Prozess der chemischen, physikalischen oder biologischen Umwandlung organischer oder mineralischer Stoffe bis zum Eintreten von druck- und temperaturbedingten Veränderungen (Metamorphose).

1) Die Diagenese von Sandsteinen umfasst alle chemischen und physikalischen Prozesse, die Sande vom Zeitpunkt der Sedimentation bis zum niedrigsten Grad der Metamorphose beeinflussen. Dabei wird das Lockersediment in ein Festgestein umgewandelt. Die wesentlichsten Umwandlungen betreffen die Reduzierung der Porosität durch Kompaktion und Ausfällung authigener Minerale (Zementation) sowie die Auflösung instabiler Komponenten. In der Frühdiagenese kann es neben einer Neuordnung des Partikelgefüges (Kompaktion) bereits zur Neubildung von Mineralen im Porenraum oder zu Lösungsprozessen kommen. Die späte Diagenese von Sandsteinen wird durch Überlagerungsdruck, Temperatur und Fluidfluss kontrolliert. In der Regel nimmt die Porosität von Sandsteinen mit steigender Tiefe ab, da offene Porenräume mit Mineral-Neubildungen gefüllt werden. Mit zunehmender Versenkung erfolgt zunächst eine Reorganisation des Korngefüges (mechanische Kompaktion), bei der der Porenraum durch eine dichtere Packung verkleinert wird. Unter größeren Überlagerungsmächtigkeiten beginnen sich die Klasten an den Kornkontakten zu lösen (Drucklösung).

2) Carbonatdiagenese: Carbonatsedimente bestehen primär aus einem Gemisch von Aragonit, Hochmagnesium-Calcit und Niedrigmagnesium-Calcit. Die ersten beiden CaCO3-Modifikationen sind metastabil und wandeln sich i.d.R. mehr oder minder schnell in Niedrigmagnesium-Calcit um, alle Modifikationen sind zudem in Wasser relativ leicht löslich. Die Carbonatdiagenese beinhaltet mikrobiell induzierte Mikritisierung, Zementation, Neomorphose, Lösung, Kompaktion einschließlich Drucklösung und Dolomitisierung.

3) Bei der Bildung von fossilem Brennstoff ist die Diagenese das erste von drei Hauptstadien. Unter anoxischen Bedingungen kann abgestorbene organische Materie im Sediment akkumuliert werden. Hauptquelle dieser organischen Materie sind Phytoplankton, Zooplankton, Landpflanzen und Bakterien. In marinen Sedimenten wird zunächst eine oxidierende Zone durchlaufen, in der der gesamte vorhandene Sauerstoff für die Oxidation der organischen Materie aufgebraucht wird. Mit zunehmender Tiefe schließt sich eine anaerobe, sulfatreduzierende Zone an. Es folgt eine anaerobe, methanproduzierende Zone. In jeder dieser Zonen kommt es durch unterschiedliche Bakterien zu einem teilweisen Abbau der organischen Materie. Mit zunehmender Tiefe ist das Sediment einem Druck- und Temperaturanstieg ausgesetzt. Dieser Druck- und Temperaturanstieg bewirkt eine Polymerisation und Polykondensation der durch die mikrobiologischen Aktivitäten gebildeten Fragmente. Der lösliche Anteil wird als Bitumen und der überwiegende unlösliche Anteil als Kerogen bezeichnet. Im letzten Schritt der Diagenese werden weitere Bindungen und funktionelle Gruppen abgespalten, sodass es zu einer Freisetzung von Wasser, Kohlendioxid, Asphaltenen und Harzen kommt. Die Diagenese beginnt sofort nach der Sedimentation des abgestorbenen organischen Materials und läuft bis zu einer Tiefe von einigen 100 m ab. Durch die Zunahme von Temperatur und Druck schließen sich die Katagenese und die Metagenese an.