由于大范围的白云石化作都需要较高的水岩比率^[5], 这就要求所有的白云岩成因模式必须是水文学模型。早期的白云石化模式多是基于岩相学结合地球化学属性反演白云石化流体后而得出的概念模型, 属于一种定性研究。近年来, 许多学者开始尝试利用数值模拟的方法对白云石化流体的流动机制进行定量研究^[12~18]。常用的建模方法主要有：质量守恒技术（mass-balance techniques）、反应路径计算（reaction path calculation）和反应— 传输模型（Reaction-Transport Models, RTM）^[16]。

质量守恒技术主要根据流体流量、流体中Mg²⁺浓度和质量之间的平衡关系研究白云石化作用所需的流体体积^{[1, 2, 12, 19, 20]}, 而反应路径计算则主要展示封闭条件下一个地化体系的基本变化规律^[16], 由于这2种方法忽略了流体流量在空间上的变化以及反应效率的问题, 因而其应用范围有限, 通常作为研究反应— 传输模型的一个前提。RTM则将地球化学反应过程与流体流动和溶质迁移过程相结合, 可有效预测白云石化流体的运动轨迹和白云岩体的分布范围, 是数值模拟中最常用、最有效的方法^[21~23]。目前, 已有学者通过该方法模拟了不同水文地质条件下的白云石化作用, 包括回流^{[15, 18, 24]}、混合带^[25]、地热循环^{[21, 23]}和断裂控制的热液循环^[25]系统中的白云化机制, 这些模拟结果使我们对不同驱动力下白云石流体的运移轨迹、流动速度以及受控因素等问题有了一个直观的认识; 特别地, 这些模拟还可以分析白云岩储层形成过程中的物性变化（图 1）, 对油气勘探及开发均具有一定意义。

图 1

Fig.1

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	图 1 三维反应— 传输模型模拟回流白云石化作用[25]（a） 白云岩体分布范围; (b) 膏质胶结物分布范围; (c) 高渗透性白云岩储层分布范围Fig.1 3D Reaction-Transport Model showing the simulated result of reflux dolomitization[25]（a） The distribution of dolomite; (b) The distribution of anhydrite; (c) The distribution of high-permeability dolomite reservoir

对白云化模式的研究由定性到定量、由概念模型到数值模型的转变有利于从宏观层面把握白云石化流体的运移规律和活动范围, 可以在一定程度上弥补地质及地球化学手段在解释白云岩成因上的不足。但必须指出的是, 数值模拟仍具有一定局限性, 首先是低温条件下白云石化动力学机制的不确定性以及成岩过程中边界条件的不断变化均会对模拟结果产生影响^[23]; 另外, 数值模拟中的物理模型多是经过简化的, 而且与现代地下水系统不同, 大多数古代成岩流体系统的数值模拟结果都无法核对^[26]。因此, 在未来的研究中加入以露头剖面为约束的模拟^{[27, 28]}, 将会使数值模拟结果的可信度更高。

近年来“ 微生物白云石化” 模式的提出为解决“ 白云岩问题” 提供了一个新的视角^[29~33]。Vasconcelos等^[34]通过研究巴西Lagoa Vermelha盐碱滩中硫酸盐还原细菌成因的白云石, 最早提出了“ 微生物白云石化” 模式。该模式中, 沉积物表面缺氧的混浊层创造了一个特殊环境, 光合作用产生的有机物可以被硫酸盐还原细菌循环利用, 并在亚微米尺度范围内沉淀高镁方解石和钙白云石; 由于这类白云石是溶液中离子直接结合形成晶核并像原生沉积物那样堆积下来, 因此可认为其属于生物成因。目前已发现硫酸盐还原细菌^[35]、产甲烷古菌^{[34, 36, 37]}以及中度嗜盐需氧细菌^{[38, 39]}的代谢活动有助于克服低温条件下白云石沉淀的动力学障碍, 促使白云石晶核形成与沉淀。特殊的显微形貌（如哑铃状和纺锤形白云石晶体）以及稳定同位素特征可以用来判断白云石的形成是否受微生物影响^[40]。近年来亦有学者利用微生物在相对高压条件下合成具有菱面体的白云石^[41]。另外, Burns等^[36]认为厌氧微生物（包括硫酸盐还原细菌）群落的活动可能导致海相碳酸盐岩的广泛白云石化。

