对砂岩岩石薄片的熟练鉴定，除了需要熟练掌握常见矿物碎屑、岩石碎屑及各类型填隙物之外，最为重要的任务是要熟练掌握砂岩成岩作用的显微镜下特征。

    下面是我根据部分成岩作用及沉积岩石学方面的专著及文献归纳的砂岩成岩作用方面的资料，并加载了一些我自己的理解、认识和照片，文中若有不妥之处还请读者谅解并及时指出，更欢迎大家一起进行讨论。

 

    砂岩成岩作用的主要类型：

    松散的沉积物被上覆沉积物埋藏之后便开始进入埋藏成岩阶段。在埋藏成岩阶段，沉积物内部会发生各种成岩变化，主要成岩变化有压实作用（包括机械压实作用和化学压实作用）、交代作用、矿物转化作用、矿物沉淀作用、矿物溶解作用等等。这些成岩变化的结果使沉积物固结成岩、矿物稳定、孔隙体积发生变化。从对砂岩储集性能的影响角度分析，最为重要的成岩作用是压实作用、胶结作用和溶蚀作用。

    一、机械压实作用：指沉积物在上覆重力及静水压力作用下发生水分排出、碎屑颗粒紧密排列、塑性岩屑变形、刚性颗粒破裂而使孔隙体积减少的作用。

    二、压溶作用：是机械压实作用的延续。由于矿物的溶解度是随着颗粒接触的压力增加而增加的，因此，在颗粒接触处可能发生溶解作用，而且扩散出去在颗粒的面向开放空间的表面上沉淀。压溶速率取决于颗粒表面液体薄膜的厚度、扩散系数、孔隙流体饱和度及粒度。

 

1   压实作用使碎屑颗粒间紧密接触，白云母压实变形明显

 2    压实作用使塑性岩屑及富含泥质纹层部位强烈变形

 3   压实作用使片岩屑强烈变形

 4   压实作用致使部分碎屑颗粒沿边缘被压溶

 5   压溶现象，两粒不同消光方位的石英颗粒之间呈线压溶接触

 6   压溶作用致使部分碎屑颗粒间呈压溶缝合线状接触

7   压溶作用常沿颗粒接触部位的泥质发生，使岩石中不易溶组分残留下来，沿颗粒接触部位分布

 

    三、胶结作用：是指矿物质在碎屑沉积物孔隙中沉淀，并使沉积物固结为岩石的作用。它是使储层孔隙度降低的重要因素。

    胶结作用是碎屑岩主要的成岩作用。在石英砂岩中，胶结物可由许多矿物组成，其中大部分是碳酸盐和氧化物；在岩屑砂岩、杂砂岩和火山碎屑岩中，其主要的胶结物是蚀变了的杂基和化学沉淀物的混合物，其成分有粘土矿物、沸石和其它硅酸盐矿物。有的砂岩中氧化铁可能是主要的胶结物，也有的是石膏和其它蒸发盐矿物胶结。随着砂岩储层研究工作的不断深入，不断有新的胶结物类型被发现，如呈充填孔隙状产出的自生帘石、榍石、石榴石等以及黄钾铁矾、铝土矿等。

    砂岩中常见的胶结作用：

    （一）碳酸盐胶结作用

    主要包括方解石、白云石、铁白云石和菱铁矿的胶结。

    方解石常呈糖粒状，形成粒状结构、镶嵌结构或栉状结构；白云石常呈菱形自形晶体，沿碎屑周围呈断续的薄膜式胶结或加大边状，或分散充填于孔隙中；菱铁矿常环绕碎屑，充填孔隙或形成结核，在砂岩或粉砂岩中还可见到球状或鲕状菱铁矿。      

    碳酸盐胶结作用的形成机理：

    1.与一定沉积环境有关的碳酸盐胶结物是早期成岩沉淀物

    碳酸盐胶结的砂岩，在横向上可渐变为砂质灰岩。在地表砂岩中碳酸盐胶结物集中，是因为钙质壳的形成，是干旱环境的产物，这种胶结物能指示古气候。

    对于大部分砂岩碳酸盐胶结物来说，是在成岩过程中，在轻微埋藏后形成的。孔隙水中含有一定数量的碳酸盐是碳酸盐胶结物形成的前提，孔隙水中碳酸盐含量的变化取决于许多因素。当砂岩中含有足够易溶生物介壳等碳酸盐碎屑，它会使孔隙水的碳酸盐相饱和，而使纯的亮晶方解石开始沉淀。

