沈安江，胡安平，張 杰，王小芳，王 慧

（1.中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州 310023；2.中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室，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、真菌、參與生物膜和微生物席生長的物質(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、新元古代達到豐度、形態(tài)種類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、樹枝石和均一石4類。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)、宏觀特征和微生物沉積之間的作用方式等特點，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。凝塊石指宏觀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、樹枝凝塊石、泉華凝塊石、沉積后-生物擾動形成的凝塊石、增生型凝塊石和次生凝塊石7類［2］。樹形石由微生物鈣化而成，不是由顆粒粘結(jié)而成，呈厘米級灌木狀枝體。均一石是一種相對無結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)或泥晶質(zhì)、宏觀結(jié)構(gòu)缺少清晰紋層、凝塊或樹枝狀結(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)造單個紋理的厚度在0.5～1.5 mm，是一種未受改造的有機紋理，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，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。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、團塊狀等；小型構(gòu)造指中型構(gòu)造內(nèi)部用裸眼能夠觀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層，美國阿拉巴馬州、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的四川盆地和華北地區(qū)在微生物碳酸鹽巖儲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層，孔隙度達到10%以上，油氣可采儲量達22×108t［13］，四川盆地?zé)粲敖M微生物白云巖儲層的天然氣儲量規(guī)模在萬億方以上，孔隙度達到6%～12%［14］，華北任丘、牛東地區(qū)薊縣系微生物白云巖儲層的孔隙度達到10%～15%［15］?？碧綄嵺`證實，中國微生物碳酸鹽巖儲層主要發(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)儲層發(fā)育潛力。

碳酸鹽巖儲層可劃分為礁灘、巖溶和白云巖儲層，多孔的礁灘相沉積是儲層發(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)整的場所，而且埋藏溶蝕孔洞沿先存孔隙發(fā)育帶分布，白云巖儲層的儲集空間主要是對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層發(fā)育的主要控制因素同樣也是微生物碳酸鹽巖儲層發(fā)育的主要因素，但因沉積物和沉積環(huán)境的特殊性，微生物碳酸鹽巖儲層成因也有其特殊性。前人對微生物碳酸鹽巖的研究停留在巖石成因、分類、沉積環(huán)境和共性的儲層發(fā)育控制因素上［20-22］，對微生物碳酸鹽巖儲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層作為一類非常特殊的儲層類型，與非微生物碳酸鹽巖儲層相比具有更高的儲層發(fā)育潛力，尤其是凝塊石和疊層石白云巖儲層，除上述共性的儲層成因機理認(rèn)識同樣適用于微生物碳酸鹽巖儲層外，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。

針對疊層石和凝塊石碳酸鹽巖比其他類型微生物碳酸鹽巖和非微生物碳酸鹽巖具有更高儲層發(fā)育潛力這一科學(xué)問題，本文通過現(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、微生物有機質(zhì)早期低溫降解和晚期熱解生酸模擬實驗、早期沉淀和交代白云石成因模擬實驗，探索微生物白云巖儲層成因的特殊性，提出了“三因素”控儲地質(zhì)認(rèn)識，為微生物碳酸鹽巖儲層分布預(yù)測提供了依據(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層有利分布區(qū)。

1 現(xiàn)代沉積研究和模擬實驗

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

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地Crooked島上的一個潟湖，湖面最寬處近400 m，長近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個樣品的物性測試，最大孔隙度達到55%，最小孔隙度為15%，平均孔度達到40%（圖1c），湖底邊緣半固結(jié)的水平-波狀疊層石沉積，據(jù)7個樣品的物性測試，最大孔隙度達到65%，最小孔隙度為55%，平均孔隙度可以達到60%（圖1d）。湖岸（時而暴露，時而被湖水淹沒）半固結(jié)的碳酸鹽泥沉積，據(jù)8個樣品的物性測試，最大孔隙度達到20%，最小孔隙度為5%，平均孔隙度達到10%。

圖1 巴哈馬臺地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，微生物有機質(zhì)含量可以達到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%計算，微生物有機質(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%計算，微生物有機質(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，只能見到微生物有機質(zhì)的痕跡，微生物有機質(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質(zhì)含量。按照將今論古的原則，地質(zhì)歷史時期的疊層石灰?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個鹽湖，塔日根、塔日根諾爾、達布散諾爾、敦德諾爾、布日德諾爾和呼吉日諾爾6個淡水湖泊（圖2a）。3個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‰。每個鹽湖從湖底中央到湖底邊緣各鉆取兩筒心（共6筒心），心長25 cm（圖2b）。取心沉積物主體為灰泥沉積，幾乎見不到微生物的痕跡，X射線衍射結(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，還有石英和鈉長石礦物，未見白云石和石鹽礦物（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，鏡下觀察白云石含量最大達到30%～40%。6個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射線衍射結(jié)果揭示，無論是湖底中央還是邊緣、無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)了石英和鈉長石礦物，未見白云石和石鹽礦物。

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點認(rèn)識：①無論是鹽湖還是淡水湖泊，沒有微生物作用的條件下，表層沉積物中沒有發(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，也沒有發(fā)現(xiàn)原白云石沉淀及交代白云石。

