沉积岩的形成演化

沉积岩的形成演化第1页，共62页，2023年，2月20日，星期一

牛顿内摩擦定律：当液体内部的液层之间存在相对运动时，相邻液层间单位面积内摩擦力τ的大小与流速梯度成线性关系。

凡服牛顿内摩擦定律流体称牛顿流体，如：水、空气、乙醇等。否则为非牛顿流体，如泥浆、沉积物重力流等。第2页，共62页，2023年，2月20日，星期一层流与紊流的判别依据是雷诺数：临界雷诺数：液流型态开始转变时的雷诺数。对圆管：对明渠及天然河道Re≈1层流Re>40现卡门涡街、紊流第3页，共62页，2023年，2月20日，星期一在水力学中用佛劳德数来衡量：第4页，共62页，2023年，2月20日，星期一

碎屑颗粒的沉速主要与颗粒的粒度、比重、形状和水介质的性质。斯托克(G.G.Stokes,1850)公式表示：式中：V—颗粒的沉降速度(毫米/秒)，d1—颗粒的比重d2—介质的比重，g—重力加速度(毫米/秒2)r—球体(球状颗粒)的半径(毫米)μ—介质的粘度(克/毫米·秒或泊)

第5页，共62页，2023年，2月20日，星期一尤尔斯特隆图解：由图可以看出：①

始动流速比继续搬运流速大。②

0.05～2毫米颗粒：易搬运、易沉积，常呈跳跃式前进。③＞2毫米的颗粒：不易搬运、易沉积，多呈滚动式搬运。④＜0.05毫米颗粒：不易搬运、不易沉积，呈悬浮式搬运。

第6页，共62页，2023年，2月20日，星期一第7页，共62页，2023年，2月20日，星期一母岩风化产物以及其它来源的物质，在搬运沉积过程中因其物理性质和化学成分的差异在不同的地段分别沉积下来，这种现象称作沉积分异作用。机械/化学沉积分异第8页，共62页，2023年，2月20日，星期一第4节沉积后作用及其阶段的划分一、基本概念及划分依据*二、(概念)沉积后作用阶段的划分同生作用、成岩作用、后生作用、表生作用*三、(概念)主要成岩作用及其作用特点压实作用、压溶作用、胶结作用 交代作用、重结晶作用、溶解作用与次生空隙四、成岩阶段划分及标志第9页，共62页，2023年，2月20日，星期一成岩作用沉积物的沉积期后变化——即从沉积物沉积之后到沉积岩发生风化作用和变质作用之前发生的所有变化和作用，又称沉积物的成岩作用（广义）。第10页，共62页，2023年，2月20日，星期一成岩作用相关基本概念狭义:

沉积物沉积后到固结或石化

Walther（1894）：指沉积物固结后到变质前的变化（到一定埋藏深度才固结）。（我国普遍采用）。成岩作用是什么？广义:VonGuembel(1868)：指沉积物沉积后所发生的各种变化，包括了变质作用，曾被用于不同学科中。Fairbridge（1983）：指沉积物沉积后到变质前所发生的所有变化，包括同生、成岩及后生作用（我国未普遍采用）。第11页，共62页，2023年，2月20日，星期一第12页，共62页，2023年，2月20日，星期一沉积物成岩作用阶段划分为同生作用、成岩作用（狭义）、后生作用和表生作用四个阶段。1、同生作用阶段

指沉积物刚刚沉积、还暴露在沉积环境底层水中、在沉积物—水界面及其以下的—薄层内所发生的一切物理、化学或生物作用。（1）成岩作用阶段的划分第13页，共62页，2023年，2月20日，星期一

环境特征：当质点A处于波基面之下，并固定于沉积物表面时，即为同生作用阶段的开始。此时沉积物处在开放的系统中，介质条件一般为弱酸性、氧化性质，物质（如质点A）与底层水发生作用。第14页，共62页，2023年，2月20日，星期一

产物：

同生作用阶段生成的矿物叫同生矿物，如海绿石、沸石及铁锰结核等。它们多沿层理面分布。同生作用阶段由于沉积物的滑动～滑塌作用产生一系列同生变形构造。底栖生物钻孔、生物扰动构造等也在这个阶段形成。第15页，共62页，2023年，2月20日，星期一松散的沉积物转变成固结岩石的作用，称为沉积物的成岩作用，或简称成岩作用。第16页，共62页，2023年，2月20日，星期一2、成岩作用（Diagenesis）

