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油气成因的另一种说法——无机成因说

2019-7-23 9:28:27 来源:中国矿业报 作者:杜治利 周新桂

石油是由古代生物生成的观点被大多数学者认同,然而,随着全球范围内石油勘探难度的增加和人们对油田认识的加深,越来越多的现象用“石油有机成因”的理论无法或难以解释,一些学者对油气“有机成因”的质疑声再起。

有机成因说难以解释的现象

石油是由古代生物生成的,即有机成因,这一点也被大多数学者认同:石油是在伴随水域的沉积地质发展过程中,由以低等生物为主的动植物遗体,在长期稳定的还原环境、良好的埋藏条件和适当的温度下,经由复杂的物理化学、生物化学作用转变而成。

石油有机成因假说的主要依据包括三方面:一是石油馏分具旋光性,生物有机质普遍具有这种旋光性,而无机质则普遍不具有这种旋光性。二是现代沉积物及古代沉积物中都含有构成石油的各种烃类生物标志化合物。三是世界上99%以上的油气田都分布在富含有机质的沉积岩区。

近年来,许多长期从事油气勘探的专家学者们遇到了一些难以用石油“有机成因理论”圆满解释的“为什么”:

——为什么一些地区找到了大约15亿年前形成的石油?按照传统的石油地质与生物学理论,当时的生物量似乎并不足以形成石油。为什么在不合生物的地层中也能找到石油?加拿大阿尔伯塔省的阿塔巴斯河区和美国堪萨斯的克拉富特——普鲁斯油田的所在地就没有富含生物的沉积岩层;我国华北北部燕山山脉中发现了距今约8亿年前的古油藏和大量散布的油迹,古生物分析表明,当时只有并不丰富的古老藻类和蠕虫类生物。

——为什么许多大型油气田都分布在地壳的大型线状断裂带上?它们的分布显然受地球板块的边界控制,比如美国在洛杉矶的逆掩断裂带上发现了19个油田——那里大多是板块或者地块的结合带。我国新疆克拉玛依油田在著名的克-乌断裂带附近找到了十余个油气田,而离开这条断裂带数千米处所打的井大多是干井或低产井?

准噶尔盆地北缘油气田分布与断裂带关系

——为什么世界上的大型、超大型油气田大多集中分布?比如有“世界油库”之称的中东地区和天然气极为富集的西伯利亚地区,“那里的海相地层可以更多地富集有机质”的观点恐怕难以令人信服地。

——为什么大型油气田的分布区内往往地热值都较高?而且大油田的地层深部大多存在着一个地幔柱——那也许是油藏与地下深处相通的证据?

——为什么许多油气田的汞含量高于大气中含量的几十到几百倍?我国西部煤层气田内的汞含量都相当高。为什么一些油气区中的氦含量也高得惊人?比如我国四川南部天然气田中的氦含量相当高,经过提纯后可以生产工业用氦。为什么在世界许多大型铅锌矿中都发现了大量碳质沥青?而铅锌矿富集的主要原因就是地壳深部的热液上涌。为什么国内外一些油田的油藏内富含铀成分……

面对这些向传统石油地质理论挑战的现象,人们似乎有理由认为:世界上有些油田的石油似乎正在源源不断地得到补充;一些油气可能来自地壳深处;石油的生成、运移、聚集可能与地震有关,而地震恰恰是地壳运动的表征,它能把地下深处的油气“送”上来吗?

无机成因油气理论概述

从俄罗斯著名化学家门捷列夫算起,油气的无机成因假说已提出100多年,经历了早期无机成因油气理论和晚期无机油气生成理论两个阶段。按照是否发生合成反应分为2个主要理论学派:一是地幔脱气理论,认为烃类在地球形成时期就已存在,在合适的构造环境下从地球内部排出;二是无机反应成烃理论,即认为烃类是在地球内部合适的物理化学环境条件下通过各种无机反应形成的。

——地幔脱气说。地幔脱气说也叫宇宙成因说。俄国学者索科洛夫主张在地球呈熔融状态时碳氢化合物就包含其中,随着地球冷却碳氢化合物被岩浆吸收,最后凝结于地壳中形成石油;其后,Gold根据太阳系、地球形成演化模型,对宇宙成因说进行了更为详细深入的研究,其认为距今3600~4600Ma前的地球是由含CH4、CO2、H2等成份的星云演化形成的。在3500Ma星云凝聚固化形成地球的地幔和地壳过程中,星云或原始大气中的CH4、CO2、He等气体被束缚在地壳和地幔中,并在随后的地球演化过程中,部分下地壳和上地幔区域温压条件和氧逸度条件仍适于CH4等气体的保存而未被氧化,在地球分异演化的早期从地球深部被加热而释放出来。也就是说,大量CH4和其他非烃资源气体在地球形成时就已存在。王先彬等通过模拟实验证实了在地球深部的高压条件不仅有抑制烃类系列化合物热分解的作用,而且可以促进烃类的环化作用、聚合作用和凝析作用,并向复杂烃类系列演化。这些烃类及及其他气体经广泛的地幔脱气作用运移至近地表形成油气藏。

——无机反应成烃理论。无机反应成烃理论主要为CO、CO2、H2和H2O等一些小分子,在合适的地质条件下通过无机合成反应可以形成高分子量的烃类。该理论主要是基于实验研究,主要学说包括费-托催化合成说、碳化物说、岩浆说、高温生成说和蛇纹石化生油说,其中比较著名的是费-托催化合成说。

启示与前景展望

虽然有机生油理论指导着现今盆地油气勘探,但也存在一些问题,如超深井钻探证实了5000米深度以下油气的存在,这有悖于传统的有机晚期生油理论,因此应该拓宽油气勘探思路,关注深部油气勘探:一是不能只停留在考虑沉积盖层,认为油气就是地壳中的产物,事实上地壳深部构造演化过程控制了盆地及沉积盖层的形成和演化,它也必然控制着油气的形成和运移,两者间应密切相关。二是应该关注大地电磁测深和深地震探测资料显示的盆地深部结构,寻找低速、高导层,对那些上地幔隆起程度大、盆地基底埋深大的地壳拉薄型盆地进行重点勘探。邵学忠等通过对地壳深部参数和含油气盆地关系分析,指出凡是结晶地壳越薄的地区,即沉积盖层与上地幔之间的距离越短、两者越接近、地幔对地壳的作用越是强烈的地区,其油气储量也越丰富。林隆栋也指出应该在地壳中下部幔源底辟构造最高点正对着沉积坳陷最低点呈镜像关系的地区进行油气勘探。

进入21世纪以来,作为重要的战略资源,油气影响着一个国家的政治地位和经济地位,油气成因理论的突破对于油气勘探开发方向具有重要的指导意义,因此用新的思想去指导油气勘探也许会获得更大突破。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局油气资源调查中心)

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