微生物碳酸盐岩“三因素”控储地质认识和分布规律

微生物碳酸盐沉积是由底栖的原核或真核微生物群落通过捕获或粘结碎屑颗粒，或由微生物引发的碳酸盐沉淀而成的碳酸盐沉淀物［1-2］构成微生物碳酸盐沉积的微生物组分主要包括细菌、藻类、真菌、参与生物膜和微生物席生长的物质［3］。微生物碳酸盐岩（尤指叠层石）最早出现在接近3 500 Ma前的太古宙地层中［4-5］，在中、新元古代达到丰度、形态种类和分布范围的高峰期，大量微生物碳酸盐岩发育于中、新元古代和早古生代［6］。

Riding（2000）［2］将微生物碳酸盐岩划分为叠层石、凝块石、树枝石和均一石4类。Kalkowsky（1908）［7］定义的叠层石为内部结构呈纹层状紧密排列的生物沉积灰岩。Riding（2011）［8］根据叠层石的内部结构、宏观特征和微生物沉积之间的作用方式等特点，将叠层石细分为骨骼叠层石、粘结叠层石、细粒叠层石、泉华叠层石、陆生叠层石5类。凝块石指宏观上呈凝块状的底栖微生物沉积，这种微生物碳酸盐岩有着不规则的颗粒形态，可细分为钙化微生物凝块石、粗糙粘结凝块、树枝凝块石、泉华凝块石、沉积后-生物扰动形成的凝块石、增生型凝块石和次生凝块石7类［2］。树形石由微生物钙化而成，不是由颗粒粘结而成，呈厘米级灌木状枝体。均一石是一种相对无结构、隐晶质或泥晶质、宏观结构缺少清晰纹层、凝块或树枝状结构的微生物碳酸盐沉积。

梅冥相（2007）［9］将核形石和纹理石补充到微生物碳酸盐岩中，建立了微生物碳酸盐岩的六分方案。纹理石是指发育纹理化构造的泥晶灰岩，纹理化构造单个纹理的厚度在0.5～1.5 mm，是一种未受改造的有机纹理，明显不同于水平状叠层石（纹理石）。核形石是指由微生物粘结或引发碳酸盐沉淀形成的球状、椭球状核形构造，大小为毫米到厘米级，常与凝块石共生，发育于前寒武纪及显生宙地层中，杨仁超（2011）［10］将核形石分为椭球状同心纹层核形石、椭圆形不规则纹层核形石、叶状不连续纹层核形石及迷雾状核形石等4种类型。

Shapiro（2000）［11］按照构造尺度将微生物碳酸盐岩划分为大型构造（>1 m）、中型构造（0.5～1 m）、小型构造（1～50 cm）和微型构造（<1 cm）4类。大型构造指微生物碳酸盐岩形成的岩层特征，如微生物层、微生物丘等；中型构造指微生物碳酸盐岩的形态特征，如柱状、穹窿状、锥状、团块状等；小型构造指中型构造内部用裸眼能够观察到的微生物碳酸盐岩结构，如波状、纹层状、泡沫状、叠层状等；微型构造指显微镜下能够观察到的微生物碳酸盐岩显微结构与组分，包括钙化微生物残留体、沉积物和胶结物等。

微生物碳酸盐岩不仅与许多金属矿床（如Fe和Mn等矿床）的形成和富集密切相关［12］，而且还是非常重要的油气储层，美国阿拉巴马州、东西伯利亚地区、巴西桑托斯盆地、阿曼盐盆、哈萨克斯坦以及中国的四川盆地和华北地区在微生物碳酸盐岩储层中均有重大油气发现。东西伯利亚地区新元古界发育晚里菲期和晚文德期两套微生物白云岩储层，孔隙度达到10 %以上，油气可采储量达22 × 108 t［13］，四川盆地灯影组微生物白云岩储层的天然气储量规模在万亿方以上，孔隙度达到6 %～12 %［14］，华北任丘、牛东地区蓟县系微生物白云岩储层的孔隙度达到10 %～15 %［15］。勘探实践证实，中国微生物碳酸盐岩储层主要发育于叠层石和凝块石白云岩中［16-18］，展示了叠层石和凝块石白云岩比其他类型微生物碳酸盐岩和非微生物碳酸盐岩具有更高的优质储层发育潜力。

