白云岩形成机理及白云岩中微生物作用的探究

黄 鑫，何 赛，赵 龙

(成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059)

白云岩形成机理及白云岩中微生物作用的探究

黄 鑫，何 赛，赵 龙

(成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059)

现今碳酸盐岩的研究中，白云岩成因研究是其中一大热点。文章从白云岩的微生物分类出发，主要介绍白云岩形成机制中的微生物作用，同时对埋藏作用、混合水作用、回流渗透作用以及萨布哈作用也做了一定描述，认为以上形成机制共同特点旨在提高流体中Mg2+浓度促进白云石形成。Mg2+补给是白云化作用进行物源保障，其主要来源于生物活动、海水或者盐湖水以及岩浆岩和其他含Mg2+矿物。微生物作用的引入为白云岩成因研究提供了新的方向，但对寻找除硫酸盐还原细菌、产甲烷古菌、中度嗜盐好氧细菌外能进行白云化作用的微生物以及对深埋藏白云岩形成机制及动力学因素的确定都还需工作的进一步进行。

白云岩；微生物作用；形成机理；影响因素

随着油气勘探开发工作的不断深入，白云岩油气勘探已取得了较大的进展。纵观全球，目前已发现的白云岩油气田中，古生代沉积的地层发现的白云岩油气田占到65.64%，中生代占33.40%，由在地质历史角度可以看出，白云岩油气储集体数量随着埋藏时间的缩短而呈递减趋势[1]。至今未在常温常压实验中获得一定化学计量的白云岩，加之在现代海洋沉积物中也未发现白云岩沉淀，因此白云岩的成因问题仍然存在一定争议。

1 白云岩分类

早在1903年，前苏联生物学家观察到盐湖中的硫酸盐还原细菌能沉淀出少量细粒白云石。随后众多研究者进行了与之相关的研究(Nadson 1928；Neher 1959；Warren 1988，1990等)[2]，直到1995年通过Lagoa Vermelha微生物培育在低温条件下成功沉淀出白云石(Vasconcelos等)，进一步证实了微生物在白云岩形成过程中有重要影响。近来，有学者在冯增昭(1994)提出的白云岩分类方案的基础之上，将白云岩按成因分为：微生物白云岩与非微生物白云岩[3],见图1。

图1 白云岩成因分类及其相应的

这种分类方法，既强调了微生物在白云岩成岩中的作用，又避免了原生白云岩与次生白云岩中存在界限不明显的分类，如不存在任何交代构造的泥晶白云岩。另外简化了原来四个生成期次的分类，根据该分类方法，将白云岩的生成机理分为六大类，各生成机理的特点将在后文进行详细分析。

2 白云岩形成机理

2.1 微生物作用

对于产甲烷古菌，P.A.Kenward等(2009)在30℃环境中试验[5]，先将产甲烷古菌与厌氧微生物组成的异化铁还原细菌在发酵罐中混合培养90天后转移至以产甲烷古菌为主的系统中。原发酵罐中白云石(Ωdol=19.40)仅在甲烷生成开始或增加CH 4后增加两个数量级(Ωdol= 2 330.77)，通过扫描电镜和透射电镜证明沉淀的白云石与细胞壁和细胞外多糖密切相关。

Sanchez-roman, Vasconclos等(2009)使用从巴西Brejo do Espinho的微生物席最上部分离的中度嗜盐需氧细菌(Virgibacillus marismortui和Marinobacter)的实验室培养结果证明，微生物对白云石沉淀的作用可以在有氧的情况下在环境地表进行[6]。

学者在研究时发现不同埋深的白云岩所表现出来的特征存在很大区别，黄思静(2010)认为白云岩600～1000m埋深的白云岩具有相似的特征，因此将600～1000m定为“近地表-浅埋藏环境”，1000m以上的深度定为“广义深埋藏环境”。浅埋藏环境下形成的白云岩中存在矿物氧化和烃源岩不成熟的特点；深埋藏白云岩则主要为还原环境下的产物，所以其中存在被还原的矿物，烃源岩更成熟，并且有“砂糖状白云岩”形成，在超过80℃的地层中有时会出现鞍状白云石。

图2 扫描电镜照片

图2描述了有机质膜(EPS)与碳酸盐表面和细胞密切相关。 纳米级矿物包含着微生物(左下虚线椭圆)同时镶嵌于EPS涂层边缘(虚线段的左下角)。其中许多菱形矿物已经生长在一起，填充在碳酸盐表面(虚线段的右上方)。菱形(上方虚线菱形)的矿物能谱扫描表明矿物成分与白云石是一致的C，O，Ca和Mg(光谱未显示)。Scale bar=1μm. (据[5])

