白云巖成因模式及其對(duì)碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的影響

周 剛 閻澤昊 雷鼎丞 李 琦 鐘 原 嚴(yán) 威 張 亞 喬艷萍 豆 霜

1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 四川成都 610041

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院 北京 100083

0 引言

目前，全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)300余個(gè)碳酸鹽巖油氣田，主要分布在北美、中東和中亞地區(qū)，儲(chǔ)量達(dá)到2 450×108t油氣當(dāng)量，占全球油氣藏的60%左右[1-4]，成為一種全球性的重要戰(zhàn)略資源。由于白云巖在不同地質(zhì)歷史時(shí)期發(fā)育程度差別極大，其主要富集于寒武系、奧陶系等古生代和少量新生代與中生代地層。碳酸鹽巖儲(chǔ)層從地表百米至地下7 000多米均有分布，其中大約80%的儲(chǔ)層集中分布在4 000 m左右的位置。北美和中東地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋深多集中在2 000 m左右的位置，而亞太地區(qū)儲(chǔ)層埋深主要集中在4 000 m的位置，塔里木盆地和四川盆地油氣藏的埋深甚至普遍超過5 000 m。我國(guó)將油氣資源分為淺層、中深層、深層和超深層四個(gè)級(jí)別，其中埋深超過4 500 m即可稱為超深層油氣資源[5-6]，據(jù)2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于這一部分深層—超深層油氣藏的勘探率分別僅有3.9%和5.7%[7]。碳酸鹽巖成因機(jī)理研究與深層—超深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究是目前全球碳酸鹽巖油氣研究的重要領(lǐng)域[8]。

雖然碳酸鹽巖儲(chǔ)層在油氣勘探與開發(fā)中具有重要地位，但白云巖儲(chǔ)層和白云石化機(jī)理仍然未有定論[9-10]。法國(guó)博物學(xué)家Deodal de Dolomieu在18世紀(jì)首次對(duì)白云石這種礦物做出闡述，認(rèn)為是富鎂火山蒸汽在石灰?guī)r地層中滲透，將石灰?guī)r轉(zhuǎn)化為白云巖。但富鎂火山蒸汽十分罕見，與大范圍白云巖分布相矛盾，因此滲透性富鎂流體的說法逐漸成為主流[11]。根據(jù)白云巖形成的不同沉積環(huán)境，學(xué)者們提出了不同成因的富鎂流體對(duì)石灰?guī)r地層的作用模式[12]。1969年，許靖華等提出了蒸發(fā)泵模式[13-14]，用于解釋近地表蒸發(fā)環(huán)境形成的白云巖。1960年，Adams等首先提出滲透回流模式[15-16]，它是蒸發(fā)泵模式的延伸，同樣適用于蒸發(fā)量大的蒸發(fā)臺(tái)地地區(qū)，并用以解釋了德克薩斯西部二疊紀(jì)生物礁復(fù)合體中的白云巖。1973年，Badiozamani首次提出了混合水模式[17]，用以解釋臺(tái)地邊緣等不是蒸發(fā)環(huán)境，而是地下水與海水相互交匯環(huán)境下形成的白云巖，例如佛羅里達(dá)州三疊系石灰?guī)r中形成的白云巖夾層。1985年，Land發(fā)現(xiàn)當(dāng)海水Mg2+/Ca2+比能滿足白云石化條件時(shí)，就能使流經(jīng)的石灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r，并首先總結(jié)了海水模式[18-19]。1959年，Illing首次提出了埋藏白云石化模式[20-21]，在1986年Wierzbicki首次將此種理論用于解釋加拿大新斯科合上侏羅統(tǒng)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層。埋藏模式通常與熱液活動(dòng)相伴發(fā)生，熱液成因模式[22]是指地下富鎂熱液流體由于巖漿活動(dòng)或者地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而上涌，滲入上覆石灰?guī)r體系而發(fā)生白云石化作用。1995年，Vasconcelos等人提出微生物新陳代謝能促進(jìn)白云石的形成，微生物成因模式開始受到關(guān)注。隨著研究的深入，薩布哈模式和滲透回流模式兩種蒸發(fā)環(huán)境下白云巖形成模式得到廣泛認(rèn)可，但現(xiàn)今對(duì)混合水模式和海水模式仍存在爭(zhēng)議，部分曾經(jīng)解釋為混合水和海水成因模式的白云巖被認(rèn)為是埋藏成因模式形成的[23]。因此，當(dāng)前研究熱點(diǎn)仍集中在埋藏白云石化模式和熱液白云石化模式，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室人工合成白云石的研究也未曾停止。

