微生物碳酸鹽巖“三因素”控儲(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識(shí)和分布規(guī)律

沈安江，胡安平，張 杰，王小芳，王 慧

（1.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州 310023；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310023）

微生物碳酸鹽沉積是由底棲的原核或真核微生物群落通過(guò)捕獲或粘結(jié)碎屑顆粒，或由微生物引發(fā)的碳酸鹽沉淀而成的碳酸鹽沉淀物［1-2］構(gòu)成微生物碳酸鹽沉積的微生物組分主要包括細(xì)菌、藻類(lèi)、真菌、參與生物膜和微生物席生長(zhǎng)的物質(zhì)［3］。微生物碳酸鹽巖（尤指疊層石）最早出現(xiàn)在接近3 500 Ma前的太古宙地層中［4-5］，在中、新元古代達(dá)到豐度、形態(tài)種類(lèi)和分布范圍的高峰期，大量微生物碳酸鹽巖發(fā)育于中、新元古代和早古生代［6］。

Riding（2000）［2］將微生物碳酸鹽巖劃分為疊層石、凝塊石、樹(shù)枝石和均一石4類(lèi)。Kalkowsky（1908）［7］定義的疊層石為內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈紋層狀緊密排列的生物沉積灰?guī)r。Riding（2011）［8］根據(jù)疊層石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、宏觀(guān)特征和微生物沉積之間的作用方式等特點(diǎn)，將疊層石細(xì)分為骨骼疊層石、粘結(jié)疊層石、細(xì)粒疊層石、泉華疊層石、陸生疊層石5類(lèi)。凝塊石指宏觀(guān)上呈凝塊狀的底棲微生物沉積，這種微生物碳酸鹽巖有著不規(guī)則的顆粒形態(tài)，可細(xì)分為鈣化微生物凝塊石、粗糙粘結(jié)凝塊、樹(shù)枝凝塊石、泉華凝塊石、沉積后-生物擾動(dòng)形成的凝塊石、增生型凝塊石和次生凝塊石7類(lèi)［2］。樹(shù)形石由微生物鈣化而成，不是由顆粒粘結(jié)而成，呈厘米級(jí)灌木狀枝體。均一石是一種相對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)或泥晶質(zhì)、宏觀(guān)結(jié)構(gòu)缺少清晰紋層、凝塊或樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的微生物碳酸鹽沉積。

梅冥相（2007）［9］將核形石和紋理石補(bǔ)充到微生物碳酸鹽巖中，建立了微生物碳酸鹽巖的六分方案。紋理石是指發(fā)育紋理化構(gòu)造的泥晶灰?guī)r，紋理化構(gòu)造單個(gè)紋理的厚度在0.5～1.5 mm，是一種未受改造的有機(jī)紋理，明顯不同于水平狀疊層石（紋理石）。核形石是指由微生物粘結(jié)或引發(fā)碳酸鹽沉淀形成的球狀、橢球狀核形構(gòu)造，大小為毫米到厘米級(jí)，常與凝塊石共生，發(fā)育于前寒武紀(jì)及顯生宙地層中，楊仁超（2011）［10］將核形石分為橢球狀同心紋層核形石、橢圓形不規(guī)則紋層核形石、葉狀不連續(xù)紋層核形石及迷霧狀核形石等4種類(lèi)型。

Shapiro（2000）［11］按照構(gòu)造尺度將微生物碳酸鹽巖劃分為大型構(gòu)造（＞1 m）、中型構(gòu)造（0.5～1 m）、小型構(gòu)造（1～50 cm）和微型構(gòu)造（＜1 cm）4類(lèi)。大型構(gòu)造指微生物碳酸鹽巖形成的巖層特征，如微生物層、微生物丘等；中型構(gòu)造指微生物碳酸鹽巖的形態(tài)特征，如柱狀、穹窿狀、錐狀、團(tuán)塊狀等；小型構(gòu)造指中型構(gòu)造內(nèi)部用裸眼能夠觀(guān)察到的微生物碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)，如波狀、紋層狀、泡沫狀、疊層狀等；微型構(gòu)造指顯微鏡下能夠觀(guān)察到的微生物碳酸鹽巖顯微結(jié)構(gòu)與組分，包括鈣化微生物殘留體、沉積物和膠結(jié)物等。

微生物碳酸鹽巖不僅與許多金屬礦床（如Fe和Mn等礦床）的形成和富集密切相關(guān)［12］，而且還是非常重要的油氣儲(chǔ)層，美國(guó)阿拉巴馬州、東西伯利亞地區(qū)、巴西桑托斯盆地、阿曼鹽盆、哈薩克斯坦以及中國(guó)的四川盆地和華北地區(qū)在微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層中均有重大油氣發(fā)現(xiàn)。東西伯利亞地區(qū)新元古界發(fā)育晚里菲期和晚文德期兩套微生物白云巖儲(chǔ)層，孔隙度達(dá)到10%以上，油氣可采儲(chǔ)量達(dá)22×108t［13］，四川盆地?zé)粲敖M微生物白云巖儲(chǔ)層的天然氣儲(chǔ)量規(guī)模在萬(wàn)億方以上，孔隙度達(dá)到6%～12%［14］，華北任丘、牛東地區(qū)薊縣系微生物白云巖儲(chǔ)層的孔隙度達(dá)到10%～15%［15］?？碧綄?shí)踐證實(shí)，中國(guó)微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于疊層石和凝塊石白云巖中［16-18］，展示了疊層石和凝塊石白云巖比其他類(lèi)型微生物碳酸鹽巖和非微生物碳酸鹽巖具有更高的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育潛力。