图3 A为中度嗜盐需氧细菌沉淀出的球形白云岩颗粒[8]，B为硫酸盐还原菌沉淀出的由哑铃型转变为花椰菜型的白云石

2.2 埋藏白云化作用

由于目前为止没有在常温常压的实验环境中生成一定化学计量的白云石，但高温条件下有白云石沉淀产生，说明高温有利于白云岩形成，因此在自然环境中由于地层埋深增加地层温度随之增高的缘故，高地温为白云岩的形成提供了温度条件。埋藏白云化作用可分为两类，一类是深埋藏白云化作用，文中指在地下深处沉积的白云石发生重结晶作用和白云石化作用，即进行的早期沉积成岩作用，如赋存于晶间孔隙中的沥青质就是在这一阶段的晚期运移到孔隙中去的[9]；另一类为深埋藏调整作用，即在早期已经发生过白云化作用的基础上，由于构造、温度等因素的改变而进行的后期成岩作用。

2.3 混合水白云化作用

虽对于混合水白云化作用还存在一定争议，但混合水白云化作用在部分条件仍被认为是不同于其他成因机制而单独存在。混合水白云化作用即淡水和海水混合后作用于岩层使方解石被白云石交代的作用。这种作用具有较为明显的识别标志，由于方解石被交代的反应需要在还原条件下进行，因而交代后的岩石一般为灰、白色等，不具备氧化色；作用后的方解石晶体形态不一，但随着作用程度的加深，方解石胶结物晶体也逐渐加大；生屑灰岩中粒间孔隙被白云石和方解石呈世代交替充填[10]。

2.4 回流渗透白云化作用

富含Mg2+的盐水，由于自身密度较大，在盐湖或泻湖中往湖底流动，并在湖底向地下渗透或者透过湖底沉积物间孔隙回到海中，在下渗回流的过程中，湖底的碳酸盐岩发生交代，形成白云岩。在潮坪相中，随着水的大量蒸发，水体密度逐渐增大，因而容易发生小规模回流渗透作用；而大规模回流渗透作用主要发生在富含蒸发岩的碳酸盐岩台地和盆地[11]。

2.5 萨布哈白云化作用

又称“蒸发泵模式”，主要发生于潮间-潮上带，由于蒸发作用使潮坪下的海水通过毛细管作用向上覆岩层运移，使得海水浓度不断升高，Mg2+/Ca2+比值升高，使富Mg2+高浓度流体与沉积的碳酸盐岩发生白云化作用，进而形成白云岩。3白云化作用中Mg2+来源

微生物白云化作用是使Mg2+脱离"束缚"游离于流体中，再通过微生物使Mg2+聚集并沉淀，而其余的白云化作用过程就是一个Mg2+与方解石等碳酸盐岩石反应的过程，因此Mg2+是白云岩能否大量形成的物质基础。研究发现，Mg2+的来源可分为以下三种：

(1)生物来源。海胆是目前发现的唯一能自身合成白云岩的生物。除上述微生物能将Mg2+聚集以外，研究者还发现一些动植物的生长过程中会使Mg2+富集，然后通过新陈代谢或者死亡将富集起来的Mg2+同其代谢物或躯体一起沉积下来，因此通过生物作用形成的白云岩通常能在其中发现生物遗迹或化石。

(2)含Mg2+流体来源。含Mg2+流体根据气分布主要分为两种：海水和盐湖水。海水中的Mg2+通过萨布哈模式、回流渗透等作用进入碳酸盐岩孔隙中。在湖相白云岩中，水分蒸发，盐湖水密度增加使得回流渗透作用发生。

(3)岩浆岩或其他矿物来源。含Mg2+岩浆向上侵入地层，然后冷凝固结成岩，或是地壳中含Mg2+矿物(玄武岩，菱镁矿或黑云母等)由于自身的转化或者流体的腐蚀林虑后也会释放出Mg2+，而这种情况下形成的白云岩中会留下原来含Mg2+矿物的化学特征[12]。

4 总结

白云岩成因问题的讨论从未停止，加之近来一个新的沉积学分支被提出——微生物席沉积学，进一步强调了微生物为白云岩形成作出了不可磨灭的贡献，使得微生物作用的出现使研究有了新的方向。利用微生物作用对白云石分类简化了分类方法，跨过了界定原生白云岩和次生白云岩的争议地带，同时也强调了微生物在白云岩形成中的作用。

就以上目前被广泛认可的白云岩形成机制，除微生物白云化作用外，其它的白云化作用都发生在碳酸盐岩沉积之后，因此认为大面积的白云岩形成还是主要依靠成岩后的交代作用。这些白云化作用的目的都是旨在提高流体中Mg2+/Ca2+比值，进而使方解石、文石被白云石交代。分析各个形成机制进行的条件，Mg2+浓度的增加及在岩层中的运移需要蒸发作用的进行，因此研究中对古地貌与古气候的分析也尤为重要。

混合水白云化作用、回流渗透白云化作用、萨布哈白云岩作用等都需要在埋深较浅的岩层进行，而对于深埋藏的白云岩的形成机制及其动力学因素仍然没有较准确的解释；除了硫酸盐还原细菌、产甲烷古菌、中度嗜盐好氧细菌外是否还存在其他跟白云化作用有关的微生物，这些问题都是今后白云岩研究中亟待解决的。

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(本文文献格式：黄 鑫，何 赛，赵 龙.白云岩形成机理及白云岩中微生物作用的探究[J].山东化工，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

黄 鑫(1992—)，硕士研究生，研究方向为储层地质学及储层地球化学。

P588.2

A

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