成巖作用研究進展與發展方向

樊愛萍　楊仁超　李義軍

文章編號：1006-6535(2009)02-0001-08

摘要：隨著能源勘探開發研究和現代測試技術的不斷提高，成巖作用研究取得了重大進展。為了把握成巖作用研究的現狀，進而了解其發展趨勢，通過對國內外大量有關成巖作用研究成果的調研，從成巖環境、成巖流體、成巖模擬實驗、成巖相、成巖作用與沉積相的結合、成巖作用與層序地層學的交叉、成巖作用在層控固體礦床中的應用，以及早期成巖作用等8個方面對成巖作用的研究進展進行了總結，并在此基礎上，簡要分析了成巖作用研究未來的發展方向。

關鍵詞：成巖作用；成巖環境；成巖相；研究進展；發展方向

中圖分類號：TE121.3

文獻標識碼：A

前 言

“成巖作用”一詞早在19世紀中期就被提出來，但在早期并未引起地質學家的重視，直至20世紀七、八十年代，由于能源緊缺，沉積巖儲層的成巖作用、孔隙特征和孔隙成因等研究才被列為沉積巖石學、石油地質學和層控礦床學的重要研究內容。由于成巖作用研究在層控礦床學研究中占據不可替代的位置，因此，總結近30 a來成巖作用研究的一些主要進展，展望成巖作用的未來發展方向，具有重要的科學意義。

1 成巖作用的概念及發展史

對于成巖作用的概念，國內外學者有不同的認識^[1~5]。國內目前廣泛采用鄭浚茂等^[3]對成巖作用的定義，即沉積物在沉積后到變質作用之前，這一漫長階段所發生的各種物理、化學作用及生物化學作用，而不是指狹義的、僅指沉積物的石化和固結作用。

20世紀中、后期的成巖作用研究主要集中于次生孔隙成因、自生粘土礦物的重要性及二氧化硅來源等問題，關于次生孔隙成因的研究，對石油地質勘探起到了關鍵性的作用，由此引發了成巖作用的研究熱潮。成巖壓實作用、膠結作用都使得原生孔隙大幅度減少^[6，7]，直接影響到儲層的儲集性能，因此，有關成巖作用與儲層孔隙特征的研究成果大量出現。加上電子顯微鏡、X射線衍射、陰極發光、流體包裹體、穩定同位素、鏡質體反射率、電子探針等多種分析測試技術的不斷提高，極大地促進了成巖作用研究的發展。

2 成巖作用研究主要進展

2.1 成巖環境研究

成巖作用是內部系統與外界環境相互作用、相互協調的過程，因而探討外界環境是成巖作用研究的必要條件。不同盆地類型有不同的成巖演化，克拉通盆地經歷地史時間長，構造運動旋回多，導致成巖環境多變，成巖作用復雜；裂谷盆地地史時間短暫，構造運動旋回少，埋藏速率大，成巖序列和孔隙演化史簡單；前陸盆地則介于前兩者之間^[8]。同一盆地，不同部位成巖演化也可能不同，并導致儲層性質差異明顯^[9]。除盆地背景外，構造活動也是不可忽略的因素，如法國Balazuc儲層成巖演化明顯受控于裂縫的形成，裂縫的產生雖然為儲層提供了流體運移的通道，但后期流體循環導致了石英、白云石等自生礦物的沉淀，使儲層物性變差^[10]；側向上的構造擠壓變形作用會影響砂巖成巖壓實進程和儲集空間類型，它主要以物理作用方式改變砂巖的形態和體積，并使砂巖的成巖壓實演化具有突變性^[11]；羅元華等^[12]從有限元數學模擬的角度指出水平構造外力作用可使巖石的滲透率發生變化；Escuminac組沉積時為相對平靜的海相環境，構造活動微弱，因而在碳酸鹽沉積物中保存了良好的孔隙^[13]。盆地中巖漿活動也會對成巖作用產生顯著影響：一方面是巖漿活動形成的熱流體促進或加速了礦物間的成巖反應，形成“相對高溫”的自生礦物或引起一些溶解度對溫度變化敏感的自生礦物的溶解和重新沉淀；另一方面，巖漿活動也直接或間接地為成巖作用提供了深源物質或深部物質，形成特征的片鈉鋁石及具有幔源特征的方解石膠結物^[14]。

