微生物白云石模式評述

楊 華 ，王寶清

（1中國石油長慶油田分公司；2西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院）

微生物白云石模式評述

楊 華1，王寶清2

（1中國石油長慶油田分公司；2西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院）

Vasconcelos等在實驗室模擬巴西Lagoa Vermelha潟湖條件，成功地沉淀出白云石，由此提出了微生物白云石模式。該模式在南澳大利亞、阿拉伯海灣、西印度外陸棚邊緣以及意大利南部等地區(qū)得到了不同研究者的肯定，我國鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段白云巖也可以解釋為微生物成因。此模式對白云石形成機理的研究具有突破性的意義。當(dāng)硫酸鹽還原細菌利用SO42-時，也吸收了Mg2+，因為Mg2+與SO42-形成了很強的離子對。微生物由于其新陳代謝作用利用SO42-而克服了動力障礙，同時從離子對中釋放出Mg2+。在白云石形成的化學(xué)反應(yīng)中，微生物因素把硫酸根離子從反應(yīng)的抑制劑變成了催化劑。白云石一旦成核，就會在埋藏過程中長大。盡管不是所有的白云石都可以用微生物白云石模式來解釋，但野外研究和模擬實驗都證明這一模式是有說服力和生命力的。

白云石化作用；白云巖；成巖機理；微生物作用；成因模式；巴西；鄂爾多斯盆地

白云巖儲層大約占北美碳酸鹽巖油氣儲層的80%［1］，俄羅斯、西北歐、南歐、北非、西非、中東及遠東地區(qū)都有大量的白云巖儲層［2］，中國的碳酸鹽巖儲層與白云巖也有不同程度的關(guān)系。白云石是組成白云巖的主要礦物，因而白云石的形成機理一直是沉積學(xué)家和石油地質(zhì)學(xué)家關(guān)注的重要問題。

自1791年Dolomieu發(fā)現(xiàn)白云石以來［3］，已有200多年，前兩個世紀的研究歷史為：第一個世紀，主要是發(fā)現(xiàn)階段，并應(yīng)用物理化學(xué)原理來解釋所觀察到的現(xiàn)象；第二個世紀是在現(xiàn)代沉積中發(fā)現(xiàn)了白云石，并發(fā)展了新思想。這些新思想主要表現(xiàn)在三個方面：一是根據(jù)現(xiàn)代沉積中的白云石形成條件，解釋白云石的形成機理；二是設(shè)法模擬自然條件，在實驗室沉淀白云石；三是提出了一系列模式。當(dāng)前有一些長期存在的問題仍然沒有解決，其中之一是在復(fù)制現(xiàn)代白云石形成環(huán)境和條件的實驗室無法沉淀出白云石［4］。

上世紀末， Vasconcelos等［5-6］根據(jù)巴西Lagoa Vermelha海岸潟湖現(xiàn)代白云石的研究，在實驗室模擬Lagoa Vermelha潟湖條件［7-9］，成功地沉淀出白云石，并由此提出了微生物白云石模式，即由微生物作為催化劑促使白云石沉淀的模式。

1 微生物白云石模式的由來

自20世紀60年代在現(xiàn)代沉積中發(fā)現(xiàn)白云石以來，在研究白云石形成機理的過程中，提出過許多白云石化模式，如滲濾回流模式［10-11］、薩勃哈或蒸發(fā)泵模式［12］、混合水模式［13-14］、構(gòu)造控制的熱液白云石化模式［15］等。由于這些模式?jīng)]有用實驗證實，往往在一種模式流行一段時間后，被新的模式所取代。白云石形成機理問題至今仍然沒有真正得以解決。

