第九章 沉积后作用及其阶段划分

碎屑沉积物的沉积后作用(广义的碎屑岩成岩作用):指碎屑沉积物沉积后转变为沉积岩直至变质作用以前或因构造运动重新抬升到地表受风化以前所发生的一切作用。其所经历的整个地质时期称为沉积后作用期。这个时期可进一步划分出若干个亚时期或亚阶段。碎屑沉积物(岩)所处的物理化学环境中诸因素:(如温度、压力、细菌、有机质的转化、孔隙水介质的pH值和Eh值、孔隙水的运动等)都将不断地和渐进地发生变化。沉积物为了与环境之间建立起新的平衡,也将不断地改变其本...

第九章 沉积后作用及其阶段划分

• 第一节、概述
  • 1、沉积物的形成阶段：母岩风化产物以及其它来源的物质成分，在搬运和沉积作用之后，就变成了沉积物
  • 2、沉积后作用：泛指沉积物形成之以后，到沉积岩遭受风化作用和变质作用之前这一演化阶段的所有变化或作用。亦称为广义的成岩作用
  • 3、广义的成岩作用包括狭义的成岩作用和后生作用两个阶段，等同于沉积后作用。
  • 4、成岩作用：沉积物转变沉积岩所发生的一系列变化。
  • 5、后生作用：沉积岩形成以后到遭受风化作用或变质作用以前的变化。
• 第二节 有关术语的阐明
  • 1.埋藏成岩作用：碎屑沉积物随埋深增加，主要由于机械压实作用和化学胶结作用，使岩石逐渐变致密、孔隙度减小、物性变差等一系列物理和化学变化直到变质作用
  • 2.沉积后作用：泛指沉积物形成以后到沉积岩遭受风化作用和变质作用以前这一演化阶段的所有变化和作用。
  • 3.同生作用：指沉积物刚刚形成以后而尚与上覆水体相接触时的变化。如‘海解作用’、‘海底风化作用’及‘陆解作用’等。
  • 4. 准同生作用：主要是指潮上带的疏松碳酸钙沉积物被高镁粒间盐水白云化的作用。
  • 5. 成岩作用：指上覆沉积物不断增加使早期沉积物逐渐被掩埋，直至基本上与上覆水体脱离，使沉积物在新的物理化学条件下，产生新的平衡，致使疏松的沉积物固结成岩的全部变化过程
  • 6.后生作用：继成岩作用阶段之后，在沉积岩转变为变质岩之前或遭受风化作用之前所产生的一切作用和变化。
  • 7.表生作用：指沉积物抬升到近地表，在潜水面以下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）的影响下所发生的变化
• 第三节、沉积后作用的影响因素
  • 1. 沉积物脱离沉积环境进入沉积后作用变化阶段，实质上是沉积物在新的条件下，重新建立起新的平衡的过程。
  • 2、影响这一平衡过程的因素主要有： 沉积物的成分、温度、压力、以及层间水溶液的性质（溶度积、自由度、pH值、Eh值、浓度、溶解气体的状况等）
• 第四节沉积后作用主要类型
  • 1.压实作用
    • 1||| 压实作用或物理成岩作用系指沉积物沉积后在其上覆水层或沉积层的重荷下，或在构造作用下，发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用。压实作用在沉积物埋藏的早期阶段表现得比较明显。
    • 2||| 标志: 沉积物内部发生颗粒的滑动、转动、位移、变形、破裂，进而导致颗粒的重新排列和某些结构构造的改变。
    • 3||| 压实作用的结果: 使岩石孔隙度降低，当埋深达3000米时石英砂岩的孔隙度将自40%左右降低至10-30%; 渗透率降低，碎屑颗粒间的接触强度增加，沉积层强度的增加和抗侵蚀能力的增强。 排出的水是孔隙流体的主要来源之一。孔隙流体中的Si4+,K+,Na+, Mg2+,Fe2+,Ca2+等离子,是后期化学成岩作用(胶结作用)的物质基础。
    • 4||| 压实作用的影响因素: (1)原始孔隙度大者易压实，反之亦然。泥质沉积物的原始孔隙度70~90%压实作用明显；砂岩的原始孔隙度45~55%，其压实作用较弱; (2)荷重大、埋藏深度大压实明显。 (3)颗粒的形状、圆度、粗糙度、分选性、杂基含量等对压实作用的效应也有影响。圆度越高，分选性越好，原始沉积物填积越紧密，其压实作用较弱。 (4)早期胶结作用能有效减弱压实效应。排水不暢也可形成欠压实带。压实作用主要发生在胶结作用之前，即同生期与早成岩早期。 (5)颗粒的成分：石英刚性颗粒含量越高，有利于抑制压实作用对孔隙的减小。
