白云巖形成機(jī)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(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059)

白云巖形成機(jī)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(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059)

現(xiàn)今碳酸鹽巖的研究中，白云巖成因研究是其中一大熱點(diǎn)。文章從白云巖的微生物分類出發(fā)，主要介紹白云巖形成機(jī)制中的微生物作用，同時(shí)對(duì)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(rèn)為以上形成機(jī)制共同特點(diǎn)旨在提高流體中Mg2+濃度促進(jìn)白云石形成。Mg2+補(bǔ)給是白云化作用進(jìn)行物源保障，其主要來(lái)源于生物活動(dòng)、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(duì)尋找除硫酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌、中度嗜鹽好氧細(xì)菌外能進(jìn)行白云化作用的微生物以及對(duì)深埋藏白云巖形成機(jī)制及動(dòng)力學(xué)因素的確定都還需工作的進(jìn)一步進(jìn)行。

白云巖；微生物作用；形成機(jī)理；影響因素

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，白云巖油氣勘探已取得了較大的進(jìn)展?？v觀全球，目前已發(fā)現(xiàn)的白云巖油氣田中，古生代沉積的地層發(fā)現(xiàn)的白云巖油氣田占到65.64%，中生代占33.40%，由在地質(zhì)歷史角度可以看出，白云巖油氣儲(chǔ)集體數(shù)量隨著埋藏時(shí)間的縮短而呈遞減趨勢(shì)[1]。至今未在常溫常壓實(shí)驗(yàn)中獲得一定化學(xué)計(jì)量的白云巖，加之在現(xiàn)代海洋沉積物中也未發(fā)現(xiàn)白云巖沉淀，因此白云巖的成因問(wèn)題仍然存在一定爭(zhēng)議。

1 白云巖分類

早在1903年，前蘇聯(lián)生物學(xué)家觀察到鹽湖中的硫酸鹽還原細(xì)菌能沉淀出少量細(xì)粒白云石。隨后眾多研究者進(jìn)行了與之相關(guān)的研究(Nadson 1928；Neher 1959；Warren 1988，1990等)[2]，直到1995年通過(guò)Lagoa Vermelha微生物培育在低溫條件下成功沉淀出白云石(Vasconcelos等)，進(jìn)一步證實(shí)了微生物在白云巖形成過(guò)程中有重要影響。近來(lái)，有學(xué)者在馮增昭(1994)提出的白云巖分類方案的基礎(chǔ)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(jiàn)圖1。

圖1 白云巖成因分類及其相應(yīng)的

這種分類方法，既強(qiáng)調(diào)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(gòu)造的泥晶白云巖。另外簡(jiǎn)化了原來(lái)四個(gè)生成期次的分類，根據(jù)該分類方法，將白云巖的生成機(jī)理分為六大類，各生成機(jī)理的特點(diǎn)將在后文進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 白云巖形成機(jī)理

2.1 微生物作用

對(duì)于產(chǎn)甲烷古菌，P.A.Kenward等(2009)在30℃環(huán)境中試驗(yàn)[5]，先將產(chǎn)甲烷古菌與厭氧微生物組成的異化鐵還原細(xì)菌在發(fā)酵罐中混合培養(yǎng)90天后轉(zhuǎn)移至以產(chǎn)甲烷古菌為主的系統(tǒng)中。原發(fā)酵罐中白云石(Ωdol=19.40)僅在甲烷生成開(kāi)始或增加CH 4后增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)(Ωdol= 2 330.77)，通過(guò)掃描電鏡和透射電鏡證明沉淀的白云石與細(xì)胞壁和細(xì)胞外多糖密切相關(guān)。

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(xì)菌(Virgibacillus marismortui和Marinobacter)的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)結(jié)果證明，微生物對(duì)白云石沉淀的作用可以在有氧的情況下在環(huán)境地表進(jìn)行[6]。

學(xué)者在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)不同埋深的白云巖所表現(xiàn)出來(lái)的特征存在很大區(qū)別，黃思靜(2010)認(rèn)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(huán)境”，1000m以上的深度定為“廣義深埋藏環(huán)境”。淺埋藏環(huán)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(diǎn)；深埋藏白云巖則主要為還原環(huán)境下的產(chǎn)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(guò)80℃的地層中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鞍狀白云石。

圖2 掃描電鏡照片

圖2描述了有機(jī)質(zhì)膜(EPS)與碳酸鹽表面和細(xì)胞密切相關(guān)。 納米級(jí)礦物包含著微生物(左下虛線橢圓)同時(shí)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(jīng)生長(zhǎng)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(jù)[5])

圖3 A為中度嗜鹽需氧細(xì)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(zhuǎn)變?yōu)榛ㄒ诵偷陌自剖?/p>

