微生物碳酸鹽巖研究現(xiàn)狀及進展

郝　雁， 張哨楠， 張德民

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學),成都 610500；2.中國石化集團 國際石油勘探開發(fā)有限公司,北京 100029；3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

微生物碳酸鹽巖是國內(nèi)外學術(shù)界研究的熱點領域之一，以微生物碳酸鹽巖為載體，國內(nèi)外學者將研究領域聚焦于微生物與環(huán)境相互作用、地質(zhì)歷史時期生物大滅絕及復蘇事件、地球早期生命、天體生物學等一系列重大科學問題。另一方面，油氣勘探實踐發(fā)現(xiàn)，微生物碳酸鹽巖蘊藏豐富的油氣資源，已經(jīng)在巴西桑托斯盆地、坎波斯盆地、西非拉寬扎盆地、下剛果盆地、美國尤因他盆地、阿曼鹽盆、俄羅斯東西伯利亞地區(qū)、中國四川盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地等地區(qū)發(fā)現(xiàn)多個大型-特大型微生物碳酸鹽巖油氣田[1-2]。微生物碳酸鹽巖相關問題成為國內(nèi)外學術(shù)會議的專題或重要議題，如2012年6月美國石油地質(zhì)學家協(xié)會(AAPG)在美國召開“微生物碳酸鹽巖表征”專題研討會；2013年6月倫敦地質(zhì)學會召開“微生物碳酸鹽巖的時空分布：對全球油氣勘探與生產(chǎn)的啟示”專題會議[3]；微生物碳酸鹽巖成為2013年AAPG Headberg年會主題、2014年世界沉積學大會重要議題、2015年巴西石油年會重要專題；2015年和2017年中國沉積學大會重要專題；2017年美國AAPG年會重要專題；且在《Sedimentary Geology》(2012)、《AAPG Bulletin》(2013)、倫敦地質(zhì)學會(2015)等國際地學期刊陸續(xù)出版系列專輯，使微生物碳酸鹽巖儲層成為全球關注熱點之一。

自20世紀90年代以來，國內(nèi)外學者對微生物碳酸鹽巖研究歷史及其發(fā)展趨勢[4]、微生物碳酸鹽巖分類及形成過程[5-6]、凝塊石形成機制[7]、微生物席內(nèi)碳酸鹽巖沉淀過程[8]、微生物碳酸鹽沉積及其研究意義[9]、微生物碳酸鹽巖儲層類型、表征及其油氣勘探前景意義[1,3,10-11]等方面做了諸多有益的探索。但由于近年來微生物碳酸鹽巖研究進展迅速，同時為了滿足國內(nèi)塔里木盆地下寒武統(tǒng)、四川盆地前寒武紀微生物碳酸鹽巖勘探開發(fā)的需求，本文在梳理國內(nèi)外文獻的基礎上，從微生物碳酸鹽巖儲層地質(zhì)學角度出發(fā)，總結(jié)該領域研究進展，以期為國內(nèi)微生物碳酸鹽巖學術(shù)研究和生產(chǎn)實踐提供參考和借鑒。

1　相關概念及識別標志

1.1　微生物巖和微生物碳酸鹽巖

盡管微生物巖和微生物碳酸鹽巖相關研究起步較早，受限于認識程度，早期研究中一般將微生物碳酸鹽巖稱為“藻碳酸鹽巖”，所以微生物巖和微生物碳酸鹽巖等相關正式術(shù)語出現(xiàn)較晚。1987年，R.V.Burne等首次提出微生物巖的概念，即“微生物巖是底棲微生物群落捕獲和黏結(jié)碎屑沉積物、化學沉淀物所形成的原地有機沉積[12]”。此后學術(shù)界基本沿用這一概念。至于微生物碳酸鹽巖，業(yè)治錚等早在1965年將以生物-生物化學作用為主而形成的原地堆積定義為微生物碳酸鹽巖(原文稱為“藻碳酸鹽巖”)[13]。微生物碳酸鹽巖正式術(shù)語見于1991年，R.Riding將微生物碳酸鹽巖定義為底棲微生物群落(顆石藻和有孔蟲軟泥除外)形成的碳酸鹽巖沉積物[14]，此后有學者認為微生物碳酸鹽巖是微生物巖的簡稱[15]。最近，R.Riding將微生物碳酸鹽巖的概念修改為“微生物碳酸鹽巖是由微生物生長與新陳代謝、細胞表面物質(zhì)、胞外聚合物(EPS)與礦物沉淀、顆粒捕獲相互作用所形成”[16]。文獻梳理發(fā)現(xiàn)微生物巖與微生物碳酸鹽巖的主要區(qū)別在于[16-17]：從物質(zhì)成分而言，微生物巖成分除碳酸鹽巖外，還包括碎屑巖、化學沉淀礦物等；從生長方式而言，微生物碳酸鹽巖除原地固著生長(如疊層石、凝塊石等)外，還包括異地搬運而來的碳酸鹽巖顆粒，如鮞粒、核形石等。結(jié)合近年來鮞粒等顆粒碳酸鹽巖內(nèi)微生物證據(jù)的發(fā)現(xiàn)，本文較認可R.Riding[16]和Chen等[17]的觀點。

