郝　雁， 張哨楠， 張德民

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),成都 610500；2.中國(guó)石化集團(tuán) 國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100029；3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083)

微生物碳酸鹽巖是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，以微生物碳酸鹽巖為載體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將研究領(lǐng)域聚焦于微生物與環(huán)境相互作用、地質(zhì)歷史時(shí)期生物大滅絕及復(fù)蘇事件、地球早期生命、天體生物學(xué)等一系列重大科學(xué)問(wèn)題。另一方面，油氣勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，微生物碳酸鹽巖蘊(yùn)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(guó)尤因他盆地、阿曼鹽盆、俄羅斯東西伯利亞地區(qū)、中國(guó)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(gè)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(guān)問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議的專(zhuān)題或重要議題，如2012年6月美國(guó)石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)(AAPG)在美國(guó)召開(kāi)“微生物碳酸鹽巖表征”專(zhuān)題研討會(huì)；2013年6月倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)召開(kāi)“微生物碳酸鹽巖的時(shí)空分布：對(duì)全球油氣勘探與生產(chǎn)的啟示”專(zhuān)題會(huì)議[3]；微生物碳酸鹽巖成為2013年AAPG Headberg年會(huì)主題、2014年世界沉積學(xué)大會(huì)重要議題、2015年巴西石油年會(huì)重要專(zhuān)題；2015年和2017年中國(guó)沉積學(xué)大會(huì)重要專(zhuān)題；2017年美國(guó)AAPG年會(huì)重要專(zhuān)題；且在《Sedimentary Geology》(2012)、《AAPG Bulletin》(2013)、倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)(2015)等國(guó)際地學(xué)期刊陸續(xù)出版系列專(zhuān)輯，使微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層成為全球關(guān)注熱點(diǎn)之一。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微生物碳酸鹽巖研究歷史及其發(fā)展趨勢(shì)[4]、微生物碳酸鹽巖分類(lèi)及形成過(guò)程[5-6]、凝塊石形成機(jī)制[7]、微生物席內(nèi)碳酸鹽巖沉淀過(guò)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(chǔ)層類(lèi)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(lái)微生物碳酸鹽巖研究進(jìn)展迅速，同時(shí)為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)塔里木盆地下寒武統(tǒng)、四川盆地前寒武紀(jì)微生物碳酸鹽巖勘探開(kāi)發(fā)的需求，本文在梳理國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)角度出發(fā)，總結(jié)該領(lǐng)域研究進(jìn)展，以期為國(guó)內(nèi)微生物碳酸鹽巖學(xué)術(shù)研究和生產(chǎn)實(shí)踐提供參考和借鑒。

1　相關(guān)概念及識(shí)別標(biāo)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(guān)研究起步較早，受限于認(rèn)識(shí)程度，早期研究中一般將微生物碳酸鹽巖稱(chēng)為“藻碳酸鹽巖”，所以微生物巖和微生物碳酸鹽巖等相關(guān)正式術(shù)語(yǔ)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(xué)沉淀物所形成的原地有機(jī)沉積[12]”。此后學(xué)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(xué)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(chēng)為“藻碳酸鹽巖”)[13]。微生物碳酸鹽巖正式術(shù)語(yǔ)見(jiàn)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(chóng)軟泥除外)形成的碳酸鹽巖沉積物[14]，此后有學(xué)者認(rèn)為微生物碳酸鹽巖是微生物巖的簡(jiǎn)稱(chēng)[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(zhǎng)與新陳代謝、細(xì)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(xiàn)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(xué)沉淀礦物等；從生長(zhǎng)方式而言，微生物碳酸鹽巖除原地固著生長(zhǎng)(如疊層石、凝塊石等)外，還包括異地搬運(yùn)而來(lái)的碳酸鹽巖顆粒，如鮞粒、核形石等。結(jié)合近年來(lái)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(rèn)可R.Riding[16]和Chen等[17]的觀點(diǎn)。

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(dǎo)礦化等術(shù)語(yǔ)較為常見(jiàn)，為下文敘述方便，有必要論述其定義和相關(guān)特征。早在1981年，H.A.Lowenstam總結(jié)了當(dāng)時(shí)的31種有機(jī)礦物，并提出有機(jī)基質(zhì)調(diào)劑礦化和生物誘導(dǎo)礦化2種礦物形成過(guò)程[18]。此后有學(xué)者增加了無(wú)機(jī)沉淀礦化[19]，將各類(lèi)碳酸鹽巖礦物形成的定義、機(jī)理、代表類(lèi)型等概述如下[18-20]。