成巖環境壓力場及其對成巖作用影響的探討，也是該領域研究的重要進展之一。壓力系統的差別可能導致成巖流體和反應差異性變化，采用試壓及TDS(total dissolved solution)數據，發現松遼盆地欠壓實和正常壓力系統下，分別形成了富含CaCl2和NaHCO3的層間水^[15]。目前，人們還注意到深部優質儲層與異常流體壓力有密切的聯系，異常流體壓力客觀上對形成的次生孔隙起到了一個充漲和保護作用，如美國海灣地區、新疆庫車坳陷和板橋地區等^{[16，17]}。

2.2 成巖流體活動分析

了解盆地演化過程中古流體和成巖作用的關系，可以更全面、深入地分析成巖過程的多面性和復雜性。盆地流體主要包括大氣水、沉積物壓實-相變釋放出的流體、由沉積有機物質轉化而成的各種氣態-液態有機流體以及深部熱液流體等，其流動機制為重力驅動流和壓實驅動流^[18，19]。

大氣水與砂巖的相互作用是成巖作用研究的主要內容之一，大氣水在重力驅動下從盆地邊緣向盆地內部流動，一方面導致碎屑顆粒和自生礦物的淋濾，形成新的自生礦物；另一方面，大氣水的性質被“巖石”緩慢改變，eH值減小，pH值增大^[20]。加拿大南部Chaswood組發育淺灰色泥巖和深灰色泥巖，其中淺灰色泥巖是由深灰色泥巖與大氣淋濾水作用轉變而來^[21]；鄂爾多斯盆地三疊系延長組砂巖經歷了大氣水的淋濾作用，靠近不整合面附近由長石等鋁硅酸鹽溶解形成的次生孔隙增加使巖石的孔隙度、滲透率增加，物性變好，并形成高嶺石等特征自生礦物^{[22，23]}；沙特阿拉伯白堊世Safaniya組砂巖早成巖作用階段形成方解石、菱鐵礦、海綠石、黃鐵礦和蠕蟲狀高嶺石，晚白堊世的隆升使該組砂巖遭受大氣水淋濾，形成骸晶高嶺石和微晶石英，晚白堊世-古近紀又開始接受沉降，壓實水的侵入導致石英次生加大和自形高嶺石的沉淀^[24]。大氣水在碳酸鹽巖中的作用也是不容忽視的，鄂爾多斯盆地中部氣田馬5段白云巖δ¹³C平均為0.194 5×10^-3(PDB)，δ¹⁸O平均為-8.06×10^-3(PDB)，從δ¹⁸O值看，與現代海水中的δ¹⁸O 相比明顯偏負，這是由于白云巖形成時海域水溫度高，且形成后埋藏深度大，經歷的時間長，又經歷了大氣水淋濾作用的影響^[25]；塔里木盆地和田河氣田上奧陶統碳酸鹽巖中發育的溶溝、溶縫、溶洞和顆粒鑄?？资谴髿獾転V的結果^[26]；塔河油田碳酸鹽巖儲層中第一世代櫛殼狀膠結物是大氣淡水作用的結果^[27]。

