微生物碳酸盐生产工厂的构成、特征及沉积学意义——以河南云梦山剖面为例

【目的】“碳酸盐(生产)工厂”研究强调生物群落对碳酸盐生产过程以及规模的调控和特异性影响,在深入认识碳酸盐岩成因和形成机制方面具有重要价值,是碳酸盐沉积学领域关注热点和重要方向。虽然该概念的正式提出已有二十多年历史,但如何从工厂角度解读地质历史时期,特别是深时特异性、大规模碳酸盐岩的发育过程和影响因素方面仍缺乏系统性认识。【方法】以河南云梦山剖面寒武系崮山组为例,利用多尺度、网格定量化评价方法对微生物碳酸盐生产工厂的样式、内部结构、建造过程等方面进行了详细阐述。【结果】研究区微生物碳酸盐生产工厂以底栖微生物群落为主要建造者,形成样式包括叠层石、凝块石、树枝石、均一石以及微生物诱导沉积构造(MISS)。伴生的颗粒类型包括鲕粒、球粒、生屑、竹叶状内碎屑和微生物岩角砾,主要分布于工厂建造格架间。微生物碳酸盐生产工厂发育具期次性,单期工厂发育规模较小(海底至水面高度不足1 m)但空间延伸广,包括半球状、穹窿状、板状等宏观形态;其内部结构包括少量单独的建造样式,以及广泛发育的垂向复合形式。【结论】通过分析影响工厂发育的各类因素,局限潮坪环境下较高的营养水平对微生物碳酸盐生产工厂的繁盛可能起到了主要作用,而古丈期总体海侵背景造成适宜微生物碳酸盐生产工厂发育的环境消失,导致工厂最终关闭。相关工作的开展提供了一个与现代澳大利亚Hamelin Pool微生物碳酸盐生产工厂非常相似的古代实例,对认识寒武纪碳酸盐生产工厂类型、特征和演化规律方面具有较好的参考价值。

低pH值下微生物诱导碳酸盐沉淀加固尾矿砂试验研究

开展低pH值下微生物诱导碳酸盐沉淀(microbially induced carbonate precipitation,简称MICP)加固尾矿砂试验,研究了菌液浓度、pH值对碳酸钙生成量和絮凝滞后期的影响。采用渗透性、保水性、抗雨滴侵蚀、抗风蚀、贯入度试验评价该方法加固尾矿砂效果。通过分析pH值对脲酶活性和碳酸盐体系平衡的影响,结合扫描电子显微镜和X射线衍射试验观察尾矿砂微观结构,揭示低pH值下MICP加固尾矿砂机制。结果表明,低pH值下MICP方法可以显著提高尾矿砂力学性能,一轮喷淋处理后尾矿砂的风蚀质量为0,渗透系数最大可降低一个数量级,pH值为4的高浓度菌液处理后的尾矿砂风雨侵蚀质量也为0。低pH值暂时抑制了脲酶活性,打破了碳酸盐体系的平衡,延缓了碳酸钙的生成,使得方解石均匀填充于粒间孔隙,将尾矿砂颗粒胶结为整体。提出的尾矿库加固及尾矿砂治理新技术及其加固机制,为低pH值下MICP加固尾矿砂应用提供了理论与试验依据。

微生物诱导碳酸钙沉积对ECC力学性能的影响

基于微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)原理,用尿素、CaCl_(2)溶液和巴氏芽孢杆菌溶液按一定比例配制了自修复剂,通过抗压、抗折、单轴拉伸、单根纤维拉拔试验,研究了自修复剂对工程水泥基复合材料(ECC)力学性能的影响。结果表明:掺入自修复剂后,ECC试件的28 d抗压强度提高了8.96%,抗折强度提高了6.73%,极限拉伸强度提高了12.68%,纤维桥接应力提高了9.38%;由于纤维表面的MICP作用,纤维与基体界面的化学黏结能减小,摩擦黏结强度增大,纤维更容易脱黏进入滑移阶段,从而使ECC的多缝开裂特征更明显。