有機(jī)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(zhǎng)、沉淀[18]。生物體控制了礦物的沉淀位置、開(kāi)始至結(jié)束的過(guò)程、礦物類(lèi)型、礦物組成以及結(jié)晶學(xué)特征(如晶軸方位等)，以各類(lèi)生屑碳酸鹽巖為代表，在生屑顆粒表面可見(jiàn)大量有機(jī)沉淀礦物(圖1-A)[18,20]。根據(jù)生物類(lèi)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(lèi)。

圖1　生物控制礦化和生物誘導(dǎo)礦化實(shí)例Fig.1　Examples of biotically controlled precipitation and biotically induced precipitatation(照片來(lái)源于文獻(xiàn)[18])(A)生物控制礦化，雙殼類(lèi)表面無(wú)定型有機(jī)礦物沉淀;(B)生物誘導(dǎo)礦化，針狀文石晶體雜亂分布于Galaxaura obtusata細(xì)胞間

生物誘導(dǎo)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(guò)飽和沉淀；但在整個(gè)沉淀過(guò)程中生物影響較小，其特點(diǎn)是以細(xì)胞外或細(xì)胞間的礦物沉淀為特征(圖1-B)，產(chǎn)物與無(wú)機(jī)沉淀產(chǎn)物較類(lèi)似。

無(wú)機(jī)沉淀礦化：主要為化學(xué)沉淀，生物沉淀作用可以忽略不計(jì)。

1.3　微生物碳酸鹽巖識(shí)別標(biāo)志

微生物碳酸鹽巖的識(shí)別是對(duì)其研究的基礎(chǔ)，本文在梳理相關(guān)文章的基礎(chǔ)上，借鑒R.S.Shapiro[21]對(duì)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(gè)尺度并結(jié)合地球化學(xué)特征識(shí)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(lèi)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(shè)備即可完成。具體包括米級(jí)以上丘型結(jié)構(gòu)、厘米級(jí)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(shù)狀結(jié)構(gòu)等。其中米級(jí)以上丘型結(jié)構(gòu)除微生物礁丘外，還可見(jiàn)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(jì)以及二疊/三疊紀(jì)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(jiàn)大型后生生物，如珊瑚、海綿等造礁生物以及腕足類(lèi)、雙殼類(lèi)等附礁生物；微生物丘內(nèi)大型后生生物較少，偶見(jiàn)雙殼類(lèi)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(duì)應(yīng)于R.S.Shapiro[21]微生物碳酸鹽巖分類(lèi)中微型結(jié)構(gòu)，需借助顯微鏡和掃描電鏡等設(shè)備。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界微觀尺度識(shí)別微生物碳酸鹽巖通用做法是通過(guò)識(shí)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(xué)對(duì)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(méi)有變化[29]?？上驳氖?，形態(tài)學(xué)、細(xì)胞分裂模式、生態(tài)學(xué)和死亡降解序列的對(duì)比研究表明，前寒武紀(jì)和現(xiàn)代細(xì)菌是相同的[30]，這就為微觀形態(tài)學(xué)識(shí)別奠定了理論基礎(chǔ)。由于藍(lán)細(xì)菌是微生物碳酸鹽巖的主要研究對(duì)象[1]，所以對(duì)藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞形態(tài)學(xué)的識(shí)別至關(guān)重要。已有研究表明，藍(lán)細(xì)菌包括單個(gè)細(xì)胞和絲狀體(filaments)兩大類(lèi)，其中藍(lán)細(xì)菌單細(xì)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(gè)藍(lán)細(xì)菌細(xì)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(xué)者將胞外聚合物也常作為標(biāo)志之一。胞外聚合物是微生物生長(zhǎng)過(guò)程中向周?chē)w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(jiàn)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(shí)別標(biāo)志Fig.2　Microscopic identification indicators of microbial carbonates(A)等大微米級(jí)球體，為細(xì)菌細(xì)胞分裂的產(chǎn)物，白堊系，巴西,據(jù)文獻(xiàn)[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(xiàn)[33];(C)桿狀藍(lán)細(xì)菌分布于胞外聚合物基質(zhì)內(nèi)，新近系，巴哈馬,據(jù)文獻(xiàn)[33];(D)絲狀體，顯微鏡下形態(tài)不規(guī)則，寒武系，美國(guó),據(jù)文獻(xiàn)[34];(E)絲狀體呈似桿狀，白堊系，巴西,據(jù)文獻(xiàn)[27];(F)絲狀體具有螺旋狀結(jié)構(gòu)，白堊系，巴西,據(jù)文獻(xiàn)[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(xiàn)[28];(H)胞外聚合物，白堊系， 巴西,據(jù)文獻(xiàn)[35];(I)鈣化的黏液， 胞外聚合物的一種類(lèi)型， 新近系，開(kāi)曼群島,據(jù)文獻(xiàn)[25]