碳酸鹽巖儲(chǔ)層可劃分為礁灘、巖溶和白云巖儲(chǔ)層，多孔的礁灘相沉積是儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ)，孔隙主要形成于沉積（原生孔隙）和表生環(huán)境（表生溶孔），埋藏溶蝕和熱液作用對(duì)孔隙的改造具有建造和破壞雙重性，是先存孔隙調(diào)整的場(chǎng)所，而且埋藏溶蝕孔洞沿先存孔隙發(fā)育帶分布，白云巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要是對(duì)原巖孔隙的繼承和調(diào)整，但早期白云石化作用有利于先存孔隙的保存［19］。以上這些碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的主要控制因素同樣也是微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的主要因素，但因沉積物和沉積環(huán)境的特殊性，微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因也有其特殊性。前人對(duì)微生物碳酸鹽巖的研究停留在巖石成因、分類(lèi)、沉積環(huán)境和共性的儲(chǔ)層發(fā)育控制因素上［20-22］，對(duì)微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因的特殊性和分布規(guī)律研究甚少。但微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層作為一類(lèi)非常特殊的儲(chǔ)層類(lèi)型，與非微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層相比具有更高的儲(chǔ)層發(fā)育潛力，尤其是凝塊石和疊層石白云巖儲(chǔ)層，除上述共性的儲(chǔ)層成因機(jī)理認(rèn)識(shí)同樣適用于微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層外，肯定有其成因特殊性，這是由其高初始孔隙度、富微生物有機(jī)質(zhì)和易于發(fā)生早期白云石化的特性所決定的，這也是本文的研究目的和意義。

針對(duì)疊層石和凝塊石碳酸鹽巖比其他類(lèi)型微生物碳酸鹽巖和非微生物碳酸鹽巖具有更高儲(chǔ)層發(fā)育潛力這一科學(xué)問(wèn)題，本文通過(guò)現(xiàn)代微生物碳酸鹽沉積特征和現(xiàn)代鹽湖碳酸鹽沉積特征研究、微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解和晚期熱解生酸模擬實(shí)驗(yàn)、早期沉淀和交代白云石成因模擬實(shí)驗(yàn)，探索微生物白云巖儲(chǔ)層成因的特殊性，提出了“三因素”控儲(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識(shí)，為微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層分布預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系中，疊層石和凝塊石發(fā)育相帶是微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層有利分布區(qū)。

1 現(xiàn)代沉積研究和模擬實(shí)驗(yàn)

本文開(kāi)展了現(xiàn)代巴哈馬臺(tái)地微生物碳酸鹽沉積特征研究、內(nèi)蒙古新巴爾虎左3個(gè)鹽湖和6個(gè)非鹽湖沉積物特征比較研究、微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解生酸和晚期熱解生烴、生酸兩組模擬實(shí)驗(yàn)、微生物誘導(dǎo)原白云石沉淀模擬實(shí)驗(yàn)，為認(rèn)識(shí)疊層石和凝塊石碳酸鹽巖比其他類(lèi)型微生物碳酸鹽巖和非微生物碳酸鹽巖具有更高儲(chǔ)層發(fā)育潛力、疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層主要分布于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系的原因提供線(xiàn)索。

1.1 現(xiàn)代沉積物特征

1.1.1 現(xiàn)代微生物沉積物特征

本文作者考察了巴哈馬臺(tái)地Crooked島上的一個(gè)潟湖，湖面最寬處近400 m，長(zhǎng)近1.7 km（圖1a），湖底最深60 cm，溫度25～35℃，鹽度35‰～40‰，湖水平靜，幾乎不受波浪或潮汐作用的影響［23］。湖底中央為石化的微生物灰?guī)r，主要為柱狀和穹窿狀疊層石灰?guī)r，湖底邊緣為半固結(jié)的微生物灰?guī)r，主要為水平-波狀疊層石灰?guī)r，湖岸為半固結(jié)的碳酸鹽泥結(jié)殼（圖1b），上覆于新近系生屑和鮞粒灘之上。

湖底中央石化的柱狀和穹窿狀疊層石灰?guī)r，據(jù)10個(gè)樣品的物性測(cè)試，最大孔隙度達(dá)到55%，最小孔隙度為15%，平均孔度達(dá)到40%（圖1c），湖底邊緣半固結(jié)的水平-波狀疊層石沉積，據(jù)7個(gè)樣品的物性測(cè)試，最大孔隙度達(dá)到65%，最小孔隙度為55%，平均孔隙度可以達(dá)到60%（圖1d）。湖岸（時(shí)而暴露，時(shí)而被湖水淹沒(méi)）半固結(jié)的碳酸鹽泥沉積，據(jù)8個(gè)樣品的物性測(cè)試，最大孔隙度達(dá)到20%，最小孔隙度為5%，平均孔隙度達(dá)到10%。

圖1 巴哈馬臺(tái)地Crooked島潟湖微生物沉積特征Fig.1 Microbial sedimentary characteristics in a lagoon of Crooked Island，Bahamasplatform