在地表溫度的實驗室條件下或現(xiàn)代自然環(huán)境下很難從飽和溶液中沉淀出白云石，很多企圖合成白云石的非生物實驗均以失敗告終［16-17］。此障礙與動力因素有關(guān)［18-20］。沉淀實驗的失敗是沒有考慮礦化過程中生命活動的影響。微生物參與白云石形成的假說并不是新近提出的［21］，過去十多年對這一觀點積極肯定的評價不斷增加。白云石的形成可出現(xiàn)在適合微生物生長，有足夠Ca2+、Mg2+和CO32-離子的地質(zhì)條件下，可以從沉積表面一直到地下1～3km的深處。許多學(xué)者認為，微生物可以把Ca2+和Mg2+集中在其細胞表面，產(chǎn)生一個微環(huán)境，在此微環(huán)境中方解石或白云石的離子活度積可以超過飽和度，因而有利于碳酸鹽在微生物體周圍沉淀［22-24］。他們注意到，鎂離子可能優(yōu)先留在有機質(zhì)基質(zhì)上，這些富Mg2+的點可以成為白云石的核和重結(jié)晶的中心。硫酸鹽還原微生物是碳酸鹽沉淀中最常涉及的一類。

1995 年，Vasconcelos 等［5］提出了微生物白云石模式，十多年來，通過Vasconcelos等和其他學(xué)者的進一步工作，表明此模式對白云石形成機理的研究具有突破性的意義。

2 微生物白云石的現(xiàn)代沉積證據(jù)

微生物白云石形成機理的現(xiàn)代沉積證據(jù)建立在巴西Lagoa Vermelha海岸潟湖沉積的詳細研究基礎(chǔ)上［5-6］。

Lagoa Vermelha（圖1）是巴西里約熱內(nèi)盧以東90km大西洋沿岸一系列小的、孤立的海岸潟湖之一，具有非同尋常的水文和氣候背景。潟湖水淺，最深1.7m，面積約2.4 km2，潟湖之外發(fā)育一片很好的藻席。該地區(qū)以半干燥的微氣候為絕對優(yōu)勢，導(dǎo)致了在旱季時潟湖極高的鹽度。強烈的蒸發(fā)提高了鹽度，降低了潟湖水面，使得海水流入，提供了微生物作用的離子。在潮濕季節(jié)降雨量超過蒸發(fā)量，引起鹽度強烈下降，有時可達到半咸水狀態(tài)。短期內(nèi)超咸水和半咸水之間的變化反映在Lagoa Vermelha潟湖沉積物中不同的碳酸鹽礦物上。一個寬約400m的障壁砂丘把潟湖與大西洋分隔，并作為海水補給的通道。淡水的補給則通過大陸一側(cè)的更新世砂丘。了解Lagoa Vermelha潟湖的年水文特征是重要的，因為它提供了用來形成白云石的離子來源和濃度以及白云石沉淀時間的信息。白云石明顯沉淀于超咸水條件下，高鎂方解石形成于中等鹽度條件下，而低鎂方解石則形成于半咸水條件下［6］。

圖1說明了從Lagoa Vermelha潟湖觀察到的微生物白云石模式。潟湖較高的有機質(zhì)生產(chǎn)率使得沉積物—水界面為厭氧條件，并形成富碳有機質(zhì)的黑色淤泥。微生物活動明顯促使了軟泥層中碳酸鹽礦物的沉淀。在這種環(huán)境中形成的現(xiàn)代白云石的產(chǎn)狀，說明了微生物活動可能影響了白云石的成核。潟湖中微生物的活動可能直接受水化學(xué)變化的影響。在Lagoa Vermelha潟湖，鹽度變化對微生物數(shù)量的影響可能表現(xiàn)為水—軟泥界面的不同的新陳代謝作用。在極高的鹽度條件下，硫酸鹽還原生物可能變得更活躍。

圖1 巴西Lagoa Vermelha潟湖微生物白云石形成機理圖示（據(jù)文獻［6，25］整理）

Lagoa Vermelha潟湖最上部1m的沉積物以碳酸鹽與富有機碳層互層為特征。低Mg方解石、文石、高Mg方解石 （7～35mol%MgCO3）、Ca白云石（42～48mol%MgCO3）是出現(xiàn)在潟湖中的碳酸鹽礦物相［6，26］。