1.2　碳酸鹽巖礦物形成作用

在微生物碳酸鹽巖研究中，生物誘導礦化等術(shù)語較為常見，為下文敘述方便，有必要論述其定義和相關特征。早在1981年，H.A.Lowenstam總結(jié)了當時的31種有機礦物，并提出有機基質(zhì)調(diào)劑礦化和生物誘導礦化2種礦物形成過程[18]。此后有學者增加了無機沉淀礦化[19]，將各類碳酸鹽巖礦物形成的定義、機理、代表類型等概述如下[18-20]。

有機基質(zhì)調(diào)制礦化(organic matrix-mediated)：此后更改為生物控制礦化(biotically controlled precipitates)，是指礦物在生物格架或生物鑄?？變?nèi)生長、沉淀[18]。生物體控制了礦物的沉淀位置、開始至結(jié)束的過程、礦物類型、礦物組成以及結(jié)晶學特征(如晶軸方位等)，以各類生屑碳酸鹽巖為代表，在生屑顆粒表面可見大量有機沉淀礦物(圖1-A)[18,20]。根據(jù)生物類型，又可分為光能自養(yǎng)型生物控制礦化和異養(yǎng)型生物控制礦化兩大類。

圖1　生物控制礦化和生物誘導礦化實例Fig.1　Examples of biotically controlled precipitation and biotically induced precipitatation(照片來源于文獻[18])(A)生物控制礦化，雙殼類表面無定型有機礦物沉淀;(B)生物誘導礦化，針狀文石晶體雜亂分布于Galaxaura obtusata細胞間

生物誘導礦化(biotically induced precipitates)：生物僅僅誘發(fā)了沉淀，如光合作用造成介質(zhì)CO2濃度降低，碳酸鹽過飽和沉淀；但在整個沉淀過程中生物影響較小，其特點是以細胞外或細胞間的礦物沉淀為特征(圖1-B)，產(chǎn)物與無機沉淀產(chǎn)物較類似。

無機沉淀礦化：主要為化學沉淀，生物沉淀作用可以忽略不計。

1.3　微生物碳酸鹽巖識別標志

微生物碳酸鹽巖的識別是對其研究的基礎，本文在梳理相關文章的基礎上，借鑒R.S.Shapiro[21]對微生物巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造劃分方案，嘗試從宏觀和微觀兩個尺度并結(jié)合地球化學特征識別微生物碳酸鹽巖。

宏觀尺度：本文所指宏觀尺度是指毫米以上，包括R.S.Shapiro[21]微生物碳酸鹽巖分類中的巨型結(jié)構(gòu)、大型結(jié)構(gòu)、中型結(jié)構(gòu)，不需借助特殊的設備即可完成。具體包括米級以上丘型結(jié)構(gòu)、厘米級柱狀結(jié)構(gòu)、穹窿狀結(jié)構(gòu)、丘狀結(jié)構(gòu)、波狀結(jié)構(gòu)、凝塊狀結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)等。其中米級以上丘型結(jié)構(gòu)除微生物礁丘外，還可見生物礁，可從分布層位和造/附礁生物方面區(qū)別微生物丘和生物礁。由于后生生物的牧食壓力降低、環(huán)境適宜等因素，造成微生物碳酸鹽巖主要繁盛于前寒武紀以及二疊/三疊紀等全球生物滅絕事件之后[17,22]，所以上述地層內(nèi)的巨型丘狀結(jié)構(gòu)，微生物丘可能性較大。另一方面，微生物丘和生物礁在造/附礁生物方面區(qū)別明顯，生物礁內(nèi)常見大型后生生物，如珊瑚、海綿等造礁生物以及腕足類、雙殼類等附礁生物；微生物丘內(nèi)大型后生生物較少，偶見雙殼類等廣鹽度生物。

