有机白云岩成因机制研究进展

马永坤，杨 猛，胡宜奎 （油气藏地质及开发工程国家重点试验室 （成都理工大学）成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059）

白云岩在前寒武的沉积岩中广泛分布，而在地质年代较晚的地层中则十分少见。众多学者对地层中的白云岩成因都有深入的讨论和相应的研究实例，但在实验室常温下直接合成白云石却没有报道。Land［1］曾试图在25℃条件下沉淀出白云石但未能成功。Vasconcelos［2］首次明确提出微生物白云岩以来，很多学者在细菌参与的常温条件下合成了白云石，其研究重点主要集中在硫酸盐还原菌和产甲烷菌的代谢对白云石形成的影响，包括微生物代谢过程中对溶液地球化学的影响、对细菌分泌物的影响以及细菌细胞本身对白云石沉淀所发挥的作用等。Krause等［3］调查硫酸盐还原菌在全球各大洋中分布，发现现代海相沉积物中的白云石晶体都沉淀在硫酸盐还原菌分泌形成的生物膜中。此外，在材料化学中，对于微生物诱导的碳酸盐晶体形态也进行了相关研究［4］，即以多糖作为矿物的成核模板，讨论了化学基团对碳酸盐矿物的类型和晶体形态的控制作用。下面，笔者对沉积白云岩研究进展进行综述。

1 微生物作用

早在1928年苏联生物学家Nadson就提出地质和微生物的相互作用与碳酸盐岩的形成有关，认为硫酸盐还原菌 （SRB）的代谢活动有利于碳酸盐矿物的沉淀［5］。近些年来，巴西Lagoa Vermelha地区超盐度潟湖的地质生物学研究也印证了微生物白云岩模式［6］。Bontognali［7］在阿布扎比萨布哈中的微生物席中分离出一种细菌，该细菌在低温条件下可以促进高镁方解石和富钙的白云石沉淀，经rRNA测序发现该种细菌与在巴西Lagoa Vermelha地区的SRB是同种菌，由于两者在地理位置上相距很远，因而推测微生物沉淀白云石的现象可能和特定菌种具有联系。Burns［8］发现地球上广泛白云化时期与低含氧时期相对应，当时广泛分布的硫酸盐细菌能够在缺氧或无氧条件下繁盛，推测其在该时期促进白云石沉淀，从而形成了大量的白云岩。这些报道都说明白云岩的形成与微生物作用具有密切的联系，正是这一生物地球化学过程促进了白云石的形成。

1.1 微生物作用促进白云石沉淀

在较高的硫酸根浓度和较低的温度、白云石饱和指数、盐度、pH、Mg／Ca条件下不利于白云石沉淀，而微生物的参与可以形成有利于白云石沉淀微环境，如硫酸盐还原菌的代谢活动降低了硫酸根浓度，提高了溶液pH值和局部环境中的Mg／Ca以及白云石饱和指数，并以带负电荷的细胞壁作为成核点沉淀白云石。此外，产甲烷菌促进白云石形成的机理和硫酸盐还原菌类似，同样被认为是形成了一个有利于白云石沉淀的地球化学微环境。细菌细胞分泌的聚合物 （EPS）一直以来都被认为是影响白云石沉淀的一个关键因素。Bontognali等［9］使用共聚焦激光扫描显微镜观察微生物白云石试验中白云石的成核和生长过程，发现白云石成核和生长主要是发生在EPS中，而细菌自身并没有被包裹到形成的白云石球状结构中。

1.2 微生物白云石的形态特征

微生物的参与能使白云石产生一些与其代谢有关的非传统结构，或微生物的参与调控了白云石生长形态。这些结构主要包括纳米球状、哑铃状、椭球状和花椰菜结构，这些结构可能代表微生物白云石成核的最初阶段，并存在相应的演化序列，细菌细胞分泌的聚合物 （主要是胞外多糖）可以作为矿物的成核模板，从而控制碳酸盐矿物的类型和晶体形态［4］。因此，在地质记录研究中发现这种特殊结构特征的白云石时应考虑是否有微生物的参与。

