白云巖形成機理及白云巖中微生物作用的探究

黃 鑫，何 賽，趙 龍

(成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059)

白云巖形成機理及白云巖中微生物作用的探究

黃 鑫，何 賽，趙 龍

(成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059)

現今碳酸鹽巖的研究中，白云巖成因研究是其中一大熱點。文章從白云巖的微生物分類出發，主要介紹白云巖形成機制中的微生物作用，同時對埋藏作用、混合水作用、回流滲透作用以及薩布哈作用也做了一定描述，認為以上形成機制共同特點旨在提高流體中Mg2+濃度促進白云石形成。Mg2+補給是白云化作用進行物源保障，其主要來源于生物活動、海水或者鹽湖水以及巖漿巖和其他含Mg2+礦物。微生物作用的引入為白云巖成因研究提供了新的方向，但對尋找除硫酸鹽還原細菌、產甲烷古菌、中度嗜鹽好氧細菌外能進行白云化作用的微生物以及對深埋藏白云巖形成機制及動力學因素的確定都還需工作的進一步進行。

白云巖；微生物作用；形成機理；影響因素

隨著油氣勘探開發工作的不斷深入，白云巖油氣勘探已取得了較大的進展?？v觀全球，目前已發現的白云巖油氣田中，古生代沉積的地層發現的白云巖油氣田占到65.64%，中生代占33.40%，由在地質歷史角度可以看出，白云巖油氣儲集體數量隨著埋藏時間的縮短而呈遞減趨勢[1]。至今未在常溫常壓實驗中獲得一定化學計量的白云巖，加之在現代海洋沉積物中也未發現白云巖沉淀，因此白云巖的成因問題仍然存在一定爭議。

1 白云巖分類

早在1903年，前蘇聯生物學家觀察到鹽湖中的硫酸鹽還原細菌能沉淀出少量細粒白云石。隨后眾多研究者進行了與之相關的研究(Nadson 1928；Neher 1959；Warren 1988，1990等)[2]，直到1995年通過Lagoa Vermelha微生物培育在低溫條件下成功沉淀出白云石(Vasconcelos等)，進一步證實了微生物在白云巖形成過程中有重要影響。近來，有學者在馮增昭(1994)提出的白云巖分類方案的基礎之上，將白云巖按成因分為：微生物白云巖與非微生物白云巖[3],見圖1。

圖1 白云巖成因分類及其相應的

這種分類方法，既強調了微生物在白云巖成巖中的作用，又避免了原生白云巖與次生白云巖中存在界限不明顯的分類，如不存在任何交代構造的泥晶白云巖。另外簡化了原來四個生成期次的分類，根據該分類方法，將白云巖的生成機理分為六大類，各生成機理的特點將在后文進行詳細分析。

2 白云巖形成機理

2.1 微生物作用

對于產甲烷古菌，P.A.Kenward等(2009)在30℃環境中試驗[5]，先將產甲烷古菌與厭氧微生物組成的異化鐵還原細菌在發酵罐中混合培養90天后轉移至以產甲烷古菌為主的系統中。原發酵罐中白云石(Ωdol=19.40)僅在甲烷生成開始或增加CH 4后增加兩個數量級(Ωdol= 2 330.77)，通過掃描電鏡和透射電鏡證明沉淀的白云石與細胞壁和細胞外多糖密切相關。

Sanchez-roman, Vasconclos等(2009)使用從巴西Brejo do Espinho的微生物席最上部分離的中度嗜鹽需氧細菌(Virgibacillus marismortui和Marinobacter)的實驗室培養結果證明，微生物對白云石沉淀的作用可以在有氧的情況下在環境地表進行[6]。

學者在研究時發現不同埋深的白云巖所表現出來的特征存在很大區別，黃思靜(2010)認為白云巖600～1000m埋深的白云巖具有相似的特征，因此將600～1000m定為“近地表-淺埋藏環境”，1000m以上的深度定為“廣義深埋藏環境”。淺埋藏環境下形成的白云巖中存在礦物氧化和烴源巖不成熟的特點；深埋藏白云巖則主要為還原環境下的產物，所以其中存在被還原的礦物，烴源巖更成熟，并且有“砂糖狀白云巖”形成，在超過80℃的地層中有時會出現鞍狀白云石。

圖2 掃描電鏡照片

圖2描述了有機質膜(EPS)與碳酸鹽表面和細胞密切相關。 納米級礦物包含著微生物(左下虛線橢圓)同時鑲嵌于EPS涂層邊緣(虛線段的左下角)。其中許多菱形礦物已經生長在一起，填充在碳酸鹽表面(虛線段的右上方)。菱形(上方虛線菱形)的礦物能譜掃描表明礦物成分與白云石是一致的C，O，Ca和Mg(光譜未顯示)。Scale bar=1μm. (據[5])