由于白云石復(fù)雜的成因模式和漫長(zhǎng)的后期成巖改造，白云巖儲(chǔ)集空間類型也十分多樣，整體大致可分為孔洞和縫隙兩類。尺度上，從幾微米至幾厘米不等，橫跨幾個(gè)數(shù)量級(jí)；結(jié)構(gòu)上，微米級(jí)的晶間孔、晶間溶孔、溶縫與厘米級(jí)的巖溶洞穴相互連通，形成復(fù)雜的儲(chǔ)集空間；成因上，繼承于原巖的生物格架孔隙，海水、淡水和熱液溶蝕形成的孔洞，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的裂縫疊加在一起，形成現(xiàn)今看到的白云巖儲(chǔ)集空間。基于上述現(xiàn)狀，本次研究以白云石的物理、化學(xué)成因條件為依據(jù)，討論并歸納出7種較為成熟的白云石形成機(jī)理，同時(shí)討論在不同白云石形成環(huán)境中，白云石化過程對(duì)白云巖儲(chǔ)層的影響。

1 白云石形成條件

1.1 白云石化環(huán)境

白云石化流體改造前期石灰?guī)r體系時(shí)，不同環(huán)境下形成的白云石具有不同的結(jié)構(gòu)，在白云石的形成過程中往往經(jīng)歷了多期的沉積環(huán)境的變化，但無外乎可以分為近地表和深埋藏兩個(gè)位置，以及準(zhǔn)同生和成巖兩個(gè)階段。近地表多為蒸發(fā)環(huán)境，準(zhǔn)同生階段干旱背景下形成的白云巖居多，此時(shí)形成的白云巖以微晶為主，對(duì)原巖結(jié)構(gòu)有所保留；深埋藏位置的白云石化主要與深部的富Mg2+介質(zhì)相關(guān)，可能是富Mg2+的鹵水，巖漿熱液或者固體礦物，形成的白云巖往往為細(xì)晶或中晶白云巖。對(duì)于準(zhǔn)同生白云巖，主要發(fā)生在潮坪環(huán)境，海平面波動(dòng)或地殼隆升/凹陷使得沉積物暴露，導(dǎo)致多期次的白云石化流體進(jìn)入孔隙中，在毛細(xì)管壓力的作用下濃縮并發(fā)生白云石化[24]；對(duì)于成巖階段的白云石化作用，不斷暴露在大氣中接受大氣降水的淋濾，對(duì)儲(chǔ)層的形成至關(guān)重要。例如，鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組白云巖、石灰?guī)r和膏云巖互層的地層中，大氣降水淋濾和風(fēng)化作用會(huì)侵蝕膏云巖，馬家溝組頂部形成了以膏?？?、擴(kuò)溶膏?？缀团蛎浟芽p為主要儲(chǔ)集空間的儲(chǔ)層[25-26]。四川盆地震旦系燈影組以微生物白云巖為主，在桐灣運(yùn)動(dòng)二期過程中，地層隆升，燈四段一部分暴露在大氣降水的淋濾下，形成了大量的溶蝕孔洞，這些溶蝕孔洞既有利于白云石化流體改造前期沉積體系，又有利于后期埋藏環(huán)境下熱液流體溶蝕白云巖地層，最終形成了溶孔、溶縫發(fā)育的白云巖儲(chǔ)層。

封閉或者開放的沉積環(huán)境同樣影響著白云巖的物性。當(dāng)成巖環(huán)境開放，外源CO32-充足時(shí)，Mg2+置換出的Ca2+形成CaCO3無法被白云石化流體帶出，此時(shí)白云石化作用降低原巖孔隙度；當(dāng)成巖環(huán)境封閉，外源CO32-較少時(shí)，Mg2+置換出的Ca2+以離子形式被白云石化流體帶走，此時(shí)白云石化作用有明顯的增孔作用[27]。北美大多數(shù)的碳酸鹽巖油氣田儲(chǔ)集空間的形成都與此種封閉環(huán)境的白云石化作用有關(guān)，中國(guó)四川盆地西北部和東部均發(fā)育此種成因的砂糖狀白云巖[28]，是非常優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)集空間類型之一。

1.2 白云石成巖流體運(yùn)移方式

對(duì)于白云巖，尤其是次生交代作用下形成的巨厚白云巖，其形成過程中需要富含Mg2+的鹵水長(zhǎng)期供給，富Mg2+流體從何而來，一直是白云巖研究未解決的問題之一。不同地球熱力學(xué)背景和水文地質(zhì)演化條件下，形成的白云巖孔隙和膠結(jié)物也不相同[29]?，F(xiàn)今學(xué)者們依據(jù)富Mg2+流體的富集和遷移規(guī)律，總結(jié)出了數(shù)種白云巖成因模式，其中白云石化流體在前期石灰?guī)r沉積體中的運(yùn)移驅(qū)動(dòng)力可以歸納為重力、溫度和壓力。