由有機質轉化來的有機流體是整個地殼流體活動的一部分，對成巖演化有著至關重要的影響，也是盆地發展演化的一個重要側面。將成巖作用和油氣成藏史等納入到盆地發展演化歷史中統一考慮，是當前研究的趨勢所在^[17]。有機質轉化形成的有機酸引起了地質界的廣泛關注，主要是因為它可以溶解礦物，形成次生孔隙^[28~32]。有機酸主要由干酪根含氧基團的熱催化斷落、烴類與礦物氧化劑之間的氧化還原反應、原油微生物降解和熱化學硫酸鹽還原作用轉化而來，但就其生成時間而言，尚未有定論^[17]。泌陽凹陷碎屑巖儲層在堿性-強堿性原始地層水中發現石英溶解型次生孔隙，不但豐富了次生孔隙的成因理論，而且石英溶解所產生的SiO2為石英自生加大提供了新的解釋^[33]。塔中地區志留系烴類侵位后因淡水注入而使烴類被氧化，所產生的有機酸促進了鉀長石等礦物的溶解，導致了次生孔隙的發育^[34]。

除有機質轉化產生有機酸外，油氣的產生對成巖作用有著重要意義。文獻[35]、[36]認為油氣充注阻止成巖反應的進行，因為成巖反應的進行，要求有化學物質通過孔隙中的水體進行擴散或平流，而油氣的充注，使巖石中水體形態變得復雜多樣，限制了化學物質通過水體進行擴散，不利于成巖反應的進行^[37]。渤海灣盆地埕島東斜坡地區東三段砂體成藏對應于早成巖B階段，油氣過早進入砂巖體，充填了孔隙，抑制了成巖作用的進行，使原生孔隙得以良好的保存^[38]。也有人認為，烴類充注不完全阻止成巖反應的進行，蔡進功等^[39]發現東營凹陷儲集層含油飽和度較低時會促進伊利石生長，只有在含油程度較高時伊利石生長才受到抑制。對Maestrat盆地中油氣充注的詳細研究發現，只有第二期自生礦物中發現油氣包裹體，且充注發生在構造運動之前，后期遭到構造作用的強烈破壞，解釋了該盆地油氣含量較少的原因^[40]。埋藏成巖過程中，由于有機質的轉化，孔隙流體化學性質從堿性—酸性—堿性變化，導致次生孔隙的形成，并可使某些金屬的溶解度發生變化，在適當的條件下沉淀、聚集^[41~48]。有機質的增加(伴隨著水深增加)導致了波羅的海Baltic proper盆地深部大規模的氧氣匱乏和大量H₂S的存在，盆地沉積樣品和層間水中發現高濃度的硫化物降解，使層間水碳酸鹽堿度增加，導致富鈣碳酸鹽和富鎂碳酸鹽的沉淀^[49]。

2.3 成巖作用的定量模擬實驗

通過成巖作用定量模擬，可以恢復盆地范圍內的成巖史，起到“將今論古”的作用。室內實驗模擬可以“再現”成巖演化中所出現的各種物理、化學變化，不僅對于成巖作用的研究具有較大的理論意義，而且對于油氣勘探和開發具有重要的現實意義。將熱力學模擬計算應用于碎屑巖成巖過程的研究，確定成巖過程中碎屑礦物的穩定性及其相關性，是近30 a以來沉積地球化學的一個重要進展^[17]。通過水、巖反應的熱力學計算模擬，極大地推動了成巖作用定量化的進程。碎屑巖在成巖過程中各種造巖礦物的溶解特征研究表明，鐵鎂暗色礦物和中—基性斜長石在碎屑巖的成巖條件酸性介質中，比酸性斜長石和堿性長石更易發生溶解形成次生孔隙，為油氣的儲集和運移提供空間和通道^[50]。

第2期樊愛萍等：成巖作用研究進展與發展方向 近年來的模擬汲取了室內實驗模擬和熱力學模擬的優點^[51~53]，考慮到溫度、壓力、流體和時間等因素，從盆地或凹陷規模尺度上進行成巖過程綜合模擬。通過模擬成巖參數鏡質組反射率、古地溫、伊/蒙混層中蒙皂石的含量、自生石英百分含量和甾烷異構化率在時空上的變化規律，進而模擬一個地區的成巖史并預測成巖階段的展布特征；然后根據成巖作用對生、儲、蓋層的控制作用以及成巖史與構造發育史的匹配關系，預測有利區帶。