微生物碳酸鹽巖地球化學(xué)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(guò)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(fù)異常明顯，碳同位素負(fù)異常數(shù)值可達(dá)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(diǎn)。最近對(duì)海相鮞粒暗色紋層(微生物成因)地球化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，除上述微生物判別標(biāo)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(yíng)養(yǎng)元素富集等特點(diǎn)[36]。

2　微生物碳酸鹽巖沉積學(xué)

2.1　巖石類(lèi)型

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

疊層石：這一術(shù)語(yǔ)最早由Kalkowsky(1908)創(chuàng)造并引入地質(zhì)文獻(xiàn)，指成因不明的一種疊層構(gòu)造[13]，其研究歷史最長(zhǎng)，同時(shí)爭(zhēng)議也最大。分類(lèi)命名方面，越來(lái)越多的疊層石學(xué)家倡導(dǎo)生物學(xué)上的雙名法，并將全球疊層石分為約330個(gè)屬(或稱(chēng)群)，1 000多個(gè)種(或稱(chēng)形)[42]。但沉積學(xué)家則更傾向于成因成分、形態(tài)學(xué)分類(lèi)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(xì)粒疊層石、石灰華疊層石、陸生疊層石等[5]；按照形態(tài)學(xué)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(shù)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(xué)的劃分方案更廣為沉積學(xué)家所接受。沉積環(huán)境方面，研究發(fā)現(xiàn)疊層石形態(tài)學(xué)特征受沉積環(huán)境和微生物類(lèi)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(lèi)群[42]。沉積學(xué)家則簡(jiǎn)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(lèi)型Fig.3　Photographs showing typical types of microbial carbonates(A)樹(shù)狀疊層石，上元古宇，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(B)樹(shù)狀疊層石，白堊系，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(C)灌木狀疊層石，白堊系，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(D)凝塊石，白堊系，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(E)凝塊石，下寒武統(tǒng)，摩洛哥，據(jù)文獻(xiàn)[4];(F)凝塊石，奧陶系，中國(guó)，據(jù)文獻(xiàn)[2];(G)球狀微生物巖，白堊系，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(H)球狀微生物巖，白堊系，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(I)球狀微生物巖，白堊系，巴西，據(jù)文獻(xiàn)[37];(J)簇狀層紋巖，埃迪卡拉系-寒武系，阿曼，據(jù)文獻(xiàn)[53];(K)波狀層紋巖，埃迪卡拉系-寒武系，阿曼，據(jù)文獻(xiàn)[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(zhǎng)形態(tài)特征，將凝塊石分為樹(shù)狀凝塊石、網(wǎng)狀凝塊石和層狀凝塊石[45]。關(guān)于凝塊的成因，學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識(shí)，主要有以下幾種觀點(diǎn)：微生物凝塊是微生物生長(zhǎng)速率和甲烷生成速率較高時(shí)，碳酸鹽巖快速沉淀形成的一種無(wú)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(dòng)所形成的一種次生組構(gòu)[47]；微生物凝塊是強(qiáng)烈生物潛穴的結(jié)果[48]；微生物凝塊是藍(lán)細(xì)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(rèn)為凝塊石主要沉積于潮下帶。另有學(xué)者根據(jù)巖石組構(gòu)、伴生礦物、沉積構(gòu)造等特征，推斷樹(shù)狀凝塊石主要發(fā)育于潮下高能帶，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(xué)分析表明，球狀顆粒主要由方解石組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)80%[27]。球狀微生物之間多為灰泥，亮晶膠結(jié)物較為少見(jiàn)，并可見(jiàn)硅鎂石黏土如鎂皂石等礦物。沉積環(huán)境方面，未見(jiàn)球狀微生物巖水體深度的研究報(bào)道，但一般認(rèn)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(shuō)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(xué)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(cè)球狀微生物巖是堿性湖盆內(nèi)富鎂流體無(wú)機(jī)沉淀的產(chǎn)物[52]。