1.2 微生物有機質(zhì)生酸模擬實驗

1.2.1 微生物有機質(zhì)早期低溫降解生酸模擬實驗

本次模擬實驗采用銅綠微囊藻作為準(zhǔn)同生-早成巖期微生物有機質(zhì)低溫降解的有機質(zhì)來源，銅綠微囊藻（15 mL）購自中科院水生生物研究所，配置BG11培養(yǎng)基進行微生物培養(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。

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

圖3 微生物有機質(zhì)低溫降解生酸模擬實驗示意圖Fig.3 Simulation experiment of acid generation through microbial organic matter degradation

表1 用于微生物有機質(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

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

圖4 疊層石和凝塊石灰?guī)r微生物有機質(zhì)低溫降解路徑與降解產(chǎn)物、有機酸濃度關(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具有較高的生酸強度，尤其是凝塊石灰?guī)r，這與不同類型微生物灰?guī)r中微生物有機制豐度的差異有關(guān)。巴哈馬臺地現(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質(zhì)豐度，湖岸半固結(jié)碳酸鹽泥的微生物有機質(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)碳酸鹽泥沉積類比，均處于時而暴露時而被淹沒的沉積環(huán)境，不利于微生物的繁盛，雖然未做微生物有機質(zhì)早期低溫降解生酸模擬實驗，但生酸強度應(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］，故巴哈馬臺地現(xiàn)代微生物沉積未見凝塊石灰?guī)r，但可以推測凝塊石灰?guī)r微生物有機質(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，有機質(zhì)含量很高，可以成為好的烴源巖，但不能作為儲層，有機質(zhì)晚期熱解生烴過程中可以有大量有機酸伴生，對緊鄰烴源巖的儲集層有改造作用。

微生物有機質(zhì)類型和豐度相同的微生物灰?guī)r，生酸強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，不同類型的微生物灰?guī)r受微生物有機質(zhì)豐度和降解途徑的不同，生酸強度和類型有很大的差異，碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系凝塊石和疊層石灰?guī)r的生酸強度最大。

1.2.2 微生物有機質(zhì)晚期熱解生酸模擬實驗

選取3組樣品，開展微生物巖生烴和生酸模擬實驗研究。第一組為取自柴達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驗的理想樣品。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種不同巖性熱解過程中的生烴和生酸潛力。實驗結(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。模擬實驗進一步揭示，藻灰?guī)r（微生物巖）熱解生烴過程中還伴生CO2氣體和有機酸的形成，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驗結(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驗

Land（1998）［28］指出在地表溫壓條件下（＜50℃，數(shù)米深壓力），經(jīng)過32a的地質(zhì)作用過程，也未能通過無機途徑產(chǎn)生原白云石沉淀。這使人們把目光轉(zhuǎn)向有機成因上，并開展了微生物誘導(dǎo)白云石沉淀實驗。微生物無處不在，微生物灰?guī)r的存在足以說明并不是所有的微生物都能誘導(dǎo)白云石沉淀，可能與特殊類型的微生物有關(guān)。Vasconcelos等（1995）［29］通過實驗指出硫酸鹽還原菌能夠誘導(dǎo)白云石的沉淀，Warthmann等（2005）［30］通過實驗指出產(chǎn)甲烷菌能夠誘導(dǎo)白云石的沉淀，Kenward等（2013）［31］將實驗室沉淀的白云石與拉戈阿韋梅利亞咸化海岸的白云石進行比較，兩者具相似的球形和低有序度特征，進而推斷特殊類型的微生物（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)，本文開展了嗜鹽古菌誘導(dǎo)原白云石沉淀實驗，發(fā)現(xiàn)高嗜鹽古菌細(xì)胞濃度、高鹽度、介質(zhì)高Mg∕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)時長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，測試波長為600 nm，即OD600）。實驗結(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‰時沉淀文石和原白云石（圖7a），鹽度為140‰時沉淀原白云石和單水合方解石（圖7b），鹽度為200‰時沉淀原白云石和文石（圖7c），鹽度為280‰時全為原白云石沉淀（圖7d），并且隨著鹽度增加，沉淀原白云石增多。更為有趣的是在沒有嗜鹽古菌參與的條件下，鹽度在100‰，140‰，200‰，280‰時，均為文石沉淀，未見原白云石沉淀（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必要條件，雖然本實驗成礦介質(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質(zhì)早期低溫降解生酸模擬實驗、微生物有機質(zhì)晚期熱解生酸模擬實驗、微生物誘導(dǎo)原白云石沉淀模擬實驗揭示微生物碳酸鹽巖儲層成因有其特殊性，這是由其高初始孔隙度、富微生物有機質(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”控儲地質(zhì)認(rèn)識。