    碳酸盐溶解度对溶液的pH值极敏感，随着pH值升高其溶解度降低而发生碳酸盐沉淀。

    2.白云石的沉淀是因CaCO₃沉淀从蒸发水中消耗Ca²⁺而导致Ca²⁺／Mg²⁺的比值降低引起的。

    形成含铁白云石及铁白云石所需的Fe²⁺和Mn²⁺来自碎屑蒙脱石向自生伊利石的转变。方解石与白云石常共生，它们之间的置换平衡取决于Ca∶Mg比值及温度，在较低温度下，与方解石处于平衡的溶液中，当温度升高有利于白云石沉淀，Ca²⁺／Mg²⁺的增加则有利于方解石沉淀。

     3.菱铁矿是在还原条件下形成的，在地表形成于泥炭沼泽中，在地下形成于富含有机质的沉积物中。成岩菱铁矿是由于地下水中亚铁离子交代方解石形成。

    碳酸盐胶结物可形成于不同的成岩阶段。当砂岩中碳酸盐胶结物呈嵌晶状，碎屑颗粒呈漂浮状，则此胶结物形成于未经压实的浅埋藏阶段。在深埋藏阶段所形成的碳酸盐，往往晶粒较大，多为微—粗晶，成分上多含Fe²⁺和Mn²⁺，常与蒙脱石向伊利石转化过程中析出的Fe²⁺和Mn²⁺有关。

 

8   沿碎屑颗粒边缘向孔隙中央生长的泥--粉晶状方解石（未染色）

9   中下部呈充填状的连生晶状方解石（染色片），照片右上方孔隙内为浊沸石

10   呈半自形粉晶粒状充填孔隙的白云石胶结物

 

11   沿白云岩岩屑周缘呈再生长状的铁白云石胶结（染色片）

12    呈连生状充填孔隙的铁白云石（染色片）


13    呈扇形集合体状充填胶结的菱铁矿

12    具十字消光的菱铁矿胶结物

    （二）硅质胶结作用

    氧化硅胶结物可以呈晶质和非晶质两种形态出现，非晶质是蛋白石，晶质的是玉髓和石英。蛋白石胶结物常与硅质生物溶解和沉淀有关，比较少见。硅质胶结最常见的形式是石英颗粒的光性连续增生（即石英次生加大），常形成石英自形晶面或相互交错连接的镶嵌结构。       

    硅质胶结物来自孔隙水，超过石英平衡溶解度的水分布广泛，石英沉淀不一定需要过饱和，只要几十个ppm的浓度便可，但要孔隙水不断循环才能形成一定量的胶结物。孔隙水中溶解的SiO₂可有不同的来源：硅质生物骨骼溶解、火山玻璃蚀变和土壤水、粘土矿物转变、硅酸盐类溶解、压溶作用等等。pH值及温度的增加是提高氧化硅溶解度的两个主要因素。在pH值小于9时，石英在溶液中稳定，当pH值增高到9－9.5以上时，石英的溶解度急剧增加，因此，石英沉淀需要酸性环境。

    温度对硅质胶结作用的影响较为复杂。一般情况下，温度升高，石英的溶解度增加，在高温下形成的饱和氧化硅孔隙水，当在一定因素作用下向上扩散和流动时，流到较高层位，温度降低，其结果就会使SiO₂呈过饱和状态，使得石英沉淀下来。

    石英的自生加大是随着埋深增加而增加，石英胶结作用是埋藏较深的标志。石英加大与颗粒表面性质有一定关系。过厚的粘土膜会阻碍石英自生加大，当粘土含量多时，有碍于硅质溶液的交替和沉淀。所以，通常泥质砂岩没有石英自生加大。此外，一般细粒石英碎屑的自生加大要比粗粒发育，这是因棱角多、表面粗糙有利于自生加大的发生。