層紋巖：層紋巖一般由毫米-厘米級(jí)、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(jī)質(zhì)的堆積[53]。對(duì)層紋巖的分類(lèi)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(lèi)型。一般而言，有機(jī)和無(wú)機(jī)過(guò)程均可形成薄層、層面平行的碳酸鹽巖(層紋巖)。早期研究認(rèn)為層紋巖是一種無(wú)機(jī)化學(xué)沉淀產(chǎn)物，其內(nèi)部顆粒來(lái)源于淺水碳酸鹽巖的再沉積作用或濁流的搬運(yùn)作用[54]。此后有學(xué)者提出層紋巖可能是一種黏結(jié)巖[37]。最近有學(xué)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(jí)有機(jī)礦物等微生物相關(guān)標(biāo)志，表明層紋巖是一種生物誘導(dǎo)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(diǎn)認(rèn)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(lái)研究發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)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(duì)前寒武紀(jì)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(jì)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(xì)菌所形成的疊層構(gòu)造。對(duì)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(xì)菌所形成[53,56]，或者是由于深水區(qū)光能自養(yǎng)型細(xì)菌側(cè)向生長(zhǎng)所形成[57]。總之將緩波狀/平板狀層紋巖歸為深水巖相的結(jié)論較一致。此外，國(guó)內(nèi)也有學(xué)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(xí)慣稱(chēng)為豆粒，也有學(xué)者稱(chēng)為“巨鮞”。國(guó)內(nèi)學(xué)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(fù)鮞等類(lèi)型。鮞粒的成因一般有生物成因和無(wú)機(jī)成因兩種學(xué)說(shuō)。鮞粒無(wú)機(jī)成因?qū)⒉辉儋樖?，本文將重點(diǎn)概述近年來(lái)鮞粒微生物成因相關(guān)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(tái)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(jī)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(xì)菌/微生物球，由此提出納米微生物形成鮞粒的觀點(diǎn)；細(xì)菌培養(yǎng)方面，以U.Brehm[59]研究成果為代表，其在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)出來(lái)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(diǎn)；地球化學(xué)方面，以M.R.Diaz等[40]研究成果為代表，其通過(guò)對(duì)巴哈馬臺(tái)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(dòng)對(duì)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(lái)，中國(guó)學(xué)者通過(guò)對(duì)湖北利川三疊系大冶組復(fù)合鮞和偏心鮞的結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了鮞粒內(nèi)的“再生”特征和“自我修復(fù)”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(lán)細(xì)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(diǎn)。

2.2　沉積環(huán)境和沉積相

盡管微生物碳酸鹽巖是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，但標(biāo)準(zhǔn)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(xué)研究成果發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在如下方面取得較大進(jìn)展。

認(rèn)識(shí)到微生物碳酸鹽巖是極端環(huán)境的產(chǎn)物。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)歷史時(shí)期微生物碳酸鹽巖主要分布于前寒武紀(jì)、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(qiáng)動(dòng)蕩等極端環(huán)境，如澳大利亞鯊魚(yú)灣(高鹽度環(huán)境)、巴哈馬(強(qiáng)動(dòng)蕩環(huán)境)[17]。極端環(huán)境淘汰了牧食型后生動(dòng)物[60]，也控制了微生物生長(zhǎng)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(xué)特征[61]。