2.1 疊層石和凝塊石沉積是微生物碳酸鹽巖儲層發(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、樹枝石、均一石、核形石和紋理石6類［9］。中國中新生代微生物碳酸鹽巖儲層主要發(fā)育于陸相湖盆中，如中國東部諸盆地及柴達木盆地、塔里木盆地古近系微生物碳酸鹽巖儲層［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，儲層物性極佳，疊層石和凝塊石白云巖儲層主要分布于碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系，白云石化對儲層的發(fā)育似乎沒有實質(zhì)性的影響。中國前寒武紀(jì)及古生代海相微生物碳酸鹽巖儲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往往致密無孔，如四川盆地雷口坡組四段［17］白云石化對儲層的發(fā)育似乎具有重要的控制作用。

無論是疊層石和凝塊石灰?guī)r儲層，還是疊層石和凝塊石白云巖儲層，儲集空間以原生藻格架孔為主，白云石化對孔隙的新增沒有實質(zhì)性的貢獻［38］。巴哈馬臺地現(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質(zhì)腐爛形成的孔隙，這些孔隙不但構(gòu)成了中國中、新生代湖相疊層石、凝塊石灰?guī)r和疊層石、凝塊石白云巖儲層的主要儲集空間，前寒武紀(jì)及古生代海相疊層石、凝塊石白云巖儲層的儲集空間同樣是對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層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于中國古老海相疊層石和凝塊石白云巖儲層而言，這些初始孔隙是如何在經(jīng)歷漫長埋藏地質(zhì)過程中得以保存的，這是后文要討論的微生物碳酸鹽巖儲層成因的另外兩個控制因素。

2.2 微生物有機質(zhì)降解和熱解生酸有利于初始孔隙保存

巴哈馬臺地現(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質(zhì)，這些微生物有機質(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酸有利于初始孔隙在經(jīng)歷漫長埋藏地質(zhì)過程中的保存，這是微生物碳酸鹽巖儲層發(fā)育的第二個主控因素。

微生物有機質(zhì)降解和熱解生酸模擬實驗揭示，由于疊層石和凝塊石沉積的微生物有機質(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)歷漫長的埋藏地質(zhì)過程中始終處于酸性環(huán)境，除有機酸溶蝕成孔外，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)儲層呈蜂窩狀并保持原巖沉積組構(gòu)的原因。而且，即使儲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。對四川盆地?zé)粲敖M葡萄花邊狀白云石膠結(jié)物開展激光U-Pb同位素測年，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-熱液活動的產(chǎn)物。

同時，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驗揭示碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積體系易于發(fā)育沉淀和交代兩類早期低溫白云巖。雖然白云石化對儲集空間的新增沒有實質(zhì)性的貢獻，白云巖儲層中的孔隙是對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個方面。①早期白云石化導(dǎo)致早期固結(jié)（巴哈馬臺地現(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中常見的壓溶縫合線在白云巖中幾乎見不到，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、富微生物有機質(zhì)含量、微生物有機質(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層成因有別于其他類型的碳酸鹽巖和其他類型的微生物碳酸鹽巖，儲層發(fā)育潛力更大，以疊層石和凝塊石白云巖儲層為主。

3 微生物碳酸鹽巖儲層分布

“三因素”控儲地質(zhì)認(rèn)識揭示微生物碳酸鹽巖儲層主要發(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］對微生物碳酸鹽巖的研究集中在巖石特征和分類上，對微生物碳酸鹽巖巖石類型及組合的環(huán)境意義、巖相古地理及沉積模式的認(rèn)識還不夠深入，但胡安平（2021）［47］通過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之間的碳酸鹽臺地（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層為代表。

雖然不同類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，氣候突變會導(dǎo)致某種巖性的缺失，這為通過古氣候研究，預(yù)測碳酸鹽巖-膏鹽巖組合儲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)育凝塊石白云巖儲層和疊層石白云巖儲層，氣候的多期次旋回可以導(dǎo)致儲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)育凝塊石白云巖儲層，燈二段上部發(fā)育疊層石白云巖儲層，燈四段上部由下至上同樣發(fā)育了凝塊石白云巖儲層—疊層石白云巖儲層，構(gòu)成與古氣候旋回吻合的兩期儲層發(fā)育旋回，儲層累計厚度大于100 m。

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

鑲邊沉積體系由于鑲邊臺緣的存在，新增了一套藻砂屑白云巖儲層，隨氣候由潮濕向干旱遷移，由下向上依次發(fā)育凝塊石白云巖儲層—藻砂屑白云巖儲層—疊層石白云巖儲層，氣候的多期次旋回可以導(dǎo)致儲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)育凝塊石白云巖儲層，肖中3亞段下部發(fā)育藻砂屑白云巖儲層，肖中3亞段上部發(fā)育疊層石白云巖儲層，儲層累計厚度約60 m。

中國海相層系發(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，中國東部諸盆地及柴達木、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)微生物白云巖儲層勘探值得期待。

4 結(jié)論

1）與其他類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質(zhì)豐度，為儲層發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）微生物有機質(zhì)早期低溫降解和晚期熱解生酸使初始孔隙在埋藏環(huán)境得以保存和進一步擴溶，這是疊層石和凝塊石碳酸鹽巖儲層發(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低溫白云石，這是疊層石和凝塊石白云巖儲層主要發(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。