13    沿剩余粒间孔壁呈微晶状生长的自生硅质

14   呈他形晶粒状集合体充填胶结的自生硅质


15    沿碎屑石英颗粒呈加大边状胶结的硅质

 

    （三）粘土矿物的胶结及转变作用

    几乎所有的砂岩中都有一定数量的粘土胶结物，常见的粘土胶结物有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石及它们之间的过渡类型。砂岩中的粘土矿物有自生的和它生的两种。它生的指来源于母岩的粘土矿物，而自生的指就地生成或再生的粘土矿物。

    在砂岩中，它生粘土常出现在颗粒接触处，并可充填整个孔隙，而自生粘土矿物在颗粒表面形成薄膜。在孔洞中，理想的分布是从颗粒表面向孔洞中间生长，常围绕颗粒形成粘土包壳，可以呈放射状，也可以呈同心圆状。它生粘土常呈平坦带状出现或富集在与沉积纹层平行的薄层里，受结晶习性的影响，其排列具有明显的定向性；而自生粘土矿物以分散的孔洞充填物形式出现，通常构成不规则分布的凝块，产状有孔隙衬里、孔隙充填、交代假象、裂缝和晶洞充填等多种。

    砂岩中发育粘土矿物的种类取决于原有矿物的成分及孔隙溶液的成分、温度及氢离子浓度。在石英砂岩中，以高岭石为主，所需的氧化铝由循环水带入，有些含有自生蒙脱石、伊利石或绿泥石，形成这些矿物的金属阳离子来自上下泥岩或不纯砂岩，也可能来自砂岩中的重矿物。长石砂岩中绿泥石、高岭石易于形成；岩屑砂岩及杂砂岩以伊利石为主，而蒙脱石主要见于火山碎屑砂岩中，这些砂岩中，自生粘土矿物的形成几乎完全可以通过内部物源离子的交换完成。

    粘土矿物从软泥水或孔隙水中结晶出也要求一定的介质条件，在富钾的碱性条件下有利于形成自生伊利石，在富钙的碱性条件下有利于形成蒙脱石，而自生高岭石是在酸性的介质条件下形成。

    高岭石当介质pH值增加，又有K⁺离子加入时就会转变为伊利石；蒙脱石得到大量钾离子时，会释放层间水而形成伊利石；高岭石和伊利石在pH值7以上，很低的氧化电位，富含Fe²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺及SiO₂很少的介质条件下可以转变为绿泥石。       

    随着埋藏深度和温度的增加，其周围介质条件也不断发生变化，便会引起原来粘土矿物向新的粘土矿物转化。高岭石随着温度的增加和地质时代的变老会消失；蒙皂石随着成岩温度和埋深的增加可以向伊利石和绿泥石转化；伊利石随着埋深的增加，其结晶程度越好。

    粘土矿物对储层物性有很大的影响，它不仅减少了砂岩的孔隙空间，而且对于孔隙喉道的影响也极大，常使孔隙喉道变得迂回曲折，甚至堵塞喉道，使渗透率大大降低。另外，粘土矿物的成分会对油层开发产生重大影响。不同的粘土矿物与酸会产生不同的反应，如绿泥石当遇到酸会产生沉淀物堵塞孔隙，注水对蒙皂石及伊／蒙混层矿物影响很大，高岭石和伊利石在流体高速流动时会发生迁移堵塞喉道等等。因此，在研究储层胶结物特征基础上，需要采取相应的保护油层措施。

 
16    呈充填孔隙状的它生水云母粘土

17   沿碎屑颗粒周边呈薄膜状的自生水云母

18   散布于砂岩粒间孔内呈绒球状的自生水云母

 