但是微生物白云石化在解释古代大规模白云岩成因方面仍有不少争议^{[39, 42]}。一方面是有研究者在无机条件下合成了具有球状及哑铃状形貌的碳酸盐矿物^[43], 因此这种特殊的白云石形貌能否作为生物参与的标志仍需进一步研究; 另外, 即使有微生物诱导白云石沉淀的环境中, 原生白云石的含量依然很少, 所以微生物白云石化作用的成岩规模仍在不断探索中。无论如何, 微生物白云石化作用的提出拓展了白云岩研究的宽度和广度, 极大地丰富了碳酸盐岩基础理论研究的内涵。

2.3.1 对混合水白云石化模式的修正

混合水白云石化模式风靡一时, 很多块状白云岩的成因都曾被解释为混合水白云石化作用的结果^[44]。Land^[45]作为该模式的早期倡导者之一, 后来也加入到反对者的行列^[46]; 主要是由于该模式在理论上缺陷^[2]以及现代实例的匮乏^{[4, 47]}而备受质疑。另外, 作为混合水白云化经典实例的美国密歇根盆地中奥陶统米夫林段白云岩, 现也被认为是埋藏成岩过程中热液交代作用的产物^[48]。值得注意的是, 虽然对混合水白云化的质疑不断, 但该模式在一些特定地质背景下仍然能够形成白云岩^[49~51]。如黄思静等^[49]在对四川盆地东北部飞仙关组粒屑白云岩的岩石学和地球化学特征研究后认为, 混合水白云石化依然是这类白云岩的主要形成机制。再如Li等^[51]在研究西班牙东南部中新世白云岩时发现, 这些白云石中的单相流体包裹体具有较高的冰点温度（-0.2~-2.3 ℃）, 说明形成白云石的成岩流体盐度很低, 结合其C-O同位素之间的共变关系、古地形特征和白云岩体空间展布规律, 建立了一套向上运移的大气淡水与中等盐度海水相混合的白云石化机制（图 2）。总之, 混合水白云石化很难形成大规模白云岩体, 但在一些特殊地质背景下仍具备一定的白云石化潜力。

图 2

Fig.2

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	图 2 西班牙东南部中新世混合水白云岩地球化学特征（a）及成因模式（b）(据参考文献[51]修改)Fig.2 Geochemistry feature (a) and origin model (b) of mixing-zone dolomitization in upper Miocene strata of southeast Spain (modified from reference [51])

2.3.2 对回流白云石化模式的扩展

自Adams等^[52]提出渗透回流白云石化作用以来, 该模式被广泛应用于与台地/盆地相规模蒸发岩相关白云岩的成因解释中^{[13, 53]}, 并取得了良好的应用效果^[54]。随后的数值模拟进一步确定了该模式的存在, 同时还发现了一种可在台地较深处活动的“ 隐伏回流” ^{[14, 15]}, 特别是当台地内部不存在有效隔水层时, 隐伏回流与早期的活跃回流相结合很可能形成规模较大的白云岩体^[7]。

除了超盐度海水的回流之外, 中等盐度或是轻微蒸发海水的回流也被认为具备大规模白云石化的潜力^{[55, 56]}, 特别是中低纬度半局限潮缘带、潮下带不与蒸发岩相伴生的白云岩, 其成因越来越多的被解释为中等盐度海水或轻微蒸发海水的回流所致^[57~60], 海平面变化对于这类回流具有重要驱动作用^[61]。隐伏回流和中等盐度海水回流的提出是对早期回流模式的扩展和修正, 增大了该模式的适用范围。同时, 我们有理由想象, 很多古代与蒸发岩无关的半局限/局限台地相白云岩很可能是近地表— 浅埋藏阶段中等盐度海水回流或扩散下渗的产物, 只是在后期的埋藏过程中叠加了埋藏白云石化或埋藏重结晶的影响, 从而在地球化学属性上显示出埋藏白云岩的特征^[62], 如塔里木盆地上寒武— 下奥陶统白云岩、四川盆地东部开江— 梁平海槽西侧飞仙关组白云岩、鄂尔多斯盆地西南缘马家沟组白云岩等。对回流白云石化模式的扩展和修正对于我们理解古代与蒸发岩无关的白云岩体的成因具有积极意义, 但回流作用的具体范围和持续时间仍需进一步研究。