湖底中央石化的柱狀和穹窿狀疊層石灰?guī)r，微生物有機(jī)質(zhì)含量可以達(dá)到30%～40%，其余為捕獲的灰泥、鈣化的微生物及微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鹽沉積，按平均孔隙度40%計(jì)算，微生物有機(jī)質(zhì)的體積可以占到巖石總體積的18%～24%（圖1c）。湖底邊緣半固結(jié)的水平-波狀疊層石沉積，格架部分微生物有機(jī)質(zhì)的含量與碳酸鹽巖沉積物含量相當(dāng)，按平均孔隙度60%計(jì)算，微生物有機(jī)質(zhì)的體積可以占到巖石總體積的20%（圖1d）。湖岸半固結(jié)的碳酸鹽泥沉積，因低水位期的暴露、暴曬（巴哈馬臺(tái)地位于赤道附近）和海水作用，往往形成結(jié)殼，結(jié)殼成分以碳酸鈣為主，只能見(jiàn)到微生物有機(jī)質(zhì)的痕跡，微生物有機(jī)質(zhì)的體積占到巖石總體積5%～10%。

現(xiàn)代微生物沉積研究揭示湖底固結(jié)或半固結(jié)的疊層石灰?guī)r（或沉積物）與湖岸半固結(jié)的碳酸鹽泥相比，具有更高的初始孔隙度和微生物有機(jī)質(zhì)含量。按照將今論古的原則，地質(zhì)歷史時(shí)期的疊層石灰?guī)r（或微生物沉積物）同樣應(yīng)該具有更高的初始孔隙度和微生物有機(jī)質(zhì)含量。

1.1.2 現(xiàn)代鹽湖沉積物特征

本文作者考察了內(nèi)蒙古吉布胡郞圖諾爾、噶布金托呼各克和都蘭油泥泉3個(gè)鹽湖，塔日根、塔日根諾爾、達(dá)布散諾爾、敦德諾爾、布日德諾爾和呼吉日諾爾6個(gè)淡水湖泊（圖2a）。3個(gè)鹽湖中央湖水的鹽度分別為60‰，120‰和100‰，鹽湖邊緣受降雨和淡水注入的影響，湖水鹽度小于35‰。每個(gè)鹽湖從湖底中央到湖底邊緣各鉆取兩筒心（共6筒心），心長(zhǎng)25 cm（圖2b）。取心沉積物主體為灰泥沉積，幾乎見(jiàn)不到微生物的痕跡，X射線(xiàn)衍射結(jié)果揭示，鹽湖邊緣3筒心從底至頂，沉積物的礦物成分除灰泥（方解石）和泥質(zhì)（粘土礦物）外，還有石英和鈉長(zhǎng)石礦物，未見(jiàn)白云石和石鹽礦物（圖2d）。鹽湖中央3筒心中上部（0～8 cm），沉積物的礦物成分與鹽湖邊緣3筒心相同，下部（8～25 cm），沉積物的礦物成分還出現(xiàn)了白云石和石鹽礦物，白云石礦物X射線(xiàn)衍射峰值為30.95°（圖2c，e），白云石含量隨深度增加而逐漸增大，鏡下觀(guān)察白云石含量最大達(dá)到30%～40%。6個(gè)淡水湖泊從湖底中央到邊緣各鉆取兩筒心（共12筒心），取心沉積物主體為灰泥（方解石）和泥質(zhì)（粘土礦物）沉積，出現(xiàn)疊層狀微生物痕跡，X射線(xiàn)衍射結(jié)果揭示，無(wú)論是湖底中央還是邊緣、無(wú)論是取心上部還是下部，沉積物的礦物成分除灰泥（方解石）和泥質(zhì)（粘土礦物）外，還出現(xiàn)了石英和鈉長(zhǎng)石礦物，未見(jiàn)白云石和石鹽礦物。

圖2 現(xiàn)代鹽湖沉積物特征Fig.2 Characteristics of sediments in a modern salt lake

現(xiàn)代鹽湖和淡水湖泊沉積物特征揭示了以下3點(diǎn)認(rèn)識(shí)：①無(wú)論是鹽湖還是淡水湖泊，沒(méi)有微生物作用的條件下，表層沉積物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原白云石沉淀；②從表層沉積物中缺原白云石分析，湖底中央下部（8～25 cm）沉積物中的白云石礦物是準(zhǔn)同生期交代成因的，高鹽度可能是交代白云石形成的主控因素；③在淡水湖泊水體（低鹽度）中，即使有微生物的作用，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原白云石沉淀及交代白云石。

1.2 微生物有機(jī)質(zhì)生酸模擬實(shí)驗(yàn)

1.2.1 微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解生酸模擬實(shí)驗(yàn)

本次模擬實(shí)驗(yàn)采用銅綠微囊藻作為準(zhǔn)同生-早成巖期微生物有機(jī)質(zhì)低溫降解的有機(jī)質(zhì)來(lái)源，銅綠微囊藻（15 mL）購(gòu)自中科院水生生物研究所，配置BG11培養(yǎng)基進(jìn)行微生物培養(yǎng)，并經(jīng)一系列物理化學(xué)處理后，制得凍干的銅綠微囊藻粉和螺旋藻，冰箱冷藏備用。