微觀尺度：本文所指微觀尺度是毫米及其以下，對應于R.S.Shapiro[21]微生物碳酸鹽巖分類中微型結(jié)構(gòu)，需借助顯微鏡和掃描電鏡等設備。國內(nèi)外學術(shù)界微觀尺度識別微生物碳酸鹽巖通用做法是通過識別鈣化的微生物結(jié)構(gòu)，采用與現(xiàn)代微生物化石形態(tài)學對比的方法，確定微生物碳酸鹽巖[23-28]。而這種方法的前提是在微生物演化中，其形態(tài)變化較小或沒有變化[29]。可喜的是，形態(tài)學、細胞分裂模式、生態(tài)學和死亡降解序列的對比研究表明，前寒武紀和現(xiàn)代細菌是相同的[30]，這就為微觀形態(tài)學識別奠定了理論基礎。由于藍細菌是微生物碳酸鹽巖的主要研究對象[1]，所以對藍細菌細胞形態(tài)學的識別至關重要。已有研究表明，藍細菌包括單個細胞和絲狀體(filaments)兩大類，其中藍細菌單細胞多為球狀(圖2-A)、橢球狀(圖2-B)、桿狀(圖2-C)，以單顆?；蚣象w的形式出現(xiàn)；絲狀體是多個藍細菌細胞組成的集合體，形態(tài)差異較大(圖2-D、E、F)[31]。此外，在微生物碳酸鹽巖研究中，眾多學者將胞外聚合物也常作為標志之一。胞外聚合物是微生物生長過程中向周圍水體中釋放的一種多糖物質(zhì)，依據(jù)結(jié)構(gòu)可分為膠鞘(sheath)、束囊(capsule)和黏液(slime)[32]。掃描電鏡下胞外聚合物多呈肺泡狀結(jié)構(gòu)(圖2-G、H)， 高倍掃描電鏡下可見黏液具有毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)(圖2-I)。

圖2　微生物碳酸鹽巖的微觀識別標志Fig.2　Microscopic identification indicators of microbial carbonates(A)等大微米級球體，為細菌細胞分裂的產(chǎn)物，白堊系，巴西,據(jù)文獻[28];(B)球狀體、橢球體分布于胞外聚合物基質(zhì)內(nèi)，新近系，巴哈馬,據(jù)文獻[33];(C)桿狀藍細菌分布于胞外聚合物基質(zhì)內(nèi)，新近系，巴哈馬,據(jù)文獻[33];(D)絲狀體，顯微鏡下形態(tài)不規(guī)則，寒武系，美國,據(jù)文獻[34];(E)絲狀體呈似桿狀，白堊系，巴西,據(jù)文獻[27];(F)絲狀體具有螺旋狀結(jié)構(gòu)，白堊系，巴西,據(jù)文獻[28];(G)鈣化的胞外聚合物形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，白堊系，巴西,據(jù)文獻[28];(H)胞外聚合物，白堊系， 巴西,據(jù)文獻[35];(I)鈣化的黏液， 胞外聚合物的一種類型， 新近系，開曼群島,據(jù)文獻[25]

微生物碳酸鹽巖地球化學判別主要依據(jù)碳氧穩(wěn)定同位素、稀土元素等資料，王紅梅等[32]曾做過較系統(tǒng)總結(jié)，主要結(jié)論如下：微生物成因海相碳酸鹽巖(主要指微生物灰?guī)r)碳氧穩(wěn)定同位素負異常明顯，碳同位素負異常數(shù)值可達10‰；稀土元素總量較高，且具有重稀土元素富集、輕稀土元素虧損的特點。最近對海相鮞粒暗色紋層(微生物成因)地球化學分析發(fā)現(xiàn)，除上述微生物判別標志外，還發(fā)現(xiàn)鮞粒暗色紋層稀土元素Y正異常，Zn、Ba等營養(yǎng)元素富集等特點[36]。

2　微生物碳酸鹽巖沉積學

2.1　巖石類型

隨著認識的深入和分析測試技術(shù)的提高，微生物碳酸鹽巖類型從早期經(jīng)典的疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石[5]，逐步擴展到球狀微生物巖/spherulite、層紋巖[27,37]。近年來，有學者在鮞粒/巨鮞內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了大量微生物活動的巖石學和地球化學證據(jù)[38-41]。下文將重點論述與儲層關系密切的各類微生物巖的特征及其沉積環(huán)境。