富Mg2+的鹵水流體密度通常大于原巖孔隙中流體，在前期沉積體系中運(yùn)移主要受到重力的驅(qū)使，例如滲透回流模式、混合水模式和海水模式。尤其在滲透回流模式下，由潮汐帶入蒸發(fā)臺(tái)地內(nèi)的海水，在濃縮過后下滲到下部地層當(dāng)中。四川盆地東部Mg2+同位素示蹤顯示，在局限或者半局限條件下，白云石化流體在重力的作用下發(fā)生垂向運(yùn)動(dòng)，即近源的滲透回流作用，或者在重力和側(cè)向壓力作用下發(fā)生斜向遷移，即遠(yuǎn)源的滲透回流作用。

在埋藏—熱液環(huán)境中運(yùn)移的白云石成巖流體主要受到地溫梯度和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力影響。深部鹵水在地溫梯度和巖漿熱能的雙重影響下溫度上升，與上部溫度較低的地層水不斷交換，形成深部循環(huán)熱鹵水，控制了埋藏條件下白云巖的形成和改造[30]。塔里木盆地中部奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層有明顯的巖漿熱液活動(dòng)痕跡，巖漿熱液的流動(dòng)明顯受斷裂和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制。拉張應(yīng)力集中的區(qū)域，發(fā)育有高角度的正斷層和走滑斷層，在扭張背景下發(fā)育形成“負(fù)花狀”構(gòu)造，當(dāng)斷層溝通巖漿熱液貯存體和上部沉積體時(shí)，巖漿熱液在壓力驅(qū)使下向上運(yùn)移，改造上部沉積體系。

2 白云石成因模式分析

根據(jù)白云石形成時(shí)的流體動(dòng)力學(xué)條件和沉積環(huán)境，學(xué)者們將白云石的形成條件歸納為了以下6種，分別是：蒸發(fā)泵模式（薩布哈模式）、滲透回流模式、混合水模式、海水模式、埋藏模式和熱液成因模式（圖1）。此外，微生物在誘導(dǎo)白云石直接沉淀和促進(jìn)白云石化中均起到了重要作用[31]，形成第7種生物成因模式。每一種白云石成因模式的成巖階段、白云石化作用位置、水動(dòng)力條件都不盡相同，因而形成的白云巖也具有不同的巖石學(xué)和地球化學(xué)特征[32]。

圖1 白云巖成巖示意圖[12]

2.1 埋藏模式

1959年，Illing首次提出了埋藏模式，Wierzbicki在1986年使用埋藏白云石化模式解釋了加拿大新斯科合上侏羅統(tǒng)阿貝巴基臺(tái)碳酸鹽巖深帕努克白云巖儲(chǔ)集層[33]。實(shí)驗(yàn)室人工合成白云石證明，在室溫下難以合成晶形穩(wěn)定的白云巖。但當(dāng)溫度升高時(shí)，由于Mg2+的半徑小于Ca2+的半徑，在高溫高壓的條件下，Mg2+更容易置換出Ca2+，進(jìn)而促進(jìn)白云巖的形成。此時(shí)一般為成巖的后期埋藏階段，深度一般在2 000～3 000 m，Mg2+/Ca2+比值在4～10之間。由于埋深較大，埋藏模式下Mg2+的來源和白云石化流體的運(yùn)移機(jī)制尚不清晰，可能來源于深部富Mg2+鹵水、巖漿巖或者其他固體礦物，例如橄欖石的蛇紋石化，或者蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)變都會(huì)產(chǎn)生大量的Mg2+。與淺埋藏白云石化模式有海水為源供給Mg2+不同，埋藏白云石的形成和分布上都會(huì)受到白云石化流體、固體礦物的制約，也會(huì)留有一定的白云石化流體源區(qū)的地球化學(xué)特征。同時(shí)埋藏白云石的形成比較依賴地層中的孔隙，常形成于孔隙性好的石灰?guī)r地層，或者沿地層中的構(gòu)造裂縫分布（圖1g）。

按照成因可以將白云石分成兩類：一類是在準(zhǔn)同生時(shí)期即發(fā)生白云石化，可能是蒸發(fā)成因、混合水成因、海水成因或者生物成因白云巖，在埋藏條件下重結(jié)晶，形成埋藏白云巖；另一類是前期石灰?guī)r體系已經(jīng)穩(wěn)定化，在深部白云石化流體的改造下，經(jīng)過交代作用形成埋藏白云石[34]。巖石學(xué)特征上，一類埋藏白云巖多由粉晶—中晶白云石組成，自形—半自形晶體，具有霧心亮邊和環(huán)帶結(jié)構(gòu)；二類埋藏白云巖以粗晶為主，半自形—他形晶體，有霧心亮邊，無環(huán)帶結(jié)構(gòu)。通常白云石晶粒的大小也會(huì)隨著埋深的增加而增加，白云石的含量也會(huì)隨著深度的增加而加大，逐漸從點(diǎn)線擴(kuò)展為面，形成厚層的白云巖巖層。