微生物有機(jī)質(zhì)降解的菌株及培養(yǎng)環(huán)境見(jiàn)表1，模擬自然界常見(jiàn)的自然水解、有氧降解、硝酸鹽還原、Fe氧化物還原4個(gè)階段的微生物有機(jī)質(zhì)降解作用。自然水解用時(shí)7 d，有氧降解用時(shí)30 d，硝酸鹽還原用時(shí)28 d，F(xiàn)e氧化物還原用時(shí)30 d。分別模擬疊層石灰?guī)r微生物有機(jī)質(zhì)降解（圖3a）、凝塊石灰?guī)r微生物有機(jī)質(zhì)降解（圖3b）的產(chǎn)物及豐度。整個(gè)模擬方案的設(shè)計(jì)、模擬過(guò)程、降解產(chǎn)物及含量的測(cè)試非常復(fù)雜，將另文陳述。

圖3 微生物有機(jī)質(zhì)低溫降解生酸模擬實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Simulation experiment of acid generation through microbial organic matter degradation

表1 用于微生物有機(jī)質(zhì)降解的菌株及培養(yǎng)環(huán)境Table 1 The bacterial strain type and culture environment for the microbial organic matter degradation

模擬實(shí)驗(yàn)揭示微生物灰?guī)r類(lèi)型、微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解途徑對(duì)微生物有機(jī)質(zhì)生酸強(qiáng)度和類(lèi)型均有重要的控制作用（圖4）。自然水解路徑無(wú)論是疊層石灰?guī)r還是凝塊石灰?guī)r，生酸強(qiáng)度均低，有機(jī)酸類(lèi)型單一，且各不相同。有氧降解路徑凝塊石灰?guī)r的生酸強(qiáng)度明顯高于疊層石灰?guī)r，雖然有機(jī)酸類(lèi)型依舊相對(duì)單一，但完全一致。硝酸鹽還原路徑無(wú)論是疊層石灰?guī)r還是凝塊石灰?guī)r，生酸強(qiáng)度均達(dá)到高峰，有機(jī)酸類(lèi)型多樣，但各不相同。Fe氧化物還原路徑生酸強(qiáng)度介于有氧降解路徑和硝酸鹽還原路徑之間，有機(jī)酸類(lèi)型多樣，但各不相同。

圖4 疊層石和凝塊石灰?guī)r微生物有機(jī)質(zhì)低溫降解路徑與降解產(chǎn)物、有機(jī)酸濃度關(guān)系Fig.4 Relationship between microbial organic matter degradation pathways，degradation products and acid concentration

凝塊石灰?guī)r和疊層石灰?guī)r具有較高的生酸強(qiáng)度，尤其是凝塊石灰?guī)r，這與不同類(lèi)型微生物灰?guī)r中微生物有機(jī)制豐度的差異有關(guān)。巴哈馬臺(tái)地現(xiàn)代微生物沉積物特征研究已經(jīng)揭示疊層石灰?guī)r具有很高的微生物有機(jī)質(zhì)豐度，湖岸半固結(jié)碳酸鹽泥的微生物有機(jī)質(zhì)含量很低。層（席）狀和丘狀微生物灰?guī)r的沉積背景可以與湖岸半固結(jié)碳酸鹽泥沉積類(lèi)比，均處于時(shí)而暴露時(shí)而被淹沒(méi)的沉積環(huán)境，不利于微生物的繁盛，雖然未做微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解生酸模擬實(shí)驗(yàn)，但生酸強(qiáng)度應(yīng)該遠(yuǎn)小于疊層石灰?guī)r。凝塊石灰?guī)r的沉積水深大于疊層石灰?guī)r的［24-25］，故巴哈馬臺(tái)地現(xiàn)代微生物沉積未見(jiàn)凝塊石灰?guī)r，但可以推測(cè)凝塊石灰?guī)r微生物有機(jī)質(zhì)含量不亞于疊層石灰?guī)r，并導(dǎo)致凝塊石灰?guī)r的生酸強(qiáng)度高于疊層石灰?guī)r。紋理石灰?guī)r是指發(fā)育紋理化構(gòu)造（0.5～1.5 mm）的泥晶灰?guī)r，其沉積水深大于凝塊石灰?guī)r［26-27］，往往與黑色泥巖伴生，有機(jī)質(zhì)含量很高，可以成為好的烴源巖，但不能作為儲(chǔ)層，有機(jī)質(zhì)晚期熱解生烴過(guò)程中可以有大量有機(jī)酸伴生，對(duì)緊鄰烴源巖的儲(chǔ)集層有改造作用。

微生物有機(jī)質(zhì)類(lèi)型和豐度相同的微生物灰?guī)r，生酸強(qiáng)度從大到小依次為硝酸鹽還原作用、Fe氧化物還原作用、有氧降解作用、自然水解的作用，干旱氣候背景條件下的碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系有利于硝酸鹽還原生酸作用和Fe氧化物還原生酸作用的發(fā)生。

綜上所述，不同類(lèi)型的微生物灰?guī)r受微生物有機(jī)質(zhì)豐度和降解途徑的不同，生酸強(qiáng)度和類(lèi)型有很大的差異，碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系凝塊石和疊層石灰?guī)r的生酸強(qiáng)度最大。

1.2.2 微生物有機(jī)質(zhì)晚期熱解生酸模擬實(shí)驗(yàn)