指同生作用之后一直到沉积物固结为止发生在沉积物内部的一切物理、化学和生物作用。成岩作用条件的总体变化趋势是温压升高、Eh值降低，而pH值则受沉积物成分和孔隙水之间化学作用的控制。在整个作用过程中，沉积物体积逐渐减小。第17页，共62页，2023年，2月20日，星期一产物：

由于厌氧细菌的作用，SO42-和有机质分解，释放出H2S,形成还原环境，出现低价铁锰的硫化物，如球状黄铁矿，并形成菱铁矿、方解石、绿泥石等。这些矿物颗粒不大，其分布常受层理控制。在成岩作用阶段生成的矿物叫成岩矿物。由于成岩矿物的沉淀，及沉积物受压缩、孔隙度减小，并被胶结成为固结的岩石。

第18页，共62页，2023年，2月20日，星期一3.后生作用指已固结的沉积岩在上覆沉积岩（物）厚度进一步加大，温压进一步升高直到变质作用之前的所有作用。后生作用是在开放系统中进行的。由于温压高，作用时间长，故形成的后生矿物晶体粗大，晶形完好；由于有外来物质加入，故新生的矿物成分可与本层物质无关，其分布不受层理的控制，可切穿层理。最常见的现象是交代、重结晶、次生加大等。第19页，共62页，2023年，2月20日，星期一4、表生成岩作用较深埋藏的岩石，被抬升到地表潜水面以下，在常温常压的条件下，在渗滤水和浅部地下水的影响下所发生的变化，称为表生成岩作用（属于后生作用）。表生成岩作用风化作用是不相同的---风化作用？---表生成岩作用表现为次生胶结、交代、某些物质的富集以及成矿作用。第20页，共62页，2023年，2月20日，星期一沉积作用同生作用（syngenesis）成岩作用（diagenisis）后生作用（catagenesis）表生作用（epigenesis）第21页，共62页，2023年，2月20日，星期一三、主要成岩作用及其作用特点1.压实作用：压实作用系指沉积物沉积后在其上覆水层或沉积层的重荷下，或在构造形变应力的作用下，发生水分排出、孔隙度降低、密度加大、体积缩小的作用。第22页，共62页，2023年，2月20日，星期一①颗粒间接触由点线，随深度加大而变紧密。

②塑性变形。火山岩屑、泥质岩屑、云母等柔性组分

变形呈假杂基挤入颗粒空间。

③破裂。刚性颗粒发生破裂，出现小裂缝。

④颗粒定向排列，石英拉长具优选方位。机械压实的表现形式点状接触线状接触机械压实刚性颗粒破裂第23页，共62页，2023年，2月20日，星期一

压溶是指在压应力作用下，由骨架颗粒在接触点的溶解所引起的岩石总体积的减小过程。化学压实作用（压溶作用）定义压溶的表现形式①石英自生加大②颗粒呈凹凸、缝合线接触石英自生加大颗粒凹凸状接触第24页，共62页，2023年，2月20日，星期一

缝合线第25页，共62页，2023年，2月20日，星期一胶结作用

胶结作用是指松散的沉积颗粒，被化学沉淀物质或其他物质充填连接的作用，其结果使沉积物变为坚固的岩石。胶结物多种多样，有碳酸盐矿物、硅质矿物、铁质矿物还有一些粘土矿物第26页，共62页，2023年，2月20日，星期一胶结物的种类：最常见的是二氧化硅和碳酸盐。其它较常见的有：氧化铁、石膏、硬石膏、重晶石、磷灰石、萤石、沸石、黄铁矿、自生粘土矿物等。机理：孔隙流体系统是不封闭的，有饱和流体不断补给，所以，孔隙中可沉淀大量胶结物。第27页，共62页，2023年，2月20日，星期一1.粘土矿物胶结物：

常见的自生粘土矿物胶结物有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石。①高岭石：多呈假六边形晶片，集合体呈书页状或蠕虫状，以孔隙充填或交代其它矿物，或以坍塌矿物的包体产出。②伊利石：常呈不规则的细小晶片产出，其集合体通常呈颗粒包膜或孔隙衬边形式出现，有时呈网状分布于孔隙中。第28页，共62页，2023年，2月20日，星期一

③绿泥石：多呈颗粒包膜或孔隙衬边形式产出。④蒙脱石：自生蒙脱石主要见于一些含火山物质较丰富的砂岩中。⑤混层粘土矿物。

2.氧化硅胶结作用

氧化硅胶结物以非晶质和晶质两种矿物形态出现于碎屑岩中，非晶质氧化硅胶结物为蛋白石，晶质氧化硅有方英石，玉髓和石英。

SiO2胶结物的来源主要有以下几类：

i.来源于地表水和地下水第29页，共62页，2023年，2月20日，星期一3.