2.2 熱液成因模式

熱液成因白云石通常指地殼深部的富Mg2+熱液流體交代前期沉積體系形成白云巖，或者沿?zé)嵋和ǖ牢龀霭自剖w。侵入流體的溫度高于環(huán)境溫度5℃以上被稱為熱液[35]，熱液白云石化流體可能來自于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的擠壓、巖漿入侵、火山活動(dòng)或者埋藏?zé)猁u水（圖1h）。通常認(rèn)為熱液白云石化的埋藏深度大于2 500 m，Mg2+/Ca2+比值大約在4～10，與埋藏成因的白云石保持一致。熱液白云石的分布受到熱液通道的制約，疏導(dǎo)熱液的通道通常為張扭環(huán)境下形成的高角度正斷層，或者在這種環(huán)境下形成的負(fù)花狀斷層構(gòu)造和斷層組合，熱液通道沿?cái)嗔严到y(tǒng)上升，并滲透到圍巖中孔隙較好的部分。湖相熱液白云石也是目前研究的重點(diǎn)，深部熱液為湖盆提供了大量的富Mg2+鹵水，使白云巖發(fā)生重結(jié)晶或者使石灰?guī)r發(fā)生白云石化。

巖石學(xué)上，熱液白云巖通常以廣泛發(fā)育的基質(zhì)交代和孔-縫內(nèi)充填的鞍狀白云石為標(biāo)準(zhǔn)特征，同時(shí)伴生有其他的熱液礦物，如閃鋅礦、方鉛礦、石英、黃鐵礦、重晶石和螢石[36]。鞍狀白云石是熱液白云石的標(biāo)志之一，它是一種乳白色至棕灰色的亮晶白云石晶體，具有獨(dú)特的尖頂、彎曲晶面和晶格，有珍珠光澤，在陰極發(fā)光下顯示為亮紅色。最近研究表明馬鞍狀白云石并不是只能在熱液成因下形成，在壓溶環(huán)境或者在熱化學(xué)硫酸鹽還原作用下都可能生成少量的鞍狀白云巖[37]，同時(shí)，熱液流體環(huán)境也不是一定會(huì)形成馬鞍狀白云石[38]。

2.3 蒸發(fā)泵模式

蒸發(fā)泵模式也稱作薩布哈白云石化模式，由許靖華等于1969年率先提出，并應(yīng)用在阿拉伯海灣南部和西部邊緣帶白云巖地層當(dāng)中[39]。該模式主要發(fā)生在近地表范圍，埋藏深度一般小于500 m，主要作用于同生階段。在蒸發(fā)量大的熱帶地區(qū)，風(fēng)暴浪或者特大潮汐會(huì)將海水帶入到蒸發(fā)潮坪沉積體中的巖石孔洞中，一部分海水在重力的作用下下滲，另一部分海水在毛細(xì)管壓力的作用下上升。對(duì)于上升水體，當(dāng)重力和毛細(xì)管壓力相等時(shí)便貯存在沉積體當(dāng)中，不斷蒸發(fā)，形成富Mg2+的鹵水流體，改造淺層環(huán)境的沉積體（圖1a）。蒸發(fā)泵模式下Mg2+/Ca2+比值通常較高，大約為10～30[12]。

巖石學(xué)特征上，蒸發(fā)潮坪和潟湖環(huán)境形成的白云巖會(huì)有較大區(qū)別，蒸發(fā)潮坪多形成泥晶、微晶白云巖，如發(fā)育在波斯灣南部和西部的蒸發(fā)潮坪沉積體[40]，以及四川盆地東部地區(qū)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組等[41-42]。此外，由于蒸發(fā)和潮汐的反復(fù)作用產(chǎn)生鳥眼、干裂等特殊構(gòu)造。潟湖環(huán)境同樣多形成以泥晶—微晶為主，含有少量粉晶白云石的巖石結(jié)構(gòu)，但并沒有鳥眼一類干旱環(huán)境下的特殊構(gòu)造[43]。

