[0001] 本发明涉及一种地质勘测技术领域，尤其涉及一种微生物白云岩形成过程的识别方法。

[0002] 白云岩是重要的油气资源储层岩，已发现油气资源量已达到50％以上，但“白云岩成因问题”(DolomiteProblem)是沉积学界一直未能解决的百年谜题。在地球表面的温度与压力下，无机实验无法沉淀出原生白云石，目前只有微生物介入是被证实能从溶液中直接沉淀出原生白云石的机制。

[0003] 首个为学界所认可的微生物介入形成白云石的机制是Vásconcelos和McKenzie等(1995)报道的实验，在4℃恒温条件下，从盐湖中分离出的硫酸盐还原细菌，直接从溶液中在石英表面沉淀出有序的白云石(Vásconcelosetal.,1995)。Vásconcelos和McKenzie通过研究巴西里约热内卢附近高盐度潟湖LagoaVermelha中黑色富有机质沉积物中的白云石，认为硫酸盐还原细菌在代谢的过程中会释放出过量的镁离子，从而使镁离子在微环境内(细胞体周围)达到饱和，导致白云石沉淀，并将这种地表常温下形成白云石的特殊机制称为微生物白云石(岩)模式。就目前的研究来说，在厌氧环境下，不仅是硫酸盐还原细菌(SRB)能促进原生白云石沉淀；甲烷厌氧细菌也对沉淀白云石起着重要的促进作用(Pierre and Rouchy,2004；Rodriguez et al.,2000；Sassen et al.,2004；Roberts et al.,2004；Kenward et al.,2009)，甚至不再需要高的盐度，仅在海水的盐度条件下，海洋硫酸盐还原菌D.mediterraneus就能在21℃的低温条件下沉淀出原生白云石(Krause et al.,2012)。
同时不单局限于厌氧条件，在富氧的环境中某些嗜盐好氧细菌也同样能沉淀出有序的白云石晶体(Sá nchez‑Romá n et al.,2008,2009a,2009b)。

[0004] 目前虽然有且只有几种微生物被证明能促进(介导)沉淀原生白云石，但微生物因素的加入，无疑对白云岩成因研究产生变革性的影响，成为了沉积学领域新的研究热点。但应用微生物白云岩的理论及模型来研究白云岩成因还缺乏精细的工作以及与国外可相类比的同类研究，该研究甚至关系着白云岩油气储层分布的预测。

[0005] 但现在尚无系统、可靠的判断微生物白云岩成因类型及方法流程。前人大多进行岩心观察，针对典型现象进行取样；进行多种地球化学测试分析；根据岩石学特征，结合沉积、成岩以及古气候演化等多手段确定白云岩储层成因类型，该研究方法一定程度上可用来判别白云岩成因，但对于微生物白云岩成因研究时仍存在着局限性，如：首先，进行多种地球化学手段分析白云岩交代成因，但对某种特殊白云岩成因的针对性不强，进行了大量人力物力进行完测试分析与人为解释后发现可能并不受用于特殊白云岩成因现象，如微生物白云岩；其次，对于微生物白云岩缺乏岩石学判识标定，因此对于微生物白云岩测试分析结果存在较大的差异；再次，微生物白云岩能大致还原沉积期的环境条件，但对于多种地球化学测试分析结果是否受到埋藏期多种成岩作用影响，这会导致对于微生物白云岩成因分析存在较大的误差，因此需要排除地化指标受到的成岩作用影响，该问题也尚未解决。

[0021] 下面以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0022] 碳酸盐岩元素的储库和大量沉淀的场所是海洋，钙、镁的浓度，pH(研究很少)等的变化都将对碳酸盐岩矿物的形成产生重要影响，然而地质历史时期的海水组成是不断变化的。因而利用沉积时能较好的保存原始海水信息的微生物白云岩的地球化学特征(如非常规硼同位素能计算古pH值)，来合理重建早古生代海水的物理、化学条件及成分组成，进而定量的模拟古老地质历史时期的海水对白云石沉淀的制约和影响，这是建立微生物白云岩形成过程模型的基础，也是探讨解决“白云岩问题”的另一种重要途径和方法。

[0023] 与碳酸盐岩形成密切相关的重要因素是海水中的pH值，要恢复地质历史时期海水的古pH值，目前只能利用海洋碳酸盐岩的非常规同位素——硼同位素。硼同位素能用来计算pH值是由于溶解态的硼主要以B(OH)3(硼酸；平面三角结构)和B(OH)‑4(硼酸根；立体四面结构)两种形式存在。由弱酸的电离平衡,两者的相对含量受海水的pH值控制，即：