碳酸盐胶结作用

碳酸盐是最常见的胶结物包括方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱镁矿等，其中分布最广和最常见的是方解石，其次为白云石。

ii.来源于硅质生物骨骼的溶解

iii.来自于碎屑石英的压溶作用

iv.来源于粘土矿物的成岩转化作用

v.来源于火山玻璃去玻化和蚀变成粘土矿物或沸石类矿物过程中析出的SiO2。

vi.来源于海底火山喷发。第30页，共62页，2023年，2月20日，星期一

4、长石胶结物：自生长石是碎屑岩中一种常见的自生矿物，主要为钾长石和钠长石，呈次生加大或或小的自形晶体。

5、沸石胶结物：碎屑岩常见的沸石类胶结物有方沸石、片沸石、浊沸石及斜沸石等。常见于富含火山碎屑和长石的砂岩中，常是火山碎屑和长石与地下水相互作用的产物。反应式为：

CaAl2Si2O8（钙长石）+2SiO2→CaAl2Si4O12.4H2O（浊沸石）

6、硫酸盐胶结物：主要为石膏和硬石膏，其次为天青石和重晶石。

7、赤铁矿胶结物

8、黄铁矿胶结物

9、海绿石第31页，共62页，2023年，2月20日，星期一4.溶蚀作用沉积物、胶结物或者任何已经存在的矿物被水局部溶解称为溶蚀，剩下来的部分就具有溶蚀结构。当共存的矿物成分不相同时．溶蚀常有比较严格的选择性，即只有其中一种矿物受溶蚀而其他矿物不受影响。第32页，共62页，2023年，2月20日，星期一斜长石溶解产生溶蚀粒内孔第33页，共62页，2023年，2月20日，星期一

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及至表生期。交代作用的实质是化学平衡及平衡转移问题，当体系内的物理、化学条件（温度、压力、pH值、Eh值、浓度、流体成分）发生变化时，原来稳定的矿物、矿物组合将便得不稳定，发生溶解、迁移或原地转化，形成在新的物理、化学条件下稳定存在的新矿物或矿物组合。

（一）、碎屑岩中常见的交代作用

(1)、氧化硅与方解石的相互交代作用当pH值在9以下，氧化硅的溶解度保持不变，但方解石在pH＞8的溶液中是非常易溶的，这时碎屑岩中的方解石将被溶解，孔隙溶液中的氧化硅将沉淀，即发生硅化作用，出现石英交代方解石的现象。当pH＞9.8时，发生氧化硅的溶解和方解石的沉淀，出现方解石交代石英和石英颗粒被溶蚀的现象。

5.交代作用第34页，共62页，2023年，2月20日，星期一pH值与方解石、非晶质SiO2和石英的溶解度关系图方解石交代石英的化学过程第35页，共62页，2023年，2月20日，星期一（2）、方解石对长石的交代作用主要是方解石或其它碳酸盐矿物交代钾长石，交代斜长石的现象较少见到。

（3）、方解石交代粘土矿物在含粘土杂基的砂岩中，粘土矿物常被碳酸盐矿物交代。有利于方解石交代粘土矿物的pH值接近或大于8。

（4）、粘土矿物与长石的交代作用

在CO2分压较高和pH值较低（约等于5）的酸性环境中斜长石被粘土矿物交代，即发生高岭石化。

（5）、各种粘土矿物之间的交代作用

在不同pH值情况下，粘土矿物之间可以发生相互交代。

（6）、方解石、白云石和菱铁矿的相互交代作用

（7）、粘土矿物对石英的交代作用

在杂砂岩中常见粘土矿物，尤其是伊利石溶解，交代石英和长石的现象。第36页，共62页，2023年，2月20日，星期一碳酸盐交代石英铁方解石交代绿泥石常见的交代现象第37页，共62页，2023年，2月20日，星期一褐铁矿网状结构黄铁矿骸晶结构第38页，共62页，2023年，2月20日，星期一交代作用的标志（1）、矿物假象：交代矿物具有被交代矿物的假象；