微生物礁丘生長(zhǎng)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(diǎn)目標(biāo)，近年來(lái)的研究逐步認(rèn)識(shí)到微生物礁丘普遍發(fā)育在正斷層下盤(pán)、淺灘化地區(qū)等古地貌高點(diǎn)處，其生長(zhǎng)發(fā)育與水體深度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)狀況、波浪能量、光照情況、基底類(lèi)型等因素關(guān)系密切[62-63]，其生長(zhǎng)發(fā)育的結(jié)束多與風(fēng)暴作用、碎屑注入等災(zāi)變性事件導(dǎo)致的水體渾濁關(guān)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(yǔ)，國(guó)內(nèi)學(xué)者識(shí)別了臺(tái)緣微生物礁內(nèi)礁基、礁核、礁蓋，臺(tái)內(nèi)微生物丘內(nèi)丘基、丘核、丘蓋，并建立了臺(tái)緣微生物礁、臺(tái)內(nèi)微生物丘、臺(tái)內(nèi)丘灘復(fù)合體沉積模式[66-68]。

針對(duì)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(lèi)型的微生物碳酸鹽巖垂向上構(gòu)成了米級(jí)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(chǔ)層

3.1　微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型

微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間類(lèi)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(chǔ)集空間分為常規(guī)儲(chǔ)集空間類(lèi)型和微生物碳酸鹽巖特有儲(chǔ)集空間兩大類(lèi)。其中微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲(chǔ)集空間類(lèi)型劃分方案參考P.W.Choquette等[70]碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間劃分標(biāo)準(zhǔn)；微生物碳酸鹽巖特有儲(chǔ)集空間類(lèi)型將主要介紹幾種特殊的儲(chǔ)集空間。

3.1.1微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲(chǔ)集空間類(lèi)型

根據(jù)P.W.Choquette等[70]碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間劃分標(biāo)準(zhǔn)，將微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲(chǔ)集空間劃分為組構(gòu)選擇性?xún)?chǔ)集空間和非組構(gòu)選擇性?xún)?chǔ)集空間。其中組構(gòu)選擇性?xún)?chǔ)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(shù)狀疊層石格架間，是微生物碳酸鹽巖最主要的儲(chǔ)集空間類(lèi)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(lèi)、雙殼類(lèi)等)。非組構(gòu)選擇性?xún)?chǔ)集空間主要包括溶蝕孔洞(主要與不同級(jí)別暴露情況下易溶碳酸鹽礦物的溶解有關(guān)，圖4-E、F、G)和裂縫(后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所形成)兩大類(lèi)。總體而言，微生物碳酸鹽巖常規(guī)儲(chǔ)集空間在各類(lèi)微生物碳酸鹽中廣泛發(fā)育，儲(chǔ)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(chǔ)集空間類(lèi)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(guó),據(jù)文獻(xiàn)[71];(B)凝塊石內(nèi)粒間孔和部分粒內(nèi)孔，二疊系，英國(guó),據(jù)文獻(xiàn)[71];(C)鮞?？缀蜕矬w腔孔，二疊系，英國(guó),據(jù)文獻(xiàn)[71];(D)鮞?？缀筒糠稚矬w腔孔，始新統(tǒng)，美國(guó)，據(jù)文獻(xiàn)[57];(E)含鮞?；?guī)r內(nèi)蟲(chóng)孔和溶蝕孔洞，始新統(tǒng)，美國(guó)，據(jù)文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(jiàn)溶蝕孔洞，白堊系，巴西,據(jù)文獻(xiàn)[72]

3.1.2微生物碳酸鹽巖特有儲(chǔ)集空間類(lèi)型

作為微生物參與或調(diào)劑下形成的一類(lèi)特殊碳酸鹽巖，微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間在形成機(jī)理、發(fā)育分布等方面存在其特殊性。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，微生物碳酸鹽巖特有儲(chǔ)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(jí)，廣泛存在于樹(shù)枝石(shrub)、核形石、球狀微生物巖、層紋巖等各類(lèi)微生物碳酸鹽巖內(nèi)[73]。在準(zhǔn)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(zhǎng)發(fā)育的局部微環(huán)境，導(dǎo)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(shí)間早、形成快的特點(diǎn)，已有實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)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(tuán)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(jí)別，按照孔隙形態(tài)、形成機(jī)理等，可分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)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(lèi)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(xì)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(chǔ)層主控因素

一般而言，碳酸鹽巖儲(chǔ)層主控因素一般包括沉積、成巖、構(gòu)造等方面。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)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(rèn)識(shí)到微生物結(jié)構(gòu)在這類(lèi)儲(chǔ)層形成中的重要作用。