[0024] pH＝pKB‑lg(B(OH)3/B(OH)‑4)

[0025] 其中pKB是硼酸的表现电离常数。

[0026] 在B(OH)3和B(OH)‑4间由于同位素配分函数的差异将产生同位素分馏。但硼元素只‑以或主要以B(OH) 4形式参与进生物的碳酸盐矿物的晶格里，此时才可以忽略不计硼同位素分馏，所以生物的碳酸盐岩样品是研究硼同位素的良好材料。

[0027] 如果从海水中直接沉淀出白云石，则必须满足下面的化学方程式：

[0028] Ca2++Mg2++2(CO32‑)→CaMg(CO3)2

[0029] 由此式化学平衡常数K＝([Ca2+][Mg2+][CO32‑]2)/[CaMg(CO3)2]，括号里中[x]代表溶解相和固相成分。Hsu(1967)和Hardie(1987)都给出过K的估计值，虽然现代海水中不能沉淀白云石，但是它对白云石形成却是一到两个数量级的过饱和。早古生代的海水与现代海水相比并不相同，那么探索彼时海水不同的物理和化学条件，不同的成分组成对白云石沉淀产生的影响和制约，这或可成为解决“白云岩问题”的另一种重要途径和方法。

[0030] 因此，该专利的研究基础就是针对该时期沉积的微生物白云岩的样品进行深入研究，利用该样品对早古生代海水信息良好的保存性，进一步重建早古生代古海水的独特属性(如：重建此时的古pH值)，并研究其对白云石沉淀的影响和制约，恢复沉积期微生物的沉积环境，还原微生物白云岩形成过程，为白云岩成因及综合解决“白云岩问题”提供新的思路和途径，最终指导白云岩油气储层分布的预测。

[0031] 本发明包括以下步骤：

[0032] S1：通过岩石组合，沉积构造组合，和与其他相邻岩层的关系，详尽的划分沉积微相；根据镜下显微沉积结构和构造特征、颗粒的特征，同时结合相邻岩层特征推测形成时的水动力条件和古水深，确定微生物白云岩沉积环境。

[0033] S2：挑选出具有微生物白云石晶体形成初期时原始信号的样品；通过薄片详细观察微生物白云岩的结构、构造和晶粒的大小，选取少有后期流体通过改造和重结晶现象不明显的泥晶—微晶样品；用阴极发光进一步观察泥晶—微晶的晶体发光的均一程度，选择单一期次形成，无明显多期次改造的白云岩样品；利用荧光显微镜观察残留的生物膜、细菌的残体及有机质的发光基团的颜色和分布特征，研究有机质保存，分布和类型。

[0034] S3：观测筛选样品的纳米级别的形貌特征，进行微区原位成分分析，结合实验室中微生物介导原生白云石的结果，综合建立岩石中代表微生物成因的指示性标志；研究微生物成因白云岩的形成机理，将经过筛选的样品，制备成小于0.5cm×0.5cm的片状小样，用酒精超声清洗，样品分为两份，一份用稀盐酸酸蚀，一份不用酸侵蚀，应用精密刻蚀镀膜仪喷涂纳米金(Au)，严格控制喷镀的总厚度小于15nm，防止在高分辨率扫描电镜下将部分聚集起来的涂层误当成样品原有的微小结构。通过对照实验，确定最适合于微生物岩表面结构观察的化学处理方法使用稀盐酸处理样品表面。

[0035] 在微生物介导原生白云石的过程中，微生物会产生大量纳米级的球粒状白云石小颗粒物，但出于微生物的自我保护机制，微生物本身并不会埋葬于矿化后的矿物中(Bontognalietal.，2008)，这些颗粒分布于细胞外聚合物和一些细胞膜中，它们会进一步聚集形成绝大多数直径范围为50～100nm，仅有少部分在100～200nm范围内的集合体，这就是纳米球粒结构(Sánchez‑Románetal.2008)，它可能代表了微生物介导白云石的最初成核阶段。不仅如此，建立白云石从成核阶段到最终长成完整自形晶体各个阶段的矿物形态演化序列，将能重建微生物介导白云石的具体过程和微生物不同的参与阶段。所以利用高分辨率扫描电镜、原子力显微镜‑激光拉曼等观测纳米球状构造、矿物形态序列及原位微区的矿物成分来综合建立代表微生物成因的指示性标志的生物矿物形态学特征和成分特征，可以研究微生物白云岩的成因过程和机理。