2.2 埋藏白云化作用

由于目前為止沒(méi)有在常溫常壓的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中生成一定化學(xué)計(jì)量的白云石，但高溫條件下有白云石沉淀產(chǎn)生，說(shuō)明高溫有利于白云巖形成，因此在自然環(huán)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(fā)生重結(jié)晶作用和白云石化作用，即進(jìn)行的早期沉積成巖作用，如賦存于晶間孔隙中的瀝青質(zhì)就是在這一階段的晚期運(yùn)移到孔隙中去的[9]；另一類為深埋藏調(diào)整作用，即在早期已經(jīng)發(fā)生過(guò)白云化作用的基礎(chǔ)上，由于構(gòu)造、溫度等因素的改變而進(jìn)行的后期成巖作用。

2.3 混合水白云化作用

雖對(duì)于混合水白云化作用還存在一定爭(zhēng)議，但混合水白云化作用在部分條件仍被認(rèn)為是不同于其他成因機(jī)制而單獨(dú)存在?；旌纤自苹饔眉吹秃Ｋ旌虾笞饔糜趲r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(shí)別標(biāo)志，由于方解石被交代的反應(yīng)需要在還原條件下進(jìn)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(tài)不一，但隨著作用程度的加深，方解石膠結(jié)物晶體也逐漸加大；生屑灰?guī)r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?yàn)a湖中往湖底流動(dòng)，并在湖底向地下滲透或者透過(guò)湖底沉積物間孔隙回到海中，在下滲回流的過(guò)程中，湖底的碳酸鹽巖發(fā)生交代，形成白云巖。在潮坪相中，隨著水的大量蒸發(fā)，水體密度逐漸增大，因而容易發(fā)生小規(guī)?；亓鳚B透作用；而大規(guī)?；亓鳚B透作用主要發(fā)生在富含蒸發(fā)巖的碳酸鹽巖臺(tái)地和盆地[11]。

2.5 薩布哈白云化作用

又稱“蒸發(fā)泵模式”，主要發(fā)生于潮間-潮上帶，由于蒸發(fā)作用使潮坪下的海水通過(guò)毛細(xì)管作用向上覆巖層運(yùn)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(fā)生白云化作用，進(jìn)而形成白云巖。3白云化作用中Mg2+來(lái)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(guò)微生物使Mg2+聚集并沉淀，而其余的白云化作用過(guò)程就是一個(gè)Mg2+與方解石等碳酸鹽巖石反應(yīng)的過(guò)程，因此Mg2+是白云巖能否大量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，Mg2+的來(lái)源可分為以下三種：

(1)生物來(lái)源。海膽是目前發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)一些動(dòng)植物的生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)使Mg2+富集，然后通過(guò)新陳代謝或者死亡將富集起來(lái)的Mg2+同其代謝物或軀體一起沉積下來(lái)，因此通過(guò)生物作用形成的白云巖通常能在其中發(fā)現(xiàn)生物遺跡或化石。

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

(3)巖漿巖或其他礦物來(lái)源。含Mg2+巖漿向上侵入地層，然后冷凝固結(jié)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(zhuǎn)化或者流體的腐蝕林慮后也會(huì)釋放出Mg2+，而這種情況下形成的白云巖中會(huì)留下原來(lái)含Mg2+礦物的化學(xué)特征[12]。

4 總結(jié)

白云巖成因問(wèn)題的討論從未停止，加之近來(lái)一個(gè)新的沉積學(xué)分支被提出——微生物席沉積學(xué)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了微生物為白云巖形成作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，使得微生物作用的出現(xiàn)使研究有了新的方向。利用微生物作用對(duì)白云石分類簡(jiǎn)化了分類方法，跨過(guò)了界定原生白云巖和次生白云巖的爭(zhēng)議地帶，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了微生物在白云巖形成中的作用。

就以上目前被廣泛認(rèn)可的白云巖形成機(jī)制，除微生物白云化作用外，其它的白云化作用都發(fā)生在碳酸鹽巖沉積之后，因此認(rèn)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(jìn)而使方解石、文石被白云石交代。分析各個(gè)形成機(jī)制進(jìn)行的條件，Mg2+濃度的增加及在巖層中的運(yùn)移需要蒸發(fā)作用的進(jìn)行，因此研究中對(duì)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(jìn)行，而對(duì)于深埋藏的白云巖的形成機(jī)制及其動(dòng)力學(xué)因素仍然沒(méi)有較準(zhǔn)確的解釋；除了硫酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌、中度嗜鹽好氧細(xì)菌外是否還存在其他跟白云化作用有關(guān)的微生物，這些問(wèn)題都是今后白云巖研究中亟待解決的。

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(本文文獻(xiàn)格式：黃 鑫，何 賽，趙 龍.白云巖形成機(jī)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?yàn)閮?chǔ)層地質(zhì)學(xué)及儲(chǔ)層地球化學(xué)。

P588.2

A

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