白云岩成因模式及其对碳酸盐岩优质储层发育的影响

周 刚 阎泽昊 雷鼎丞 李 琦 钟 原 严 威 张 亚 乔艳萍 豆 霜

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 四川成都 610041

2.中国地质大学（北京）海洋学院 北京 100083

0 引言

目前，全球已经发现300余个碳酸盐岩油气田，主要分布在北美、中东和中亚地区，储量达到2 450×108t油气当量，占全球油气藏的60%左右[1-4]，成为一种全球性的重要战略资源。由于白云岩在不同地质历史时期发育程度差别极大，其主要富集于寒武系、奥陶系等古生代和少量新生代与中生代地层。碳酸盐岩储层从地表百米至地下7 000多米均有分布，其中大约80%的储层集中分布在4 000 m左右的位置。北美和中东地区碳酸盐岩储层埋深多集中在2 000 m左右的位置，而亚太地区储层埋深主要集中在4 000 m的位置，塔里木盆地和四川盆地油气藏的埋深甚至普遍超过5 000 m。我国将油气资源分为浅层、中深层、深层和超深层四个级别，其中埋深超过4 500 m即可称为超深层油气资源[5-6]，据2016年统计数据显示，对于这一部分深层—超深层油气藏的勘探率分别仅有3.9%和5.7%[7]。碳酸盐岩成因机理研究与深层—超深层碳酸盐岩储层研究是目前全球碳酸盐岩油气研究的重要领域[8]。

虽然碳酸盐岩储层在油气勘探与开发中具有重要地位，但白云岩储层和白云石化机理仍然未有定论[9-10]。法国博物学家Deodal de Dolomieu在18世纪首次对白云石这种矿物做出阐述，认为是富镁火山蒸汽在石灰岩地层中渗透，将石灰岩转化为白云岩。但富镁火山蒸汽十分罕见，与大范围白云岩分布相矛盾，因此渗透性富镁流体的说法逐渐成为主流[11]。根据白云岩形成的不同沉积环境，学者们提出了不同成因的富镁流体对石灰岩地层的作用模式[12]。1969年，许靖华等提出了蒸发泵模式[13-14]，用于解释近地表蒸发环境形成的白云岩。1960年，Adams等首先提出渗透回流模式[15-16]，它是蒸发泵模式的延伸，同样适用于蒸发量大的蒸发台地地区，并用以解释了德克萨斯西部二叠纪生物礁复合体中的白云岩。1973年，Badiozamani首次提出了混合水模式[17]，用以解释台地边缘等不是蒸发环境，而是地下水与海水相互交汇环境下形成的白云岩，例如佛罗里达州三叠系石灰岩中形成的白云岩夹层。1985年，Land发现当海水Mg2+/Ca2+比能满足白云石化条件时，就能使流经的石灰岩转变为白云岩，并首先总结了海水模式[18-19]。1959年，Illing首次提出了埋藏白云石化模式[20-21]，在1986年Wierzbicki首次将此种理论用于解释加拿大新斯科合上侏罗统碳酸盐岩储集层。埋藏模式通常与热液活动相伴发生，热液成因模式[22]是指地下富镁热液流体由于岩浆活动或者地质构造运动而上涌，渗入上覆石灰岩体系而发生白云石化作用。1995年，Vasconcelos等人提出微生物新陈代谢能促进白云石的形成，微生物成因模式开始受到关注。随着研究的深入，萨布哈模式和渗透回流模式两种蒸发环境下白云岩形成模式得到广泛认可，但现今对混合水模式和海水模式仍存在争议，部分曾经解释为混合水和海水成因模式的白云岩被认为是埋藏成因模式形成的[23]。因此，当前研究热点仍集中在埋藏白云石化模式和热液白云石化模式，同时在实验室人工合成白云石的研究也未曾停止。