選取3組樣品，開(kāi)展微生物巖生烴和生酸模擬實(shí)驗(yàn)研究。第一組為取自柴達(dá)木盆地古近系的藻灰?guī)r樣，TOC為0.30%，S1為0.04 mg∕g，S2為0.18 mg∕g，HI為60 mg∕g，Ro為0.42%；第二組為取自泌陽(yáng)凹陷古近系灰色泥巖，TOC為2.64%，S2為15.83 mg∕g，HI為600 mg∕g，Ro為0.38%；第三組為取自祿勸茂山剖面的中二疊統(tǒng)泥灰?guī)r，TOC為3.33%，S1為1.11 mg∕g，S2為13.9 mg∕g，HI為403 mg∕g，Ro為0.42%。

3組樣品現(xiàn)今處于未成熟-低成熟階段，地質(zhì)歷史上未經(jīng)歷生烴高峰，是生烴和生酸模擬實(shí)驗(yàn)的理想樣品。3組樣品分別為藻灰?guī)r（微生物巖）、泥灰?guī)r和灰色泥巖，代表3種不同巖性熱解過(guò)程中的生烴和生酸潛力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5）揭示藻灰?guī)r（微生物巖）的油產(chǎn)率、烴氣產(chǎn)率均不亞于灰色泥巖、泥灰?guī)r，具備生烴的潛力。模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示，藻灰?guī)r（微生物巖）熱解生烴過(guò)程中還伴生CO2氣體和有機(jī)酸的形成，而且產(chǎn)率遠(yuǎn)大于灰色泥巖和泥灰?guī)r。

圖5 藻灰?guī)r（微生物巖）、灰色泥巖、泥灰?guī)r熱解生烴和生酸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果［49］Fig.5 Pyrolysis experiments of hydrocarbon and acid generation in algal limestone（microbial carbonates），grey mudstone and muddy limestone samples［49］

1.3 微生物誘導(dǎo)原白云石沉淀模擬實(shí)驗(yàn)

Land（1998）［28］指出在地表溫壓條件下（＜50℃，數(shù)米深壓力），經(jīng)過(guò)32a的地質(zhì)作用過(guò)程，也未能通過(guò)無(wú)機(jī)途徑產(chǎn)生原白云石沉淀。這使人們把目光轉(zhuǎn)向有機(jī)成因上，并開(kāi)展了微生物誘導(dǎo)白云石沉淀實(shí)驗(yàn)。微生物無(wú)處不在，微生物灰?guī)r的存在足以說(shuō)明并不是所有的微生物都能誘導(dǎo)白云石沉淀，可能與特殊類(lèi)型的微生物有關(guān)。Vasconcelos等（1995）［29］通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出硫酸鹽還原菌能夠誘導(dǎo)白云石的沉淀，Warthmann等（2005）［30］通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出產(chǎn)甲烷菌能夠誘導(dǎo)白云石的沉淀，Kenward等（2013）［31］將實(shí)驗(yàn)室沉淀的白云石與拉戈阿韋梅利亞咸化海岸的白云石進(jìn)行比較，兩者具相似的球形和低有序度特征，進(jìn)而推斷特殊類(lèi)型的微生物（硫酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷菌）是沉淀原白云石的條件。

考慮到古老微生物白云巖主要發(fā)育于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系，與高鹽度有關(guān)，本文開(kāi)展了嗜鹽古菌誘導(dǎo)原白云石沉淀實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高嗜鹽古菌細(xì)胞濃度、高鹽度、介質(zhì)高M(jìn)g∕Ca是碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系誘導(dǎo)早期低溫原白云石沉淀的重要條件。

本文用于誘導(dǎo)原白云石沉淀的三株嗜鹽古菌分別為Natrinemasp.J7-1，J7-3，LJ7，成礦條件為Ca2+濃度10.0 mM，Mg2+濃度100.0 mM，CO32-濃度20 mM，SO42-濃度分別為0，1.0，29.8，100 mM，溫度45℃，轉(zhuǎn)速150 r∕min，培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)72 h。在相同鹽度（200‰）條件下，Natrinemasp.J7-1，J7-3，LJ7細(xì)胞濃度（OD600）分別為0，1.0，1.5，2.0，2.5（細(xì)胞濃度用吸光度表示，測(cè)試波長(zhǎng)為600 nm，即OD600）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Natrinemasp.J7-1，J7-3，LJ7三株嗜鹽古菌誘導(dǎo)原白云石沉淀的細(xì)胞濃度（OD600）下限分別為1.5，2.5和1.5（圖6a—c）。本文還開(kāi)展了嗜鹽古菌細(xì)胞濃度相同的條件下，隨鹽度變化的原白云石沉淀情況，給定嗜鹽古菌Natrinemasp.J7-1的細(xì)胞濃度為2.0，鹽度為100‰時(shí)沉淀文石和原白云石（圖7a），鹽度為140‰時(shí)沉淀原白云石和單水合方解石（圖7b），鹽度為200‰時(shí)沉淀原白云石和文石（圖7c），鹽度為280‰時(shí)全為原白云石沉淀（圖7d），并且隨著鹽度增加，沉淀原白云石增多。更為有趣的是在沒(méi)有嗜鹽古菌參與的條件下，鹽度在100‰，140‰，200‰，280‰時(shí)，均為文石沉淀，未見(jiàn)原白云石沉淀（圖7e—h）。硫酸根濃度不影響嗜鹽古菌誘導(dǎo)原白云石沉淀（圖7），這是碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體富SO42-條件下嗜鹽古菌仍能誘導(dǎo)原白云石沉淀的重要原因。嗜鹽古菌誘導(dǎo)沉淀的原白云石（圖8）為低有序度白云石（＜0.4）。