  • 2.压溶作用
    • 1||| 沉积物随埋藏深度的增加，当上覆层的应力超过孔隙水所能承受的静水压时，或者受较强的构造应力作用时，颗粒接触处的应力和溶解度增高而导致的晶格变形和溶解作用，成为压溶作用。
    • 2||| 标志：颗粒受压溶处的形态将依次由接触演化到线接触、凹凸接触和缝合接触。
    • 3||| 压溶作用的影响因素: 进一步减小孔隙体积和孔隙度，增加岩石的密度和强度，降低渗透率; 压溶作用为硅质胶结物提供了大量氧化硅，是石英、长石等矿物次生加大生长，并造成颗粒之间相互穿插接触的主要因素。此外，在压溶过程中，随着矿物的溶解，尚有AI3+，Na+，K+，Ca2+等元素进入孔隙水，从而引起岩石中各种物质的重新分配。
  • 3.胶结作用和固结作用
    • 1||| 胶结作用是指从孔隙溶液中沉淀出矿物质（胶结物），将松散的沉积物固结起来的作用。胶结作用是沉积物转变成沉积岩的重要作用，也是使沉积层中孔隙度和渗透率降低的主要原因之一。胶结作用发生在成岩作用的各个时期。
    • 2||| (a）胶结物类型常与砂岩颗粒成分有关，如石英砂岩大部分是氧化硅和碳酸盐胶结，特别是古老的海相石英砂岩多呈氧化硅胶结。 (b）最常见的有二氧化硅、碳酸盐和粘土矿物等，较常见的胶结物有石英、长石、氧化铁、石膏和硬石膏重晶石、磷灰石、萤石、沸石黄铁矿、白铁矿等。其它类型的胶结物也有产出但很少见。
    • 3||| 标志：具有特殊结构和一定数量胶结物的形成是最主要的标志。
    • 4||| 结果：松散沉积物变为固结岩石;碎屑颗粒间孔隙被充填而进一步缩小、渗透率进一步降低;颗粒接触强度和岩石强度增加。
  • 4.重结晶作用和矿物的多形转变作用
    • 1||| 由非晶体变为结晶体、由小晶体重新组合结成大晶体的作用(过程)，重结晶过程是矿物的内能降低变得稳定的过程。 矿物的多形转变是一种较复杂的广义的重结晶作用。在一般情况下，当一种矿物转变为另一种更稳定的矿物相时，只发生晶格和形状及大小的变化
    • 2||| 伊利石：伴随着石英次生加大粘土质杂基重结晶形成净杂基
    • 3||| 毛发状伊利石存在于石英颗粒粒间,胶结石英
    • 4||| 蒙脱石胶结石英：原杂基重结晶成隐晶质的蒙脱石，形成净杂基粘土胶结
    • 5||| 多形转变:早期石膏连晶胶结，后期石膏脱水转化为硬石膏
    • 6||| 重结晶现象和矿物的多形转变主要发生在碎屑岩的胶结物中。 碳酸盐胶结物的重结晶作用，可使砂岩的胶结物形成特征的连晶或嵌晶结构。 矿物的多形转变是一种较复杂的广义的重结晶作用。在一般情况下，当一种矿物转变为另一种更稳定的矿物相时，只发生晶格和形状及大小的变化。如文石®方解石； 蛋白石 ®玉髓 ®石英。
  • 5.交代作用
    • 1||| 交代作用是指一种矿物代替另一种矿物的现象。交代作用可以发生于成岩作用的各个阶段乃至表生期。交代矿物可以交代颗粒的边缘，将颗粒溶蚀成锯齿状或鸡冠状的不规则边缘，也可以完全交代碎屑颗粒，从而成为它的“假象”。后来胶结物还可以交代早成胶结物。交代彻底时，甚至可以使被交代的矿物影迹消失。 交代作用的实质是体系的化学平衡及平衡转移问题。交代作用基本是在固体状态下发生的，有成分的带出与带入，新矿物的形成与旧矿物的消失同时进行。
    • 2||| 交代作用的主要标志： (1) 矿物假象：被交代矿物的原生成分虽已被交代，但其晶体外形得到完好的保存。交代矿物具有被交代矿物的假象。 (2)幻影构造：岩石受到强烈的交代作用，原生颗粒只留下模糊的轮廓称为幻影，如硅化颗粒、强白云化岩石中的生物骨壳等。其内部结构甚至其边缘已消失，但因其内部有包裹体存在，故显示出颗粒幻影。 (3)交叉、切割、边缘蚕食现象：矿物或颗粒被自形晶体或镶嵌结构的晶体切割或溶(侵)蚀。 (4) 残留的矿物包体：外面矿物是交代矿物，被包矿物是被交代矿物。在岩石中发生了多期矿物交代作用时，主要根据矿物间的切割和侵蚀以及包裹现象来判断其生成顺序
    • 3||| 氧化硅与方解石的相互交代作用
