從石油的生成揭開地

文｜吳再豐 編譯

從石油的生成揭開地

文｜吳再豐 編譯

科學(xué)家逐漸掌握了石油性質(zhì)的分析技術(shù)，取得了構(gòu)成原料的物質(zhì)或由熱引起的變質(zhì)過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)，并從這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步查明作為原料的生物尸骸是在怎樣的環(huán)境下被堆積起來的。

巨大油田的形成清楚地刻錄了過去地質(zhì)變動(dòng)的歷史。

油田的形成與地球變化或生物進(jìn)化有著緊密的關(guān)系。通過研究石油是怎樣生成的，以及油田是如何形成的，不難揭開地球變遷的歷史。

石油是怎樣形成的

石油是怎樣制成的

石油的原料是生物的尸骸。生物的細(xì)胞中含有脂肪或油，脂肪或油由碳、氫、氧三種元素構(gòu)成。生物的尸體沉入海底或湖底被泥砂覆蓋，氧分離，由碳與氫構(gòu)成碳化氫。

現(xiàn)在地球上已發(fā)現(xiàn)3000種以上的碳化氫。石油是由其中約350種碳化氫構(gòu)成的。比石油輕的碳化氫為天然氣。煤與石油的成因很相似，但是煤是植物的化石，與石油的不同是煤是固體。

大量生成碳化氫的巖石被稱為石油源巖。石油源巖被埋在地下，由于受地下的熱或壓力的影響，以及各種化學(xué)反應(yīng)造出石油。造出的石油積聚在巖石的縫隙間構(gòu)成油田。

地球的變動(dòng)與石油生成

地球的變動(dòng)與石油生成

據(jù)了解，石油的生成似乎與地球內(nèi)部的大變動(dòng)有關(guān)。為此，先介紹一下地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

眾所周知，地球的半徑約為6400千米。粗看一下，地球就像一個(gè)巨大的雞蛋，由表及里地依次由地殼、地幔和地核組成。其中地殼擁有陸地和海洋，平均厚約為30千米；地幔厚約為2870千米，從我們腳下30千米到2900千米處；地核半徑約為3470千米，從我們腳下2900千米處到地球中心。地核又被細(xì)分為外地核和內(nèi)地核，外地核厚約為2270千米，是一個(gè)由鐵（占80%以上）和硫等元素的混合液體構(gòu)成的熔融海洋，內(nèi)地核半徑約為1200千米，呈固態(tài)，主要以鐵為主，也含少量的鎳等，物質(zhì)密度大，每立方米（含物質(zhì)）13000千克左右。中間的地幔層次復(fù)雜，大體可看成由地幔外層、過渡層和地幔內(nèi)層構(gòu)成。外層厚約為370千米，在我們腳下30~400千米；過渡層厚約為300千米，在我們腳下400~700千米；地幔內(nèi)層厚約為2200千米，在我們腳下700~2900千米。

需要指出的是，在大陸地面以下有一層70~150千米厚既堅(jiān)硬又寒冷的巖石圈，它包括海洋（地殼）底板和大陸地殼底部及地幔外層的一部分。在巖石圈下面，則是軟流圈，厚達(dá)550~620千米，具有塑性，內(nèi)部溫度較高，且塑性和溫度隨深度的增加而增加。軟流圈底部在地下700千米處，往下便是地幔內(nèi)層。在與軟流圈上部接壤的巖石圈下部，有些局部被熔化的巖石。那里的巖石圈比較容易滑動(dòng)，這是造成地球陸地變遷的主要因素。

漂浮在軟流圈上的巖石圈并不是一整塊，而是由許多碎塊組成的，這些碎塊被叫作板塊，地球的表面就是由這些板塊所覆蓋。它們是由地幔中被稱之為洋中脊的海底山脈上升而成，并以不規(guī)則的方式在軟流圈上緩慢地滑動(dòng)，在被稱之為海溝的地方鉆到別的板塊下面。目前，整個(gè)地球表面是由13塊大大小小的板塊拼成。