疊層石：這一術(shù)語最早由Kalkowsky(1908)創(chuàng)造并引入地質(zhì)文獻，指成因不明的一種疊層構(gòu)造[13]，其研究歷史最長，同時爭議也最大。分類命名方面，越來越多的疊層石學家倡導生物學上的雙名法，并將全球疊層石分為約330個屬(或稱群)，1 000多個種(或稱形)[42]。但沉積學家則更傾向于成因成分、形態(tài)學分類方案，按照成因和成分的不同，將疊層石分為骨架疊層石(skeletal)、黏結(jié)疊層石、細粒疊層石、石灰華疊層石、陸生疊層石等[5]；按照形態(tài)學特征，將疊層石分為棒狀疊層石、圓柱狀疊層石、穹窿狀疊層石等[43]，樹狀疊層石(圖3-A、B)、灌木狀疊層石[37](圖3-C)等，其中按照形態(tài)學的劃分方案更廣為沉積學家所接受。沉積環(huán)境方面，研究發(fā)現(xiàn)疊層石形態(tài)學特征受沉積環(huán)境和微生物類群雙重制約，其宏觀形態(tài)主要受控于沉積環(huán)境，但柱體分叉、層理和微構(gòu)造等微觀特征主要受控于微生物類群[42]。沉積學家則簡化為層狀-波狀疊層石主要分布于低能潮間帶上部，柱狀疊層石則主要分布于高能的潮間帶下部及潮下帶上部。

圖3　典型微生物碳酸鹽巖巖石類型Fig.3　Photographs showing typical types of microbial carbonates(A)樹狀疊層石，上元古宇，巴西，據(jù)文獻[37];(B)樹狀疊層石，白堊系，巴西，據(jù)文獻[37];(C)灌木狀疊層石，白堊系，巴西，據(jù)文獻[37];(D)凝塊石，白堊系，巴西，據(jù)文獻[37];(E)凝塊石，下寒武統(tǒng)，摩洛哥，據(jù)文獻[4];(F)凝塊石，奧陶系，中國，據(jù)文獻[2];(G)球狀微生物巖，白堊系，巴西，據(jù)文獻[37];(H)球狀微生物巖，白堊系，巴西，據(jù)文獻[37];(I)球狀微生物巖，白堊系，巴西，據(jù)文獻[37];(J)簇狀層紋巖，埃迪卡拉系-寒武系，阿曼，據(jù)文獻[53];(K)波狀層紋巖，埃迪卡拉系-寒武系，阿曼，據(jù)文獻[53]

凝塊石：Aitken[44]將加拿大南部落基山寒武系-奧陶系具有宏觀凝塊組構(gòu)且缺少紋層結(jié)構(gòu)的巖石定義為凝塊石(圖3-D、E、F)。按照微生物生長形態(tài)特征，將凝塊石分為樹狀凝塊石、網(wǎng)狀凝塊石和層狀凝塊石[45]。關于凝塊的成因，學術(shù)界尚未達成共識，主要有以下幾種觀點：微生物凝塊是微生物生長速率和甲烷生成速率較高時，碳酸鹽巖快速沉淀形成的一種無序組構(gòu)[46]；微生物凝塊是由疊層石大范圍膠結(jié)、結(jié)晶改造、生物擾動所形成的一種次生組構(gòu)[47]；微生物凝塊是強烈生物潛穴的結(jié)果[48]；微生物凝塊是藍細菌捕獲和黏結(jié)作用、自身鈣化作用、碳酸鹽巖的原地沉淀和后期成巖作用綜合作用的結(jié)果[49]。沉積環(huán)境方面，一般認為凝塊石主要沉積于潮下帶。另有學者根據(jù)巖石組構(gòu)、伴生礦物、沉積構(gòu)造等特征，推斷樹狀凝塊石主要發(fā)育于潮下高能帶，對應的沉積速率較高；網(wǎng)狀凝塊石主要發(fā)育于潮下中能帶，對應的沉積速率稍高；層狀凝塊石主要發(fā)育于中低能潮下-較深水潮間帶，對應的沉積速率低[50]。

球狀微生物巖(spherulite)：球狀顆粒圓度高、分選性好，直徑多為1～2 mm，由核心和外殼組成(圖3-G、H)，且正交偏光下外殼具有明顯的放射狀結(jié)構(gòu)(圖3-I)。礦物學分析表明，球狀顆粒主要由方解石組成，其質(zhì)量分數(shù)可達80%[27]。球狀微生物之間多為灰泥，亮晶膠結(jié)物較為少見，并可見硅鎂石黏土如鎂皂石等礦物。沉積環(huán)境方面，未見球狀微生物巖水體深度的研究報道，但一般認為球狀微生物巖是以微生物凝膠的形式沉積于湖底的沉積物-水界面處[51]。

需要說明的是，盡管本文將球狀微生物巖列為微生物巖的一種，但是有學者發(fā)現(xiàn)巴西鹽下部分地區(qū)球狀微生物巖與硅鎂石共生，據(jù)此推測球狀微生物巖是堿性湖盆內(nèi)富鎂流體無機沉淀的產(chǎn)物[52]。