2.4 滲透回流模式

滲透回流模式最早于1960年由Adams等提出[44]，用以解釋德克薩斯西部二疊紀(jì)生物礁復(fù)合體中的白云巖。1965年Deffeyes等用滲透回流模式來解釋加勒比海小安德列斯群島更新統(tǒng)白云巖，取得了很好的解釋效果[16]。滲透回流模式和蒸發(fā)泵模式類似，主要用于解釋蒸發(fā)地區(qū)，毛細(xì)管壓力作用不到的較深層區(qū)域，深度通常在700 m左右（圖1b），該過程主要發(fā)生在成巖或成巖后期。滲透回流模式的特點(diǎn)是在相對(duì)封閉的蒸發(fā)臺(tái)地或者潟湖環(huán)境中，由潮汐作用帶來的海水在蒸發(fā)作用下濃縮，形成富Mg2+的高飽和鹵水，高濃度鹵水密度大于地層水密度，在重力的影響下向下運(yùn)移，滲透至前期石灰?guī)r地層中發(fā)生白云石化作用。在蒸發(fā)濃縮作用下，Mg2+/Ca2+比值通常較高，大約在10～30之間[12]。

巖石學(xué)特征上，滲透回流模式形成的晶粒大小比蒸發(fā)泵模式下形成的晶粒大小略大，通常形成粉晶白云巖，潮坪環(huán)境下形成的白云巖以泥晶為主，在開闊臺(tái)地淺灘環(huán)境下可形成更粗的晶型[37]。該模式形成的白云巖通常會(huì)有霧心亮邊的特點(diǎn)，并且會(huì)保留一定的原巖結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)泵模式則沒有這一特點(diǎn)。

滲透回流模式和蒸發(fā)泵模式常同時(shí)出現(xiàn)，可用以解釋大范圍出現(xiàn)的白云巖地層。四川盆地東部地區(qū)黃龍組厚層白云巖研究中，通過Mg同位素示蹤研究白云石化流體在地層中的運(yùn)移方式，結(jié)果顯示低海平面時(shí)期，潮上帶石灰?guī)r會(huì)在蒸發(fā)泵的作用下首先發(fā)生白云石化，形成薄層的白云巖；高海平面時(shí)期，潮間帶地區(qū)不斷富集潮汐帶來的海水，并在蒸發(fā)作用下形成高濃度鹵水，向潮間帶石灰?guī)r地層滲透，導(dǎo)致石灰?guī)r發(fā)生白云石化作用。對(duì)于深部的潮下帶地區(qū)，潮間帶蒸發(fā)形成的高濃度鹵水會(huì)向深部發(fā)生橫向遷移，通過遠(yuǎn)源的滲透回流作用，改造潮下帶地區(qū)白云巖，最終導(dǎo)致更大范圍的石灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)榘自茙r，形成巨厚的白云巖地層[45]。

2.5 混合水模式

混合水模式于1973年由Badiozamani首次提出[17]，并應(yīng)用于佛羅里達(dá)州三疊系石灰?guī)r地層中白云巖夾層的解釋。混合水是指淡水和海水交匯形成白云石化流體，其適用于解釋地下水和海水交匯的臺(tái)地邊緣，或者孤立臺(tái)地地區(qū)。其中淡水可能來自于地下貯藏的流體（圖1d），或者低海平面時(shí)期大氣降水在巖層中形成的淡水透鏡體（圖1c），地下水和淡水透鏡體提供的高壓水頭不斷驅(qū)使混流體通過巖層孔隙，發(fā)生白云石化[46]。海水和淡水的混合可以使石灰?guī)r體系在Mg2+/Ca2+比較低的時(shí)候發(fā)生白云石化，Badiozamani在1973年總結(jié)出海水比例在10%～40%時(shí)對(duì)白云石過飽和而對(duì)方解石不飽和，有利于白云石的析出。Hardia在1978年得出，析出有序白云石的海水比例在30%～40%[47]，此時(shí)Mg2+/Ca2+比值大約在1.24～3.64。

巖石學(xué)特征上，大氣淡水與海水的混合流體形成的白云巖多為顆粒白云巖、礁白云巖等；地下水與海水混合流體多生成細(xì)晶—中晶白云巖。由于大氣降水的淋濾作用，這兩種混合水模式下的白云巖多形成于成巖階段，例如川東飛仙關(guān)組鮞粒白云巖[48]，江州下三疊統(tǒng)形成的微晶—粉晶白云巖和細(xì)晶—中晶白云巖。