圖3 A為中度嗜鹽需氧細菌沉淀出的球形白云巖顆粒[8]，B為硫酸鹽還原菌沉淀出的由啞鈴型轉變為花椰菜型的白云石

2.2 埋藏白云化作用

由于目前為止沒有在常溫常壓的實驗環境中生成一定化學計量的白云石，但高溫條件下有白云石沉淀產生，說明高溫有利于白云巖形成，因此在自然環境中由于地層埋深增加地層溫度隨之增高的緣故，高地溫為白云巖的形成提供了溫度條件。埋藏白云化作用可分為兩類，一類是深埋藏白云化作用，文中指在地下深處沉積的白云石發生重結晶作用和白云石化作用，即進行的早期沉積成巖作用，如賦存于晶間孔隙中的瀝青質就是在這一階段的晚期運移到孔隙中去的[9]；另一類為深埋藏調整作用，即在早期已經發生過白云化作用的基礎上，由于構造、溫度等因素的改變而進行的后期成巖作用。

2.3 混合水白云化作用

雖對于混合水白云化作用還存在一定爭議，但混合水白云化作用在部分條件仍被認為是不同于其他成因機制而單獨存在。混合水白云化作用即淡水和海水混合后作用于巖層使方解石被白云石交代的作用。這種作用具有較為明顯的識別標志，由于方解石被交代的反應需要在還原條件下進行，因而交代后的巖石一般為灰、白色等，不具備氧化色；作用后的方解石晶體形態不一，但隨著作用程度的加深，方解石膠結物晶體也逐漸加大；生屑灰巖中粒間孔隙被白云石和方解石呈世代交替充填[10]。

2.4 回流滲透白云化作用

富含Mg2+的鹽水，由于自身密度較大，在鹽湖或瀉湖中往湖底流動，并在湖底向地下滲透或者透過湖底沉積物間孔隙回到海中，在下滲回流的過程中，湖底的碳酸鹽巖發生交代，形成白云巖。在潮坪相中，隨著水的大量蒸發，水體密度逐漸增大，因而容易發生小規模回流滲透作用；而大規模回流滲透作用主要發生在富含蒸發巖的碳酸鹽巖臺地和盆地[11]。

2.5 薩布哈白云化作用

又稱“蒸發泵模式”，主要發生于潮間-潮上帶，由于蒸發作用使潮坪下的海水通過毛細管作用向上覆巖層運移，使得海水濃度不斷升高，Mg2+/Ca2+比值升高，使富Mg2+高濃度流體與沉積的碳酸鹽巖發生白云化作用，進而形成白云巖。3白云化作用中Mg2+來源

微生物白云化作用是使Mg2+脫離"束縛"游離于流體中，再通過微生物使Mg2+聚集并沉淀，而其余的白云化作用過程就是一個Mg2+與方解石等碳酸鹽巖石反應的過程，因此Mg2+是白云巖能否大量形成的物質基礎。研究發現，Mg2+的來源可分為以下三種：

(1)生物來源。海膽是目前發現的唯一能自身合成白云巖的生物。除上述微生物能將Mg2+聚集以外，研究者還發現一些動植物的生長過程中會使Mg2+富集，然后通過新陳代謝或者死亡將富集起來的Mg2+同其代謝物或軀體一起沉積下來，因此通過生物作用形成的白云巖通常能在其中發現生物遺跡或化石。

(2)含Mg2+流體來源。含Mg2+流體根據氣分布主要分為兩種：海水和鹽湖水。海水中的Mg2+通過薩布哈模式、回流滲透等作用進入碳酸鹽巖孔隙中。在湖相白云巖中，水分蒸發，鹽湖水密度增加使得回流滲透作用發生。

(3)巖漿巖或其他礦物來源。含Mg2+巖漿向上侵入地層，然后冷凝固結成巖，或是地殼中含Mg2+礦物(玄武巖，菱鎂礦或黑云母等)由于自身的轉化或者流體的腐蝕林慮后也會釋放出Mg2+，而這種情況下形成的白云巖中會留下原來含Mg2+礦物的化學特征[12]。

4 總結

白云巖成因問題的討論從未停止，加之近來一個新的沉積學分支被提出——微生物席沉積學，進一步強調了微生物為白云巖形成作出了不可磨滅的貢獻，使得微生物作用的出現使研究有了新的方向。利用微生物作用對白云石分類簡化了分類方法，跨過了界定原生白云巖和次生白云巖的爭議地帶，同時也強調了微生物在白云巖形成中的作用。