      • 两种交代作用发生的时间有早有晚，也可以几乎同时发生。 氧化硅与方解石之间的相互交代作用除与物质本身的性质有关外，主要受体系内的物理、化学条件的制约。其中主要与pH值和温度有关，其次是压力。
    • 4||| 方解石对长石的交代作用
      • 碳酸盐胶结的砂岩中方解石或其他碳酸盐矿物交代钾长石碎屑也是常见的现象，但方解石交代斜长石的现象却很少见到。 方解石常呈不规则的形状交代长石边缘或晶内，亦常见到方解石沿长石解理或双晶方向进行交代，因为这些方向是长石晶体构造上的弱带。
    • 5||| 粘土矿物与长石的交代作用
      • 各种粘土矿物均可交代长石。 (a)钾长石(主要是正长石)高岭石化(称高岭石化)最常见，不仅在成岩过程中发生，部分钾长石颗粒在风化和搬运过程中也可发生水解作用和高岭石化作用。
      • (b)斜长石有可能在埋深不太大、二氧化碳分压较高和pH值较低(约等于5)的酸性环境中被粘土矿物交代，发生绢云母化。当被埋藏到较深处时，可能与来自富含有机质的泥质层产出的酸性孔隙水接触，发生高岭石化。这一反应大约在100℃时进行得最快;一般情况下发生伊利石化。 粘土矿物交代长石一般首先沿解理或边缘进行。
    • 6||| 各种粘土矿物之间的交代作用
      • a. 自然界中的泥岩通常都是多种粘土混合沉积，随着成岩作用的进展，矿物间会出现有规律的变化。研究粘土杂基的成分和结晶度，就能反推成岩过程中岩石所经历的最大埋深和最高温度。
      • b. 随埋深增加，常见的蒙脱石可以转化为伊利石，条件K+/H+>6(近正常海水)，1g[H4Si04] <10^-4的偏碱环境，当温度为100~130℃时，蒙脱石+Al^(3+)+K^+→伊利石+Si(4+)+n H2O3
      • c. 当环境富含Fe^(2+)和Mg^(2+)时，家脱石在将被绿泥石所交代。由蒙脱石向伊利石或绿泥石转变的过程中，还要经历一个中间混合层阶段。多发生在3000m以下
      • d. 高岭石在酸性孔隙水中高岭石是稳定的。但当温度达165~210℃时，环境为偏碱性并富含Mg2+，则转化为绿泥石。在相同条件下，如果孔隙水富含K+，则转化为伊利石。高岭石向绿泥石和伊利石转化一般发生在3500一4000m的深处。
  • 6.溶解作用与次生孔隙
    • 1||| 碎屑岩的组成组分，在一定的成岩环境中都可以不同程度地发生溶解作用。溶解作用的结果形成了砂岩中的次生孔隙。
    • 2||| 孔隙的成因类型
      • 原生孔隙主要是碎屑颗粒的粒间孔隙，也包括层间孔及气孔。次生孔隙是指在沉积岩形成后，因淋滤、溶蚀、交代、溶解及重结晶等作用在岩石中形成的孔隙和缝洞；在成岩作用过程中，经压实、胶结及压溶等作用原生孔隙将逐渐减少。
    • 3||| 溶孔具多样性特征
      • (1)溶蚀较弱时，浊沸石两组节理明显，以节理缝孔隙为主，扫描电镜下浊沸石晶形完整
      • (2)浊沸石溶蚀比较强时，镜下浊沸石的整体形态仍清晰可见，约有20%-60%浊沸石的被溶蚀，溶孔约占总孔隙的40%左右，扫描电镜下见浊沸石边部溶蚀呈残渣
    • 4||| 次生孔隙的类型及识别标志
      • 碎屑岩次生孔隙按成因可分为溶解孔隙、破裂孔隙和收缩孔隙。次生孔隙的微观识别标志有： 胶结物部分溶解；印模；颗粒的不均一排列；特大（超粒）孔隙；漂浮颗粒；伸长状（贴粒）孔隙；颗粒部分溶解； 晶内孔隙； 粒内溶孔；颗粒破裂缝；岩石破裂缝。
    • 5||| 碎屑岩储层的孔隙结构研究
      • 碎屑岩孔隙结构：孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通状况。 研究孔隙喉道主要应用毛管压力曲线和孔隙铸体。
• 第五节、碎屑岩成岩阶段划分及其主要识别标志
  • 一、沉积后作用阶段的划分，到目前为止也还没有一个公认的、统一的划分方案。 1.根据粘土矿物成分来划分 2.根据煤岩学来划分 3.根据地球化学环境来划分 4.根据埋深来划分 5.综合划分方案
  • 二、成岩作用阶段的划分和对比
  • 三、碎屑岩成岩阶段