巴西桑托斯盆地湖相微生物碳酸盐岩层序沉积特征及控制因素

基于地震、测井、岩心、铸体薄片、碳氧稳定同位素组成等资料,对巴西桑托斯盆地H油田下白垩统Barra Velha组层序沉积充填特征开展研究,建立高频层序地层格架,预测礁滩体的空间分布并探讨其控制因素。Barra Velha组沉积期,整体为孤立台地—斜坡的沉积格局,裂谷期—拗陷期的气候变化致使Barra Velha组下部三级层序SQ1(BVE300段)和上部三级层序SQ2(BVE100段—BVE200段)沉积表现出由深水低能到浅水高能的演化特征。裂谷期伸展断裂和走滑断裂活动以及拗陷期台缘—台内沉积分异作用使得这两个时期的沉积古地貌均展现出“三脊两洼”的形态特征。礁滩体主要发育于SQ2-LHST时期,湖平面周期性震荡约束礁滩体发育在台地相区SQ2-LHST各高频层序地层单元的顶部。走滑断裂活动通过改变沉积古地貌的方式控制礁滩体在平面上的展布。正花状走滑断裂导致浅水台地边缘及内部形成局部高地并成为沉积高能带,为礁滩体发育创造了条件。

鄂尔多斯盆地奥陶系中组合微生物碳酸盐岩分布规律及沉积模式

以露头剖面、钻井岩心、铸体薄片等资料为基础,系统分析鄂尔多斯盆地中东部奥陶系中组合(马家沟组马五_(10)—马五_(5)亚段)微生物碳酸盐岩的类型、微相组合及分布规律。研究表明,盆地中东部奥陶系中组合发育蓝细菌钙化作用形成的微生物碳酸盐岩沉积,主要由叠层石、凝块石、核形石微生物坪及微生物丘建造组成。其空间展布具有明显的“层控性”及“区位性”特征:微生物坪受层序旋回及沉积相变控制,主要形成于马五_(5)亚段、马五_(6)亚段的潮坪环境,单层厚度为2~3 m,马五_(5)亚段微生物坪发育在海侵初期的碳酸盐岩-膏盐岩转换界面附近,主要分布在盆地东部米脂洼陷;马五_(6)亚段微生物坪发育在碳酸盐岩-膏盐岩相变带附近,呈环带状分布在中央古隆起东侧地区。古地貌对微生物丘分布的控制更为突出,主要形成于马五_(10)—马五_(7)亚段的微生物丘或丘滩复合体,单层厚度可达25 m,主要分布在乌审旗—靖边古隆起。相关微生物碳酸盐岩发育模式表明,碳酸盐岩-膏盐岩相变带及乌审旗—靖边古隆起是微生物碳酸盐岩油气勘探的有利区带。

塔里木盆地肖尔布拉克剖面肖尔布拉克组下段微生物碳酸盐岩沉积特征

塔里木盆地阿克苏地区肖尔布拉克剖面肖尔布拉克组下段除底部条带状泥晶白云岩外,主要为微生物碳酸盐岩沉积,但目前关于这套微生物岩的研究很少。通过详细的野外露头观察及室内镜下薄片鉴定,对研究剖面肖尔布拉克组下段的微生物碳酸盐岩类型进行了识别、分类,并重构了其沉积环境。结果显示:肖尔布拉克组下段共发育六种岩相类型,其中包括四种微生物碳酸盐岩类型:粗纹层状凝块岩,具窗孔凝块岩,厚层状凝块岩和块状凝块岩。粗纹层状凝块岩和具窗孔凝块岩主要分布于潮间带;厚层状凝块岩和块状凝块岩主要沉积于中深—浅水局限潮下带。不同的微生物岩类型发育于不同的位置,主要受控于海平面变化、古地理位置及微生物群落等因素。