沉積巖中發育著高度分支和相互連接的孔隙系統，成巖作用過程會導致顆粒系統從未固結即高的孔隙度向更加致密的系統演化，R. Karmakar等^[54]從孔隙系統角度出發，提出了基于滲透率理論的成巖作用幾何學模型。J. S. Reed等^[55]應用多元探索方法、單因素相關分析法(CA)和去勢相關分析法(PCA)，對Appalachian盆地石炭紀砂巖進行了詳細研究，由此得出該盆地古氣候、沉積和埋藏演化史是控制成巖作用的主要因素，并由此導致成巖演化的差異，進而影響儲層性質。

2.4 成巖作用與沉積(微)相的緊密結合

成巖作用與沉積(微)相具有密切的關系，相關的研究成果很多。碎屑巖的碎屑顆粒成分與流體成分主要受沉積(微)相的影響與控制，因此，沉積(微)相是影響成巖作用的一個重要因素^[56]。慶陽地區長8儲層綠泥石環邊相僅在三角洲分流河道和河口壩砂體中分布，構成了該區優質儲層^[44]。吐哈盆地中三疊統辮狀河三角洲前緣分流河道和河口壩砂體中陸源雜基含量低、分選性較好，有利于保存原生孔隙，同時這些原生孔隙的存在也為后期溶蝕作用提供了通道和空間，次生孔隙較發育，物性普遍較好；而平原辮狀河道、河道間等砂體的壓實強度大，溶蝕作用弱，儲集性差^[57]。遼河坳陷西部凹陷南段扇三角洲各沉積微相中，河口壩砂體成熟度高，且長石和碳酸鹽膠結物的含量相對較高，有利于溶解物質的遷移，因而溶蝕作用和次生孔隙最發育；辮狀分流河道和心灘微相以機械壓實作用為主；河口壩和沼澤微相以膠結作用為主，原因是其砂層薄，鄰近泥巖區，砂巖膠結物中的方解石主要來源于相鄰的泥巖^[58]。

2.5 成巖相研究

成巖相反映成巖環境的巖石學特征、地球化學特征和巖石物理特征的總和^[59]。成巖相的研究內容主要是某一時段、某一區域的地質體內現今成巖相的類型、孔滲條件和分布特征，研究方法和流程通常是以單井成巖相為基礎，結合地震、測井等資料，進行剖面展開和平面成圖，研究成巖相在縱向和橫向上的分布規律及控制因素^[60]。利用成巖相類型及分布進行有利儲集體、油氣勘探的“甜點”，以及成巖圈閉的有效預測，已經成為儲層地質學研究的前緣和熱點。陳彥華等^[59]通過對有效儲集空間形成作用定量分布的研究，劃分出不同孔滲條件的成巖相，并通過建立成巖相與沉積相、地震相、測井相的相關判別模式，把點上的成巖相的研究擴展到三維空間的定量研究，從而預測有利成巖相區。之后，有關成巖相的研究逐漸成為儲層地質學研究的熱點^[61~65]。雖然不同的學者將不同的地質體劃分了多種不同的成巖相，但其基本的分類命名依據基本相同，那就是以控制孔縫演化的主要作用作為劃分和命名成巖相的依據，成巖相的命名采用巖性加主要作用(或作用環境)聯合命名的原則^[59]。鄒才能^[60]探討了成巖相的形成機理、劃分方案與評價方法及其在油氣勘探中的應用和意義；針對碎屑巖、碳酸鹽巖和火山巖等不同巖性，提出9類擴容性成巖相和7類致密化成巖相，提出了反映巖性、成巖作用和孔滲性3個層次內容的“孔滲級別+巖石類型+成巖作用類型”的成巖相命名方案。