碳酸盐岩储层可划分为礁滩、岩溶和白云岩储层，多孔的礁滩相沉积是储层发育的基础，孔隙主要形成于沉积（原生孔隙）和表生环境（表生溶孔），埋藏溶蚀和热液作用对孔隙的改造具有建造和破坏双重性，是先存孔隙调整的场所，而且埋藏溶蚀孔洞沿先存孔隙发育带分布，白云岩储层的储集空间主要是对原岩孔隙的继承和调整，但早期白云石化作用有利于先存孔隙的保存［19］。以上这些碳酸盐岩储层发育的主要控制因素同样也是微生物碳酸盐岩储层发育的主要因素，但因沉积物和沉积环境的特殊性，微生物碳酸盐岩储层成因也有其特殊性。前人对微生物碳酸盐岩的研究停留在岩石成因、分类、沉积环境和共性的储层发育控制因素上［20-22］，对微生物碳酸盐岩储层成因的特殊性和分布规律研究甚少。但微生物碳酸盐岩储层作为一类非常特殊的储层类型，与非微生物碳酸盐岩储层相比具有更高的储层发育潜力，尤其是凝块石和叠层石白云岩储层，除上述共性的储层成因机理认识同样适用于微生物碳酸盐岩储层外，肯定有其成因特殊性，这是由其高初始孔隙度、富微生物有机质和易于发生早期白云石化的特性所决定的，这也是本文的研究目的和意义。

针对叠层石和凝块石碳酸盐岩比其他类型微生物碳酸盐岩和非微生物碳酸盐岩具有更高储层发育潜力这一科学问题，本文通过现代微生物碳酸盐沉积特征和现代盐湖碳酸盐沉积特征研究、微生物有机质早期低温降解和晚期热解生酸模拟实验、早期沉淀和交代白云石成因模拟实验，探索微生物白云岩储层成因的特殊性，提出了“三因素”控储地质认识，为微生物碳酸盐岩储层分布预测提供了依据。碳酸盐岩-膏盐岩沉积体系中，叠层石和凝块石发育相带是微生物碳酸盐岩储层有利分布区。

1 现代沉积研究和模拟实验

本文开展了现代巴哈马台地微生物碳酸盐沉积特征研究、内蒙古新巴尔虎左3个盐湖和6个非盐湖沉积物特征比较研究、微生物有机质早期低温降解生酸和晚期热解生烃、生酸两组模拟实验、微生物诱导原白云石沉淀模拟实验，为认识叠层石和凝块石碳酸盐岩比其他类型微生物碳酸盐岩和非微生物碳酸盐岩具有更高储层发育潜力、叠层石和凝块石白云岩储层主要分布于碳酸盐岩-膏盐岩沉积体系的原因提供线索。

1.1 现代沉积物特征

1.1.1 现代微生物沉积物特征

本文作者考察了巴哈马台地Crooked岛上的一个潟湖，湖面最宽处近400 m，长近1.7 km（图1a），湖底最深60 cm，温度25～35 ℃，盐度35 ‰～40 ‰，湖水平静，几乎不受波浪或潮汐作用的影响［23］。湖底中央为石化的微生物灰岩，主要为柱状和穹窿状叠层石灰岩，湖底边缘为半固结的微生物灰岩，主要为水平-波状叠层石灰岩，湖岸为半固结的碳酸盐泥结壳（图1b），上覆于新近系生屑和鲕粒滩之上。

图1

图1   巴哈马台地Crooked岛潟湖微生物沉积特征

a.巴哈马Crooked岛潟湖分布和形态特征； b.潟湖横剖面，展示潟湖的深度和沉积相带分异； c.湖泊中央石化的柱状和穹窿状叠层石灰岩的宏观和微观特征，富微生物有机质，初始孔隙发育； d.湖泊边缘半固结水平-波状叠层石灰岩的宏观和微观特征，富微生物有机质，初始孔隙发育

Fig.1   Microbial sedimentary characteristics in a lagoon of Crooked Island， Bahamas platform

湖底中央石化的柱状和穹窿状叠层石灰岩，据10个样品的物性测试，最大孔隙度达到55 %，最小孔隙度为15 %，平均孔度达到40 %（图1c），湖底边缘半固结的水平-波状叠层石沉积，据7个样品的物性测试，最大孔隙度达到65 %，最小孔隙度为55 %，平均孔隙度可以达到60 %（图1d）。湖岸（时而暴露，时而被湖水淹没）半固结的碳酸盐泥沉积，据8个样品的物性测试，最大孔隙度达到20 %，最小孔隙度为5 %，平均孔隙度达到10 %。

湖底中央石化的柱状和穹窿状叠层石灰岩，微生物有机质含量可以达到30 %～40 %，其余为捕获的灰泥、钙化的微生物及微生物诱导形成的碳酸盐沉积，按平均孔隙度40 %计算，微生物有机质的体积可以占到岩石总体积的18 %～24 %（图1c）。湖底边缘半固结的水平-波状叠层石沉积，格架部分微生物有机质的含量与碳酸盐岩沉积物含量相当，按平均孔隙度60 %计算，微生物有机质的体积可以占到岩石总体积的20 %（图1d）。湖岸半固结的碳酸盐泥沉积，因低水位期的暴露、暴晒（巴哈马台地位于赤道附近）和海水作用，往往形成结壳，结壳成分以碳酸钙为主，只能见到微生物有机质的痕迹，微生物有机质的体积占到岩石总体积5 %～10 %。