（2）、幻影构造：矿物发生交代后，原生颗粒只留下模糊的轮廓称为幻影，其内部结构甚至边缘已消失，但含有被交代矿物的包体；

（3）、残留的矿物包体：外面的矿物是交代矿物，里面的矿物是被交代的矿物；

（4）、交叉切割现象：矿物或颗粒被自形晶体或镶嵌结构的晶体切割或溶蚀。第39页，共62页，2023年，2月20日，星期一5）砂岩中可见石英次生加大，加大边窄或有自形晶面，扫描电子显微镜下可见石英小雏晶，呈零星或相连成不完整晶面，书页状自生高岭石较普遍，有的砂岩受火山碎屑颗粒的影响，仍可见蒙皂石。

6）在有的砂岩基质中有云雾状燧石。

7）可见一些矿物交代和转化现象第40页，共62页，2023年，2月20日，星期一交代作用是一种矿物被化学成分不同的另一种矿物置换替代的作用。交代一般首先沿矿物或颗粒的边缘、裂隙和解理进行，可以部分置换原有矿物或颗粒，也可全部条带原有矿物或颗粒。溶蚀和交代都是化学过程，影响作用的因素复杂，既有被作用的矿物成分和结构状态，又有孔隙水的成分、pH值、Eh值，还有温度压力和作用时间长短的影响等等。第41页，共62页，2023年，2月20日，星期一6.重结晶作用一般重结晶作用指矿物在不改变基本成分的同时为减小表面能而自然增大粒度的作用。但是，在沉积学中广义重结晶还包括玻璃质或非晶质向晶质的转化、晶格的调整等作用。第42页，共62页，2023年，2月20日，星期一7.溶解作用与次生孔隙

(1)、溶解作用的机理与现象

砂岩中任何碎屑颗粒、杂基、胶结物和交代矿物,包括最稳定的石英和硅质胶结物，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)、孔隙的类型

碎屑岩的孔隙按成因分为原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙主要为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。第43页，共62页，2023年，2月20日，星期一

（3）、次生孔隙的类型及识别标志溶解孔隙、破裂孔隙和收缩孔隙。溶解对象可分别为碎屑颗粒、杂基、自生胶结物或自生交代矿物。次生孔隙的微观识别标志有：①胶结物部分溶解；②印模；③颗粒的不均一排列；④特大（超粒）孔隙；⑤漂浮颗粒；⑥伸长状（贴粒）孔隙；⑦颗粒部分溶解；⑧晶内孔隙；⑩粒内溶孔以及颗粒及岩石中的破裂缝。第44页，共62页，2023年，2月20日，星期一沉积后作用阶段划分依据*粘土矿物（早成岩、中成岩、晚成岩、近变质）。*煤岩学:成岩(泥炭)作用、后生（早、中、晚）作用、近变质。*有机质热成熟度（镜质体反射率、孢粉颜色等）*地球化学环境（同生、深埋、表生）*埋深（浅成岩带、中成岩带、深成岩带、超深成岩带）第45页，共62页，2023年，2月20日，星期一阶段划分方案沿革

★鲁欣(1953)分为同生、成岩和后生(退后生、进后生)等三个阶段★叶连俊(1973)根据地球化学、地球物理环境分为海解(陆解)、早期成岩、晚期成岩和表生成岩(表生改造)等四个阶段。★施密特和麦克唐纳(V.SchmidtandD.A.Mcdonald，1979)分为早期成岩、中期成岩和晚期成岩三个阶段；其中中期成岩作用根据有机质变化程度分为未成熟、半成熟、成熟A、成熟B等四个阶段。这一分类在油气储集层评价中应用较广泛。★中国石油天然气总公司科技发展部把成岩作用划分为同生期、早成岩期(A和B两个亚期)、晚成岩期(A、B、C三个亚期)。第46页，共62页，2023年，2月20日，星期一四、成岩阶段划分及标志

成岩阶段的分析有助于了解岩石的形成和演化历史，以及形成时的地球化学环境，对于油气的生成和运移的研究也有很大帮助，对于确定一个地区的勘探目的层有着重要意义。对成岩阶段的划分及所使用的术语，目前还比较混乱，下面介绍石油行业“碎屑岩成岩阶段划分及标志”（SY/T5477－2003）的一些内容。（一）、成岩阶段的划分和命名

1.同生阶段

2.早成岩阶段：A亚期B亚期

3.中成岩阶段：A亚期B亚期

4.晚成岩阶段：

5.表生阶段第47页，共62页，2023年，2月20日，星期一

（二）、各成岩阶段的主要标志*（1）同生成岩阶段的主要标志同生成岩阶段的主要标志有：1）岩石（沉积物）疏松，原生孔隙发育；2）海绿石主要形成于本阶段；3）鲕绿泥石的形成；4）同生结核的形成；