在Lagoa Vermelha潟湖白云石沉淀的條件下，Mg2+和SO42-似乎是最基本的成分。當(dāng)硫酸鹽還原細菌利用SO42-時，也吸收了Mg2+，因為Mg2+與SO42-形成了很強的離子對。換言之，微生物由于其新陳代謝作用利用SO42-而克服了動力障礙，同時從離子對中釋放出Mg2+。在小于微米級的范圍內(nèi)微生物新陳代謝作用使得HCO3-在細胞周圍的微環(huán)境飽和，產(chǎn)生了有利于白云石沉淀的條件。微生物成核晶體后來被埋藏在原始形成的Ca白云石經(jīng)歷成熟作用（aging process）的地方，因此無機的重結(jié)晶作用出現(xiàn)了，形成了更理想配比的白云石（圖1）。微生物白云石模式認為不斷地供應(yīng)SO42-對保持產(chǎn)生白云石的微生物活動是必須的。在白云石形成的化學(xué)反應(yīng)中，微生物因素把硫酸根離子從反應(yīng)的抑制劑變成了催化劑。白云石一旦成核，就會在埋藏過程中長大。在沒有一定量細菌活動的純無機系統(tǒng)中，硫酸鹽仍然可能是白云石沉淀的抑制劑，因此，適量的細菌成了毫無疑問的關(guān)鍵。事實表明，白云石沒有發(fā)現(xiàn)沉淀在大多數(shù)缺氧的、富碳和富有機質(zhì)的海相沉積物中。同樣，在沒有細菌活動的、貧有機質(zhì)無機系統(tǒng)中，硫酸根離子可能仍然是阻止白云石沉淀的因素［27-28］。

Vasconcelos認為硫酸鹽還原細菌改善了白云石沉淀發(fā)生的基本條件。SO42-與Mg2+形成了強離子對。這些離子對就象單個顆粒一樣在空間上連結(jié)在一起。另外，當(dāng)SO42-離子為硫酸鹽還原細菌利用時，細菌同時利用了細胞中與其伴生的Mg2+離子。Mg對于細胞中許多生命生理作用是基本的組分，它占了干體重量的0.5%。同樣，Mg是許多酶物質(zhì)的無機因素，它是葉綠素分子的中心部分。盡管Mg的生理意義很重要，但過量的Mg會與其它硫酸鹽還原附產(chǎn)物如重碳酸根離子和硫化氫一起釋放。在細胞體周圍微環(huán)境中微米級的Mg飽和可能產(chǎn)生有利于白云石沉淀的條件，如在細菌培養(yǎng)實驗中觀察到的那樣［5-6］。

硫酸鹽還原細菌需要克服具有高有序晶體結(jié)構(gòu)礦物形成的動力學(xué)障礙。硫酸鹽還原細菌通過改變微環(huán)境，提供讓白云石小晶體可以形成晶核的表面來實現(xiàn)克服這個動力學(xué)障礙。細菌需要SO42-離子實現(xiàn)新陳代謝，白云石的沉淀需要高的過量的Mg2+濃度和高的堿度。

3 微生物白云石模式的實驗依據(jù)

Vasconcelos等［5，9］、Warthmann等［7］、van Lith［8］對微生物白云石形成模式分別進行了實驗驗證。實驗在厭氧條件下進行，培養(yǎng)基是從巴西Lagoa Vermelha潟湖中分離出來的菌株，模擬該潟湖的自然條件：高鹽度、高pH值（8.0～8.5）、高的碳酸鹽堿度、Mg/Ca值為6/1，由此得到了方解石、高Mg方解石及白云石的沉淀。天然和實驗產(chǎn)生的白云石在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上具有相似性，這為微生物對白云石沉淀作用的影響提供了堅實的證據(jù)。