層紋巖：層紋巖一般由毫米-厘米級、不同起伏幅度的明暗相間紋層組成，其明亮層和暗色層分別代表碳酸鹽巖和底棲/浮游有機質(zhì)的堆積[53]。對層紋巖的分類一般基于紋層形態(tài)及其起伏幅度等，分為瘤狀層紋巖、簇狀層紋巖(暗色紋層形成簇狀或帳篷狀外形)(圖3-J)、波狀層紋巖[54](圖3-K)；韻律層層紋巖、結(jié)核狀層紋巖、平板狀層紋巖、包殼狀層紋巖[28]等多種類型。一般而言，有機和無機過程均可形成薄層、層面平行的碳酸鹽巖(層紋巖)。早期研究認為層紋巖是一種無機化學沉淀產(chǎn)物，其內(nèi)部顆粒來源于淺水碳酸鹽巖的再沉積作用或濁流的搬運作用[54]。此后有學者提出層紋巖可能是一種黏結(jié)巖[37]。最近有學者研究了層紋巖的超微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量原地鈣化橢球菌、絲狀體、胞外聚合物、納米-微米級有機礦物等微生物相關標志，表明層紋巖是一種生物誘導礦化作用所形成的微生物碳酸鹽巖[28,35]。沉積環(huán)境方面，傳統(tǒng)觀點認為，層紋巖是淺水潮緣沉積環(huán)境的證據(jù)[44,55]。然而，近年來研究發(fā)現(xiàn)不同類型層紋巖沉積環(huán)境有別，瘤狀層紋巖主要形成于淺水潮下帶、簇狀層紋巖主要形成于潮間帶，而部分緩波狀層紋巖(尤其對前寒武紀地層而言)可能形成于浪基面之下的中緩坡-外緩坡環(huán)境[53]，其主要證據(jù)包括前寒武紀波狀層紋巖大范圍成層分布，不存在泥裂等淺水構(gòu)造，缺乏底棲光合自養(yǎng)型細菌所形成的疊層構(gòu)造。對于其緩波狀構(gòu)造成因尚存在分歧，可能由深水化能自養(yǎng)型細菌所形成[53,56]，或者是由于深水區(qū)光能自養(yǎng)型細菌側(cè)向生長所形成[57]?？傊畬⒕彶?平板狀層紋巖歸為深水巖相的結(jié)論較一致。此外，國內(nèi)也有學者研究發(fā)現(xiàn)，平板狀層紋巖形成于深水低能環(huán)境[58]。

鮞粒：鮞粒是指具有核心和同心層結(jié)構(gòu)的球狀顆粒，粒徑一般≤2 mm[42]；粒徑>2 mm的一般習慣稱為豆粒，也有學者稱為“巨鮞”。國內(nèi)學者一般根據(jù)結(jié)構(gòu)和形態(tài)等特征將鮞粒分為正常鮞、表皮鮞、放射鮞、復鮞等類型。鮞粒的成因一般有生物成因和無機成因兩種學說。鮞粒無機成因?qū)⒉辉儋樖?，本文將重點概述近年來鮞粒微生物成因相關成果。超微結(jié)構(gòu)研究方面，以R.L.Folk等[25]研究成果為代表，其將巴哈馬臺地的現(xiàn)代鮞粒置于500℃高溫下烘烤30 min，發(fā)現(xiàn)鮞粒因有機質(zhì)含量的不同而呈現(xiàn)不同程度的暗色，并在鮞粒圈層內(nèi)發(fā)現(xiàn)納米細菌/微生物球，由此提出納米微生物形成鮞粒的觀點；細菌培養(yǎng)方面，以U.Brehm[59]研究成果為代表，其在實驗室條件下培養(yǎng)出來球狀微生物群落，并提出了球狀微生物群落-微型生物球-鮞粒的鮞粒微生物成因觀點；地球化學方面，以M.R.Diaz等[40]研究成果為代表，其通過對巴哈馬臺地現(xiàn)代鮞粒不同成分碳氧穩(wěn)定同位素、硫同位素、氮同位素分析，提出微生物群落活動對鮞粒圈層內(nèi)方解石、膠結(jié)物形式方解石以及泥晶化產(chǎn)物內(nèi)的方解石沉淀作用均具有重要影響。近年來，中國學者通過對湖北利川三疊系大冶組復合鮞和偏心鮞的結(jié)構(gòu)和形態(tài)學分析，發(fā)現(xiàn)了鮞粒內(nèi)的“再生”特征和“自我修復”能力等典型“生命活力”現(xiàn)象[39]；在重慶石柱地區(qū)下寒武統(tǒng)巨鮞最外圈層和內(nèi)部暗色紋層內(nèi)發(fā)現(xiàn)藍細菌等微生物化石[41]等研究成果均支持鮞粒微生物成因的觀點。