微生物碳酸盐岩沉积学研究进展——基于第33届国际沉积学会议的综述

第33届国际沉积学会议于2017年10月9日—12日在法国图卢兹召开,微生物碳酸盐岩专题受到持续关注。在总结会议成果基础上,结合近年来国内外微生物沉积学文献以及现代微生物碳酸盐岩沉积考察,分析了微生物碳酸盐岩沉积学研究前沿及进展,包括:1)微生物席矿化产物及序列,认为矿化产物包括方解石(低Mg、高Mg、超高Mg)、文石、含铁、锰和钙的碳酸盐岩,镁—硅和黄铁矿等产物,矿化序列多样。2)微生物碳酸盐岩的元素记录,其中碳、氧、氮、磷、硫、铁、硅、砷等元素及同位素特征可能保留了微生物碳酸盐岩沉积和早期成岩的信息。3)纹层、凝块等微生物碳酸盐岩沉积结构机理及指示意义。4)微生物碳酸盐岩沉积环境,认为潮坪环境,特别是平均低潮面附近及其以上叠层石灰岩、凝块岩等微生物碳酸盐岩最为发育。依据国际微生物碳酸盐岩沉积学发展特点,本文针对国内相关领域进一步探讨了研究趋向,提出分类认识微生物碳酸盐岩现代沉积机理、重建古老微生物碳酸盐岩早期成岩过程、分类认识古老微生物碳酸盐岩沉积标志,这在当今微生物碳酸盐岩沉积学研究中显得尤为必要。

巴西桑托斯盆地早白垩世微生物碳酸盐岩沉积环境与成因

巴西桑托斯盆地深水盐下已经成为近年来全球油气勘探最重要领域之一,储层主要为早白垩世阿普特阶Barra Velha(BVE)组微生物碳酸盐岩,但其沉积环境演化和成因尚不明确。通过系统观察岩心102m、井壁取心533块、薄片917块,本文描述了早白垩世BVE组微生物碳酸盐岩特征。优选不同深度样品42个,开展了锶同位素、碳氧稳定同位素、主量和微量元素测试分析。结合岩性特征和测试分析结果,得出以下认识:(1)BVE组主要发育叠层石灰岩、球粒微生物岩和层纹岩三类微生物岩,其分布在纵向上呈现规律性;(2)BVE组沉积时期总体表现为干旱蒸发、高盐度的半封闭-封闭湖盆环境,不同沉积期湖盆封闭性和气候环境变化导致了BVE组上、中、下段微生物岩岩石类型的变化;(3)建立了受古气候控制的微生物岩成因演化模式。BVE组沉积初期主要为半干旱蒸发、高盐度的半封闭-封闭较深水还原环境,有利于微生物粘结作用,导致层纹岩大量沉积;至沉积中期转变为湿润、盐度相对降低、有水体和少量陆源碎屑注入的半封闭环境,导致微生物作用减弱,从而主要以球粒微生物岩沉积为主;至沉积末期变为极度干旱蒸发、超高盐度的封闭浅水还原环境,有利于厌氧嗜盐类微生物大量繁殖,从而使得叠层石灰岩广泛发育。

肥城邓家庄剖面寒武系微生物碳酸盐岩沉积序列

山东肥城邓家庄剖面寒武系出露连续,构成了7个三级层序。微生物碳酸盐岩主要发育在高位体系域和强迫型海退体系域单元中,以徐庄组凝块石、张夏组核形石、长山组叠层石、凤山组均一石为代表,是研究早古生代微生物碳酸盐岩复苏期的良好实例。多样化的微生物碳酸盐岩中可见大量保存精美的附枝菌(Epiphyton)、葛万菌(Girvanella)以及肾形菌(Renalcis)等钙化微生物残余物,指示了微生物碳酸盐岩形成与蓝细菌为主导的微生物新陈代谢活动密切相关。此外,微生物碳酸盐岩沉积特征反映了生长环境的分异性:均一石、凝块石分别生长在潮下带下部、上部;柱状叠层石主要发育在能量较高的潮间带环境;核形石指示了沉积环境浅且能量高的鲕粒滩相沉积环境。邓家庄寒武系剖面微生物碳酸盐岩为了解寒武纪地球微生物、古环境、古气候提供了重要的岩石记录。