2.6 海水模式

海水模式主要指能滿足白云石化Mg2+/Ca2+比例的海水，在流經(jīng)前期石灰?guī)r地層中時(shí)使其白云石化，1985年Land首次對(duì)這種模式做出了總結(jié)[49]。根據(jù)作用深度可以分成淺層海水白云石化（圖1e）和深層海水白云石化（圖1f），淺層海水白云石化通常形成深度小于700 m，深層海水白云石化形成深度通常超過1 000 m。研究表明，水深1 000 m時(shí)，海水會(huì)對(duì)方解石飽和而對(duì)白云石不飽和，例如，在愛尼韋達(dá)環(huán)礁900 m左右位置，冷海水流經(jīng)并改造了前期石灰?guī)r體系[50]。海水白云石化模式主要作用于成巖階段，此時(shí)的前期石灰?guī)r體系已經(jīng)經(jīng)過了壓實(shí)作用，海水通過粒間孔或者晶間孔滲入到石灰?guī)r地層當(dāng)中，通過離子置換的形式形成白云巖，形成的白云巖也以顆粒白云巖和結(jié)晶白云巖為主[12]。

2.7 生物成因模式

1995年Vasconcelos等提出：微生物的新陳代謝在白云石的形成過程中發(fā)揮了重要的作用[51]，微生物白云石成因模式開始受到學(xué)者們的關(guān)注。生物成因白云石主要填補(bǔ)了常溫、常壓下白云巖成因的空白?，F(xiàn)代低溫白云石主要形成于湖相或海相環(huán)境的淺埋藏地區(qū)，由蒸發(fā)泵模式或者滲透回流模式驅(qū)動(dòng)形成，但這些非生物成因的白云石成因解釋并不能完全適配地質(zhì)歷史時(shí)期形成的大量厚層白云巖，例如形成于潮坪環(huán)境的白云石往往包含有大量的疊層石、凝塊石等生物成因的白云巖。

學(xué)者們著手研究生物對(duì)白云石形成的影響和作用，并取得了一定的成果。實(shí)驗(yàn)室研究表明，一些微生物在生命活動(dòng)的過程中，可以誘導(dǎo)白云石在常溫常壓下形成，如硫酸還原細(xì)菌、甲烷生產(chǎn)細(xì)菌都可以在生命活動(dòng)的過程中提供Mg2+并且促進(jìn)白云石晶核形成[52]。同時(shí)野外露頭顯示，潮坪、潟湖沉積環(huán)境中，常發(fā)育疊層石白云巖，凝塊石白云巖等生物成因的白云巖，其中的暗色紋層和凝塊充滿了有機(jī)質(zhì)，在薄片中同樣可以觀察到一些生物成因的球狀、棒狀、啞鈴狀等微米級(jí)別的白云石[53]，如四川盆地震旦系燈影組、三疊系雷口坡組白云巖[54]及意大利南部卡拉布里亞上三疊統(tǒng)白云巖[55]，其白云巖的形成與微生物活動(dòng)息息相關(guān)。

2.8 白云石化路徑分析

整體上，白云石化過程主要發(fā)生在兩個(gè)階段，準(zhǔn)同生階段和埋藏階段。其中，準(zhǔn)同生階段發(fā)生的白云石化作用有蒸發(fā)泵模式和滲透回流模式，形成的白云巖通常會(huì)保留原始石灰?guī)r結(jié)構(gòu)，在原巖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成細(xì)粒的白云巖晶體，由于白云巖力學(xué)上的穩(wěn)定性，保留的原始孔隙是儲(chǔ)層形成的良好基礎(chǔ)。埋藏階段通常是指埋藏模式或熱液成因模式，在石灰?guī)r或者準(zhǔn)同生階段形成白云巖基礎(chǔ)上，形成細(xì)晶及以上的白云巖，埋藏階段對(duì)儲(chǔ)層物性的影響較大。一方面，白云石結(jié)構(gòu)對(duì)孔隙度存在影響，在泥晶白云巖向細(xì)晶—中晶白云巖轉(zhuǎn)化的過程中，晶間孔會(huì)擴(kuò)大，儲(chǔ)層孔隙度增加；深部熱液、酸性流體或者埋藏白云石化流體都可能形成溶蝕孔洞和裂縫，既是優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)層空間，同時(shí)是優(yōu)質(zhì)的流體運(yùn)移通道。另一方面，白云石結(jié)晶程度過高，在向半自形—他形轉(zhuǎn)變的過程中，晶間孔會(huì)逐漸被填滿；熱液形成的馬鞍狀白云巖也會(huì)充注原巖的孔隙，使儲(chǔ)層空間減少。