由于白云石复杂的成因模式和漫长的后期成岩改造，白云岩储集空间类型也十分多样，整体大致可分为孔洞和缝隙两类。尺度上，从几微米至几厘米不等，横跨几个数量级；结构上，微米级的晶间孔、晶间溶孔、溶缝与厘米级的岩溶洞穴相互连通，形成复杂的储集空间；成因上，继承于原岩的生物格架孔隙，海水、淡水和热液溶蚀形成的孔洞，构造运动产生的裂缝叠加在一起，形成现今看到的白云岩储集空间。基于上述现状，本次研究以白云石的物理、化学成因条件为依据，讨论并归纳出7种较为成熟的白云石形成机理，同时讨论在不同白云石形成环境中，白云石化过程对白云岩储层的影响。

1 白云石形成条件

1.1 白云石化环境

白云石化流体改造前期石灰岩体系时，不同环境下形成的白云石具有不同的结构，在白云石的形成过程中往往经历了多期的沉积环境的变化，但无外乎可以分为近地表和深埋藏两个位置，以及准同生和成岩两个阶段。近地表多为蒸发环境，准同生阶段干旱背景下形成的白云岩居多，此时形成的白云岩以微晶为主，对原岩结构有所保留；深埋藏位置的白云石化主要与深部的富Mg2+介质相关，可能是富Mg2+的卤水，岩浆热液或者固体矿物，形成的白云岩往往为细晶或中晶白云岩。对于准同生白云岩，主要发生在潮坪环境，海平面波动或地壳隆升/凹陷使得沉积物暴露，导致多期次的白云石化流体进入孔隙中，在毛细管压力的作用下浓缩并发生白云石化[24]；对于成岩阶段的白云石化作用，不断暴露在大气中接受大气降水的淋滤，对储层的形成至关重要。例如，鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组白云岩、石灰岩和膏云岩互层的地层中，大气降水淋滤和风化作用会侵蚀膏云岩，马家沟组顶部形成了以膏模孔、扩溶膏模孔和膨胀裂缝为主要储集空间的储层[25-26]。四川盆地震旦系灯影组以微生物白云岩为主，在桐湾运动二期过程中，地层隆升，灯四段一部分暴露在大气降水的淋滤下，形成了大量的溶蚀孔洞，这些溶蚀孔洞既有利于白云石化流体改造前期沉积体系，又有利于后期埋藏环境下热液流体溶蚀白云岩地层，最终形成了溶孔、溶缝发育的白云岩储层。

封闭或者开放的沉积环境同样影响着白云岩的物性。当成岩环境开放，外源CO32-充足时，Mg2+置换出的Ca2+形成CaCO3无法被白云石化流体带出，此时白云石化作用降低原岩孔隙度；当成岩环境封闭，外源CO32-较少时，Mg2+置换出的Ca2+以离子形式被白云石化流体带走，此时白云石化作用有明显的增孔作用[27]。北美大多数的碳酸盐岩油气田储集空间的形成都与此种封闭环境的白云石化作用有关，中国四川盆地西北部和东部均发育此种成因的砂糖状白云岩[28]，是非常优质的储集空间类型之一。

1.2 白云石成岩流体运移方式

对于白云岩，尤其是次生交代作用下形成的巨厚白云岩，其形成过程中需要富含Mg2+的卤水长期供给，富Mg2+流体从何而来，一直是白云岩研究未解决的问题之一。不同地球热力学背景和水文地质演化条件下，形成的白云岩孔隙和胶结物也不相同[29]。现今学者们依据富Mg2+流体的富集和迁移规律，总结出了数种白云岩成因模式，其中白云石化流体在前期石灰岩沉积体中的运移驱动力可以归纳为重力、温度和压力。

富Mg2+的卤水流体密度通常大于原岩孔隙中流体，在前期沉积体系中运移主要受到重力的驱使，例如渗透回流模式、混合水模式和海水模式。尤其在渗透回流模式下，由潮汐带入蒸发台地内的海水，在浓缩过后下渗到下部地层当中。四川盆地东部Mg2+同位素示踪显示，在局限或者半局限条件下，白云石化流体在重力的作用下发生垂向运动，即近源的渗透回流作用，或者在重力和侧向压力作用下发生斜向迁移，即远源的渗透回流作用。