就以上目前被廣泛認可的白云巖形成機制，除微生物白云化作用外，其它的白云化作用都發生在碳酸鹽巖沉積之后，因此認為大面積的白云巖形成還是主要依靠成巖后的交代作用。這些白云化作用的目的都是旨在提高流體中Mg2+/Ca2+比值，進而使方解石、文石被白云石交代。分析各個形成機制進行的條件，Mg2+濃度的增加及在巖層中的運移需要蒸發作用的進行，因此研究中對古地貌與古氣候的分析也尤為重要。

混合水白云化作用、回流滲透白云化作用、薩布哈白云巖作用等都需要在埋深較淺的巖層進行，而對于深埋藏的白云巖的形成機制及其動力學因素仍然沒有較準確的解釋；除了硫酸鹽還原細菌、產甲烷古菌、中度嗜鹽好氧細菌外是否還存在其他跟白云化作用有關的微生物，這些問題都是今后白云巖研究中亟待解決的。

[1] 馬 鋒,楊柳明,顧家裕,等. 世界白云巖油氣田勘探綜述[J].沉積學報,2011(05):1010-1021.

[2] 王 寧.微生物成因白云石研究進展[J]. 巖石礦物學雜志,2011(04):683-690.

[3] 何治亮. 中國海相碳酸鹽巖儲層成因與分布[M]. 北京;科學出版社, 2016:5-25

[4] 由雪蓮,孫 樞,朱井泉,等. 微生物白云巖模式研究進展[J]. 地學前緣,2011(04):52-64.

[5] Kenward P A, Goldstein R H, González L A, et al. Precipitation of low-temperature dolomite from an anaerobic microbial consortium: the role of methanogenic Archa-ea[J]. Geobiology, 2009, 7(5):556-565.

[6] Sánchez‐Román M, Vasconcelos C, Warthmann R, et al. Microbial Dolomite Precipitation under Aerobic Conditions: Results from Brejo do Espinho Lagoon (Brazil) and Culture Experiments[M]// Perspectives in Carbonate Geology: A Tribute to the Career of Robert Nathan Ginsburg. John Wiley & Sons, Ltd, 2009:167-178.

[7] 孟 崢,周向輝,李 朋. 微生物在白云巖和原生沉積構造形成中的作用[J]. 低碳世界,2016(27):118-119.

[8] Sánchez-Román M, Mckenzie J A, Wagener A D L R, et al. Presence of sulfate does not inhibit low-temperature dolomite precipita-tion[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2009, 285(1):131-139.

[9] 藺 軍,周芳芳,袁國芬. 塔河地區寒武系儲層深埋藏白云石化特征[J]. 石油與天然氣地質,2010(01):13-21，27.

[10] 韓定坤,傅 恒,劉雁婷. 白云石化作用對元壩地區長興組儲層發育的影響[J]. 天然氣工業,2011 (10):22-26，115.

[11] 袁鑫鵬,劉建波. 回流滲透模式白云巖研究歷史與進展[J]. 古地理學報,2012(02):219-228.

[12] 赫云蘭,劉 波,秦 善. 白云石化機理與白云巖成因問題研究[J]. 北京大學學報(自然科學版),2010 (06):1010-1020.

(本文文獻格式：黃 鑫，何 賽，趙 龍.白云巖形成機理及白云巖中微生物作用的探究[J].山東化工，2017，46(08)：178-180.)

Study on the Formation Mechanism of Dolomite and the Microbial Action in Dolomite

HuangXin，HeSai，ZhaoLong

(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China)

In the study of carbonate rocks, the study of the genesis of dolomite is one of the hot spots. This paper mainly introduces the microbial action in the mechanism of dolomite formation, and also describes the role of burial, mixed water, reflux and Sabah. It is concluded that the above mechanism is common Features are designed to increase the concentration of Mg2+in the fluid to promote the formation of dolomite. The supply of Mg2+is a source of protection for dolomite, which is mainly derived from biological activities, seawater or salt lake water and magmatic rocks and other Mg2+-containing minerals. The introduction of microbial action provides a new direction for the study of the genesis of dolomite, but the search for microbes such as sulfate-reducing bacteria, methanogenic bacteria, moderate halophilic aerobic bacteria, The formation mechanism of rock and the determination of kinetic factors are still needed to further study the work.

Dolomite；Microbial action；Forming mechanism；Influencing factors

2017-03-05

黃 鑫(1992—)，碩士研究生，研究方向為儲層地質學及儲層地球化學。

P588.2

A

1008-021X(2017)08-0178-03