根據(jù)地震波（包括縱波、橫波和地面波三種波）在地球內(nèi)部的傳播方式，可以知道地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，使板塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)的是對(duì)流。在地球內(nèi)部，越往里溫度越高。地球深處的地幔物質(zhì)受熱力驅(qū)動(dòng)，形成一個(gè)圓柱狀的熱地幔柱往地球上層緩慢運(yùn)動(dòng)。而地球較外層的較冷板塊物質(zhì)則恰恰相反，重力驅(qū)動(dòng)它們逐漸插入地幔深處形成冷地幔柱。它們從地幔深處（甚至地核）吸收熱量后（熔化）又會(huì)向上升起，完成一次涉及整個(gè)地幔層的大循環(huán)。在這種熱地幔柱上升、冷地幔柱下降的過程中，有新板塊在大洋中脊處生成。例如在太平洋板塊下有一個(gè)沸騰高溫的地幔柱上升流，以蘑菇云那樣的形狀存在于夏威夷或塔希提島以及非洲大陸的下面。另外，低溫使巨大的地幔柱下降流存于亞洲大陸和南美大陸的下面。

顯然，這樣的運(yùn)動(dòng)不僅對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)，而且似乎對(duì)整個(gè)地球的地質(zhì)或環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。

熱地幔柱制造了石油

熱地幔柱制造了石油

現(xiàn)在世界生產(chǎn)的石油，60%來自恐龍繁榮時(shí)代大約1.5億~6500萬年前構(gòu)成的石油源巖。這個(gè)時(shí)代形成的被稱之為“黑頁巖”的石油源巖分布在全世界。

黑頁巖主要是由藻類等植物浮游生物的尸骸沒能被氧化而堆積構(gòu)成的巖石。所以黑頁巖的大量生成是以植物浮游生物的繁殖為基礎(chǔ)，以及其尸骸沒能被氧化那樣的缺氧環(huán)境為條件。

最近，查明這個(gè)時(shí)代的石油源巖的生成與熱地幔柱的活躍進(jìn)行有關(guān)。其機(jī)理如下：

如果熱地幔柱活躍進(jìn)行，從地下的地幔物質(zhì)構(gòu)成洋中脊的體積增大，海平面上升，陸地的低地部分成為淺海。淺海構(gòu)成以石油原料的硅藻類等植物浮游生物容易繁殖的環(huán)境。

另外，如果熱地幔柱活躍進(jìn)行，則火山活動(dòng)也變得頻繁，來自地下的大量二氧化碳被釋放到大氣中，二氧化碳的增加起到了溫室效應(yīng)，氣溫由此而上升。由于氣溫上升，南極或北極的冰融化，海平面上升，繼續(xù)擴(kuò)大淺海。此外，與二氧化碳一起，繁殖浮游生物必要的硫黃、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)素也由地下供給。

由于淺海硅藻類等浮游生物大量繁殖，細(xì)菌為了分解其尸骸消耗氧，造成缺氧環(huán)境。再者，全球的暖化也使海的深層流發(fā)生改變。高緯度與低緯度的海有溫差，含大量氧的深層海水從高緯度流入低緯度。但是如果全球變暖，則溫差變小，這個(gè)深層的海水流動(dòng)就會(huì)減弱。而且隨著缺氧海域的擴(kuò)大，未被氧化的浮游生物尸骸保存大量的有機(jī)物，造出石油源巖。

熱地幔柱流的活動(dòng)有可能使地球磁場(chǎng)受到影響。我們知道，地球的磁場(chǎng)幾乎在百萬年間進(jìn)行過幾次極性逆轉(zhuǎn)?？紤]到地球磁場(chǎng)是由外核的液態(tài)金屬對(duì)流產(chǎn)生的，沉到地幔底的冷地幔柱或熱地幔柱的活動(dòng)對(duì)外核與地幔的熱交換有影響，或許對(duì)外核的對(duì)流與地球磁場(chǎng)有影響。

實(shí)際上，如果我們看到的黑頁巖大量堆積約是1億年前的數(shù)據(jù)，則恰好是與磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn)少的穩(wěn)定期和火山活動(dòng)的頻繁期，與洋中脊生成板塊的旺盛期一致。另外，像二氧化碳增加引起地球變暖或與洋中脊增加相呼應(yīng)的海平面也上升。