圖7 不同鹽度、不同硫酸根濃度下原白云石沉淀后X射線(xiàn)衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of proto-dolomite precipitation at different salinities and sulfate concentrations

圖8 嗜鹽古菌誘導(dǎo)沉淀的原白云石特征（圖中數(shù)據(jù)代表白云石有序度）Fig.8 Images showing the characteristics of proto-dolomite deposited under mediation of halophilic archaea（the order degree of dolomite isrepresented with decimal digits）

綜上所述，高嗜鹽古菌細(xì)胞濃度（＞1.5）、高鹽度（＞100‰）是誘導(dǎo)早期原白云石沉淀的兩個(gè)必要條件，雖然本實(shí)驗(yàn)成礦介質(zhì)設(shè)定的Mg∕Ca為10，但Mg∕Ca介于2～10可能更有利于嗜鹽古菌誘導(dǎo)原白云石沉淀［32］。

2 微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因

現(xiàn)代微生物沉積物特征、現(xiàn)代鹽湖沉積物特征研究和微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解生酸模擬實(shí)驗(yàn)、微生物有機(jī)質(zhì)晚期熱解生酸模擬實(shí)驗(yàn)、微生物誘導(dǎo)原白云石沉淀模擬實(shí)驗(yàn)揭示微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因有其特殊性，這是由其高初始孔隙度、富微生物有機(jī)質(zhì)和易于發(fā)生早期白云石化的特性所決定的，提出了“三因素”控儲(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

2.1 疊層石和凝塊石沉積是微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)

前已述及，微生物碳酸鹽巖包括疊層石、凝塊石、樹(shù)枝石、均一石、核形石和紋理石6類(lèi)［9］。中國(guó)中新生代微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于陸相湖盆中，如中國(guó)東部諸盆地及柴達(dá)木盆地、塔里木盆地古近系微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層［33-37］既有疊層石和凝塊石灰?guī)r，也有疊層石和凝塊石白云巖，手標(biāo)本呈蜂窩狀，儲(chǔ)層物性極佳，疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層主要分布于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系，白云石化對(duì)儲(chǔ)層的發(fā)育似乎沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的影響。中國(guó)前寒武紀(jì)及古生代海相微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層以疊層石和凝塊石白云巖為主，主要分布于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系，如四川盆地?zé)粲敖M、嘉陵江組、雷口坡組1—3段和塔里木盆地寒武系鹽下疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層，未發(fā)生白云石化的疊層石和凝塊石灰?guī)r往往致密無(wú)孔，如四川盆地雷口坡組四段［17］白云石化對(duì)儲(chǔ)層的發(fā)育似乎具有重要的控制作用。

無(wú)論是疊層石和凝塊石灰?guī)r儲(chǔ)層，還是疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間以原生藻格架孔為主，白云石化對(duì)孔隙的新增沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)［38］。巴哈馬臺(tái)地現(xiàn)代微生物沉積物特征研究也揭示，疊層石灰?guī)r具有很大的初始孔隙度，這些孔隙一部分為沉積原生孔，一部分為微生物有機(jī)質(zhì)腐爛形成的孔隙，這些孔隙不但構(gòu)成了中國(guó)中、新生代湖相疊層石、凝塊石灰?guī)r和疊層石、凝塊石白云巖儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間，前寒武紀(jì)及古生代海相疊層石、凝塊石白云巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間同樣是對(duì)初始孔隙的繼承和調(diào)整，初始孔隙發(fā)育的疊層石和凝塊石沉積是儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于中國(guó)古老海相疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層而言，這些初始孔隙是如何在經(jīng)歷漫長(zhǎng)埋藏地質(zhì)過(guò)程中得以保存的，這是后文要討論的微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因的另外兩個(gè)控制因素。

2.2 微生物有機(jī)質(zhì)降解和熱解生酸有利于初始孔隙保存

巴哈馬臺(tái)地現(xiàn)代微生物沉積物特征研究不但揭示了疊層石灰?guī)r具有很高的初始孔隙度，而且富含微生物有機(jī)質(zhì)，這些微生物有機(jī)質(zhì)的腐爛不但可以釋放大量的初始孔隙，其早期低溫降解和晚期熱解生成的有機(jī)酸有利于初始孔隙在經(jīng)歷漫長(zhǎng)埋藏地質(zhì)過(guò)程中的保存，這是微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的第二個(gè)主控因素。

