成岩作用阶段

当沉积物被埋藏之后，在有机质、流体、温度和压力等地质因素作用下，复杂而且深奥的成岩作用便开始登场，于是沉积物便由松散状态逐渐演变为沉积岩。研究发现，这个过程虽然复杂但是有序的，可被划分为同生成岩作用（syndiagenesis）、后生成岩作用（anadiagenesis）和表生成岩作用（epidiagenesis）三个演化阶段。

一、同生成岩作用

同生成岩作用是相对快速的浅埋改造作用，它以生物活动（如细菌导致的效应）为特征。可以划分出两个亚阶段：初始亚阶段和早期埋藏亚阶段。

初始亚阶段是指沉积物粒间孔隙溶液中富含氧气的阶段。以常见的潮湿气候带海盆环境为例，当沉积颗粒沉降至沉积表面（一般是未固结的松散沉积物表面）而不再受扰动时，即可认为它已开始进入转变为岩石的过程。在这种情况下，沉积颗粒仍然与海盆底层水相接触，而且可与底层水发生作用，使颗粒发生变化，作用的趋势是使颗粒与底层水在化学上达成平衡。这一作用是在开放系统中进行的，介质一般为酸性和氧化性质。有人认为将此阶段的作用概念用于海洋沉积时，称为海解作用（或海底风化作用），用于大陆淡水环境时，称为陆解作用。

早期埋藏亚阶段出现在氧含量为零的界面以下，以喜氧细菌分解有机质产生二氧化碳，厌氧细菌分解硫酸盐产生方解石和硫化氢，后者导致硫化物沉淀为特征。当沉积颗粒被一层薄的沉积物覆盖而被埋藏以后，颗粒即与底层水隔离，而不再受底层水影响。刚被埋藏的沉积颗粒最初仍与孔隙水和软泥水保持平衡，这是因为孔隙水和软泥水是与颗粒一起沉积的底层水，它仍保持原来底层水性质的缘故。但是随着时间的推移，沉积物中所含的有机质及细菌的作用，使氧逸度（fo2）逐渐减小，同时产生NH3和H2S等，而使介质变为碱性和还原性质，于是先沉积颗粒与孔隙水之间的平衡被破坏了，因而引起本层物质的重新分配组合，一些新生物质出现，另一些物质被溶解，作用的趋势是建立新平衡。随着时间的推移，埋藏深度的增加，这种变化过程一直持续到有机质分解作用和细菌作用趋于终结。由于新生物质和新生矿物的生成与沉淀，上覆沉积物的加厚以及埋藏水的影响，导致了压实作用，松散沉积物的孔隙度逐渐减小，并逐渐被胶结而成为固结的岩石。在这一阶段中，上覆沉积物不厚，温度和压力的影响不大，基本上是与常温常压相近的低温低压条件。作用是在封闭系统中进行的，参加作用的组分限于本层，即在本层内进行物质的重新分配组合。基本上与本层之上或本层之下沉积层的成分无关，即没有或很少有外来物质的加入。该阶段相当于欧洲一些学者所说的早期埋藏或浅埋阶段。

二、后生成岩作用

后生成岩作用是指在时间较长（达亿年）、埋藏较深（深达10km）情况下的改造作用（例如压实作用、有机化合物的成熟化、大多数胶结作用以及硅酸盐矿物的蚀变或新生作用）。即沉积物固结为岩石以后至变质作用以前，在埋藏较深处所发生的变化，相当于欧美一些地质学家所说的埋藏作用或晚期成岩作用。

当沉积物固结为岩石之后，其中所包含的有机质的分解作用和细菌的作用趋于终结，有机质的影响已不成为促使变化的重要因素，即已摆脱了同生成岩作用而进入了后生成岩作用阶段。在此阶段，随着上覆沉积物的不断加厚，已埋藏至这一深度的沉积颗粒要遭受到较大的压力和温度的影响。在此深度下，负Eh和碱性p H环境占优势，但溶液的化学性质变化范围极大；温度和压力的增加是主要的影响因素。

由松散沉积转变成固结岩石以后，构造应力会使其产生裂缝，可导致外来的气相和液相物质的渗入，因而，此时岩石所发生的变化是在较高的温度和压力的影响下以及有外来物质加入的情况下进行的。作用的趋势是在这些新的条件下建立新的平衡。它表现为已固结的岩石中所发生的成分、结构和构造等方面的变化。这个阶段的逐渐发展则演变为变质作用。

三、表生成岩作用

表生成岩作用是指隆起作用导致沉积物／沉积岩进入淡水循环作用影响范围之内而发生的改造作用。或者可以理解为，在地表以下不太深的范围内近常温常压的条件下，在渗透水和浅部地下水的影响下所发生的变化。这种作用常常有两种变化趋势：一个是趋向于破坏；一个是趋向于胶结。表生成岩所代表的是胶结和石化的趋势，如黄土中的钙质姜结核，碳酸盐碎屑海岸的海滩岩，都是表生成岩很好的例子。

当被埋藏在较深处的固结沉积岩上升至地表时，又进入了一个完全不同的新环境。新环境中fo2、fco2以及温度、压力等条件又有很大的不同，加之渗透水和地下水的作用，特别要指出的是在此环境中生物和有机质的作用，因而可能大大改变原来岩石的面貌。此时，一些矿物可被溶蚀，元素被带走，一些新生矿物又可沉淀出来，在局部富集的地方可形成有价值的矿产。例如，在地下水作用下所形成的许多金属（如砂岩型铀矿）和非金属层控矿床都是表生成岩作用的产物。此阶段的改造作用是在开放系统中进行的。

