[原创]关于岩土工程概念问题之我见——牧马人 [复制链接]

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只看该作者 12楼发表于: 2018-04-16

成岩作用简介、注释

沉积岩是陆地上分布最广泛的岩石，约占大陆面积的75%。沉积岩的形成过程是在地表或接近地表的常温、常压（-70～200℃，一至十几大气压）条件下，由原岩经风化破碎（沉积物质生成）、搬运、沉积和成岩等作用而形成的岩石。
当沉积物在沉积过程中，由于厌氧细菌的作用，有机质腐烂分解，产生H2S 、CH4、NH3 和CO2 等气体，将碳酸基矿物溶解成重碳酸盐，将变价金属元素的高价氧化物还原成低价硫化物，介质由酸性变为碱性，沉积物形成新的球状黄铁矿、菱铁矿、方解石等自生矿物及结核等，胶体矿物脱水老化，沉积物压缩、胶结，最终固结为岩石。
由松散的沉积物转变为坚硬沉积岩所经历的地质作用叫成岩作用（diagenesis）。成岩作用比较复杂，主要包括固结脱水（压固）、胶结、重结晶和形成新矿物四个作用。
成岩作用一词最早由德国学者C.W.冈贝尔（1868 )提出，各国学者对这一名词所赋予的含义并不完全一致。
一般来说，广义的成岩作用指沉积物在埋藏以后，至固结为坚硬岩石，在受到变质作用或风化作用之前的各种物理、化学和生物的变化。其中，沉积物变为沉积岩的变化，也包括石化作用，是狭义的成岩作用。欧洲的一些学者把这一阶段称为早期埋藏阶段或浅埋作用阶段，美国一些学者则称为早期成岩阶段。沉积物固结为沉积岩以后至变质作用或风化作用之前所发生的变化称后生作用。欧洲一些学者又称之为深埋作用，或晚期埋藏作用，与美国一些学者所称的晚期成岩作用相当。成岩作用一词虽然各家的用法仍不完全统一，但是用以表示沉积演化过程中的一个阶段，则是一致同意的。
1成岩作用阶段划分
成岩作用一般分为四个阶段：同生阶段、成岩阶段、后生阶段和表生成岩阶段。
（1）同生阶段
是指沉积物沉积下来与底水脱离接触之前；介质一般为中-酸性，氧化条件；形成海绿石、钙十字沸石、铁锰结核等矿物。还可以形成底栖生物钻孔、生物扰动及变形结构。
成岩作用阶段之前所产生的变化属同生作用，它包括沉积物在埋藏以前、在搬运与沉积过程中所发生的化学的和物理化学的变化。
（2）成岩阶段
是指沉积物与底水脱离接触，但粒间水可以自由运动的时期；介质呈弱碱性-碱性，还原条件，形成球状黄铁矿、玉髓、粘土矿物结晶等组合，形成成岩结核。
成岩作用始自沉积物沉积后被一薄层新的沉积物掩盖而与原来的沉积环境隔绝之时。在这种条件下，引起成岩变化的一个重要因素是厌氧细菌，其作用的结果导致介质的pH值急剧增大，Eh值降低。如莓状（球状）就是这一时期形成的有代表性的矿物。
在成岩作用中，低温反应通常要放出热量──放热反应，并伴有络合物的形成作用。这对于有机质转化为石油、以及某些元素的迁移、富集和沉淀，都是十分有利的。在富含细菌的还原条件下，许多较大的有机分子和无机分子都会被破坏，植物质要分解，并只保存其最稳定的部分（主要是木质部分）。
细菌的活动，也引起硫同位素的分馏，因之硫同位素的比值（34S/32S）可以作为成岩阶段（早期埋藏阶段）沉积物的有价值的成因标志。
成岩作用持续的时间和分布的深度，取决于沉积物的物质成分、结构、有机组分、堆积速率和水的深度等因素。成岩作用的下界相当于细菌作用消失的深度，此带的厚度约1～100米，延续的时间可能在103～106年。由于成岩作用是在埋藏不深的地带发生的，而且又是发生在无垂直贯通裂隙的沉积物中，因之成岩期的主要作用是本层物质的迁移、重新分配组合，没有或很少有外来物质的参加。此时温度不高，压力不大。它所表现出的特征是自生矿物颗粒不大，新生矿物或其集合体的分布受层理控制，可穿过层理，但不穿过层面。常表现为碱性及还原条件下的产物。
（3）后生阶段　
是指沉积物已经固结成坚硬岩石，粒间水已成为囚水，直至岩石变质之前；介质呈碱性，弱还原条件，形成自生长石、石英，形成后生结核。
后生作用的发生，与较高的温度、压力以及外来（本层以外）物质的加入有关，因之后生作用的强度很大程度上取决于大地构造状况。在构造变动剧烈的造山地带，由于最初地壳强烈下沉和上覆巨厚沉积的负荷，以及后来强烈构造力的叠加，岩石可发生强烈的后生变化，甚至变质作用。而在构造变动较弱和埋藏不深的稳定地区，则可能只有不明显的后生作用发生。