實驗證明了硫酸鹽還原細菌的現(xiàn)代種在合成的厭氧、超鹽度介質(zhì)中，在一定的條件下能夠?qū)Π自剖男纬善鹈浇樽饔?。由純的硫酸鹽還原細菌菌株通過微生物媒介作用產(chǎn)生白云石，證實了Vasconcelos等［6］提出的微生物白云石模式。一般認為，動力障礙在地表條件下制約著白云石的形成。培養(yǎng)實驗證明，特別的硫酸鹽還原細菌能作為媒介克服動力障礙，造成白云石的沉淀。微生物的新陳代謝活動使得pH值提高，能夠除去動力阻礙因子——硫酸根離子，導(dǎo)致鎂離子和重碳酸根離子濃度增加，并使微晶體成核。

天然和實驗產(chǎn)生的白云石在晶體形態(tài)和結(jié)晶學(xué)上具有相似性，這是所述微生物在實驗中參與白云石沉淀過程的有力證據(jù)。地球早期歷史中，厭氧微生物細菌可能對白云石的產(chǎn)生特別重要，因為當(dāng)時的厭氧條件遠較現(xiàn)代廣泛。

4 微生物白云石模式在現(xiàn)代和古代沉積中的證實及應(yīng)用

利用與Lagoa Vermelha潟湖相似的野外研究與實驗室培養(yǎng)試驗相結(jié)合的方法，在世界各地現(xiàn)代沉積環(huán)境中微生物白云石模式已經(jīng)得到了較多的證實，其中包括厭氧和氧化兩類條件，主要是具有硫酸鹽還原細菌的厭氧條件［8，29］，其他還有耐鹽需氧細菌（halophilic aerobic bacteria)［30-32］和甲烷形成的條件。

4.1 Coorong潟湖生物成因白云石

南澳大利亞Coorong地區(qū)遠端季節(jié)性海岸潟湖是白云石研究的經(jīng)典之地，經(jīng)過了許多學(xué)者的研究［33-37］。該區(qū)的白云石被認為是滲濾回流機理或蒸發(fā)泵機理的白云石化作用所致，或簡單地認為是原生沉淀白云石。 Wright［38-39］（1999年、2000年），Wright等［29］（2005年）對上述傳統(tǒng)觀點進行了挑戰(zhàn)，提出了生物成因模式，認為白云石沉淀障礙被以底棲微生物群占絕對統(tǒng)治的厭氧鹽生態(tài)系統(tǒng)下的微生物硫酸鹽還原作用克服了。 這些障礙是：（1）Mg2+高的水合能量［16，40-41］；（2）極低的 CO32-濃度和活度［42］；（3）相對牢固結(jié)合的中性 MgSO40離子對，很低的硫酸鹽濃度［27-28，43］。Wright等［29］用Coorong地區(qū)遠端季節(jié)性海岸潟湖野外工作和實驗?zāi)M相結(jié)合的方法驗證了Coorong潟湖白云石形成的生物模式。

4.2 阿布扎比薩勃哈白云巖與微生物的關(guān)系

阿拉伯海灣代表現(xiàn)代白云石形成的典型環(huán)境，薩勃哈或蒸發(fā)泵模式即建立在該地區(qū)白云石和環(huán)境的基礎(chǔ)上，白云石形成于超鹽度環(huán)境中并與石膏、硬石膏密切共生（圖2）。本區(qū)已完成大量的沉積學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)工作，但對于在此環(huán)境中生長著微生物及其與白云石形成的聯(lián)系方面，報道很少。最近，Bontognali等［44］研究了阿拉伯灣阿布扎比薩勃哈白云石的形成與微生物活動之間的關(guān)系。

研究選擇在阿布扎比海岸薩勃哈橫切潮間至潮上帶的三個地點（圖2中A、B、C處），發(fā)現(xiàn)微生物叢與白云石密切共生，利用裝有冷傳導(dǎo)系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)自生白云石沉淀在由微生物席組成的外聚合物內(nèi)，說明微生物在白云石形成過程中在起作用。在流行的模式中，微生物白云石的沉淀與孔隙水中保持高pH值和堿度的積極的微生物活動有關(guān)。這一模式運用到阿布扎比海岸薩勃哈環(huán)境中能解釋出現(xiàn)在潮間帶表面微生物叢中白云石的形成，但不能解釋潮上帶白云石的形成。潮上帶有大量埋藏的白云石，但沒有廣泛的微生物活動的表現(xiàn)。Bontognali等［44］用非生物機理來解釋潮上帶白云石的形成，這是以外細胞聚合物作為模板而形成的白云石。