上述的变化过程对于潮湿气候带的海盆比较具有特征性，但在干旱气候带的大陆或盆地，火山作用带以及冰川作用带，其条件、作用的方式、变化的实质以及变化的阶段诸方面均有不同。然而变化的趋势总是贯穿着平衡的建立—破坏—平衡的再建立过程。

四、关于成岩阶段划分的不同方案

对于上述变化的总过程许多学者的认识是一致的，但是对于用来表示变化的各阶段的划分标志和名词术语体系却因研究目标不同有很大的不同。

Dapples（1959）曾研究了砂岩中的成岩作用等级问题，他提出了三个阶段，称之为初始成岩或沉积阶段、中成岩或早期埋藏阶段、晚期埋藏或前变质阶段。

Fairbridge（1967）的研究提出了三个成岩时期，即同生期、后生期和表生成岩期（图4-1）。他认为同生作用的深度为0～100m，相当于浅埋阶段；后生作用的深度为1 000～10 000m，温度100～200℃，相当于深埋阶段。

Choquette和Pray （1970）在研究碳酸盐岩次生孔隙变化时，将成岩过程划分了三个阶段：始成岩阶段、中成岩阶段和晚成岩阶段。

始成岩阶段（eogenetic stage）是指沉积物沉积后，经历浅地表成岩作用环境的影响而后被埋藏，它的上限是沉积物界面，既可以是大陆，也可以是水下；以大气水或海水补给的深度为下限。一般始成岩阶段的沉积物和岩石如礁岩，从矿物学上看，是准稳定或者说是处于稳定化作用过程中。溶解作用、胶结作用以及白云石化作用造成沉积物早期固结并对原生孔隙进行改造。始成岩带上的成岩环境，包括大气渗流、大气潜流、海水潜流环境。始成岩阶段大致相当于早期成岩作用阶段。

中成岩阶段（mesogenetic stage）指地表成岩作用之下，持续的埋藏作用过程，所经历的时间间隔长，孔隙的变化相当缓慢，主要与沉积物或岩石的压实作用、压溶及物质的重新分配、重结晶或交代作用有关。实际上中成岩阶段大致相当于成岩作用及后生作用阶段。

图4-1 展示大陆边缘理想剖面中的三个成岩作用期（据Fairbridge，1967）

晚期成岩阶段（telogenetic stage）是指岩石经中成岩阶段后，通常由于地壳上升造成不整合，使岩石抬升重新返回到地表，在沉积间断的情况下，岩石直接或间接受到大气水的作用。晚期成岩阶段相当于表生成岩作用阶段。

在Choquette和Pray（1970）研究的基础上，Schmidt（1979）根据砂质沉积物的结构特征、有机质热演化程度，按镜质体反射率（Ro）将中成岩阶段划分为未成熟阶段、半成熟阶段、成熟阶段和超成熟阶段。他的分级给出了相应的古温度值，因此更有利于对储层的成岩史和孔隙演化进行研究和评价。

未成熟阶段（immature stage），Ro＜0.2%，原生孔隙主要通过机械作用压实而减少。

次成熟阶段（semimature stage），是指砂岩成岩历史中，原生孔隙减少主要由化学压实及胶结作用所致的阶段。在整个次成熟阶段的晚期，脱碳酸盐作用及有机质的脱羧基作用，可产生次生孔隙，液态烃生成，Ro为0.2%～0.55%。

成熟阶段（mature stage）指砂岩成岩历史中，原生孔隙达到不可压缩的程度，次生孔隙可以存在，液态烃生成，Ro为0.55%～2.5%。成熟期分为A、B两个亚期，成熟期A或早成熟期Ro为0.55%～0.9%，以大量脱碳酸盐作用和有机质脱羧基作用为特征，它是次生孔隙最发育的阶段；成熟期B或晚成熟期，Ro为0.9%～2.5%，它以次生孔隙逐渐破坏（主要通过化学充填）为特征，很少或不产生次生孔隙。

超成熟阶段（supermature stage）指砂岩成岩历史中原生孔隙和次生孔隙均达到不可压缩的程度。Ro＞2.5%，裂缝发育。

为了便于对比，现将不同学者关于成岩阶段的划分列表如下（表4-1）。需要提醒的是，每个研究者应该依据自身的研究目标在已有的划分中选取较为合适的方案。

表4-1 成岩作用阶段的划分与对比

成岩作用程度的一个主要标志是沉积物中含煤物质的炭化程度，而炭化程度（通过测量水分、挥发分、碳和氢的含量或Ro来确定）主要反映温度增加的幅度和持续的时间。不论是煤的成岩作用，还是它与沉积物的其他成岩改造之间的关系，都是复杂的和未知的。Lewis （1984）试图用图4-2概括以埋藏深度为函数的各种重要成岩作用的影响。

2003年，国家石油天然气行业在系统总结国内外成岩作用研究成果基础上，对《碎屑岩成岩阶段划分》标准进行了修订，编号为SY / T5477—2003。在新的行业标准中，将碎屑岩成岩阶段划分为同生成岩阶段、早成岩阶段（A期和B期）、中成岩阶段（A期和B期）、晚成岩阶段和表生成岩阶段。新标准还根据沉积水介质的不同，按照淡水-半咸水水介质、酸性水介质（含煤地层）和碱性水介质（盐湖）对不同阶段成岩特征和划分标志进行了系统总结（图4-3、图4-4和图4-5）。