微生物組構(gòu)是儲(chǔ)層的基礎(chǔ)性控制因素，主要體現(xiàn)在微生物結(jié)構(gòu)控制了儲(chǔ)層孔隙空間類(lèi)型和孔隙結(jié)構(gòu)[75]、選擇性溶蝕作用以及儲(chǔ)層展布特征[66-77]。其中微生物結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層孔隙空間的控制作用主要體現(xiàn)在：塔里木盆地研究實(shí)例發(fā)現(xiàn)，疊層石白云巖孔隙類(lèi)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(lèi)白云巖溶蝕孔隙的發(fā)育分布[75]。微生物結(jié)構(gòu)對(duì)孔滲關(guān)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(shù)狀疊層石、中型樹(shù)狀疊層石、大型樹(shù)狀疊層石4種微生物碳酸鹽巖孔滲關(guān)系和孔喉分布特征差異明顯，大型樹(shù)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(chǔ)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(jìn)而控制了儲(chǔ)層的發(fā)育分布[66,77-78]。

圖5　微生物碳酸鹽巖特有儲(chǔ)集空間類(lèi)型Fig.5　Types of typical reservoir space of microbial carbonates(A)樹(shù)枝石內(nèi)微孔;(B)樹(shù)枝石內(nèi)微孔;(C)球狀微生物巖內(nèi)微孔;(D)鮞?？?(E)含鮞粒灰?guī)r內(nèi)蟲(chóng)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(lái)源于文獻(xiàn)[73]， 樣品取自意大利新近系

沉積作用對(duì)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(lèi)型以及原生孔隙的發(fā)育分布[67]，其根本原因是藍(lán)細(xì)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(shí)，光照和養(yǎng)分充足，微生物垂向生長(zhǎng)速率大于橫向生長(zhǎng)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(zhǎng)為主，通過(guò)擴(kuò)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(dāng)高頻海平面下降時(shí)，旋回中上部的(樹(shù)狀)疊層石和凝塊石更易于暴露，形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)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(lèi)似。不同地區(qū)成巖作用研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)微生物碳酸鹽巖而言，建設(shè)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(guò)白云化作用等[1,75,80-81]。

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

4　結(jié) 語(yǔ)

盡管微生物碳酸鹽巖相關(guān)研究已持續(xù)近200年，但微生物碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層研究方興未艾，本文查閱了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)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(dǎo)礦化作用等相關(guān)術(shù)語(yǔ)，由于微生物巖和微生物碳酸鹽巖2個(gè)術(shù)語(yǔ)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(xué)等方面初步總結(jié)了微生物碳酸鹽巖的識(shí)別標(biāo)志。微生物碳酸鹽巖宏觀尺度可見(jiàn)丘狀、凝塊狀、緩波狀等結(jié)構(gòu)，微觀尺度可見(jiàn)球狀、橢球狀、桿狀等結(jié)構(gòu)并常見(jiàn)絲狀體、胞外聚合物等。海相微生物碳酸鹽巖地球化學(xué)方面具有碳氧同位素明顯負(fù)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(yíng)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(lèi)型除疊層石、凝塊石、樹(shù)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(lèi)微生物碳酸鹽巖術(shù)語(yǔ)由來(lái)、分類(lèi)、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(rèn)識(shí)到微生物碳酸鹽巖是極端環(huán)境的產(chǎn)物，競(jìng)爭(zhēng)性、牧食型后生動(dòng)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(duì)微生物礁丘這一油氣勘探的重點(diǎn)目標(biāo)，認(rèn)識(shí)到其主要發(fā)育于古地貌高點(diǎn)，其消亡多與災(zāi)變性事件關(guān)系密切。另一方面，雖然針對(duì)不同地區(qū)建立了沉積相模式，但標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。

本文將微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間分為格架孔、粒間孔、粒內(nèi)孔等常規(guī)儲(chǔ)集空間和微生物腐爛孔等特有儲(chǔ)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(chǔ)層的主控因素。國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到微生物組構(gòu)在這類(lèi)儲(chǔ)層形成中的重要作用，但微生物類(lèi)型、早期微生物相關(guān)成巖作用如微生物白云化作用等與儲(chǔ)集性的關(guān)系尚不明確，在后續(xù)研究中還需加強(qiáng)。