Под диагенезом понимают все те процессы, которые ведут к превращению рыхлого осадка в породу, в камень. Поэтому синонимом этого слова в русском языке является окаменение, хотя последнее и не полностью отражает всю совокупность метаморфоз, происходящих с осадками. По ассоциации с онтогенезом живых организмов этот период существования камня может быть определен как «юность» (или «возмужание»). Она протекает на фоне постепенного уплотнения осадка и сокращения его объема за счет удаления седиментационных, а затем и части поровых вод. В этом смысле «возмужание» в неживой природе — процесс, обратный тому, что происходит с живым организмом, который на этой фазе развития растет и увеличивается в объеме.

Уплотнение протекает под нагрузкой перекрывающих (более молодых) осадочных образований. Поэтому для завершения данною процесса необходимо накопление все новых и новых масс осадков. Если последнее застопорилось или прекратилось вовсе, то останавливается или, во всяком случае, резко замедляется дальнейшее уплотнение. Тогда осадок на неопределенное время может остаться незрелым, хотя возраст его будет исчисляться миллионами лет. Он так и состарится, не став настоящей породой, хотя со временем будет по некоторым параметрам приближаться к ней. Впрочем, такие случаи редки, так как находящиеся близ земной поверхности рыхлые образования неминуемо уничтожаются эрозией. Поэтому в осадочных толщах достаточно древнего возраста рыхлые отложения встречаются редко. Как правило, это несцементированные пески или реликтовые почвы, сохранившиеся только потому, что были перекрыты другими окаменевшими осадками — глинами, известняками или мергелями.

В отложениях разного состава и уплотнение протекает неодинаково. В песках и в других зернистых осадках обломочного происхождения оно реализуется достаточно быстро, если в них есть или успевает образоваться цементирующее вещество. Каркас будущей породы возникает после того, как отдельные зерна вступают в плотный контакт с соседними. Далее уплотнение идет до достижения наиболее компактной упаковки зерен и частичного их растворения на контактах (плагиоклазы и другие неустойчивые компоненты). Глины уплотняются за счет изменения пространств венной ориентации отдельных чешуек и их агрегатов, их упорядочения. Последнее достигается при упаковке чешуй глинистых минералов преимущественно параллельно поверхности раздела вода-осадок, или, как говорят геологи, параллельно напластованию. При этом вследствие компактности упаковки постепенно достигается наименьший объем. Лишняя вода между отдельными чешуйками выдавливается из осадка вверх, в менее плотный осадок, и вниз, в так называемые коллекторские горизонты (ими обычно служат пески и гранулярные карбонатные, реже кремнистые отложения).

По мере погружения в недра давление вышележащих осадков все более возрастает. Чешуйки глинистых минералов плотнее соприкасаются друг с другом, а седиментационная вода полностью изгоняется из глины. Количество вытесняемой воды по мере возрастания геостатического давления (давления вышележащих отложений) со временем уменьшается. В целом процесс уплотнения глинистых осадков описывается гиперболической кривой, отражающей следующую закономерность. В начале процесса окаменения при небольшой нагрузке вышележащих наносов осадок теряет много влаги; в дальнейшем же увеличение нагрузки на порядок, а потом и на два дает все более скромный результат. Это и понятно, так как в глине остается со временем все меньше свободной воды, а та, которая в ней находится, связана с чешуйками слоистых минералов различными силами, т. е. является адсорбированной. Чтобы преодолеть эти силы, требуется все большее давление и, кроме того, более высокая температура среды.

На определенном этапе глинистый осадок теряет способность течь и формоваться (из него не вылепишь фигурки, не сделаешь какую-либо форму), а через некоторое время и вовсе перестает размокать в воде. На этом завершается превращение осадка в породу. Стадия диагенеза пройдена. В обычных условиях это происходит при погружении в недра на глубины 500–800 м. Плотность глины, в начале процесса уплотнения не превышавшая 1,4–1,5 г/см³, возрастает до 2–2,1 г/см³. Соответственно пористость уменьшается с 60–70 до 18–20 %. Чешуйки глинистых минералов плотно прилегают теперь друг к другу, словно кирпичи в фундаменте дома, между которыми почти не остается зазоров. Глина становится непроницаемой для флюидов, даже для многих газообразных, исключая метан.