2.6 成巖作用與層序地層學的交叉

層序地層學是一門相對新興的地層分支學科，其基本思想是強調地層層序的形成受控于全球海平面升降、構造沉降、氣候和沉積物供給等因素^[66]。由這幾種因素所控制的相對海平面變化，不僅造成層序內部沉積體系域發生有序的變化，而且使其沉積介質或原生孔隙水(主要包括pH值、eH值和含鹽度)也產生相應的變化^[67]。沉積介質或原生孔隙水的pH、eH值和含鹽度對同生期和早期成巖作用具有直接的控制作用，并對深埋藏過程中的中、晚期成巖-孔隙演化具有重要影響^[68，69]。陳方鴻等^[70]將鄂爾多斯盆地寒武系碳酸鹽巖與層序地層學結合起來進行研究后發現，隨著海平面升降的不斷進行，沉積體系域相應地從海侵體系域向高水位體系域演變，沉積物由海侵體系域的海底成巖環境進入埋藏成巖環境，高水位體系域的沉積物則由早期的海底潛流環境向晚期的混合水成巖環境演變，最后隨著層序界面的形成，沉積物進入大氣淡水成巖環境或表生成巖環境。由此可見，沉積體系域垂向上的演化控制了成巖環境的演化。因此，將層序地層學與成巖作用相結合^[71，72]，不僅可以弄清沉積體的空間展布形態，還可以了解沉積體的演化，使儲層預測更加準確。

2.7 成巖作用與層控固體礦床研究

對于許多固體礦產來說，其含礦建造即為沉積巖，沉積巖的孔隙為其提供有效的容礦空間，因此，成巖作用研究就成為這些層控固體礦床研究的重要內容之一。研究表明，鄂爾多斯盆地東勝地區超大型砂巖型鈾礦與成巖作用有密切的關系^[73~75]。從早成巖期鈾的預富集，至表生成巖期鈾的成巖成礦響應，在不同的成巖階段鈾的地球化學活動性表現出不同的特性。楊仁超等^[76]則從成巖作用角度出發，對鄂爾多斯盆地鎮原地區下白堊統砂巖的巖石學特征、成巖作用演化和鈾成礦條件進行了分析研究，并通過鈾成礦條件分析，對該區下白堊統鈾成礦前景進行了預測。

2.8 早期成巖作用研究進展

沉積物形成以后，從沉積物到沉積巖直至遭受風化或變質前，還要發生一系列變化，受到多種作用的改造，這一系列改造統稱為成巖作用^[77]。早期成巖作用是指沉積物沉積至淺埋藏過程中，在沉積顆粒、孔隙水及沉積環境水介質之間發生的一系列物理、化學及生物學作用^[78]。早期成巖作用作為一個重要的研究領域受到廣泛關注。鮮本忠等^[79]總結了早期成巖作用的主要特點、地質響應和研究思路，介紹了在元素的遷移轉化、硫酸鹽還原反應、數學模型及微生物成巖等理論領域和多金屬結核及早期成巖成礦、環境沉積學、土壤性質評價與改良等應用領域的主要研究進展。

3 成巖作用研究的發展趨勢

成巖作用是極其復雜的物理化學過程，其影響因素的多變和過程的復雜性主要體現在巖石成分的復雜性，流體來源的廣泛性，溫度、壓力等成巖環境條件的多變性等；儲層孔隙演化的過程同時受到沉積體系、古氣候、盆地沉降與折返等多因素的作用和影響，體現了有機和無機界長時間作用的結果，故重塑一個地區成巖演化的歷史是一項十分艱難的工作^[17]。從目前發展趨勢來看，成巖作用的研究內容已經遠遠超越了巖石學的范疇^[3]，它已發展成為沉積巖石學、石油地質學、礦床學與各種測試技術相互滲透的一門邊緣學科。成巖作用與構造、沉積相、層序地層學、成礦(藏)作用等方面的聯系也更加密切^[80]。新的技術手段將不斷涌現，如利用測井解釋技術研究成巖作用；傳統的成巖作用研究手段，如：薄片鑒定、粘土礦物X衍射、陰極發光、流體包裹體、穩定同位素、鏡質體反射率、掃描電鏡和電子探針等，仍將發揮重要作用。