在埋藏—热液环境中运移的白云石成岩流体主要受到地温梯度和构造运动产生的压力影响。深部卤水在地温梯度和岩浆热能的双重影响下温度上升，与上部温度较低的地层水不断交换，形成深部循环热卤水，控制了埋藏条件下白云岩的形成和改造[30]。塔里木盆地中部奥陶系碳酸盐岩储层有明显的岩浆热液活动痕迹，岩浆热液的流动明显受断裂和构造运动的控制。拉张应力集中的区域，发育有高角度的正断层和走滑断层，在扭张背景下发育形成“负花状”构造，当断层沟通岩浆热液贮存体和上部沉积体时，岩浆热液在压力驱使下向上运移，改造上部沉积体系。

2 白云石成因模式分析

根据白云石形成时的流体动力学条件和沉积环境，学者们将白云石的形成条件归纳为了以下6种，分别是：蒸发泵模式（萨布哈模式）、渗透回流模式、混合水模式、海水模式、埋藏模式和热液成因模式（图1）。此外，微生物在诱导白云石直接沉淀和促进白云石化中均起到了重要作用[31]，形成第7种生物成因模式。每一种白云石成因模式的成岩阶段、白云石化作用位置、水动力条件都不尽相同，因而形成的白云岩也具有不同的岩石学和地球化学特征[32]。

图1 白云岩成岩示意图[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释了加拿大新斯科合上侏罗统阿贝巴基台碳酸盐岩深帕努克白云岩储集层[33]。实验室人工合成白云石证明，在室温下难以合成晶形稳定的白云岩。但当温度升高时，由于Mg2+的半径小于Ca2+的半径，在高温高压的条件下，Mg2+更容易置换出Ca2+，进而促进白云岩的形成。此时一般为成岩的后期埋藏阶段，深度一般在2 000～3 000 m，Mg2+/Ca2+比值在4～10之间。由于埋深较大，埋藏模式下Mg2+的来源和白云石化流体的运移机制尚不清晰，可能来源于深部富Mg2+卤水、岩浆岩或者其他固体矿物，例如橄榄石的蛇纹石化，或者蒙脱石向伊利石转变都会产生大量的Mg2+。与浅埋藏白云石化模式有海水为源供给Mg2+不同，埋藏白云石的形成和分布上都会受到白云石化流体、固体矿物的制约，也会留有一定的白云石化流体源区的地球化学特征。同时埋藏白云石的形成比较依赖地层中的孔隙，常形成于孔隙性好的石灰岩地层，或者沿地层中的构造裂缝分布（图1g）。

按照成因可以将白云石分成两类：一类是在准同生时期即发生白云石化，可能是蒸发成因、混合水成因、海水成因或者生物成因白云岩，在埋藏条件下重结晶，形成埋藏白云岩；另一类是前期石灰岩体系已经稳定化，在深部白云石化流体的改造下，经过交代作用形成埋藏白云石[34]。岩石学特征上，一类埋藏白云岩多由粉晶—中晶白云石组成，自形—半自形晶体，具有雾心亮边和环带结构；二类埋藏白云岩以粗晶为主，半自形—他形晶体，有雾心亮边，无环带结构。通常白云石晶粒的大小也会随着埋深的增加而增加，白云石的含量也会随着深度的增加而加大，逐渐从点线扩展为面，形成厚层的白云岩岩层。

2.2 热液成因模式

热液成因白云石通常指地壳深部的富Mg2+热液流体交代前期沉积体系形成白云岩，或者沿热液通道析出白云石晶体。侵入流体的温度高于环境温度5℃以上被称为热液[35]，热液白云石化流体可能来自于地质构造运动的挤压、岩浆入侵、火山活动或者埋藏热卤水（图1h）。通常认为热液白云石化的埋藏深度大于2 500 m，Mg2+/Ca2+比值大约在4～10，与埋藏成因的白云石保持一致。热液白云石的分布受到热液通道的制约，疏导热液的通道通常为张扭环境下形成的高角度正断层，或者在这种环境下形成的负花状断层构造和断层组合，热液通道沿断裂系统上升，并渗透到围岩中孔隙较好的部分。湖相热液白云石也是目前研究的重点，深部热液为湖盆提供了大量的富Mg2+卤水，使白云岩发生重结晶或者使石灰岩发生白云石化。