19    呈孔隙充填状的绢云母（鳞片状白云母）

20   呈集合体状充填孔隙的自生高岭石

21    沿颗粒表面垂直生长形成碎屑包膜的薄膜状的自生绿泥石

21   自生绿泥石沿颗粒表面垂直生长，形成等厚的薄膜


22    伊/蒙混层粘土呈充填孔隙式胶结

23    丝网状可疑混层粘土呈孔隙充填式胶结

24    粗大的晶片状可疑混层粘土呈充填式胶结

    （四）沸石类胶结作用

    沸石类也是砂岩中较常见的胶结物，其中浊沸石、方沸石、片沸石为多，还有少量辉沸石、菱沸石等。它们可以形成于各个成岩阶段。有利于形成沸石的介质条件是高的pH值和富含SiO₂及钙、钠、钾离子高的矿化度孔隙水及适当的CO₂分压。

    在我国储层中沸石类矿物常以交代碎屑或以孔隙充填形式出现，它们分布在各种地质环境和地质时代的储层中，从所见的沸石产出情况来看，已经明确的有3种成因类型：（1）与火山岩或火山物质有关而形成的沸石，如准噶尔盆地石炭—二叠系砾岩中所见的沸石，类型较多，有方沸石、片沸石、辉沸石、浊沸石和丝光沸石等；（2）与盐湖环境有关而形成的沸石，如东濮凹陷和泌阳凹陷以及柴达木盆地—里坪凹陷所见的方沸石及钠沸石；（3）与埋藏成岩作用有关而形成的沸石，如斜长石钠长石化形成的浊沸石等。

25    呈自形粒状充填孔隙的浊沸石


26    呈连生状充填孔隙的自生浊沸石

27 呈粒状充填孔隙并溶蚀的方沸石

28   呈连生状充填孔隙的自生菱沸石，具发育的菱面体解理

    （五）其它自生矿物的胶结作用

    1、自生长石：砂岩中自生长石几乎全呈加大形式存在，经X射线及能谱测试表明，它们主要为钾长石和钠长石，都是碱性长石和斜长石固溶系列中极为纯净的端元组分，并常常为早期成岩矿物。自生长石的形成必须有高浓度的溶解氧化硅和足够的Na⁺／H⁺或K⁺／H⁺比值，其必要的条件是中等的地温梯度，来自生物骨骼或水化硅酸盐矿物的氧化硅，以及来自孔隙水中高丰度的Na⁺和K⁺离子。有些碎屑长石如斜长石或碱性长石系列的中间长石，在地温时不稳定，它们先部分溶解，然后再沉淀为纯净的自生长石。无论正长石还是斜长石，都可发生钠长石化作用，在镜下常见自生钠长石与钾长石的溶解相伴生，显然自生长石是由钠长石化作用而形成。

29    沿碎屑长石边缘再生长的自生长石

30    再生长的自生长石与正长石消光方位不同

31    自生斜长石具清晰地聚片双晶

    2、硫酸盐的胶结：碎屑岩中最常见的硫酸盐类胶结物是石膏和硬石膏较，此外还有重晶石和天青石。

    石膏个硬石膏常呈连晶状充填于孔隙中，也可交代其他矿物产出，可形成与沉积期及成岩作用的各个阶段。形成于沉积期和早成岩期的往往与强蒸发作用有关，晚成岩期的往往与早期石膏的溶解和再沉积作用有关。地层水与沉积物相互反应或不同地层水的混合也可析出石膏与硬石膏。

    较高的盐度、温度和压力有利于硬石膏的生长，晚期成岩硬石膏可能与在温暖、深埋的卤水中的Ca²⁺和SiO₄^2-的活动性变化有关，也可能与白云石化或钠长石化而被释放出的Ca²⁺的作用有关。石膏和硬石膏的转化是可逆的，它取决于孔隙水的盐度、温度和压力。随着埋藏深度的增加，温度和压力或盐度亦相应地增加，石膏可发生脱水作用转变为硬石膏；反之，硬石膏也可发生水化作用而转变为石膏。

    砂岩中亦常可见到少量重晶石，个别情况下为重晶石和天青石。它们常呈晶粒状、板条状、连晶斑块状充填在孔隙中或交代其他碎屑颗粒，有时甚至可见针状状或板柱状重晶石生长在砂岩的孔隙当中。形成重晶石需要的钡离子，可以由钾长石高岭石化和溶蚀过程中提供。

 

32     自生纤状石膏充填式胶结

33    硬石膏呈连生状充填孔隙

 