在眾多白云巖地層中，優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層往往經(jīng)歷了特定的成巖演化模式，學(xué)者們據(jù)此總結(jié)出了3條白云巖成儲(chǔ)路徑（圖2），分別是：①白云巖保持型；②白云巖改造型；③石灰?guī)r埋藏白云石化型。白云巖保持型指準(zhǔn)同生時(shí)期白云石化保留原巖孔隙，原巖孔隙成為良好的熱液通道，后期熱液改造形成的鞍狀白云巖和粗晶白云巖加固原巖結(jié)構(gòu)，多見于四川盆地震旦系燈影組、鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組。白云巖改造型指在準(zhǔn)同生時(shí)期保留原巖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，埋藏期調(diào)整和改造作用更強(qiáng)，繼承原巖孔隙的同時(shí)形成大量的晶間孔和晶間溶孔，多見于四川盆地二疊系棲霞組與長(zhǎng)興組—下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、塔里木盆地奧陶系蓬萊壩組。石灰?guī)r埋藏白云石化型，由于石灰?guī)r地層的大部分孔隙會(huì)在壓實(shí)過程中遭受破壞，埋藏白云石化形成大量的中粗晶白云巖，對(duì)儲(chǔ)層的孔隙影響不大，熱液白云石化作用形成溶蝕孔洞和溶蝕裂縫，改善儲(chǔ)層物性，多見于塔里木盆地奧陶系鷹山組下段、四川盆地二疊系茅口組[32]。

圖2 白云石化路徑示意圖[32]

3 白云石化對(duì)儲(chǔ)層的影響

隨著對(duì)白云巖儲(chǔ)層、白云石化機(jī)理與模式的深入研究，學(xué)者們就白云石化過程對(duì)儲(chǔ)層的影響取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但仍存在爭(zhēng)議。從理論上來說，根據(jù)等摩爾交代理論，由于Mg2+和Ca2+離子半徑之間的差距，白云石交代文石最多可使孔隙度增加6%，白云石交代方解石最多可使孔隙度增加13%，但研究表明，野外白云巖的孔隙度并沒有明顯高于石灰?guī)r，甚至在一些淺埋深地區(qū)，白云巖的孔隙度略低于石灰?guī)r的孔隙度[56]。這是由于白云巖存在過白云石化現(xiàn)象，一些學(xué)者甚至認(rèn)為白云石化并不能生成儲(chǔ)層，白云石化的儲(chǔ)層主要是對(duì)原始石灰?guī)r中孔隙的繼承和調(diào)整。白云石化程度、白云石化過程和白云石結(jié)構(gòu)不同，對(duì)儲(chǔ)層增孔和減孔的影響也不盡相同。

盡管白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層的增孔作用并不常見，貢獻(xiàn)也并不明顯，但當(dāng)石灰?guī)r發(fā)生白云石化后，巖石的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。目前學(xué)者們達(dá)成以下共識(shí)：①白云巖比石灰?guī)r更抗壓實(shí)壓溶，更容易保留原始孔隙，同時(shí)也更容易發(fā)生斷裂和裂縫；②白云石化初期會(huì)形成較多的晶間孔，提高了巖石的滲透率，高滲透率又促進(jìn)白云石化繼續(xù)進(jìn)行，直到過白云石化作用發(fā)生，膨脹的白云石化晶體填滿整個(gè)孔隙空間，通常在白云石化程度達(dá)到80%時(shí)，晶間孔的面積達(dá)到最大；③白云石化不徹底的巖石，當(dāng)其暴露在大氣淡水環(huán)境中時(shí)，大氣降水的淋濾作用會(huì)優(yōu)先溶蝕剩余石灰?guī)r結(jié)構(gòu)[57]，但對(duì)于深埋藏環(huán)境，白云巖會(huì)比石灰?guī)r更易溶，塔里木盆地奧陶系白云巖儲(chǔ)層中發(fā)育暴露溶蝕作用形成的儲(chǔ)層空間[58]。白云巖的這種選擇性溶蝕也會(huì)有利于白云巖儲(chǔ)層的形成。

3.1 白云石化過程對(duì)儲(chǔ)集空間的影響

1964年，Kinsman根據(jù)等摩爾交代理論，首次提出了白云石化的反應(yīng)方程式，如式（1）所示[60]，1 mol的Mg2+交代1 mol的Ca2+，由于鎂離子的離子半徑小于鈣離子，交代之后會(huì)使體積減小，孔隙度上升。這一理論是假定發(fā)生在相對(duì)封閉的環(huán)境，沒有外來CO2-3供應(yīng)。白云石化流體帶來Mg2+，并帶出被置換的Ca2+，但白云巖多形成于開放或者半開放的環(huán)境中，因此地層中并未出現(xiàn)白云巖孔隙度遠(yuǎn)高于同沉積環(huán)境下石灰?guī)r的情況。

當(dāng)白云石生成環(huán)境中有充足的CO2-3時(shí)，被Mg2+置換的Ca2+并不會(huì)隨成巖流體運(yùn)移，而在原位形成碳酸鹽沉淀，造成體積增加，孔隙減少，發(fā)生了過白云石化作用。1973年利普曼提出了過白云石化的反應(yīng)方程式（2）[59]。在這種情況下，白云石交代文石，礦物體積將增大約89 %，白云石交代方解石，礦物體積將增大74%，必然導(dǎo)致巖石孔隙度的急劇下降。