[0036] S4：利用常规的碳氧、锶同位素及非常规的硼同位素估算沉积期海水的属性；没有重结晶和成岩作用改造的微生物白云岩保存有原始沉积环境的地球化学信号，利用微生物介导原生白云石的氧同位素地质温度计(Vasconcelosetal.，2005)：

[0037] 1000lnα白云石‑方解石＝0.5×106×T‑2(300～210℃)

[0038] 1000lnα白云石‑方解石＝0.45×106×T‑2‑0.4(100～650℃)

[0039] 1000lnα白云石‑方解石＝0.52×106×T‑2‑0.5(0～100℃)

[0040] 1000lnα白云石‑方解石＝0.42×106×T‑2‑0.41(100～500℃)

[0041] 式中：α白云石‑方解石为白云石‑方解石之间的氧同位素分馏系数；T为热力学温度；

[0042] 1000lnαdolomite‑water

[0043] ＝1000×ln(1000+δ18Odolomite)/(1000+δ18O water)

[0044] ＝2.73×106T‑2+0.26

[0045] dolomite是指白云石，water为沉淀时的海水，αdolomite‑water为白云石与海水之间的氧同位素分馏系数；δ值表示千分差值，是样品中某元素的同位素比值(Rm)相对于标准样品同位素比值(Rs)的千分偏差，δ＝(Rm‑Rs)/Rs*1000；Odolomite表示白云石氧同位素值；O water表示海水氧同位素值；

[0046] 硼同位素对海洋环境变化有着特殊的指示意义，海水的pH值与海洋中沉积的碳酸盐的硼同位素存在下面的理论计算关系：

[0047] pH＝pKB‑lg{(δ11B海水‑δ11B碳酸盐)/[α‑1δ11B碳酸盐‑δ11B海水+103(α‑1‑1)]}[0048] 其中：δ11B碳酸盐表示碳酸盐的硼(B)同位素值；δ11B海水表示海水的硼(B)同位素值；δ11
B碳酸盐由样品的测定数据给出；

[0049] 通过上式计算估算早古代海水的古pH值。

[0050] 由于有机质在微生物白云岩的形成中起重要作用，因此微生物白云岩的碳氧同位素独具特色，而且不同成因的微生物白云岩在碳氧同位素方面有显著差异，可据此识别微生物白云岩和区分不同成因的微生物白云岩。与碳酸盐岩形成密切相关的重要因素是海水中的pH值，要恢复地质历史时期海水的古pH值，目前只能利用海洋碳酸盐岩的非常规同位素——硼同位素。硼同位素能用来计算pH值是由于溶解态的硼主要以B(OH)3(硼酸；平面三角结构)和B(OH)‑4(硼酸根；立体四面结构)两种形式存在。由弱酸的电离平衡,两者的相对含量受海水的pH值控制。而高PH值会促进白云石的形成。

[0051] S5：研究不同的海水属性对白云石沉淀的影响，明确其主控因素。利用获得的参数估计微生物白云岩沉积期海水的镁钙离子的浓度比值，设置不同的限制条件和参数，定量计算白云石饱和指数和溶液中各种离子浓度的变化，研究不同的物理、化学条件和不同成分的海水对白云石沉淀的影响和控制因素。

[0052] 步骤S5是在步骤S4的基础上对当时海水的特征进行精细刻画，研究不同的物理、化学条件和不同成分的海水对白云石沉淀的影响和控制因素。

[0053] 所述定量计算白云石饱和指数和溶液中各种离子浓度的变化如下式：

[0054]

[0055] 式中：Kd是白云石平衡常数，[Ca2+]、[Mg2+]、 为钙、镁和碳酸根离子的摩尔活度。当SId＝0时，表示溶液中的白云石呈平衡态；当SId>0时，表示溶液中的白云石浓度超过饱和，可能发生白云石沉淀；当SId<0时，表示溶液中的白云石尚未饱和，能够溶解更多的白云石。

[0056] 步骤S4和步骤S5都是通过研究微生物成因白云岩的制约和影响条件，来确定其形成机理。

[0057] 本发明应用沉积学、岩石学、地球化学等方法和手段选取适宜的样品，在地质微生物学的理论基础上，将实验室中微生物介导原生白云石的结果与古老地层中微生物成因的白云石联系起来，综合建立岩石中代表微生物成因的指示性标志，从而研究微生物白云岩的形成过程和机理。同时，由同位素地球化学估算早古生代海水的属性，由PHREEQC定量计算白云石饱和指数和溶液中各种离子浓度的变化，研究不同的物理、化学条件和不同成分的古海水对白云石沉淀的影响和控制因素。

[0058] 本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。