岩石学上，热液白云岩通常以广泛发育的基质交代和孔-缝内充填的鞍状白云石为标准特征，同时伴生有其他的热液矿物，如闪锌矿、方铅矿、石英、黄铁矿、重晶石和萤石[36]。鞍状白云石是热液白云石的标志之一，它是一种乳白色至棕灰色的亮晶白云石晶体，具有独特的尖顶、弯曲晶面和晶格，有珍珠光泽，在阴极发光下显示为亮红色。最近研究表明马鞍状白云石并不是只能在热液成因下形成，在压溶环境或者在热化学硫酸盐还原作用下都可能生成少量的鞍状白云岩[37]，同时，热液流体环境也不是一定会形成马鞍状白云石[38]。

2.3 蒸发泵模式

蒸发泵模式也称作萨布哈白云石化模式，由许靖华等于1969年率先提出，并应用在阿拉伯海湾南部和西部边缘带白云岩地层当中[39]。该模式主要发生在近地表范围，埋藏深度一般小于500 m，主要作用于同生阶段。在蒸发量大的热带地区，风暴浪或者特大潮汐会将海水带入到蒸发潮坪沉积体中的岩石孔洞中，一部分海水在重力的作用下下渗，另一部分海水在毛细管压力的作用下上升。对于上升水体，当重力和毛细管压力相等时便贮存在沉积体当中，不断蒸发，形成富Mg2+的卤水流体，改造浅层环境的沉积体（图1a）。蒸发泵模式下Mg2+/Ca2+比值通常较高，大约为10～30[12]。

岩石学特征上，蒸发潮坪和潟湖环境形成的白云岩会有较大区别，蒸发潮坪多形成泥晶、微晶白云岩，如发育在波斯湾南部和西部的蒸发潮坪沉积体[40]，以及四川盆地东部地区下三叠统飞仙关组、上二叠统长兴组等[41-42]。此外，由于蒸发和潮汐的反复作用产生鸟眼、干裂等特殊构造。潟湖环境同样多形成以泥晶—微晶为主，含有少量粉晶白云石的岩石结构，但并没有鸟眼一类干旱环境下的特殊构造[43]。

2.4 渗透回流模式

渗透回流模式最早于1960年由Adams等提出[44]，用以解释德克萨斯西部二叠纪生物礁复合体中的白云岩。1965年Deffeyes等用渗透回流模式来解释加勒比海小安德列斯群岛更新统白云岩，取得了很好的解释效果[16]。渗透回流模式和蒸发泵模式类似，主要用于解释蒸发地区，毛细管压力作用不到的较深层区域，深度通常在700 m左右（图1b），该过程主要发生在成岩或成岩后期。渗透回流模式的特点是在相对封闭的蒸发台地或者潟湖环境中，由潮汐作用带来的海水在蒸发作用下浓缩，形成富Mg2+的高饱和卤水，高浓度卤水密度大于地层水密度，在重力的影响下向下运移，渗透至前期石灰岩地层中发生白云石化作用。在蒸发浓缩作用下，Mg2+/Ca2+比值通常较高，大约在10～30之间[12]。

岩石学特征上，渗透回流模式形成的晶粒大小比蒸发泵模式下形成的晶粒大小略大，通常形成粉晶白云岩，潮坪环境下形成的白云岩以泥晶为主，在开阔台地浅滩环境下可形成更粗的晶型[37]。该模式形成的白云岩通常会有雾心亮边的特点，并且会保留一定的原岩结构，蒸发泵模式则没有这一特点。

渗透回流模式和蒸发泵模式常同时出现，可用以解释大范围出现的白云岩地层。四川盆地东部地区黄龙组厚层白云岩研究中，通过Mg同位素示踪研究白云石化流体在地层中的运移方式，结果显示低海平面时期，潮上带石灰岩会在蒸发泵的作用下首先发生白云石化，形成薄层的白云岩；高海平面时期，潮间带地区不断富集潮汐带来的海水，并在蒸发作用下形成高浓度卤水，向潮间带石灰岩地层渗透，导致石灰岩发生白云石化作用。对于深部的潮下带地区，潮间带蒸发形成的高浓度卤水会向深部发生横向迁移，通过远源的渗透回流作用，改造潮下带地区白云岩，最终导致更大范围的石灰岩转变为白云岩，形成巨厚的白云岩地层[45]。