2.2　沉積環(huán)境和沉積相

盡管微生物碳酸鹽巖是近年來的研究熱點，但標準微生物碳酸鹽巖相模式尚未建立。梳理不同地區(qū)微生物碳酸鹽巖沉積學研究成果發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學者在如下方面取得較大進展。

認識到微生物碳酸鹽巖是極端環(huán)境的產(chǎn)物。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)歷史時期微生物碳酸鹽巖主要分布于前寒武紀、生物滅絕事件之后；現(xiàn)代微生物碳酸鹽巖主要分布于高鹽度、強動蕩等極端環(huán)境，如澳大利亞鯊魚灣(高鹽度環(huán)境)、巴哈馬(強動蕩環(huán)境)[17]。極端環(huán)境淘汰了牧食型后生動物[60]，也控制了微生物生長速度、沉積結(jié)構(gòu)以及微生物碳酸鹽巖碳氧穩(wěn)定同位素、痕量元素等地球化學特征[61]。

微生物礁丘生長發(fā)育及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)：微生物礁丘是油氣勘探的重點目標，近年來的研究逐步認識到微生物礁丘普遍發(fā)育在正斷層下盤、淺灘化地區(qū)等古地貌高點處，其生長發(fā)育與水體深度、鹽度、營養(yǎng)狀況、波浪能量、光照情況、基底類型等因素關系密切[62-63]，其生長發(fā)育的結(jié)束多與風暴作用、碎屑注入等災變性事件導致的水體渾濁關系密切[64-65]。微生物礁丘內(nèi)部結(jié)構(gòu)借鑒海相碳酸鹽巖生物礁、顆粒灘術(shù)語，國內(nèi)學者識別了臺緣微生物礁內(nèi)礁基、礁核、礁蓋，臺內(nèi)微生物丘內(nèi)丘基、丘核、丘蓋，并建立了臺緣微生物礁、臺內(nèi)微生物丘、臺內(nèi)丘灘復合體沉積模式[66-68]。

針對不同地區(qū)微生物碳酸鹽巖，建立了微相組合，明確了多種類型的微生物碳酸鹽巖垂向上構(gòu)成了米級向上變淺的沉積旋回。疊層石一般位于沉積旋回的中上部，構(gòu)成平滑狀層紋巖-微齒狀層紋巖-柱狀疊層石的沉積微相組合模式[27]。研究了不同相帶微生物礁的差異性，微生物層和小型微生物礁(<1 m)主要分布于內(nèi)陸棚；大型微生物礁(10～14 m)主要分布于外陸棚[69]。

3　微生物碳酸鹽巖儲層

3.1　微生物碳酸鹽巖儲集空間類型

微生物碳酸鹽巖儲集空間類型多樣，為體現(xiàn)與非微生物碳酸鹽巖區(qū)別與聯(lián)系，本文將微生物碳酸鹽巖儲集空間分為常規(guī)儲集空間類型和微生物碳酸鹽巖特有儲集空間兩大類。其中微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲集空間類型劃分方案參考P.W.Choquette等[70]碳酸鹽巖儲集空間劃分標準；微生物碳酸鹽巖特有儲集空間類型將主要介紹幾種特殊的儲集空間。

3.1.1微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲集空間類型

根據(jù)P.W.Choquette等[70]碳酸鹽巖儲集空間劃分標準，將微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲集空間劃分為組構(gòu)選擇性儲集空間和非組構(gòu)選擇性儲集空間。其中組構(gòu)選擇性儲集空間包括格架孔(主要發(fā)育于疊層石“亮晶殼”或“富屑紋層”內(nèi)或者樹狀疊層石格架間，是微生物碳酸鹽巖最主要的儲集空間類型之一，圖4-A、F)、粒間孔(主要發(fā)育于凝塊石、鮞粒、核形石等顆粒微生物巖內(nèi)，圖4-B、D)、粒內(nèi)孔(主要發(fā)育于核形石、凝塊石等顆?；?guī)r內(nèi)，圖4-C)、生物體腔孔(主要發(fā)育于與微生物碳酸鹽巖伴生的廣鹽度生物體內(nèi)，如腹足類、雙殼類等)。非組構(gòu)選擇性儲集空間主要包括溶蝕孔洞(主要與不同級別暴露情況下易溶碳酸鹽礦物的溶解有關，圖4-E、F、G)和裂縫(后期構(gòu)造運動所形成)兩大類?？傮w而言，微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲集空間在各類微生物碳酸鹽中廣泛發(fā)育，儲集性能好，體現(xiàn)了其與常規(guī)碳酸鹽巖的相似性。