1.3 同位素及其他地球化学特征

微生物代谢活动会引起碳同位素分馏［10］（见图1），硫酸盐还原菌的参与会导致形成的微生物白云石13C有不同程度的亏损。Wacey［11］对 Coorong地区的微生物成因白云石的同位素进行研究，认为白云石的碳同位素不具有有机成因碳酸盐岩的特征，因为该地区由微生物作用形成的白云石的碳主要来自于湖水中储存的无机碳。此外，产甲烷菌作用形成白云石13C与同期海水的碳同位素值相比会有不同程度的富集。通常硫酸盐还原菌的参与会导致白云石碳同位素组成偏负，产甲烷菌的参与会导致白云石碳同位素组成偏正。同时，在硫酸盐还原菌参与的情况下会造成硫同位素分馏，因而可根据硫同位素特征来判断硫酸盐还原作用是否活跃。另外，成岩时如果存在可利用的Fe2＋时，黄铁矿会作为副产物沉淀下来，而大多数Fe2＋在硫酸盐还原带被固定，剩下的Fe2＋进入产甲烷带，形成菱铁矿或铁白云石 （见图1）。

图1 海相沉积中的成岩区和一般地球化学趋势

Sánchez-Román等［12］在微生物白云石沉淀试验中发现，Sr在白云石中的分配系数明显与温度和硫酸根浓度有关，因而认为白云石中的Sr不是通过取代Ca而是通过吸附作用进入白云石中，这表明微生物的作用可使白云石具有很高的Sr含量，而高Sr白云石的形成并不一定是交代文石的结果。由于微生物的作用使常温条件下形成的白云石具有很高Sr含量，因此在评价古代地层中白云岩Sr含量时应考虑微生物的作用。此外，Krause［3］在研究中发现，白云石形成过程中Ca同位素发生分馏，据此认为用Ca同位素指示古环境时需考虑微生物的影响。

2 多糖类有机物和硫化物作用

研究发现［13］，多糖类有机物和硫化物具有催化作用能在常温下直接沉淀无序白云石。虽然没有直接合成具有超结构反射的白云石，但这与常温条件微生物作用形成的白云石机制上可能具有相似性。

2.1 多糖类有机物的作用

Bontognal等［9］在微生物白云石试验中发现，碳酸盐矿物的成核发生在EPS的多糖部分而不是在细胞周围。Zhang等［13］利用多糖类有机物在室温 （25℃）条件下催化合成了无序白云石，推测这可能是沉积白云石的亚稳定先驱状态，并认为多糖类有机物会降低溶液中镁离子的水合能，镁离子进入矿物晶格中使无序白云石的成核和结晶。

2.2 硫化物的作用

Zhang等［13］报道溶解的硫化物 （sulfide）对Ca-Mg碳酸盐的沉淀具有催化作用，能促进高镁方解石 （HMC）和无序白云石的结晶沉淀。Yang等［14］通过分子动力学的模拟计算，认为HS-不具有以类似氢键的形式使水和水合镁离子脱水的能力，可能是HS-通过其他机制使水合镁离子脱水促进了白云石的形成。同时，在地质调查中发现大量产出的白云石与硫化物的存在有关。

3 国内研究现状与展望

国内学者基于所发现白云石的同位素特征和晶体形态对微生物成因进行了相关研究。张晓宝等［15］在研究准噶尔盆地二叠统芦草沟组湖相白云岩时发现一批特殊碳同位素组成白云岩，认为发酵带的产甲烷菌参与到白云岩的形成过程并导致白云岩13C的异常富集。黄杏珍等［16］研究泌阳凹陷下第三系湖相白云岩形成条件时，认为菌、藻类微生物在还原环境中的代谢活动形成了一个有利于白云石沉淀的环境，凹陷中白云岩系是在生物和化学双重因素综合作用下形成的。方少仙等［17］在研究上震旦统灯影组中白云岩时，认为其成因可能与兰细菌有关。于炳松等［18］发现在青海湖底沉积物中存在着微米级球状白云石集合体，认为这些白云石集合体的形成与微生物活动有关。因此，目前国内学者对微生物白云石研究主要集中在微生物白云岩模式的识别上，相应的试验却少有报道。今后应重点关注青海、西藏地区现代湖泊沉积物中的白云石颗粒，并且在研究古代与细菌作用有关的沉积白云岩时应考虑其形成可能为原生沉淀。此外，高盐度湖泊中存在的原生白云石沉淀可能与微生物活动有关，因而在研究湖相白云岩时应考虑微生物的作用。

4 结 语

白云岩的成因问题在沉积地质领域一直备受关注。在大量分析文献资料的基础上，详细阐述了微生物、多糖类有机物、硫化物在促进白云石形成方面的重要作用，介绍了国内研究的现状并进行了展望，以便为有机白云岩成因机制研究提供参考。

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