1967年Friedman和Sanders提出，白云石化過程巖石的總體積沒有增加，白云石化過程與其看作分子對(duì)分子的交代作用，不如看作白云巖對(duì)石灰?guī)r體積的交代作用。生成白云巖體積小于交代石灰?guī)r體積，便造成孔隙度增加，反之則造成體積減小。總結(jié)反應(yīng)方程式如（3）所示[60]。反應(yīng)方程式（3）可以看作反應(yīng)方程式（1）和（2）的通式，式中x的取值在0～1之間浮動(dòng)，反映白云石化過程對(duì)儲(chǔ)層孔隙的動(dòng)態(tài)影響。

3.2 白云石物性對(duì)儲(chǔ)層的影響

白云石物性主要指白云石含量、白云石晶體大小和白云石自形程度。地層中大部分白云石都是在白云石化流體影響下，交代沉積物中的方解石和文石形成。研究和統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)白云石含量在10%～80%，儲(chǔ)層孔隙度較低；當(dāng)白云石含量在80%～90%時(shí)，儲(chǔ)層孔隙度達(dá)到峰值；當(dāng)白云石含量繼續(xù)增高時(shí)，儲(chǔ)層孔隙度降低（圖3）。當(dāng)白云石含量過低時(shí)，支撐巖石骨架的仍然是石灰?guī)r顆粒，白云石尚未形成支撐骨架，壓實(shí)之后會(huì)造成巖石孔隙的急劇下降；當(dāng)白云石含量達(dá)到80%，自形程度極高的白云石顆?；ハ嘀危藭r(shí)晶間孔達(dá)到峰值；當(dāng)白云石含量繼續(xù)增加時(shí)，白云石重結(jié)晶作用會(huì)填充之前的晶間孔，直到孔隙全部被充填，白云石化流體停止?jié)B透，白云石化作用暫停。

圖3 白云石含量與白云石面孔率的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖[59]

白云石晶體大小和自形程度影響著儲(chǔ)層孔隙度。通常自形程度好的細(xì)晶—中晶白云巖的儲(chǔ)層物性最好，粉晶—細(xì)晶的白云巖孔隙度略差，中晶—粗晶的他形白云巖的物性最差（圖4）。白云巖的晶型和自形程度也和上述白云石的含量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，白云石含量低時(shí)通常形成泥晶—粉晶的白云巖；細(xì)晶—中晶、自形程度高的白云巖對(duì)應(yīng)80%左右的白云石含量；白云石含量超過90%時(shí)會(huì)形成中晶—粗晶的他形白云巖。

圖4 白云石晶體大小對(duì)白云巖孔隙的影響示意圖[60]

4 結(jié)論

1）富Mg2+流體滲流入碳酸鹽巖地層是白云巖形成的基礎(chǔ)，當(dāng)Mg2+/Ca2+比值高于5.2時(shí)，利于白云石化。上述成巖流體可來自于海水、巖漿熱液或者微生物的生命活動(dòng)，在溫度、壓力和重力的驅(qū)使下運(yùn)動(dòng)，多形成包裹前期石灰?guī)r體系的白云石化環(huán)境。

2）常見的白云石化模式有蒸發(fā)泵模式、滲透回流模式、混合水模式、海水模式、埋藏模式、熱液成因模式和微生物成因模式等7種。前4種模式Mg2+明顯來源于海水，多與成巖流體充分的濃縮過程有關(guān)。而埋藏和熱液成因模式多發(fā)生在深部地區(qū)，高溫和高壓環(huán)境都可能使白云石化門檻降低。生物成因模式主要為了填補(bǔ)常溫常壓下白云巖形成的空白。

3）白云石化過程中，由于Mg2+和Ca2+離子半徑的差距，等摩爾Mg2+交代Ca2+會(huì)造成孔隙度的大幅提高。而實(shí)際過程中，白云石化對(duì)原巖孔隙度的影響通常較為微弱，白云石的力學(xué)穩(wěn)定性和更高的滲透性有利于原始孔隙的保存和成巖流體的進(jìn)一步滲入。

4）白云石的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層物性具有相關(guān)性，當(dāng)白云石晶粒過小時(shí)，不足以對(duì)原巖孔隙起到支撐作用，進(jìn)而形成較為致密的白云巖；當(dāng)白云石晶粒過大時(shí)，白云石化晶體會(huì)充填晶間孔隙，因此自形的細(xì)晶—中晶白云巖且白云石含量在80%時(shí)儲(chǔ)層物性最好。