2.5 混合水模式

混合水模式于1973年由Badiozamani首次提出[17]，并应用于佛罗里达州三叠系石灰岩地层中白云岩夹层的解释。混合水是指淡水和海水交汇形成白云石化流体，其适用于解释地下水和海水交汇的台地边缘，或者孤立台地地区。其中淡水可能来自于地下贮藏的流体（图1d），或者低海平面时期大气降水在岩层中形成的淡水透镜体（图1c），地下水和淡水透镜体提供的高压水头不断驱使混流体通过岩层孔隙，发生白云石化[46]。海水和淡水的混合可以使石灰岩体系在Mg2+/Ca2+比较低的时候发生白云石化，Badiozamani在1973年总结出海水比例在10%～40%时对白云石过饱和而对方解石不饱和，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]，此时Mg2+/Ca2+比值大约在1.24～3.64。

岩石学特征上，大气淡水与海水的混合流体形成的白云岩多为颗粒白云岩、礁白云岩等；地下水与海水混合流体多生成细晶—中晶白云岩。由于大气降水的淋滤作用，这两种混合水模式下的白云岩多形成于成岩阶段，例如川东飞仙关组鲕粒白云岩[48]，江州下三叠统形成的微晶—粉晶白云岩和细晶—中晶白云岩。

2.6 海水模式

海水模式主要指能满足白云石化Mg2+/Ca2+比例的海水，在流经前期石灰岩地层中时使其白云石化，1985年Land首次对这种模式做出了总结[49]。根据作用深度可以分成浅层海水白云石化（图1e）和深层海水白云石化（图1f），浅层海水白云石化通常形成深度小于700 m，深层海水白云石化形成深度通常超过1 000 m。研究表明，水深1 000 m时，海水会对方解石饱和而对白云石不饱和，例如，在爱尼韦达环礁900 m左右位置，冷海水流经并改造了前期石灰岩体系[50]。海水白云石化模式主要作用于成岩阶段，此时的前期石灰岩体系已经经过了压实作用，海水通过粒间孔或者晶间孔渗入到石灰岩地层当中，通过离子置换的形式形成白云岩，形成的白云岩也以颗粒白云岩和结晶白云岩为主[12]。

2.7 生物成因模式

1995年Vasconcelos等提出：微生物的新陈代谢在白云石的形成过程中发挥了重要的作用[51]，微生物白云石成因模式开始受到学者们的关注。生物成因白云石主要填补了常温、常压下白云岩成因的空白。现代低温白云石主要形成于湖相或海相环境的浅埋藏地区，由蒸发泵模式或者渗透回流模式驱动形成，但这些非生物成因的白云石成因解释并不能完全适配地质历史时期形成的大量厚层白云岩，例如形成于潮坪环境的白云石往往包含有大量的叠层石、凝块石等生物成因的白云岩。

学者们着手研究生物对白云石形成的影响和作用，并取得了一定的成果。实验室研究表明，一些微生物在生命活动的过程中，可以诱导白云石在常温常压下形成，如硫酸还原细菌、甲烷生产细菌都可以在生命活动的过程中提供Mg2+并且促进白云石晶核形成[52]。同时野外露头显示，潮坪、潟湖沉积环境中，常发育叠层石白云岩，凝块石白云岩等生物成因的白云岩，其中的暗色纹层和凝块充满了有机质，在薄片中同样可以观察到一些生物成因的球状、棒状、哑铃状等微米级别的白云石[53]，如四川盆地震旦系灯影组、三叠系雷口坡组白云岩[54]及意大利南部卡拉布里亚上三叠统白云岩[55]，其白云岩的形成与微生物活动息息相关。