圖2 阿拉伯海灣阿布扎比海岸薩勃哈理想剖面（據(jù)文獻［44］，略有修改）

4.3 西印度外陸棚邊緣碳酸鹽臺地白云巖與微生物的關(guān)系

Rao等［45］研究了西印度外陸棚邊緣發(fā)育的一個碳酸鹽臺地，晚更新世白云巖組成了該臺地的殼，其主要礦物是白云石。經(jīng)詳細的宏觀、微觀巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，證明晚更新世白云巖殼由白云質(zhì)疊層石組成，這是由微生物叢捕集和粘集沉積物碎屑而形成的。白云質(zhì)疊層石解釋為是在超鹽度、厭氧的硫酸鹽還原條件下形成的。硫酸鹽還原微生物及其伴生的生物鞘，它們的腐爛促進了白云石的形成。Rao等認為微生物白云石模式可能與以隱藻紋層為特征的海相地層中古代塊狀白云巖的形成有關(guān)［45］。

4.4 意大利南部北Calabria上三疊統(tǒng)潮間帶白云巖與微生物的關(guān)系

Mastandrea 等［46］對意大利南部北 Calabria 上三疊統(tǒng)Dolomia Principale組的潮間帶白云巖進行了詳細的顯微結(jié)構(gòu)和地球化學(xué)研究。碳酸鹽巖由疊層石白云巖、凝塊石白云巖和泥晶白云巖組成。疊層石和凝塊石生長于潮下帶，形成了高起伏的生物建造。板狀低起伏的疊層石和局部具核形石是潮間—潮上帶的特征。微生物碳酸鹽巖由兩種組構(gòu)保存的白云巖組成。類型1由小晶體（＜5μm）組成，形成暗色紋層和凝塊；類型 2由大晶體（5～60μm）組成，形成了疊層石中的淺色紋層和凝塊石疊層石的淺色雜基。

細菌狀的化石在微生物碳酸鹽巖中被發(fā)現(xiàn)，它們可能來自微米級球狀細菌和似球狀的納米級可疑的極小細菌。粒狀結(jié)構(gòu)的區(qū)域可能代表細菌引起的有機質(zhì)的化石降解產(chǎn)物。這些特征在潮間—潮上帶微生物碳酸鹽巖中有見到，但沒有見到生物碎屑和骨粒。然而，菌類化石在疊層石的暗色紋層中特別發(fā)育。暗色泥晶紋層和凝塊石中的強自動螢光說明有機質(zhì)在此集中。

Dolomia Principale組微生物白云巖形成于超鹽度的環(huán)境中，白云石的富Ca性、極細粒的晶體以及正的δ18O值，說明這種白云巖是通過蒸發(fā)白云石化模式形成的。在組構(gòu)保存的白云石中，細菌類化石的出現(xiàn)說明細菌、有機質(zhì)的降解與微生物碳酸鹽有關(guān)系。另外，微生物白云石可能是細菌新陳代謝的產(chǎn)物，這可能通過硫酸鹽在局限的潮間環(huán)境中還原而實現(xiàn)。

4.5 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段白云巖的微生物成因

鄂爾多斯盆地中部氣田的主力氣層是奧陶系馬家溝組五段，馬家溝組沉積于局限的陸表海環(huán)境。在其沉積時期，華北地臺轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊笛谉岬臍夂?，盆地基底抬升，海平面下降。盆地?nèi)補給的海水少，海水循環(huán)差、鹽度高，沉積了硬石膏巖、石鹽巖及少量白云巖，成為含白云巖的硬石膏—白云巖盆地。盆地邊緣鹽度較低，發(fā)育硬石膏—白云巖盆緣坪、含石灰?guī)r和硬石膏的白云巖盆緣坪。西部水下隆起和北部鄰近古陸的地帶等受淡水影響大的地區(qū)，沒有膏鹽沉積，為白云巖沉積區(qū)［47-48］。這種沉積環(huán)境與現(xiàn)代的巴西Lagoa Vermelha潟湖和澳大利亞Coorong潟湖相似。因此，微生物白云石模式可以很好地解釋本研究區(qū)的白云石形成機理。馬家溝組五段形成于高鹽度、高白云石飽和度環(huán)境，白云石沉淀太快，白云巖過度發(fā)育，反而導(dǎo)致孔隙不太發(fā)育。但它們經(jīng)過巖溶作用的改造后，形成了大量巖溶孔隙，這也是鄂爾多斯盆地中部氣田的主要儲集空間。

