侏罗系三工河组为例，改进成岩效应模拟研究方法，选取单井成岩指标镜质体反射率、甾烷异构化指数、粘土矿物伊/蒙混层中蒙皂石含量、古地温和石英加大体积含量来模拟侏罗系储层的成岩演化过程，建立单井纵向成岩演化序列。在此基础上模拟侏罗系三工河组的成岩史，得到平面上成岩演化阶段的空间展布特征和趋势，并对三工河组储层进行成岩相评价。得到的改进后的方法能够预测不同地史时期的成岩阶段和生、储、盖层的发育，并指出在研究区东北侧的成岩阶段为晚成岩A1期，西北侧和南侧为晚成岩A2期。

2.4 成岩作用与沉积相的联系

沉积相同样与成岩作用有着密切的关系，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。

2.5 成岩相研究

成岩环境的岩石学特征、地球化学特征和岩石物理特征等的总和反映成岩相。它研究的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。并利用成岩相类型及分布进行“甜点”预测，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［15］。

例如利用成岩相、沉积相、地震相、沉积相等判别模式，把点上的成岩相研究扩展到三维中定量分析，进而预测有利区。郑荣才、耿威等［16］对鄂尔多斯盆地白豹地区长六油层组砂岩进行研究，通过各种分析化验及测试，分析出不同的成岩作用，及组合类型、演化序列等，得到压实－胶结成岩相、压实成岩相和胶结－溶蚀成岩相。这与邹才能的成岩相命名不同，不是十分明朗，所以笔者还是认为三层命名的方案好些。

2.6 成岩作用与层序地层的关系

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控制的层序地层，逐渐演化为一门学科，及层序地层序，它是一门相对新兴和有前景的地层分支学科，海平面的相对变化，总的来讲，是一种可容空间的大小变化，造成了沉积体系域的有序变化，进而沉积介质、原声孔隙水、盐度、pH值、Eh值等都受到影响，对沉积物的埋藏、成岩及后期沉积演化有着重要影响。

例如林小兵、田春景等［17］对轮南古隆起下的中奥陶统碳酸盐进行层序地层划分，并分析了成岩作用，得到海侵体系域主要发育方解石胶结作用和微弱的白云石化作用，而其下伏早期层序沉积则可在海侵期广泛发育大气淡水溶蚀作用和混合水白云石化作用;高位体系域主要发育有大气淡水胶结、溶蚀和白云石化作用等。在层序地层格架下对轮南中下奥陶统碳酸盐岩进行成岩作用区域对比的结果表明，高位期以及海侵期下伏的前期高位期沉积，为有利的成岩作用改造层位，并在物性统计数据中得到了证明，因此，可以作为该地区有利储集体评价和预测的一种新的理论支持。

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［18－19］。

例如，在以碳酸盐为主岩的金属矿床中，以白云岩为主岩的密西西比河谷型铅锌矿床和以石灰岩或白云岩作为主岩的天青石矿床的形成机制都强烈的与成岩作用有关，黄思静［20］等对四川盆地东北部三叠系飞仙关组碳酸盐进行研究，认为白云岩的白云石化过程实在埋藏成岩过程的封闭系统中发生的，它具高锶低锰的特点，成岩体系中高锶流体与同期大型－超大型天青石矿床可能具有同源特征，低锰特征说明其海相影响小，那么晚成岩埋藏阶段才发生了白云石化作用，它与天青石矿床具有密切关系。除此以外大量研究还说明了，鄂尔多斯盆地东胜地区存在超大型砂岩型铀矿这与成岩作用也有密切的关系。

2.8 成岩作用存在的若干问题

先前的沉积岩石学侧重于描述，对岩石的分类也主要是依据表面的特征和其组构还有成分差异，进行划分，对其成因意义不曾研究。随着不断的进步，沉积学家注重了水－沉积物界面，由于其经历时间短暂，沉积物被埋藏以后要经历很长的地质历史，发生复杂的变化，即所谓的成岩－后生变化，所以这一阶段的研究更具理论和实际意义。

早期的成岩作用也主要是压实和胶结两方面，运用的传统的矿物学方法。到1960年前后，Pockham和Crook提出以片沸石和浊沸石的出现划分变质岩与沉积岩的界限，获得众人的支持。之后对于重力流的研究，也有一定进展，利用“震积岩”判断其成因、成岩。

成岩阶段的划分，物化的变化等都非常重要，我们看到的自生矿物形成、溶蚀、变化等都涉及化学作用。其影响的因素无外乎包括温度、压力、成分、浓度、Eh、pH等。但其动态平衡问题，时间在其中的作用历程，也都未得到具体的解释，在矿床方面的“岩相控矿”理论规律也是值得研究的［20－21］。

资源量的逐年需要，矿床学家的重视点多存在与地质构造和物源，缺少了对沉积成岩和后生的地球化学和有机地球化学研究。甚至是古生物、各种生物菌对成岩的研究也是非常重要的。成岩的转变是沉积物转变为岩石的重要阶段，过程经历复杂，研究的尺度要不断调整。

3 成岩作用的发展趋势

由于其复杂的物理化学过程，其影响的多因素和复杂的过程，多种技术手段的并用与结合，是必不可少的。包括:基础的薄片、扫描电镜、阴极发光、粘土矿物的X衍射、流体包裹体、同位素、镜质体反射、电子探针等。岩石成分的多源性，流体来源的广泛性，温度、压力的多变性等对成岩影响巨大。储层孔隙演化的过程同时受到沉积体系、古气候、盆地沉降与地层折返等多因素的作用和影响，它是有机和无机界长时间作用的结果。

成岩作用已经上升为成岩系统，有学者认为其“结构”与“功能”等级的辨证统一，可以从盆地大系统研究中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，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。

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。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，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。

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。精细、规范化的成岩相研究，对指导资源勘探开发方面将发挥重要作用。

热力学模拟将在成岩作用定量研究中发挥重要作用，其各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。

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，对理解成矿(藏)机理都具有十分重要的意义，同时也可重建某个地区的成岩演化史。

各种测试技术的不断发展，引导着成岩作用的不断定量化，无论是与盆地系统结合还是与山体隆升相符，成岩作用的演化都具有其独树一帜的研究特点，它与沉积学、地层学、地球化学等多基础学科交叉，又有其特征，对于交叉的边缘学科研究意义重大。由于生产的和技术的配比大，它在理论应用方面和定量研究方面具有良好的发展前景。

4 结语

在新技术和新思路的促进下，成岩作用的研究内容已经远远超越了岩石学的范畴，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，并且已被列为沉积学、石油地质学及层控矿床学等方面的重要研究内容。

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