2.8 白云石化路径分析

整体上，白云石化过程主要发生在两个阶段，准同生阶段和埋藏阶段。其中，准同生阶段发生的白云石化作用有蒸发泵模式和渗透回流模式，形成的白云岩通常会保留原始石灰岩结构，在原岩结构基础上形成细粒的白云岩晶体，由于白云岩力学上的稳定性，保留的原始孔隙是储层形成的良好基础。埋藏阶段通常是指埋藏模式或热液成因模式，在石灰岩或者准同生阶段形成白云岩基础上，形成细晶及以上的白云岩，埋藏阶段对储层物性的影响较大。一方面，白云石结构对孔隙度存在影响，在泥晶白云岩向细晶—中晶白云岩转化的过程中，晶间孔会扩大，储层孔隙度增加；深部热液、酸性流体或者埋藏白云石化流体都可能形成溶蚀孔洞和裂缝，既是优质的储层空间，同时是优质的流体运移通道。另一方面，白云石结晶程度过高，在向半自形—他形转变的过程中，晶间孔会逐渐被填满；热液形成的马鞍状白云岩也会充注原岩的孔隙，使储层空间减少。

在众多白云岩地层中，优质白云岩储层往往经历了特定的成岩演化模式，学者们据此总结出了3条白云岩成储路径（图2），分别是：①白云岩保持型；②白云岩改造型；③石灰岩埋藏白云石化型。白云岩保持型指准同生时期白云石化保留原岩孔隙，原岩孔隙成为良好的热液通道，后期热液改造形成的鞍状白云岩和粗晶白云岩加固原岩结构，多见于四川盆地震旦系灯影组、鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组。白云岩改造型指在准同生时期保留原岩结构的基础上，埋藏期调整和改造作用更强，继承原岩孔隙的同时形成大量的晶间孔和晶间溶孔，多见于四川盆地二叠系栖霞组与长兴组—下三叠统飞仙关组、塔里木盆地奥陶系蓬莱坝组。石灰岩埋藏白云石化型，由于石灰岩地层的大部分孔隙会在压实过程中遭受破坏，埋藏白云石化形成大量的中粗晶白云岩，对储层的孔隙影响不大，热液白云石化作用形成溶蚀孔洞和溶蚀裂缝，改善储层物性，多见于塔里木盆地奥陶系鹰山组下段、四川盆地二叠系茅口组[32]。

图2 白云石化路径示意图[32]

3 白云石化对储层的影响

随着对白云岩储层、白云石化机理与模式的深入研究，学者们就白云石化过程对储层的影响取得了长足进展，但仍存在争议。从理论上来说，根据等摩尔交代理论，由于Mg2+和Ca2+离子半径之间的差距，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，野外白云岩的孔隙度并没有明显高于石灰岩，甚至在一些浅埋深地区，白云岩的孔隙度略低于石灰岩的孔隙度[56]。这是由于白云岩存在过白云石化现象，一些学者甚至认为白云石化并不能生成储层，白云石化的储层主要是对原始石灰岩中孔隙的继承和调整。白云石化程度、白云石化过程和白云石结构不同，对储层增孔和减孔的影响也不尽相同。

尽管白云石化作用对储层的增孔作用并不常见，贡献也并不明显，但当石灰岩发生白云石化后，岩石的物理化学性质发生改变。目前学者们达成以下共识：①白云岩比石灰岩更抗压实压溶，更容易保留原始孔隙，同时也更容易发生断裂和裂缝；②白云石化初期会形成较多的晶间孔，提高了岩石的渗透率，高渗透率又促进白云石化继续进行，直到过白云石化作用发生，膨胀的白云石化晶体填满整个孔隙空间，通常在白云石化程度达到80%时，晶间孔的面积达到最大；③白云石化不彻底的岩石，当其暴露在大气淡水环境中时，大气降水的淋滤作用会优先溶蚀剩余石灰岩结构[57]，但对于深埋藏环境，白云岩会比石灰岩更易溶，塔里木盆地奥陶系白云岩储层中发育暴露溶蚀作用形成的储层空间[58]。白云岩的这种选择性溶蚀也会有利于白云岩储层的形成。

3.1 白云石化过程对储集空间的影响

1964年，Kinsman根据等摩尔交代理论，首次提出了白云石化的反应方程式，如式（1）所示[60]，1 mol的Mg2+交代1 mol的Ca2+，由于镁离子的离子半径小于钙离子，交代之后会使体积减小，孔隙度上升。这一理论是假定发生在相对封闭的环境，没有外来CO2-3供应。白云石化流体带来Mg2+，并带出被置换的Ca2+，但白云岩多形成于开放或者半开放的环境中，因此地层中并未出现白云岩孔隙度远高于同沉积环境下石灰岩的情况。