川中高石梯地区灯影组四段微生物碳酸盐岩结构类型及沉积环境分析

微生物碳酸盐岩是沉积学的研究热点领域,关于其特征及成因分析对于恢复地质历史时期的古环境、古气候演化具有重要意义。学界关于微生物岩的分类依据和分类方案仍在不断深化和完善,关于微生物岩的沉积环境的认识存在明显争议。在综述微生物碳酸盐岩研究现状的基础上,通过对四川盆地川中地区高石梯地区钻井岩心和薄片的观察,对灯影组四段微生物碳酸盐岩开展研究。主要依据微生物及其与颗粒和泥晶的关系所体现的结构差异,将区内灯四段微生物岩划分为泥–微晶纹层结构、颗粒纹层结构、泡沫棉层结构、凝块结构、菌砂屑结构、菌泥晶–鲕粒颗粒结构和球粒颗粒结构等7种结构类型。分析认为菌纹层结构沉积于潮间带–潮上带;泡沫绵层结构和凝块结构均为菌类直接生长建造形成,水动力不强,主要形成于潮间带;菌砂屑、鲕粒和球粒结构构成典型的颗粒结构,其形成环境主要位于潮间带下部–潮下带上部。

微生物碳酸盐岩分类、沉积环境与沉积模式

针对现有微生物碳酸盐岩分类不够系统、岩石类型及组合的环境意义不明确、岩相古地理重建缺乏微生物碳酸盐岩沉积模式指导等科学问题,通过塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地2个元古宇剖面和3个显生宇剖面详细的岩类学和岩石组合序列研究,取得3项成果与认识:①建立了构造尺度和形态特征相结合的系统的微生物碳酸盐岩分类方案。②明确了微生物碳酸盐岩岩石类型及组合的环境意义。风暴浪基面之下远端以欠补偿黑色泥岩和硅质岩沉积为主,近端的下斜坡以具丘状结构的纹理石碳酸盐岩和灰泥丘建造为主;风暴浪基面和正常浪基面之间的上斜坡以小-中型泡沫状、团块状凝块石碳酸盐岩和小-中型柱状、锥状、穹窿状叠层石碳酸盐岩建造为主;正常浪基面与平均低潮线之间以大-中型波状叠层石碳酸盐岩建造为主;平均低潮线之上的潮坪环境以大-中型层(席)状微生物碳酸盐岩、丘状微生物碳酸盐岩建造为主。③建立了缓坡沉积体系和镶边沉积体系微生物碳酸盐岩沉积模式。这些认识对微生物碳酸盐岩岩相古地理重建和储层分布预测具重要的指导意义。

微生物矿化加固砂土的试验研究

近年来微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术作为一种新型的绿色加固方法,得到了广泛研究,但传统的MICP固化方式注浆管法存在管口易堵塞且固化试样强度分布不均匀的问题,为改善MICP固化土体的强度分布不均匀性问题,利用巴士芽孢杆菌BNCC337394开展了使用新型柔性土工模具加固砂土的试验研究。通过对固化试样的CaCO_(3)含量分布,无侧限抗压强度,试样的均匀性等方面进行分析,综合评价利用新型土工模具加固砂土的效果。结果表明:利用新型柔性土工模具固化砂土具有较好效果,经固化后的试样无侧限抗压强度可达3.07MPa,且固化试样均匀性良好。

微生物诱导碳酸钙沉积加固有机质黏土的试验研究

利用尿素水解菌ATCC 11859,开展了不同胶结液浓度下MICP压力灌浆加固有机质黏土的研究试验。通过试验前后试样的无侧限抗压强度、CaCO_3含量、渗透系数、有机质含量以及灌浆过程中流出液Ca^(2+)与NH_4^+浓度的变化,综合评价了MICP压力灌浆加固有机质黏土的效果。结果表明:MICP压力灌浆加固有机质黏土是有效的,处理后试样有机质含量可降低1%～4%,无侧限抗压强度提高可达370%,渗透系数可降低约1个数量级;在本试验的菌液活性(即每分钟水解尿素的量为9.68毫摩尔每升)及浓度(约108 cell/mL)下,胶结液浓度对处理效果有明显影响,提高0.25M胶结液中的urea浓度,可显著提高处理后土体的无侧限抗压强度。