圖4　微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲集空間類型Fig.4　Types of conventional reservoir space of the microbial carbonates(A)疊層石內(nèi)格架孔，選擇疊層石內(nèi)亮層發(fā)育，二疊系，英國,據(jù)文獻[71];(B)凝塊石內(nèi)粒間孔和部分粒內(nèi)孔，二疊系，英國,據(jù)文獻[71];(C)鮞模孔和生物體腔孔，二疊系，英國,據(jù)文獻[71];(D)鮞?？缀筒糠稚矬w腔孔，始新統(tǒng)，美國，據(jù)文獻[57];(E)含鮞?；?guī)r內(nèi)蟲孔和溶蝕孔洞，始新統(tǒng)，美國，據(jù)文獻[57];(F)現(xiàn)代疊層石內(nèi)格架孔和溶蝕孔洞， 新近系， 巴西,據(jù)文獻[72];(G)疊層石格架孔被灰泥部分或全部充填，部分疊層石可見溶蝕孔洞，白堊系，巴西,據(jù)文獻[72]

3.1.2微生物碳酸鹽巖特有儲集空間類型

作為微生物參與或調(diào)劑下形成的一類特殊碳酸鹽巖，微生物碳酸鹽巖儲集空間在形成機理、發(fā)育分布等方面存在其特殊性。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，微生物碳酸鹽巖特有儲集空間主要包括微觀孔和巨觀孔洞[73]。

微觀孔：孔徑一般為微米級，廣泛存在于樹枝石(shrub)、核形石、球狀微生物巖、層紋巖等各類微生物碳酸鹽巖內(nèi)[73]。在準同生期/成巖早期，微生物群體表面被方解石或文石覆蓋后，改變了微生物生長發(fā)育的局部微環(huán)境，導致微生物死亡、腐爛形成微觀孔(圖5-A、B、C)。微觀孔具有形成時間早、形成快的特點，已有實驗表明，實驗條件下4天即可形成微觀孔[74]。由于其微生物屬性，微觀孔分布具有繼承微生物聚集、分布的特征，所以多呈條帶狀或團塊狀分布，但連通性一般較差。

巨觀孔洞(megapores)：孔徑一般為毫米及其以上級別，按照孔隙形態(tài)、形成機理等，可分為兩大類：第一類為水平展布的窗狀孔(圖5-D)，主要分布于席狀微生物碳酸鹽巖下部，由重力分異、雨水等外力打碎原微生物碳酸鹽巖所形成；第二類為泡沫狀孔隙，為石灰華微生物碳酸鹽巖所特有?？讖揭话銥?～3 mm，高2～4 cm，縱向上呈粗細不一的管狀(圖5-E)，平面上呈層分布(圖5-F)，主要由于微生物席內(nèi)氣泡上涌所形成。

3.2　微生物碳酸鹽巖儲層主控因素

一般而言，碳酸鹽巖儲層主控因素一般包括沉積、成巖、構(gòu)造等方面。國內(nèi)外學者在對微生物碳酸鹽巖研究中，借鑒了海相碳酸鹽巖研究思路，并逐步認識到微生物結(jié)構(gòu)在這類儲層形成中的重要作用。

微生物組構(gòu)是儲層的基礎性控制因素，主要體現(xiàn)在微生物結(jié)構(gòu)控制了儲層孔隙空間類型和孔隙結(jié)構(gòu)[75]、選擇性溶蝕作用以及儲層展布特征[66-77]。其中微生物結(jié)構(gòu)對儲層孔隙空間的控制作用主要體現(xiàn)在：塔里木盆地研究實例發(fā)現(xiàn)，疊層石白云巖孔隙類型以明亮層內(nèi)的窗格孔為主，而微生物顆粒(如核形石、鮞粒等)和微生物席(如層紋巖等)結(jié)構(gòu)控制了非疊層石類白云巖溶蝕孔隙的發(fā)育分布[75]。微生物結(jié)構(gòu)對孔滲關系的控制作用主要體現(xiàn)在：巴西桑托斯盆地研究發(fā)現(xiàn)，層紋巖、小型樹狀疊層石、中型樹狀疊層石、大型樹狀疊層石4種微生物碳酸鹽巖孔滲關系和孔喉分布特征差異明顯，大型樹狀疊層石以大孔隙、粗喉道為特征，是滲透率的首要控制因素[76]。微生物組構(gòu)控制選擇性溶蝕作用以及儲層展布特征主要體現(xiàn)在：塔里木盆地微生物碳酸鹽巖內(nèi)溶蝕孔隙具有選擇凝塊石發(fā)育的特征，進而控制了儲層的發(fā)育分布[66,77-78]。