34    生长于粒间孔中的自生自形晶粒状重晶石

35   自生针状重晶石与高岭石充填孔隙

36    呈他形充填孔隙的自生重晶石，具两组近于正交的解理

 

    3、铁氧或氢氧化物：主要有针铁矿、褐铁矿、赤铁矿和磁铁矿。主要分布在露头风化的红色砂岩中。沉积物中胶质、非晶质铁氧化物老化和脱水形成针铁矿，针铁矿脱水形成赤铁矿；砂岩中的褐铁矿斑块常常是由菱铁矿氧化而成或由含铁的碳酸盐矿物氧化后形成。

    4、黄铁矿：可形成于成岩作用的各个阶段，是强还原介质条件下的产物。同生期和成岩早期形成的黄铁矿多呈莓状；成岩期形成的黄铁矿多呈晶粒状，从自形到它形，也可成结核状。黄铁矿的生成与沉积物中所含有机质有关，来自油气中的H₂S气体成形成分散状黄铁矿，Fe²⁺可以来自与页岩有关的褐铁矿或者从粘土矿物的交换反应中得到。很多砂岩油藏中，黄铁矿倾向于分布在油水界面部位。

37    呈它形充填孔隙状的黄铁矿

38    与37号照片同视域的反射光照片

39    自形晶粒状黄铁矿

40    与39号照片同视域的反光照片

41    为充填于孔隙中的自生晶粒状黄铁矿集合体

42    与照片41同视域的反光照片

    5、黄钾铁矾：其生成与硫化物有关，常与褐铁矿、黄铁矿、高岭石、水铝英石等共生，可作为一种晚期热液矿物出现在与凝灰岩或次火山岩相邻的砂岩中。易变为褐铁矿。

43    呈粉晶粒状集合体充填孔隙及裂缝的黄钾铁矾

44    呈粉晶粒状充填孔隙并沿颗粒边缘交代的黄钾铁矾

 

45    凝灰质胶结

46   蚀变凝灰质胶结

47   蚀变凝灰质胶结

 

    四、溶蚀、溶解和交代作用

    溶解作用是在地下深部，碎屑岩中各种组分、胶结物及杂基，在特定的环境下发生了溶解作用而形成了次生孔隙；溶蚀作用是矿物组分的不一致溶解，所形成新矿物，其化学组成与被溶矿物相近，如长石的高岭土化；交代作用为矿物被溶解，同时被孔隙沉淀出来的矿物所置换，新形成的矿物与被溶矿物没有相同的化学组分，如方解石交代石英。

    次生孔隙形成的最佳条件：①富烃源岩与储层相邻；②储层经历简单的埋藏史；③有机酸在泥岩中的居留时间不长；④有流体流动和与运移的通道。

48    长石颗粒溶蚀而形成的长石溶孔

 49   石榴石溶蚀形成的颗粒溶孔

50   长石颗粒的完全溶蚀形成长石溶孔

51    长石颗粒完全溶蚀，仅剩沿解理分布的次生变化物残余

52    充填孔隙式胶结的铁白云石轻微溶蚀

53    充填孔隙的方沸石强烈溶蚀形成沸石溶孔

54    自生浊沸石呈连晶状充填孔隙，局部发生溶蚀形成沸石溶孔

55    岩屑溶蚀形成颗粒内溶孔


56    充填孔隙状浊沸石溶蚀之后，又发生自生硅质的胶结，硅质将部分浊沸石溶蚀残余包裹


57    照片中央一粒正长石发生溶蚀，仅剩沿解理分布的粘土或铁质，长石溶孔被稍晚期生成的

自生石英和方解石充填

58    含铁方解石发生溶蚀形成碳酸盐溶孔

59   石英加大之后充填孔隙的方解石发生溶蚀，形成碳酸盐溶孔

60    充填孔隙的粘土矿物发生溶蚀，形成粒间溶孔

61    石英岩岩屑发生溶蚀形成岩屑粒内溶孔

62   与照片61为同视域，正交偏光下可辨认被溶碎屑为石英岩屑


63    燧石溶蚀形成的岩屑内溶孔


64    白云岩屑发生溶蚀形成岩屑溶孔

65    燧石颗粒溶蚀形成规则的圆形粒内溶孔

 