微生物沉积碳酸钙胶结砂土力学特性及本构模型

为建立一个微生物固化土体的本构模型,分析研究了微生物固土机理,发现微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)过程中形成的碳酸钙所起作用主要是增强相邻土颗粒之间连接,增大土体刚度,使其在相同应变下可承担更高应力.故将微生物固化处理后的土体看成未处理的砂土(只考虑填充作用影响)和新产生的碳酸钙胶结两部分,分别进行计算模拟,而二者的刚度之和为处理后土体的总刚度.为了对MICP过程形成的碳酸钙胶结进行模拟,提出了一个临界状态计算模型,该模型包括胶结的屈服面方程、硬化规律和流动法则,将其与已有的砂土计算模型配合使用,可对各种微生物固化砂土体的应力应变特性进行计算模拟.将提出的本构模型理论计算结果与微生物固化土体的三轴压缩试验结果进行对比,结果表明,所提出的模型能够反映微生物固化土体的应力应变规律.

微生物碳酸盐岩孔隙研究进展

微生物碳酸盐岩不仅是研究古环境、古气候和地质历史事件的重要沉积记录,也是油气资源重要的储层类型之一。不同微生物群落的生理活动特性影响了原生孔隙的形成及保存,微生物沉积形成的不同尺度的沉积组构影响了孔隙的孔径大小及空间分布。微生物碳酸盐岩微相及共生岩性的微相组合型式对孔隙有效性及规模有重要影响,所处沉积地貌及相带使得微生物碳酸盐岩受海水—大气水成岩环境的胶结—溶蚀作用次序及程度不同,导致孔隙的非均质性。微生物相关的白云石化、胶结及岩溶等不同成岩作用,因其所处成岩阶段不同,而分别可能起到形成原生孔隙、保护残余孔隙及形成次生孔隙等不同效果,因而对孔隙形成及保存具有积极意义。微生物碳酸盐岩孔隙具有从纳米—亚微米级微孔隙到厘米甚至米级宏观孔隙等多个尺度,且与多尺度沉积结构构造有一定的耦合关系。因此,需要合理配置不同尺度样品的空间分布,运用多种方法技术表征不同尺度的孔隙,并增强各类数据的融合。此外,加强地质学科与地球物理学科的结合,是推动微生物碳酸盐岩油气储集层地质研究和勘探开发工作的重要途径。

塔里木盆地柯坪地区肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层成因

微生物碳酸盐岩储层是油气地质学研究的重要领域,针对古老深埋的塔里木盆地肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩存在的优质储层争议和储层成因问题,通过野外观察、剖面测量、密集取样、物性测试、薄片分析和CT扫描等手段,对柯坪野外露头区的肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩储层进行了系统调查与分析。结果表明,肖尔布拉克组的优质微生物碳酸盐岩储层为具有亮晶凝块结构的层状凝块石建造,其储层孔隙度最大值为9.35%,孔隙度介于2.69%～9.35%之间的比例为70.3%,平均值为5.07%,且其储层孔隙度和平行渗透率具有极好的线性正相关性。这些优质储层的储集空间类型包括粒间孔、晶间孔、粒间溶孔、晶间溶孔、扩溶孔和溶洞6类。潮下带上部高能原始沉积环境中形成的亮晶凝块结构为优质储层的形成提供了微生物沉积作用上的先决条件;热液溶蚀作用形成大量大孔径的组构非选择性扩溶孔和溶洞则是优质储层形成过程中至关重要的成岩作用过程,极大地提高了层状凝块石建造的孔隙度。这将进一步深化对肖尔布拉克组优质微生物碳酸盐岩储层类型和成因的认识。