5 結(jié) 語

根據(jù)巴西Lagoa Vermelha現(xiàn)代海岸潟湖白云石礦物學(xué)特征和形成條件的研究，以及模擬該潟湖條件的實驗室白云石的沉淀，Vasconcelos等提出了微生物白云石模式。這是自白云石發(fā)現(xiàn)200多年來研究工作的突破性進展。Lagoa Vermelha潟湖水文學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)以及生物學(xué)等方面的參數(shù)對白云石的形成在本質(zhì)上是相互聯(lián)系和重要的。微生物因素把硫酸根離子從反應(yīng)的抑制劑變成了催化劑，白云石一旦成核，就會在埋藏過程中長大。白云石形成于高鹽度、局限以及有大量海水供應(yīng)的環(huán)境，白云石的分布與沉積相關(guān)系密切。

盡管不是所有的白云石都可以用微生物白云石模式來解釋，但十多年來對現(xiàn)代沉積和古代沉積的研究以及模擬實驗，都證明微生物白云石模式是有說服力和有生命力的。

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Microbial Dolomite Models:An Overview

Yang Hua,Wang Baoqing

Since discovery of dolomite in modern environments in 1960s,many dolomite models have been proposed but some long perplexed problems for the origin of dolomite formation has not been resolved.One of them is the inability to precipitate dolomite in the laboratory under conditions to replicate it that are found in modern natural environments.At the end of 20th century,Vasconcelos et al.simulated environmental conditions found in Lagoa Vermelha lagoon,Brazil,and successfully precipitated dolomite in the laboratory,which led to the formulation of the microbial model for dolomite formation.Many researchers have affirmed this model through researches on dolomite in South Australia,Arabian Gulf,outer shelf margin off western India,southern Italy and other places.The dolomite from Ordovician Majiagou Formation 5 Member in Ordos basin can be also considered as microbial origin.This microbial dolomite model may be significant in the research on mechanism of dolomite formation.As sulfate-reducing bacteria use the SO42-ion,they will utilize the accompanying Mg2+ions inside their cells,because they form strong ion pairs.Uusing SO42-ions and release Mg2+ions,microbes overcome the kinetic problems for their metabolism.The microbial factor converts sulfate ions from an inhibitor to a catalyst in chemical reactions of dolomite formation.Once dolomite is nucleated,the crystals continue to grow in the burial processes.Although the microbial dolomite model can not be used to explain every type of dolomite,both researches on modern dolomite environments and simulated experiments demonstrate that the model is convictive and viable.

Dolomitization;Dolostone;Diagenesis mechanism;Microbiogenesis;Model;Brazil;Ordos Basin

TE111.3；P57

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2012.02.001

1672-9854(2012)-02-0001-07

2012-03-06

本文受 “十一五”國家重大專項 “四川、塔里木、鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖形成機理與有利儲層分布預(yù)測”（編號：2008ZX05004-002）資助

楊華：1963年生，博士，教授級高工。1985年西南石油學(xué)院本科畢業(yè)，2004年獲成都理工大學(xué)博士學(xué)位，主要從事石油地質(zhì)研究。通訊地址：710018西安市未央路151號

吳厚松

Yang Hua：male,Ph.D.,Research Professor.Add:PetroChina Changqing Oilfield Company,151 Weiyang Rd.,Xi′an,Shaanxi,710021,China