    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不规则的边缘；也可以完全交代碎屑颗粒，从而成为它的假象；晚期矿物还可以交代早期的胶结物、交代物。根据矿物的交代关系，可以确定矿物形成的顺序。

     交代作用有明显的标志：

    （1）矿物假象：交代矿物具有被交代矿物的假象，矿物的原始组分均已被交代，但其结晶习性得到完好的保存。

    （2）幻影结构：矿物受到强烈的交代作用，原生颗粒只留下模糊的轮廓叫幻影，如硅化鲕粒，白云石化生物骨骼等，其内部结构已消失，仅保留有外形。

    （3）交叉切割现象：颗粒及矿物被自形晶体或镶嵌结构的晶体或结核所切割，被切割的颗粒是被交代的。

    （4）残留的矿物包体：中间被包的矿物为被交代矿物。

    66   被方解石全交代了的长石碎屑，仅剩长石颗粒的轮廓，呈交代假象

 

67    局部绿泥石化的石榴石

68    长石碎屑被高岭石全交代，仅见少量交代残余及碎屑轮廓

69    粉晶状铁白云石沿碎屑颗粒边缘交代碎屑，网状粘土交代部分长石颗粒


70    从照片中央被完全硅化的碎屑轮廓及残留物大致判断，该碎屑硅化前可能为长石碎屑。

这种现象是否便是上面提到的交代幻影呢？

71    照片中央隐约可见一正长石的晶体轮廓，但现在已被与相邻颗粒消光方位一致的矿物组分

所充填，碎屑轮廓是由交代或溶蚀残余而显现出来的，这种现象在鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中

较常见，是否也是一种交代幻影？

72    一个完全高岭石化的碎屑，从颗粒轮廓判断可能为一种不稳定的岩石碎屑

    五、重结晶作用

    矿物的多形转变是一种较为复杂的广义的重结晶作用，在一般情况下，当一种矿物相转变为另一种矿物相时，只发生晶格大小的变化，重结晶作用主要发生在碎屑胶结物中，是小晶体重新组合和结晶成大晶体，只在那些非常细的物质中发生。如隐晶状高岭石转变为鳞片状或蠕虫状结晶高岭石，水云母转变成绢云母微晶状绿泥石转变为纤状或放射状绿泥石、文石转变成方解石等等。

73    砂岩中晶体巨大的方解石，很有可能为早期方解石经重结晶后形成

74    粘土矿物经重结晶，沿碎屑周缘定向排列

75    充填孔隙的粗晶粒状绢云母，则可能是由水云母重结晶后所形成

    六、矿物的蚀变和变形

    典型例子是云母的蚀变和变形现象。黑云母在成岩环境中化学成分很不稳定，在成岩作用早期，甚至在埋藏前，碎屑状叶片将蚀变成碎屑碳酸盐和含水的粘土矿物的混合物。蚀变过程引起巨大的体积膨胀，结果产生出大小为原生碎屑叶片数倍的不透明细粒团块，后来在周围刚性颗粒的挤压下进入临近的粒间孔隙，使孔隙度减少。 

76    碎屑黑云母经泥化、钛铁矿化后体积明显发生膨胀并将相邻孔隙充填

   

77    黑云母蚀变后体积膨胀，比原体积增大数倍

78   黑云母泥化后体积膨胀并变形

79    照片中央的高岭石疑为由云母蚀变而来，局部隐见云母残余

80    一粒不稳定岩屑局部发生高岭石化

81    充填孔隙的凝灰质蚀变后转化为硅质和粘土矿物

82    沿孔隙壁生长的粘土膜开始向混层转化，发生卷曲和搭桥


83    黑云母的蚀变膨胀多发生在开放部位 

84    黑云母的碳酸盐化----铁白云石沿云母发生交代

85    黑云母的菱铁矿化-----微粒状菱铁矿沿云母发生交代

86    云母的粘土化现象，仍可见云母残余，粘土矿物呈六方板状集合体，似埃洛石