微生物有機(jī)質(zhì)降解和熱解生酸模擬實(shí)驗(yàn)揭示，由于疊層石和凝塊石沉積的微生物有機(jī)質(zhì)最豐富，降解和熱解的生酸量大，使得疊層石和凝塊石碳酸鹽巖在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的埋藏地質(zhì)過(guò)程中始終處于酸性環(huán)境，除有機(jī)酸溶蝕成孔外，更有利于初始孔隙的保存，這也是疊層石和凝塊石碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙中很少有亮晶方解石或白云石膠結(jié)物，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層呈蜂窩狀并保持原巖沉積組構(gòu)的原因。而且，即使儲(chǔ)集空間有被方解石或白云石充填的現(xiàn)象（如四川盆地?zé)粲敖M葡萄花邊狀白云石膠結(jié)物），這些膠結(jié)物應(yīng)該是生酸前或生酸后的產(chǎn)物，而不是生酸期間的產(chǎn)物。對(duì)四川盆地?zé)粲敖M葡萄花邊狀白云石膠結(jié)物開(kāi)展激光U-Pb同位素測(cè)年，揭示充填孔洞周緣的膠結(jié)物形成于準(zhǔn)同生期（生酸前），充填孔洞中央或裂縫的膠結(jié)物形成于晚燕山期—喜馬拉雅期（生酸后）［39］是埋藏-熱液活動(dòng)的產(chǎn)物。

同時(shí)，碳酸鹽巖-膏鹽巖體系因石膏的沉淀導(dǎo)致SO42-濃度降低，有利于硝酸鹽還原生酸和Fe氧化物還原生酸作用的發(fā)生，生酸強(qiáng)度明顯提高，更有利于初始孔隙的保存。埋藏環(huán)境石膏的溶解產(chǎn)生的SO42-有利于硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng)（TSR）和溶蝕孔洞的發(fā)育。

2.3 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育于疊層石和凝塊石白云巖中

現(xiàn)代鹽湖沉積物特征研究及微生物誘導(dǎo)原白云石沉淀模擬實(shí)驗(yàn)揭示碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系易于發(fā)育沉淀和交代兩類(lèi)早期低溫白云巖。雖然白云石化對(duì)儲(chǔ)集空間的新增沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，白云巖儲(chǔ)層中的孔隙是對(duì)原巖孔隙的繼承和調(diào)整［40］，但早期白云石化導(dǎo)致微生物白云巖在埋藏環(huán)境下經(jīng)歷的成巖改造與灰?guī)r完全不同，有利于初始孔隙的保存［41-42］表現(xiàn)在4個(gè)方面。①早期白云石化導(dǎo)致早期固結(jié)（巴哈馬臺(tái)地現(xiàn)代微生物碳酸鹽沉積已發(fā)生固結(jié)或半固結(jié)）和密度加大（大于灰?guī)r），白云巖的抗壓實(shí)能力要大于灰?guī)r，這是微生物白云巖能保留更多沉積原生孔的原因之一；②微生物白云巖的抗壓溶能力遠(yuǎn)大于灰?guī)r，在灰?guī)r中常見(jiàn)的壓溶縫合線(xiàn)在白云巖中幾乎見(jiàn)不到，壓溶的產(chǎn)物往往為鄰近孔隙的方解石膠結(jié)物提供了物源，這是埋藏環(huán)境下微生物白云巖先存孔隙得到更多保留的重要原因；③深埋環(huán)境白云巖比灰?guī)r更容易被有機(jī)酸溶解形成次生溶孔［43-45］；④白云巖比灰?guī)r具有更大的脆性，易于發(fā)生機(jī)械破碎裂縫和礫間孔。

綜上所述，碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系疊層石和凝塊石碳酸鹽巖初始孔隙度高、富微生物有機(jī)質(zhì)含量、微生物有機(jī)質(zhì)早期降解和晚期熱解生酸，且易于發(fā)生早期白云石化，導(dǎo)致疊層石和凝塊石碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因有別于其他類(lèi)型的碳酸鹽巖和其他類(lèi)型的微生物碳酸鹽巖，儲(chǔ)層發(fā)育潛力更大，以疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層為主。

3 微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層分布

“三因素”控儲(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識(shí)揭示微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系的疊層石和凝塊石沉積相帶，巖性主要為疊層石和凝塊石白云巖。

3.1 微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要分布于疊層石和凝塊石沉積相帶

雖然前人［2，9，46］對(duì)微生物碳酸鹽巖的研究集中在巖石特征和分類(lèi)上，對(duì)微生物碳酸鹽巖巖石類(lèi)型及組合的環(huán)境意義、巖相古地理及沉積模式的認(rèn)識(shí)還不夠深入，但胡安平（2021）［47］通過(guò)5條剖面微生物碳酸鹽巖巖石特征及組合序列研究，建立了緩坡沉積體系和鑲邊沉積體系兩個(gè)沉積模式（圖9），為疊層石和凝塊石碳酸鹽巖有利相帶分布提供了依據(jù)。

圖9 微生物碳酸鹽巖沉積模式Fig.9 Sedimentary model of microbial carbonates

從緩坡沉積體系微生物碳酸鹽沉積模式可知，疊層石碳酸鹽巖主要分布在正常浪基面與平均低潮線(xiàn)之間的內(nèi)緩坡相帶，凝塊石碳酸鹽巖主要分布在風(fēng)暴浪基面與正常浪基面之間的中緩坡相帶，凝塊石沉積水體的深度大于疊層石［48］，以四川盆地震旦系疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層為代表。從鑲邊沉積體系微生物碳酸鹽沉積模式可知，疊層石碳酸鹽巖主要分布在正常浪基面與平均低潮線(xiàn)之間的碳酸鹽臺(tái)地（潟湖），凝塊石碳酸鹽巖主要分布在風(fēng)暴浪基面與正常浪基面之間的臺(tái)緣前斜坡，以塔里木盆地寒武系肖爾布拉克組、四川盆地雷口坡組疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層為代表。