2.3.3 对构造— 热液白云石化认识的深入

构造控制的热液白云石化（Structurally controlled hydrothermal dolomitization, HTD）是近年来研究的热点。虽然目前大部分研究认为HTD优选张扭性断裂或深部走滑断裂带发育^[63~66], 但是挤压构造背景下的热液白云石化同样值得重视^[67~72]：如Ronchi^[72]对意大利威尼斯南部侏罗系碳酸盐岩中热液白云石化作用的研究时发现, 热液活动可以发生在冲断带附近, 热液流体的运动与构造挤压形成的刮板流（tectonic squeegee）有关^{[67, 68]}（图 3）。因此, HTD可能不仅仅局限于张扭性的构造环境中, 汇聚背景下同样可以有热液白云岩发育。

图 3

Fig.3

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	图 3 意大利威尼斯南部阿尔卑斯山脉侏罗系与挤压构造有关的热液白云石化作用模式图（据文献[72]修编）Fig.3 Model of hydrothermal dolomitization associated to convergent setting in Southern Alps, Italy(modified from reference[72])

在我国, 构造— 热液白云石化也备受关注。但与北美地区热液白云石多以灰岩为宿主岩层所不同的是, 我国古老地层中的热液白云岩（如塔里木盆地寒武系、四川盆地震旦系 ）往往分布于白云岩地层中, 其形成方式更可能是对先存基质白云石的重结晶或是直接从热流体中沉淀, 而非直接交代灰岩而来^[73], 因此应属于一种热液改造型白云岩。另外, 热液活动对储层的改造既可以是建设性的也可以是破坏性^[74~76], 特别是具有超压性质的热液流体在产生角砾化及裂缝的同时, 由于压力的骤降往往会伴随有大量晚期方解石胶结物的生成, 严重影响储层质量。最后, 热流体性质、来源的不同以及断层类型、断裂活动强度的差异均会对热液改造作用产生深远影响, 但目前针对该领域的定量研究（如确切的储层改造程度、分布范围等）仍显薄弱。

白云石化作用与孔隙成因之间的关系一直是白云岩储层研究的热点和难点, 早期认为白云岩储层中的晶间孔主要是由于白云石化过程中的摩尔置换导致岩石体积减小而产生^{[77, 78]}。但是随后的研究发现, 并不是所有的白云石化作用都能形成有效的储集空间^[4]。例如南佛罗里达州许多埋深不到1 km的新生代白云岩的孔隙度等于或小于相邻的灰岩层^{[79, 80]}; 博内尔岛上新世— 更新世白云岩中也存在类似情况^[81]; 此外, 白云石交代方解石之后如果白云化流体继续供给, 很可能发生过度白云石化作用或是白云石的胶结作用而使孔隙度降低, 因此有学者认为白云石化作用并不能产生储集空间, 白云岩中发育的孔隙主要是继承了原始灰岩中的孔隙^[82], 白云岩之所以在深埋藏条件下具有比灰岩更好的孔隙是由于白云石化作用改变了孔隙结构特征加之白云岩更抗压实, 因而有利于孔隙的保存。

近年来随着我国白云岩研究的不断深入, 越来越多的学者开始认识到白云石化作用与孔隙之间的复杂关系, 逐渐改变了以往认为白云石化作用是单纯增孔的认识, 而是更加关注白云石化作用之前被交代沉积物的特征以及白云石化之后所经历的成岩改造^{[6, 83]}, 特别是强调了适度的白云石化作用在孔隙保存方面的贡献^{[11, 84, 85]}, 为我国深层白云岩有效储层的预测提供了一个全新的思路。总之, 白云石化作用可以增孔、减孔也可以保持孔隙, 因此在对白云岩储层的研究中, 既不能过分强调白云石化作用对储层的有利影响, 但也不可低估其在储层形成和保存过程中的基础性贡献。