盡管看1.5億年前左右的數(shù)據(jù)，好像石油源巖的發(fā)達(dá)時(shí)期與磁場(chǎng)的穩(wěn)定期有關(guān)，但是看4.3億年前在北非海上構(gòu)成的石油源巖，可考慮與熱地幔柱的活動(dòng)無關(guān)。因?yàn)閮H是熱地幔柱的活動(dòng)無法解釋地球上一切形成石油源巖的原因。但是如果僅限于大約2.5億~6500萬年前的中生代，則考慮有較大的因果關(guān)系。

生物進(jìn)化改變了石油的性質(zhì)

生物進(jìn)化改變了石油的性質(zhì)

因?yàn)槭偷脑鲜巧锏氖?，所以如果調(diào)查石油的性質(zhì)，能夠推斷過去生物進(jìn)化或地球環(huán)境的歷史。

生命大約在38億年前誕生，開始是緩慢地進(jìn)化，但是距今5.5億年前的古生代寒武紀(jì)，生物完成了爆炸性的進(jìn)化，而且在大約4.45億年前生物登上了陸地。

大約4.4億~4億年前，石油源巖是以當(dāng)時(shí)繁榮的動(dòng)物性浮游生物的碳化氫主體。另一方面，這個(gè)時(shí)期蕨類植物開始在近海岸繁殖，出現(xiàn)了以陸上植物為原料的石油源巖。

到了2.9億年前左右，廣大陸地被裸子植物森林化，于是圍繞沼澤地的湖生成了藻類。這樣又增添了以藻類為原料新性質(zhì)的石油源巖。陸上植物的擴(kuò)展自然誕生了新性質(zhì)的石油源巖。

其后，9000萬年前左右被子植物或針葉林?jǐn)U大到高緯度地區(qū)和高地，大量制造了以陸地上的木材為原料的石油源巖。同時(shí)，樹木的樹脂成為制造輕質(zhì)原油的石油源巖。針葉林的發(fā)展使以藻類為原料的石油源巖被以木材為原料的石油源巖所取代。

高等植物所含的蠟構(gòu)成的表皮保護(hù)了樹干和葉，以及果實(shí)免受損傷或干燥。約2億~200萬年前，森林也入侵低緯度的干燥環(huán)境，甚至高緯度的沼澤地，植物也逐漸地適應(yīng)進(jìn)化而入侵。

另一方面，?；蚝脑孱惢蚋∮紊锷形催M(jìn)化到造出像蠟成分那樣的高分子化合物。所以日本出產(chǎn)或中東出產(chǎn)的石油蠟成分較少，這是因?yàn)橐院；蚝脑孱惢蚋∮紊餅樵系木壒省?/p>

科學(xué)家逐漸掌握了石油性質(zhì)的分析技術(shù)，取得了構(gòu)成原料的物質(zhì)或由熱引起的變質(zhì)過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)，并從這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步查明作為原料的生物尸骸是在怎樣的環(huán)境下被堆積起來的。

地質(zhì)變動(dòng)制造大油田

地質(zhì)變動(dòng)制造大油田

巨大油田的形成清楚地刻錄下過去地質(zhì)變動(dòng)的歷史。

石油是石油源巖長(zhǎng)時(shí)間被深埋在地下，經(jīng)過一定溫度加熱形成的。因?yàn)樵诘叵侣竦迷缴?，溫度就越高，所以如果石油源巖被埋到一定的深度，便會(huì)自動(dòng)地變成石油。換句話說，如果石油源巖層被埋在廣大地區(qū)，則一下子變成了油田。

5．9億~2.5億年前左右制造的石油源巖自2.5億~2億年前左右被埋在地下，生成了大量的石油。

這個(gè)時(shí)期被稱之為海西（華力斯坎）造山運(yùn)動(dòng)期，正在形成烏拉爾山脈等世界規(guī)模的山脈。造山運(yùn)動(dòng)的另一方面，將阿拉伯、西伯利亞地區(qū)、北海的南部北美大陸的阿巴拉契亞地區(qū)等廣大地域埋在地下，相當(dāng)于堆積盆地構(gòu)成的時(shí)期，這些地區(qū)大多存在巨大油田或天然氣田。

約1.7億~200萬年前，發(fā)生世界規(guī)模的“阿爾卑斯造山運(yùn)動(dòng)期”也形成了巨大油田。1億年前左右制造的石油源巖被埋在廣大地域，也許迄今約三分之二的石油和天然氣是這個(gè)時(shí)期制造的。