Мы так подробно описываем диагенез глинистых осадков потому, что они в количественном отношении преобладают в осадочных разрезах земной коры. К тому же процессы окаменения протекают в них дольше, нежели в других образованиях, литификация которых заканчивается обычно раньше. На фоне длительного уплотнения глин, продолжающегося нередко миллионы лет, особенно быстрыми кажутся диагенетические трансформации кремнистых осадков. С этим явлением столкнулись буровики с американского судна «Гломар Челленджер» в начале осуществления программы глубоководного бурения в океанах. Среди рыхлых и слабоуплотненных образований, слагающих верхний слой чехла абиссальных котловин, бур то и дело натыкался на крепкие породы. При их преодолении снашивались или сбивались коронки. Тогда, в конце 60-х — начале 70-х годов, еще не был разработан механизм смены бурового инструмента в море, позволяющий продолжать бурение ствола в той же точке, где оно было приостановлено. По этой причине проходка многих скважин прекращалась задолго до достижения расчетной глубины. Оказалось, что бур натыкался под дном морским на горизонты крепчайших кремней, наличие которых в разрезе прекрасно фиксировалось сейсмическими методами. Эти кремни были, по существу, уже породой, тогда как окружавшие их осадочные образования находились еще в процессе окаменения.

Стоит напомнить, что кремнистые осадки изначально сложены скелетными остатками кремнестроящих организмов — диатомей, радиолярий, силикофлагеллят и др. Эти осадки характеризуются высокой пористостью и служат каналами для выведения воды, которая выдавливается на соседних, более тонких по размерности отложениях. Вода эта поначалу недосыщена кремнеземом, поэтому растворяет многие органические остатки. Часть растворенного кремнезема оседает тут же в поровом пространстве осадка. Затем из окружающих илов начинает поступать вода, обогащенная кремнеземом, так как там с течением времени происходит разрушение ряда малоустойчивых минералов, содержащих в структуре кремний. Вследствие изменений pH и Eh на границе двух сред кремнезем оседает в горизонте-коллекторе, В результате этого последний быстро теряет проводящие свойства (проницаемость) и трансформируется в непроницаемые и очень плотные образования — кремни. В этом случае переход от осадка к породе произошел не столько из-за уплотнения, сколько в результате процессов перерастворения и осаждения вещества, часть которого привнесена извне, из соседних горизонтов разреза.

Таким образом, диагенез — это не только уплотнение, но и сложный ряд физико-химических реакций, приводящих к перераспределению вещества как внутри осадков одного типа, так и между осадками разного состава. Осаждение новых минералов из иловых (седиментационных) вод особенно часто наблюдается на границе между двумя разными типами осадков. Здесь же садятся многие растворимые фазы, мигрировавшие вместе с вытесняемой водой. Например, под прослоем вулканического пепла в колонках осадков из Ионического моря очень часто обнаруживается прослой фиолетового цвета, обогащенный оксидами марганца, выделившимися из поровых вод. Толщина таких прослоев может достигать 3–5 см.

В других условиях на границе между пластами разного состава, а иногда и внутри самих пластов начинается формирование конкреций. В одно место как бы стягиваются вещества, находящиеся в избыточной концентрации в перовой воде. Вокруг определенного центра, которым может оказаться линза грубого материала или карбонатная раковина, образуется «рубашка» карбонатного, кремнистого или железистого состава. За одним слоем с течением времени нарастает другой, и постепенно за тысячи лет возникает очень плотное осадочное образование шаровидной или дискообразной формы с размерами от нескольких сантиметров до полуметра в диаметре. По плотности и крепости конкреция резко отличается от вмещающей породы. Если она сформировалась в еще мягком осадке, т. е, в диагенезе, то границы пласта, в котором расположена конкреция, над ней и под ней изгибаются. Пласт как бы раздувается в толщину в этом месте.