现代微生物沉积研究揭示湖底固结或半固结的叠层石灰岩（或沉积物）与湖岸半固结的碳酸盐泥相比，具有更高的初始孔隙度和微生物有机质含量。按照将今论古的原则，地质历史时期的叠层石灰岩（或微生物沉积物）同样应该具有更高的初始孔隙度和微生物有机质含量。

1.1.2 现代盐湖沉积物特征

本文作者考察了内蒙古吉布胡郞图诺尔、噶布金托呼各克和都兰油泥泉3个盐湖，塔日根、塔日根诺尔、达布散诺尔、敦德诺尔、布日德诺尔和呼吉日诺尔6个淡水湖泊（图2a）。3个盐湖中央湖水的盐度分别为60 ‰，120 ‰和100 ‰，盐湖边缘受降雨和淡水注入的影响，湖水盐度小于35 ‰。每个盐湖从湖底中央到湖底边缘各钻取两筒心（共6筒心），心长25 cm（图2b）。取心沉积物主体为灰泥沉积，几乎见不到微生物的痕迹，X射线衍射结果揭示，盐湖边缘3筒心从底至顶，沉积物的矿物成分除灰泥（方解石）和泥质（粘土矿物）外，还有石英和钠长石矿物，未见白云石和石盐矿物（图2d）。盐湖中央3筒心中上部（0～8 cm），沉积物的矿物成分与盐湖边缘3筒心相同，下部（8～25 cm），沉积物的矿物成分还出现了白云石和石盐矿物，白云石矿物X射线衍射峰值为30.95°（图2c，e），白云石含量随深度增加而逐渐增大，镜下观察白云石含量最大达到30 %～40 %。6个淡水湖泊从湖底中央到边缘各钻取两筒心（共12筒心），取心沉积物主体为灰泥（方解石）和泥质（粘土矿物）沉积，出现叠层状微生物痕迹，X射线衍射结果揭示，无论是湖底中央还是边缘、无论是取心上部还是下部，沉积物的矿物成分除灰泥（方解石）和泥质（粘土矿物）外，还出现了石英和钠长石矿物，未见白云石和石盐矿物。

图2

图2   现代盐湖沉积物特征

a.3个盐湖和6个淡水湖泊分布； b.从湖泊中央到湖泊边缘钻取的18筒心，全为松散的沉积物； c.盐湖中央沉积物（下部）扫描电镜图像，白云石和钠长石； d.盐湖边缘沉积物X射线衍射图谱，未检测到白云石； e.盐湖中央沉积物（下部）X射线衍射图谱，出现白云石峰

Fig.2   Characteristics of sediments in a modern salt lake

现代盐湖和淡水湖泊沉积物特征揭示了以下3点认识：①无论是盐湖还是淡水湖泊，没有微生物作用的条件下，表层沉积物中没有发现原白云石沉淀；②从表层沉积物中缺原白云石分析，湖底中央下部（8～25 cm）沉积物中的白云石矿物是准同生期交代成因的，高盐度可能是交代白云石形成的主控因素；③在淡水湖泊水体（低盐度）中，即使有微生物的作用，也没有发现原白云石沉淀及交代白云石。

1.2 微生物有机质生酸模拟实验

1.2.1 微生物有机质早期低温降解生酸模拟实验

本次模拟实验采用铜绿微囊藻作为准同生-早成岩期微生物有机质低温降解的有机质来源，铜绿微囊藻（15 mL）购自中科院水生生物研究所，配置BG11培养基进行微生物培养，并经一系列物理化学处理后，制得冻干的铜绿微囊藻粉和螺旋藻，冰箱冷藏备用。

微生物有机质降解的菌株及培养环境见表1，模拟自然界常见的自然水解、有氧降解、硝酸盐还原、Fe氧化物还原4个阶段的微生物有机质降解作用。自然水解用时7 d，有氧降解用时30 d，硝酸盐还原用时28 d，Fe氧化物还原用时30 d。分别模拟叠层石灰岩微生物有机质降解（图3a）、凝块石灰岩微生物有机质降解（图3b）的产物及丰度。整个模拟方案的设计、模拟过程、降解产物及含量的测试非常复杂，将另文陈述。

表1   用于微生物有机质降解的菌株及培养环境

Table 1  The bacterial strain type and culture environment for the microbial organic matter degradation