由于白云岩储层不一定与白云石化作用本身有关, 特别是深层白云岩储层中孔隙的成因并不能简单的归于埋藏白云石化作用, 因此还需综合考虑白云石化的程度、云化过程中的结构演化、成岩系统的开放性、原始相带以及云化之后所经历的溶蚀改造等多种因素对白云岩储层的影响和控制。

（1）白云石化程度：Murray^[77]在研究Saskatchewan地区Midale油田 Midale层白云岩时认为白云石化程度或白云石含量与孔隙度关系密切。但作者对塔里木盆地下古生界各类白云岩中白云石含量与面孔率的统计发现（图 4）, 白云石含量的多少对孔隙影响不明显。因此对于这类纯白云岩地层而言, 白云石含量或白云石化程度对储层影响极其有限, 而岩石结构和后期成岩改造应该是控制白云岩储层发育的主要因素。

图 4

Fig.4

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	图 4 塔里木盆地下古生界白云石含量与孔隙度关系图Fig.4 Cross-plot of porosity and content of dolomite in Paleozoic carbonate, Tarim Basin

（2）白云岩结构：白云岩/石结构作为白云石化作用研究的基础, 不仅对白云岩的成因具有指示意义还深刻的影响着白云岩储层的质量, 前人对白云岩/石的结构类型^{[60, 86~88]}、结构演化^[89~91]、结构与物性的关系^{[92, 93]}、结构对孔隙发育的影响^{[94, 95]}等方面进行了详细研究, 总体上认为白云岩结构不仅对储层类型具有明显控制作用还影响了后期侵蚀性流体对储层的改造方式, 例如随着白云石晶体结构由平面— 自形/半自形向曲面— 它形的转化, 其储集空间类型也由以晶间孔为主转变为晶间溶孔或溶蚀孔洞为主; 另外, 由于岩石结构和先存孔隙系统的差异往往导致白云岩中多发育层状针孔型或溶蚀孔洞型储层, 而缺乏大型洞穴型储集体。

（3）不同成岩系统（如近地表开放成岩系统和埋藏条件下封闭成岩系统）所形成的白云岩在储集性方面也有明显区别。黄思静等^[96]研究认为开放体系下由于外部CO₃^2-的大量供给, 白云石化作用通常是减孔的; 封闭体系中的白云石化会消耗本层方解石以提供CO₃^2-, 从而发生等摩尔交代, 导致孔隙的增加。然而自然界中白云岩的形成更多的是在一种半开放环境中, 外部CO₃^2-的供给相对有限, 因此交代前后孔隙体积很可能保持不变。笔者对鄂尔多斯盆地和塔里木盆地白云岩的研究中亦发现在浅埋藏阶段形成的白云岩往往具有相对较高的孔隙度, 加之这部分白云岩常见残余结构, 因此推测这些孔隙很可能是颗粒滩相沉积物在浅埋藏阶段的半开放体系中通过等体积交代而被继承下来的。

表 1

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表 1(Table1)