当白云石生成环境中有充足的CO2-3时，被Mg2+置换的Ca2+并不会随成岩流体运移，而在原位形成碳酸盐沉淀，造成体积增加，孔隙减少，发生了过白云石化作用。1973年利普曼提出了过白云石化的反应方程式（2）[59]。在这种情况下，白云石交代文石，矿物体积将增大约89 %，白云石交代方解石，矿物体积将增大74%，必然导致岩石孔隙度的急剧下降。

1967年Friedman和Sanders提出，白云石化过程岩石的总体积没有增加，白云石化过程与其看作分子对分子的交代作用，不如看作白云岩对石灰岩体积的交代作用。生成白云岩体积小于交代石灰岩体积，便造成孔隙度增加，反之则造成体积减小。总结反应方程式如（3）所示[60]。反应方程式（3）可以看作反应方程式（1）和（2）的通式，式中x的取值在0～1之间浮动，反映白云石化过程对储层孔隙的动态影响。

3.2 白云石物性对储层的影响

白云石物性主要指白云石含量、白云石晶体大小和白云石自形程度。地层中大部分白云石都是在白云石化流体影响下，交代沉积物中的方解石和文石形成。研究和统计表明，当白云石含量在10%～80%，储层孔隙度较低；当白云石含量在80%～90%时，储层孔隙度达到峰值；当白云石含量继续增高时，储层孔隙度降低（图3）。当白云石含量过低时，支撑岩石骨架的仍然是石灰岩颗粒，白云石尚未形成支撑骨架，压实之后会造成岩石孔隙的急剧下降；当白云石含量达到80%，自形程度极高的白云石颗粒互相支撑，此时晶间孔达到峰值；当白云石含量继续增加时，白云石重结晶作用会填充之前的晶间孔，直到孔隙全部被充填，白云石化流体停止渗透，白云石化作用暂停。

图3 白云石含量与白云石面孔率的对应关系图[59]

白云石晶体大小和自形程度影响着储层孔隙度。通常自形程度好的细晶—中晶白云岩的储层物性最好，粉晶—细晶的白云岩孔隙度略差，中晶—粗晶的他形白云岩的物性最差（图4）。白云岩的晶型和自形程度也和上述白云石的含量有对应关系，白云石含量低时通常形成泥晶—粉晶的白云岩；细晶—中晶、自形程度高的白云岩对应80%左右的白云石含量；白云石含量超过90%时会形成中晶—粗晶的他形白云岩。

图4 白云石晶体大小对白云岩孔隙的影响示意图[60]

4 结论

1）富Mg2+流体渗流入碳酸盐岩地层是白云岩形成的基础，当Mg2+/Ca2+比值高于5.2时，利于白云石化。上述成岩流体可来自于海水、岩浆热液或者微生物的生命活动，在温度、压力和重力的驱使下运动，多形成包裹前期石灰岩体系的白云石化环境。

2）常见的白云石化模式有蒸发泵模式、渗透回流模式、混合水模式、海水模式、埋藏模式、热液成因模式和微生物成因模式等7种。前4种模式Mg2+明显来源于海水，多与成岩流体充分的浓缩过程有关。而埋藏和热液成因模式多发生在深部地区，高温和高压环境都可能使白云石化门槛降低。生物成因模式主要为了填补常温常压下白云岩形成的空白。

3）白云石化过程中，由于Mg2+和Ca2+离子半径的差距，等摩尔Mg2+交代Ca2+会造成孔隙度的大幅提高。而实际过程中，白云石化对原岩孔隙度的影响通常较为微弱，白云石的力学稳定性和更高的渗透性有利于原始孔隙的保存和成岩流体的进一步渗入。

4）白云石的结构与储层物性具有相关性，当白云石晶粒过小时，不足以对原岩孔隙起到支撑作用，进而形成较为致密的白云岩；当白云石晶粒过大时，白云石化晶体会充填晶间孔隙，因此自形的细晶—中晶白云岩且白云石含量在80%时储层物性最好。