第48页，共62页，2023年，2月20日，星期一

5）沿层理分布的微晶及斑块状泥晶菱铁矿；6）分布于粒间及粒表的泥晶碳酸盐，有时呈纤维状及微粒状方解石；7）有时有新月形及重力胶结；

8）在碱性水介质（盐湖盆地）中析出的自生矿物有粉末状和草莓状黄铁矿、他形粒状方沸石、基底式胶结或斑块状胶结的石膏、钙芒硝，可见石英等硅酸盐矿物的溶蚀现象等。第49页，共62页，2023年，2月20日，星期一淡水—半咸水介质湖盆碎屑岩成岩阶段划分及主要标志

1.早成岩阶段

(早成岩阶段分为A、B两期)

A早成岩阶段A期

1）古常温至65℃。

2）有机质未成熟，其镜质组反射率RO<0.353）岩石弱固结一半固结，原生粒间孔发育。

4）泥岩中富含蒙皂石及蒙皂石层占70％以上的伊利石/蒙皂石，统称蒙皂石带。

5）砂岩中一般未见石英加大，长石溶解较少，可见早期碳酸盐胶结（呈纤维状、栉壳状，微粒状）及绿泥石环边，粘土矿物可见蒙皂石、无序混层矿物及少量自生高岭石。第50页，共62页，2023年，2月20日，星期一

B早成岩阶段B期

1）古温度为65~85OC。

2）有机质半成熟，镜质组反射率RO为0.35％一0.5

3）由于压实作用及碳酸盐类等矿物的胶结作用，岩石由半固结到固结，孔隙类型以原生孔隙为主，并可见少量次生孔隙。

4）泥岩中蒙皂石明显向伊利石/蒙皂石混层粘土矿物转化，蒙皂石层占50％一70％，属无序混层（有序度R=0），称无序混层带。。第51页，共62页，2023年，2月20日，星期一

2.中成岩阶段

A中成岩阶段A期

1）古温度范围为85~140℃。

2）有机质低成熟一成熟，镜质组反射率RO为0.5％～1.3％，孢粉颜色为桔黄一棕色，热变指数TAI为2.5～3.7。

第52页，共62页，2023年，2月20日，星期一3）泥岩中的伊利石／蒙皂石混层粘土矿物，蒙皂石层占15％～50％，在某些有火成岩侵入的地层中或富含火山碎屑物质的岩石中，蒙皂石和伊利石/蒙皂石混层粘土矿物的转化和分布有时出现异常，应综合其他指标进行成岩阶段划分。

4）砂岩中可见晚期含铁碳酸盐类胶结物，特别是铁白云石，常呈粉晶一细晶，以交代、加大或胶结形式出现，还可见其他自生矿物如钠长石、浊沸石、片沸石、方沸石等。第53页，共62页，2023年，2月20日，星期一

5）石英次生加大属Ⅱ级，大部分石英颗粒和部分长石颗粒具次生加大，自形晶面发育，有的见石英小晶体，在扫描电子显微镜下，多数石英颗粒表面被较完整的自形晶面包裹，有的石英自生晶体向孔隙空间生长，交错相接，堵塞孔隙。

6）砂岩中粘土矿物，可见自生高岭石、伊利石/蒙皂石混层粘土矿物、呈丝发状自生伊利石、叶片状或绒球状自生绿泥石、绿泥石／蒙皂石混层粘土矿物等，蒙皂石基本上消失

7）长石、岩屑等碎屑颗粒及碳酸盐胶结物常被溶解，孔隙类型除部分保留的原生孔隙外，以次生孔隙为主。第54页，共62页，2023年，2月20日，星期一

中成岩阶段B期1）古温度范围为140-175OC。

2）有机质处于高成熟阶段，镜质组反射率RO为1.3％～2.0％，孢粉颜色为棕黑色。

3）泥岩中有伊利石及伊利石／蒙皂石（I/S）混层粘土矿物，蒙皂石层小于15％，属超点阵或称卡尔克博格有序混层（有序度R≥3），称超点阵有序混层带。

第55页，共62页，2023年，2月20日，星期一4）砂岩中石英次生加大为Ⅲ级，特别是富含石英的岩石几乎所有石英和长石具有加大且边宽，多呈镶嵌状，高岭石明显减少