基于微生物诱导碳酸钙沉积技术的黏性土水稳性改良

采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对黏性土进行改性处理,以改善其水稳性与抗侵蚀能力.利用喷洒法将配制的微生物菌液及胶结液先后喷洒至黏性土表层进行MICP处理,并开展一系列崩解试验,通过数字图像处理技术对土样的崩解过程进行定量分析和评价.通过颗粒分析试验研究MICP改性前后土样粒度组分的变化,通过扫描电子显微镜(SEM)分析土样的微观结构特征.结果表明:1)素土在浸水后发生快速崩解,而在相同的时间内MICP改性土样则能较好地保持原始结构,水稳性更强;2)崩解指数是描述土体崩解过程和评价土体水稳性的定量指标.MICP改性土样的崩解速率远低于素土,且最终稳定后的崩解指数仅为素土的50%;3)MICP改性能显著改变土样的粒度组分,具体表现为细颗粒质量分数减少,粗粒土质量分数增加;4)微生物诱导所产生的碳酸钙填充了土样中的大孔隙,并在土颗粒之间形成有效的胶结,极大提高土颗粒之间的联接强度,这是MICP技术提高土体水稳性的主要作用机制.

微生物碳酸盐岩研究现状及进展

微生物碳酸盐岩储层是近年来油气地质界研究的热点领域之一。梳理国内外文献发现,针对微生物碳酸盐岩储层的研究已取得如下进展:术语规范性方面,认识到微生物岩和微生物碳酸盐岩术语的区别;识别标志方面,微生物碳酸盐岩内常见微米球体、杆状体、丝状体、胞外聚合物等,且具有碳氧稳定同位素明显负异常,重稀土元素富集、轻稀土元素亏损,Zn和Ba等营养元素富集的特点;微生物碳酸盐岩沉积学方面,认识到微生物碳酸盐岩是极端环境的产物,微生物礁丘主要发育在古地貌高点,其生长、发育、消亡均与古水文因素关系密切;储层方面,认识到微生物碳酸盐岩储集空间包括常规储集空间和特有储集空间两大类,储层主控因素包括沉积、成岩和构造,其中微生物组构在储层形成中具有重要作用。

微生物诱导碳酸盐在土体加固中的应用进展

微生物矿化是近年来在土体改良工程发展起来的一个新分支,主要研究微生物活性在改善土体颗粒特性方面的应用。微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)是实现土体生物胶结最常用的方法之一,该技术借助脲酶菌的代谢行为诱导碳酸钙,将松散的砂颗粒胶结成整体,从而提高了土体的力学性能。文章系统性地介绍了MICP研究中的脲酶菌矿化机理、相关处理方法、影响因素、衍生新工艺脲酶诱导碳酸盐沉积EICP及MICP技术在岩土领域的相关现场试验,并对MICP的实用性进行了总结,最后简要讨论了现研究阶段MICP工程应用所面临的挑战和潜在解决方案。

微生物碳酸盐岩“三因素”控储地质认识和分布规律

微生物碳酸盐岩是非常重要的油气储层,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优质储层发育潜力这一科学问题,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,揭示了微生物碳酸盐岩因沉积物和沉积环境的特殊性,储层成因也有其特殊性,提出了“三因素”控储地质认识。①与其他类型微生物碳酸盐岩和非微生物碳酸盐岩相比,叠层石和凝块石碳酸盐岩具有更高的初始孔隙度和微生物有机质丰度,为储层发育奠定了物质基础;②微生物有机质早期低温降解和晚期热解生酸使初始孔隙在沉积后得以保存和进一步扩溶,这是叠层石和凝块石碳酸盐岩储层发育的关键;③早期白云石化有利于孔隙的保存,碳酸盐岩-膏盐岩体系微生物碳酸盐沉积易于发育早期沉淀和交代两类低温白云石,这是叠层石和凝块石白云岩储层主要发育于碳酸盐岩-膏盐岩沉积体系中的原因。这些认识为微生物碳酸盐岩储层分布预测提供了依据,也揭示了微生物碳酸盐岩储层比非微生物碳酸盐岩储层具有更佳的储层发育潜力。碳酸盐岩-膏盐岩沉积体系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。