由于静水压力、负荷压力及构造应力等力的作用，沉积物中可出现大量的裂隙，有助于水溶液的流动，促进后生变化的进程。后生作用的介质为碱性至弱碱性及弱还原条件，或近于中性的氧化-还原条件。后生作用带的上界，总的说是由成岩作用带的下界所决定，可达10000米。后生作用延续的时间可从104～105年至107～108年。在造山带，由于沉积物的快速升起，可能延续时间较短。
后生作用阶段因温度、压力高，作用时间长，因之所形成的新生矿物晶体粗大；由于外来物质的加入，新生的自生矿物性质常与本层物质无关，其分布不受原生构造──层理的控制。它既可穿过层理，也可穿过层面。最常见的是交代、重结晶、次生加大等。所形成的自生矿物反映了后生期介质的pH、Eh特点，而且是比重大、分子体积较小的变种。如成岩早期形成的莓状黄铁矿，会转变成立方体黄铁矿等。
有人提出进后生作用和退后生作用的概念，用来表示后生作用向变质作用及表生作用过渡的两种趋势。也有人提出成岩期的3个阶段：氧化还原阶段、以交代作用为特点的转移阶段和以生成云母类为特征的层状硅酸盐阶段。前者相当于本文的成岩阶段，后二者相当于此处的后生阶段。
（4）表生成岩阶段
是指岩石被抬升至地表潜水面以下，近常温常压的条件下，沉积物（岩）在渗透水和浅部地下水（包括下渗水、上升水）的影响下发生变化的时期。介质成弱酸性-酸性，氧化-弱还原条件，具溶蚀、交代、以及重结晶结构，形成粘土和硅质矿物、氧化矿物、碳酸盐、硫酸盐矿物，以及表生结核、细脉等。
它与表生作用不同，后者是大气圈与岩石圈之间发生的所有化学和物理化学作用的总和，主要表现为岩石的分解和成壤作用，是一种“去石化作用”。而表生成岩作用则主要是在地下水作用下发生的变化，表现为胶结、交代和某些物质的富集，以至成矿的作用。表生成岩作用带的深度下限及该阶段持续的时间,决定于含氧及CO2的水的下渗深度。
2成岩作用和后生作用的影响因素　
影响成岩作用和后生作用的因素很多，如物质成分、物质本身的地球化学性质、沉积围岩的性质、岩相和岩性、地质构造环境、水的性质、pH值、Eh值、各种组分的活度（逸度）、温度、压力和有机质等。物质的成分和性质涉及其自由能、其形成络合物的稳定常数等，这些因素可影响物质的成分在溶液中是长期保持迁移状态还是很快沉淀下来。岩性因素包括其孔隙度和渗透性，决定溶液迁移的快慢和远近。强烈坳陷快速堆积和埋藏的地槽区，沉积岩可遭受较长时间和强烈的后生作用，其成岩阶段可能较短；稳定的沉积缓慢的地台区，沉积岩（物）则可能表现出较明显的成岩变化。岩相是一个综合的因素，不同的岩相可包括某些不同因素的综合作用。
水的作用十分重要，成岩后生变化几乎总是在有水的参加下进行的。当溶液中的任何物质的活度系数减小时，则会加大克分子浓度或加大其溶解度。所有的盐类在水中都要增大克分子浓度，减小活度系数值。因此，CaCO3在NaCl溶液中比在纯水中溶解得更完全。盐度高的水比纯水具有更高的溶解能力，更有利于物质的迁移。介质的Eh和pH条件对各种矿物（特别是含变价元素及氢氧化物或氧化物的矿物）的稳定性影响较大，由于沉积物埋藏后的变化通常是稳定相的平衡，Eh和pH值的变化就可以规定各种各样的矿物的稳定区。
温度的重要作用在于它可以影响矿物结晶的地球化学性质、综合剂的电离化OH- 的活度、矿物的溶解度以及溶液的流动性。压力可影响矿物的溶解度，埋藏较浅时，一般只发生机械的压实，而埋藏较深时，则可能出现化学的压实作用。在压力的作用下，矿物的转化趋势是趋向分子体积较小的变种。
生物的生机活动（如细菌的活动）可改变介质的Eh值、pH值，促使沉积物发生变化。还可提供某些物质，如脱硫细菌的作用可分解出H2S，参与形成硫化物。腐殖质在溶解不溶性盐类释出金属离子、溶解矿物和硅酸盐、延迟金属的沉淀、对金属的螯合作用、阳离子的交换、表面吸收等方面，起很大作用。