圖5　微生物碳酸鹽巖特有儲集空間類型Fig.5　Types of typical reservoir space of microbial carbonates(A)樹枝石內(nèi)微孔;(B)樹枝石內(nèi)微孔;(C)球狀微生物巖內(nèi)微孔;(D)鮞模孔;(E)含鮞?；?guī)r內(nèi)蟲孔和溶蝕孔洞;(F)現(xiàn)代疊層石內(nèi)格架孔和溶蝕孔洞。照片均來源于文獻[73]， 樣品取自意大利新近系

沉積作用對微生物碳酸鹽巖的控制作用主要體現(xiàn)在：沉積作用控制微生物碳酸鹽巖相帶展布、微生物結(jié)構(gòu)類型以及原生孔隙的發(fā)育分布[67]，其根本原因是藍細菌和表附菌等造巖微生物均具有向光性[1,79]，其構(gòu)成的疊層石和凝塊石一般分布于沉積序列的中上部-頂部，形成向上變淺的沉積旋回。一方面在透光帶可容納空間較大時，光照和養(yǎng)分充足，微生物垂向生長速率大于橫向生長速率，形成柱狀、半球狀結(jié)構(gòu)；反之，在較深水區(qū)，微生物側(cè)向生長為主，通過擴大其比表面積的方式獲得足夠的光照和養(yǎng)分，形成層紋巖[57]。另一方面，當高頻海平面下降時，旋回中上部的(樹狀)疊層石和凝塊石更易于暴露，形成優(yōu)質(zhì)儲層。

由于微生物碳酸鹽巖與常規(guī)海相碳酸鹽巖礦物成分相同，所以其成巖作用研究思路與常規(guī)海相碳酸鹽巖類似。不同地區(qū)成巖作用研究發(fā)現(xiàn)，對微生物碳酸鹽巖而言，建設性成巖作用包括白云化作用、巖溶作用、埋藏溶蝕作用等；破壞性成巖作用包括：膠結(jié)作用、硅化作用、過白云化作用等[1,75,80-81]。

構(gòu)造作用對微生物碳酸鹽巖儲層的影響與常規(guī)海相碳酸鹽巖儲層基本相同，在此不再贅述。

4　結(jié) 語

盡管微生物碳酸鹽巖相關研究已持續(xù)近200年，但微生物碳酸鹽巖油氣儲層研究方興未艾，本文查閱了近年來國內(nèi)外相關研究成果，有如下結(jié)論和建議。

梳理了微生物巖和微生物碳酸鹽巖，生物主控礦化作用和生物誘導礦化作用等相關術(shù)語，由于微生物巖和微生物碳酸鹽巖2個術(shù)語相近，但內(nèi)涵有別，建議在后續(xù)研究中予以重視。

從宏觀尺度、微觀尺度、地球化學等方面初步總結(jié)了微生物碳酸鹽巖的識別標志。微生物碳酸鹽巖宏觀尺度可見丘狀、凝塊狀、緩波狀等結(jié)構(gòu)，微觀尺度可見球狀、橢球狀、桿狀等結(jié)構(gòu)并常見絲狀體、胞外聚合物等。海相微生物碳酸鹽巖地球化學方面具有碳氧同位素明顯負異常；Y元素正異常以及重稀土元素富集、輕稀土元素虧損；Zn、Ba等營養(yǎng)元素富集等特征。

研究發(fā)現(xiàn)微生物碳酸鹽巖巖石類型除疊層石、凝塊石、樹枝石、均一石外，還包括球狀微生物巖、層紋巖、鮞粒等。本文梳理了各類微生物碳酸鹽巖術(shù)語由來、分類、成因、沉積環(huán)境等特征，為后續(xù)研究提供參考。

微生物碳酸鹽巖沉積環(huán)境和沉積相研究：一方面，認識到微生物碳酸鹽巖是極端環(huán)境的產(chǎn)物，競爭性、牧食型后生動物滅絕是微生物及其形成的微生物碳酸鹽巖繁盛的根本原因。針對微生物礁丘這一油氣勘探的重點目標，認識到其主要發(fā)育于古地貌高點，其消亡多與災變性事件關系密切。另一方面，雖然針對不同地區(qū)建立了沉積相模式，但標準微生物碳酸鹽巖相模式尚未建立，在后續(xù)研究中還需持續(xù)攻關。

本文將微生物碳酸鹽巖儲集空間分為格架孔、粒間孔、粒內(nèi)孔等常規(guī)儲集空間和微生物腐爛孔等特有儲集空間，并從沉積、成巖、構(gòu)造等方面初步總結(jié)了微生物碳酸鹽巖儲層的主控因素。國內(nèi)學者已經(jīng)認識到微生物組構(gòu)在這類儲層形成中的重要作用，但微生物類型、早期微生物相關成巖作用如微生物白云化作用等與儲集性的關系尚不明確，在后續(xù)研究中還需加強。