表 1 塔里木、四川及鄂尔多斯盆地白云岩储层特征、成因及控制因素对比表[11, 97~99] Table1 Comparative table of characteristics, origin and controlling factors of dolomite reservoirs in Tarim Basin, Sichuan Basin and Ordos Basin [11, 97~99] 储层类型 分类依据 储层特征 储层成因及主控因素 实例 微生物白云岩储层 物质基础 格架孔、窗格孔、粒间孔、层状溶孔 微生物白云石化、同生/准同生大气水溶蚀、表生岩溶, 受微生物结构、古地貌及多期成岩改造控制 四川盆地震旦系灯影组、塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组 礁滩白云岩储层 粒间孔、粒间溶孔、铸模孔、粒内孔、溶孔 早期白云石化, 同生期大气水溶蚀、埋藏溶蚀叠加, 受沉积相、海平面变化、早期油气充注及埋藏溶蚀控制 四川盆地长兴组、飞仙关组台缘鲕滩、龙王庙组台内滩 萨布哈白云岩储层 白云岩成因 膏模孔, 膏溶角砾间孔、少量晶间孔和裂缝 萨布哈白云石化、硬石膏沉淀与溶解、白云岩垮塌, 受气候和沉积相控制 四川盆地中三叠统雷口坡组一段、鄂尔多斯盆地中部马五段、塔中— 巴楚中下寒武统 回流白云岩储层 残余颗粒间孔, 晶间孔, 晶间溶孔、潜穴孔 准同生-浅埋藏阶段回流白云石化, 准同生期大气水选择性溶蚀未云化文石或高镁方解石, 受早期白云石化及海平面变化控制 塔里木盆地中— 下寒武统、四川盆地黄龙组、飞仙关组、龙王庙组, 鄂尔多斯盆地西部马五段 埋藏白云岩储层 晶间孔、晶间溶孔, 溶蚀孔洞 埋藏白云石化形成或调整孔隙, 并促进孔隙保存, 埋藏溶蚀进一步形成晶间溶孔和溶蚀孔洞, 受原始沉积相带、白云石化程度及埋藏溶蚀控制 塔里木盆地上寒武— 下奥陶统, 鄂尔多斯盆地中央隆起区马家沟组四段 热液白云岩储层 溶蚀孔洞, 晶间溶孔、少量晶间孔、裂缝 热液溶蚀及破裂作用形成大量溶蚀孔洞缝, 热液白云石化形成少量晶间孔, 受热流体性质、断层类型及断裂程度控制 塔北塔深1井、古城城探1井寒武系, 四川盆地中二叠统 层间岩溶白云岩储层 后期改造 针状溶孔、溶蚀孔洞、溶缝 短期暴露溶蚀, 受海平面变化/层序界面控制 塔中-巴楚蓬莱坝组及鹰山组 潜山岩溶白云岩储层 洞穴、溶蚀孔洞、晶间溶孔、角砾间孔、裂缝 长期暴露溶蚀, 受构造隆升控制 塔北牙哈地区寒武系、塔中中东部下奥陶统 裂缝白云岩储层 网状破裂缝、溶蚀缝、裂缝扩溶孔、缝合线 溶蚀流体沿裂缝扩溶, 受构造活动强度及断裂类型控制 古城地区古隆1井

表 1 塔里木、四川及鄂尔多斯盆地白云岩储层特征、成因及控制因素对比表[11, 97~99] Table1 Comparative table of characteristics, origin and controlling factors of dolomite reservoirs in Tarim Basin, Sichuan Basin and Ordos Basin [11, 97~99]

（4）原始沉积相带和后期改造作用：对塔里木、四川及鄂尔多斯盆地白云岩储层特征、成因及主控因素的统计发现（表 1）, 有利沉积相带依然是优质白云岩储层发育的基础^{[100, 101]}, 例如微生物丘滩体、台缘礁、台缘（内）滩等高能相带中储层的发育程度最高, 即使在埋藏白云岩储层中, 大部分物性较好的白云岩也是继承自多孔的滩相沉积物^[84]。另外, 白云岩形成过程中或形成之后的多期次溶蚀作用则是控制储层规模化发育的关键, 笔者对塔里木盆地下古生界白云岩储集空间类型的统计发现, 大部分孔隙都与溶蚀作用有关, 特别是非组构选择型孔隙所占比例很大^[95]。四川盆地长兴组— 飞仙关组、龙王庙组和灯影组白云岩中同样存在这种现象, 即使是高能滩相白云岩储层中也有许多非组构选择型溶孔^{[99, 102, 103]}。无论是与高频层序界面^{[74, 104~106]}、构造不整合面有关的大气淡水溶蚀^{[107, 108]}还是与断裂相关的热液溶蚀^{[73, 109]}或是与热化学硫酸盐还原反应有关的埋藏溶蚀^[110~112]都能在很大程度上改变白云岩的储集性能。

综上, 白云岩储层的发育受多种因素制约, 其中岩石结构、沉积相带和后期的溶蚀改造对孔隙发育的控制尤为明显, 因此在对白云岩储层成因的研究中, 除了对白云石化机理的探讨外, 更应该注意对白云岩形成之前的沉积相类型以及形成之后所经历的溶蚀改造特征进行详细梳理, 从而为有效预测白云岩储层分布规律提供更为坚实的地质依据。