成岩作用和后生作用的过程，很大程度上还取决于气候条件。例如在潮湿气候带的海盆地，可以发生海解作用、成岩作用、后生作用、表生成岩作用或变质作用、表生作用的全过程。而在干旱的大陆环境中，有机质的作用很弱，成岩作用阶段与后生作用阶段的划分不明显，由于高矿化度的上升水作用强烈，因而表生成岩作用显著（盐渍化、碳酸盐化等）。在冰川发育地区和火山作用地区，成岩后生作用的进程又有不同。但不管是潮湿气候或是干旱气候带，在特殊情况下，沉积物沉积后也可直接过渡为表生成岩阶段。例如，沙漠地区石英砂粒表面“沙漠漆”的形成，以及因上升的毛管水作用导致的胶结，黄土沉积中“砂薑 ”的形成等；河流堤岸沉积和近岸河漫滩沉积中的钙质结核，由于地表水和地下水的相互作用，形成胶结极坚硬的岩石。
3 成岩作用和后生作用的方式　
成岩作用和后生作用的方式　包括下列各种：
（1）压实作用，指在上覆沉积物不断加厚而使负荷压力增加的情况下，松散沉积物变得比较致密，体积减小，其中水含量减小。机械的压实不伴有化学反应，化学的压实作用伴有颗粒间或颗粒与水之间的化学反应及新生矿物的形成。沉积物经压实后，孔隙度减小，结构与构造发生变化。如出现颗粒的定向性、压溶结构和次生加大结构等。
（2）水化作用，指矿物与水结合成为含水的矿物的作用，反之即脱水作用。石膏(CaSO4•2H2O)与硬石膏(CaSO4)间的转化是这一作用的典型例子。沉积盆地的沉积大都是在水介质中进行的，因此最初阶段发生的水化作用，是普遍的现象。随着埋藏深度的加大，沉积物（岩）固结程度的增强，逐渐会发生脱水的作用。
（3）水解作用，指矿物在水的作用下发生分解的作用。水起着盐基的作用，并提供氢氧离子。大多数硅酸盐矿物均可发生水解，这与水介质的pH值有关，矿物水解过程中可有金属阳离子的游离。随着pH值的变化，矿物可以朝着水解方向进行，也可朝着去水解方向进行。
（4）氧化与还原作用，这一作用与沉积环境和沉积演化的阶段有关。大陆环境及广海环境的沉积物表层常发生氧化，而停滞的闭流盆地沉积物常处于还原环境。在同生阶段，正常的沉积常处于氧化或弱氧化环境（海解阶段、陆解阶段），在成岩期和后生期变为还原及弱还原环境。
（5）离子交换和吸附作用，水中呈离解状态的H+和OH-与遭受变化的矿物中的离子可以发生交换反应。水电离而产生的H+，能置换矿物中的碱金属离子。在成岩、后生阶段，粘土矿物和沸石类矿物等，都可进行离子交换或离子吸附作用。最容易被吸附的首先是H+和OH-，以后就是阳离子Cu2+、Al3+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、K+、Na+和阴离子S2-、Cl-、SO42+。当H+或OH-离子被吸附后，吸附剂就带有自由电荷。例如，粘土矿物常与盐基离子结合而带负电荷，因此，粘土矿物能从海水中或溶液中吸附许多稀有金属。某些矿物吸附一些离子或进行离子交换之后，即转变为另一矿物。
（6）胶体陈化作用，是指胶体脱水、过渡为偏胶体，最后形成稳定的自生矿物的过程，蛋白石-玉髓-石英的变化即是其例。重结晶是后生作用中极常见的现象，在压力增大(或伴有温度的升高)的情况下，变化的趋势是缩小体积，及矿物变为分子体积较小的变种。重结晶作用是岩石中的矿物在固态下质点重新排列，晶粒逐渐增大的过程；重结晶作用是化学岩和生物化学岩的主要成岩方式。
（7）交代作用，是发生在已固化的沉积岩内对已有矿物的一种化学的替代作用，在化学上它是保持晶形不变的情况下的沉淀转化作用，主要发生在后生期和表生成岩期。经交代后常造成某些矿物的假象。
（8）结核，是在矿物岩石学特征上(成分、结构等)与周围沉积物(岩)不同的、规模不大的包体，它可以产生在成岩的各个阶段，通常是化学的或生物化学的产物。
（9）自生矿物的形成，在成岩期和后生期，会形成与各时期的介质条件相平衡的自生矿物，有一些是阶段的标志矿物。如成岩期的莓状黄铁矿、菱铁矿、白云石、鳞绿泥石等；后生期的赤铁矿、板钛矿、次生沸石、次生碳酸盐、云母类和釉生长石等。
（10）胶结作用，指个别颗粒彼此联结的过程，它可以通过粒间矿物质的沉淀、碎屑颗粒的溶解和沉淀、粒间反应等方式完成。因此，常用于表述颗粒岩石(如砂岩)。常见的胶结物有硅质（SiO2）、钙质（CaCO3）、铁质（Fe2O3）、粘土质和火山灰等；胶结作用是碎屑岩的主要成岩方式。
（11）固结作用，指松散的沉积物转变为坚硬岩石的过程，常用于表述粘土岩及各种生物化学岩。压固作用是粘土岩的主要成岩方式。
（12）石化作用，是最广泛的一般性用语，它表示各种未固结的沉积物转变为坚硬岩石的总过程。