雖然不同類(lèi)型的微生物碳酸鹽巖可以出現(xiàn)在同一沉積環(huán)境，不同沉積環(huán)境也可以出現(xiàn)同類(lèi)型的微生物碳酸鹽巖，尺度上甚至一些小的生境或沉積環(huán)境出現(xiàn)與大生境或沉積環(huán)境相同的沉積特征和模式，但巖石類(lèi)型、規(guī)模和組合序列的環(huán)境意義是基本明確的。不同地質(zhì)歷史時(shí)期均可能發(fā)育緩坡沉積體系和鑲邊沉積體系微生物碳酸鹽沉積，但隱生宙以緩坡沉積體系為主，顯生宙以鑲邊沉積體系為主。

3.2 微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系

碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系鹽度高，有利于嗜鹽古菌的繁盛和誘導(dǎo)原白云石沉淀，因此微生物白云巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系。

胡安平（2019）［49］研究認(rèn)為，碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系隨氣候由潮濕向干旱遷移，由下向上依次發(fā)育凝塊石白云巖、藻砂屑白云巖、疊層石白云巖、席（丘）狀微生物白云巖、膏云巖、膏鹽巖和石鹽巖性組合序列，反之亦然，氣候突變會(huì)導(dǎo)致某種巖性的缺失，這為通過(guò)古氣候研究，預(yù)測(cè)碳酸鹽巖-膏鹽巖組合儲(chǔ)層的分布提供了依據(jù)。

緩坡沉積體系隨氣候由潮濕向干旱遷移，由下向上依次發(fā)育凝塊石白云巖儲(chǔ)層和疊層石白云巖儲(chǔ)層，氣候的多期次旋回可以導(dǎo)致儲(chǔ)層在垂向上的多套疊置。以四川盆地南江楊壩剖面震旦系燈影組（圖10a）為例，這是由風(fēng)暴—波浪—潮汐—風(fēng)暴—波浪作用構(gòu)成的兩個(gè)水體逐漸變淺序列，雖未被膏鹽巖直接覆蓋，但盆地范圍內(nèi)早中寒武世發(fā)育多個(gè)膏鹽湖及多套膏鹽巖地層［50］。燈二段下部發(fā)育凝塊石白云巖儲(chǔ)層，燈二段上部發(fā)育疊層石白云巖儲(chǔ)層，燈四段上部由下至上同樣發(fā)育了凝塊石白云巖儲(chǔ)層—疊層石白云巖儲(chǔ)層，構(gòu)成與古氣候旋回吻合的兩期儲(chǔ)層發(fā)育旋回，儲(chǔ)層累計(jì)厚度大于100 m。

圖10 碳酸鹽巖-膏鹽巖組合微生物白云巖儲(chǔ)層類(lèi)型和分布Fig.10 Types and distribution of microbial dolomite reservoirs in carbonate-evaporite system

鑲邊沉積體系由于鑲邊臺(tái)緣的存在，新增了一套藻砂屑白云巖儲(chǔ)層，隨氣候由潮濕向干旱遷移，由下向上依次發(fā)育凝塊石白云巖儲(chǔ)層—藻砂屑白云巖儲(chǔ)層—疊層石白云巖儲(chǔ)層，氣候的多期次旋回可以導(dǎo)致儲(chǔ)層在垂向上的多套疊置。以塔里木盆地什艾日克剖面下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組（圖10b）為例，這是由風(fēng)暴—波浪—潮汐作用構(gòu)成的水體逐漸變淺序列，雖未被膏鹽巖直接覆蓋，但盆地范圍內(nèi)下寒武統(tǒng)吾松格爾組膏鹽巖廣泛發(fā)育［51-52］。肖中2亞段發(fā)育凝塊石白云巖儲(chǔ)層，肖中3亞段下部發(fā)育藻砂屑白云巖儲(chǔ)層，肖中3亞段上部發(fā)育疊層石白云巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層累計(jì)厚度約60 m。

中國(guó)海相層系發(fā)育3套碳酸鹽巖-膏鹽巖組合：①燈影組-中、下寒武統(tǒng)，以塔里木和四川盆地為代表；②下奧陶統(tǒng)，以鄂爾多斯盆地為代表；③中、下三疊統(tǒng)，以四川盆地為代表。同時(shí)，中國(guó)東部諸盆地及柴達(dá)木、塔里木古近系也發(fā)育碳酸鹽巖-膏鹽巖組合，規(guī)模優(yōu)質(zhì)微生物白云巖儲(chǔ)層勘探值得期待。

4 結(jié)論

1）與其他類(lèi)型微生物碳酸鹽巖和非微生物碳酸鹽巖相比，疊層石和凝塊石碳酸鹽巖具有更高的初始孔隙度和微生物有機(jī)質(zhì)豐度，為儲(chǔ)層發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）微生物有機(jī)質(zhì)早期低溫降解和晚期熱解生酸使初始孔隙在埋藏環(huán)境得以保存和進(jìn)一步擴(kuò)溶，這是疊層石和凝塊石碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵。

3）早期白云石化有利于孔隙的保存，碳酸鹽巖-膏鹽巖體系微生物碳酸鹽沉積易于發(fā)育早期沉淀和交代兩類(lèi)低溫白云石，這是疊層石和凝塊石白云巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系中的原因，受古氣候和沉積相帶控制。