3.1 成巖系統研究

把成巖(子)系統的結構功能演化納入盆地大系統中進行考察^[81]，符合“結構”與“功能”等級的辨證統一，可以更全面地揭示成巖作用規律，因此盆地-成巖系統研究仍是成巖作用研究的重要方面；盆地演化過程中流體參與了各種成巖變化，并影響有機質和某些分散元素成礦作用的發生和形成，因此，通過流體活動這一樞紐，在成巖過程中考察成礦作用的發生、發展和形成^[82]，將是盆地成巖作用研究的發展趨勢。盆地成巖作用系統分析的新觀點仍將是未來成巖作用研究中的一個顯著特點，即將油氣盆地的成巖史與油氣的成藏演化史緊密結合起來，使成巖作用研究工作的開展能直接為油氣勘探服務^[17]。

3.2 早期成巖作用研究的應用

早期成巖作用在環境沉積學及環境監測和治理領域將得到重點發展^[79]。沉積物污染已經成為威脅人類可持續發展和生態系統平衡的環境問題，沉積物污染也為環境沉積學和環境保護研究提供了研究對象和空間。污染物在沉積物中的遷移、轉化及歸宿是沉積物污染化學研究的核心問題，也是早期成巖作用研究的一個重要方面。對于早成巖期有機質降解過程、微生物作用特點、早期成巖作用序列及早期成巖作用數學模型等方面都缺乏深入而系統的研究^[79]。另外，對湖泊、河口三角洲地區及土壤的早期成巖研究，將有助于建立各種環境中早期成巖模式，也有助于環境生態評價，有利于指導生態農業、林業、牧業和漁業的健康發展，具有重要的現實意義。

3.3 成巖相研究

成巖相研究將更加精細化、規范化、系統化，與油氣地質研究和資源勘探開發關系將更加緊密，成巖相研究成果在指導資源勘探開發方面將發揮更重要的作用。雖然目前關于成巖相的研究和應用探討較多，但缺乏一套完整的概念體系和理論技術體系，在成巖相的劃分和命名上沒有規范化的統一認識，多處于定性研究階段。因此，成巖相研究在上述方面還有很大的發展空間。

3.4 成巖模擬和實驗研究

以化學熱力學平衡理論為基礎的成巖作用熱力學模擬仍將在成巖作用的定量研究中發揮重要作用^[17]，成巖環境下各種礦物的熱力學參數的進一步完善、各種礦物模型更加精確以及地層水測試技術的進一步提高都直接關系到成巖模擬的客觀性和準確性。各種成巖作用的模擬實驗仍將廣泛開展，包括：有機質在地層溫、壓條件及地層水條件下的裂解機理；巖石骨架礦物及膠結物在地層水條件下的溶解速率、溶解平衡常數的測定；有機酸與無機酸在礦物溶解過程中的具體影響和差異；金屬離子在有機酸條件下的絡合機理及對成巖作用的影響，以及模擬地層水運動狀態及地質結構特點等^[17]。

3.5 水巖反應與成巖-成礦響應

地層水作為成巖反應的介質，一直是成巖作用的研究所關注的重要對象，地層水的多種可能來源決定其物理化學特征和水巖反應的復雜性。因此，研究不同成巖環境下各種性質地層水與礦物巖石之間的物質能量交換、礦物穩定條件和變化，以及在此過程中發生的元素賦存狀態的改變、有機-無機相互作用、成巖-成礦響應，對于重建某個地區的成巖演化，以及從成巖角度理解成礦(藏)機理都具有十分重要的意義。

3.6 多學科交叉

成巖作用研究與沉積學、層序地層學、地球化學等學科的交叉，產生了一些邊緣分支學科，如儲層沉積學、成巖層序地層學和儲層地球化學等。利用碳、氧、鍶等同位素值可分析地層水的來源，還可以判斷HCO3-中的碳是有機還是無機來源等；借助成巖作用特征的不同可以識別不整合面等。這些邊緣分支學科的理論體系和技術方法研究尚有很大的發展空間，也是未來成巖作用和儲層地質學研究的發展趨勢。

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編輯 劉兆芝