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现代石油地质学——幔源油气理论

2024-02-28 15:36阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3672141682

——谨以此文纪念杜乐天先生
崔永强*
（大庆油田勘探开发研究院，黑龙江大庆，163712）


关键词：幔源油气 烃碱流体 层控构造 小断距基底走滑断层


前言
随着自然科学理论的发展和石油勘探开发实践的进步，传统石油地质学由科学假说上升为现代石油地质学科学基本理论成为可能。
长期以来，对石油的成因问题，科学家们提出了有机成因和无机成因两种假说。有机成因假说认为石油来自沉积有机质，它由富含沉积有机质形成细粒沉积层（生油层）。根据生油层的差别，又派生出陆相成油理论和海相成油理论。
基岩油气藏的发现既挑战了陆相生油理论，又挑战了海相生油理论。发育于盆地基底的基岩（变质岩和火山岩），它们不具备有机成因所要求的沉积有机质。全球已超过30个盆地发现了基岩油气，总共石油储量为248×10
8t，天然气储量为2681×108m3。这个结果足以否定石油有机成因假说，包括陆相生油理论和海相生油理论。石油来自地幔的概念已经取得越来越多的共识。
1. 幔源油气概念
Д.И.门捷列夫（1876）最早提出“碳化铁生烃说”。他认为地球深部的碳铁化合物遇到水之后，“铁或者其它金属与水中的氧反应生成氧化物，水中的氢分离出来，一部分是游离的，在氧化过程中，原来与铁结合在一起的碳也分离出来，与氢结合起来，生成碳氢化合物，这就是石油，它们一边上升一边冷却，在接受它们的地层中冷凝成液并聚集成矿”。其化学反应式为
3FemCn + 4mH2O → mFe3O4 + C3nH8m
这个反应发生在熔融岩浆的地质环境。
В.Д.索柯洛夫（1889）也注意到石油和岩浆的成因联系，他提出石油生成的“宇宙说”，其依据是太阳系中行星天体光谱分析发现有甲烷及烃类化合物，它们可由费-托合反应无机合成。索柯洛夫认为碳氢化合物是在地球尚处于熔融状态时就已存在于大气圈中，后来随着地球冷却收缩凝于地壳上部，并沿裂隙分离出来，在被非渗透层覆盖的孔隙性地层可以聚集成油气藏。
Н.А.库德梁采夫（1951）继承了Д.И.门捷列夫（1876）和В.Д.索柯洛夫（1889）的思想，提出“岩浆说”。他认为碳氢化合物不仅在星际和太阳上有，而且在地球的岩浆中也有碳和氢的形成。在岩浆上升过程中,温度逐渐降低,活性很强的甲炔基团发生聚合作用,依次变为亚甲基(CH2)、甲基(CH3)、甲烷(CH4),最后形成烃类物质。一氧化碳也能直接合成烃类物质,且在高温高压下形成氢和其t元素参与烃类化合。
П.Н.克鲁泡特金（1955）认为石油天然气与烃类岩浆的起源并无关系。他指出，固态地球是由星际冷宇宙尘和气体组成的，这些气体包括氦、氮、碳氢化合物，它们是组成地球或其它行星的原始物质。克鲁泡特金主持1976、1985、1991年全苏“地球排气作用与大地构造”学术会议，以及由А.Н.德米特里耶夫斯基主持的2002、2006、2008、2010年全俄和独联体国家“地球排气作用：地球动力学、地球流体、石油与天然气（碳氢化合物及生命）”的学术会议，都强调了地球是冷球的思想。
1996年，杜乐天提出了“烃碱流体地球化学”理论，使关于烃类是否来源于岩浆的分歧得到统一。
按照烃碱流体理论，烃类和碱类是烃碱流体的两大组成部分。由烃碱流体既可以形成地幔玄武岩岩浆，也可以形成地壳岩石和沉积岩中酸性火山岩；超临界态地幔烃碱流体上升会与围岩发生交互作用，不断从围岩获得金属和硅质组分，导致烃碱流体转化为含烃、金属、非金属、稀土元素的热液；热液组分在合适温压和地层条件下分离形成金属、非金属、油气矿藏。
客观上正是如此，金属、非金属矿床中伴生烃类，而石油中则富含大量的金属、非金属、稀土等不相容元素。可以认为，石油和岩浆是地幔流体作用的不同产物。从深部断裂上来的石油、从泥火山上来的石油和岩浆喷发通道上来的石油，它们都是源于烃碱流体。
杜乐天基于地球化学理论的烃碱流体说，既与克鲁泡特金的冷地球思想相吻合同，也能够解释门捷列夫、索柯洛夫和库德梁采夫所观察到的石油与岩浆的关系问题，他是中国版的石油无机成因理论——烃类组分是幔源油气的源头。
截止目前，对上地幔与软流层地球化学研究、铀矿地质研究和其他金属非金属矿产地质研究所得到的结果是支持地幔烃碱流体说的，幔源油气概念已经是现代石油地质学研究的核心。本文旨在明确陆相、海相生油理论与无机成因理论的区别，试图阐明“幔源油气理论”或“幔源油气地质理论”对于油气勘探的必要性和紧迫性。
2. 幔源油气的生成和演化
天然石油由具有高化学势、高还原性的烃类分子混合物组成，大多数情况下它们呈液态。那么，从石油的烃类分子的起源思考，在什么样的热力学条件下，才能演化出具有高化学势和高还原性的分子呢?
首先需要明确，这是一个化学热力学稳定性问题，它与石油可能存在的岩石特征无关，与在石油中发现微生物的现象也无关。
化学热力学研究已经表明，石油分子是C-H体系分子，而生物分子是C-H-O体系分子。所有C-H-O体系生物分子（例如葡萄糖，分子式C6H12O6）的化学势（化学位、吉布斯自由能）都小于CH4的化学势，而且C-H-O体系生物分子的质量越大其化学势越低。与之相反，C-H体系烃类分子的质量越大其化学势则越高（图1）。我们知道，热力学第二定律禁止低化学势分子向高化学势分子发生自然演化的，说明C-H体系分子的存在与生物体系的C-H-O分子没有必然的内在联系。
现代石油地质学——幔源油气理论



图1 在STP 条件下自然生成的碳氢化合物摩尔Gibbs 能ΔGf
Alkybenzene——烷基苯；n-alkene—烯烃；cyclopentane—环戊烷；Cyclohexane—环已烷；n-alkane—烷烃
甲烷是唯一一种在标准温压条件下稳定的碳氢化合物。从甲烷形成正常烷属烃，一般需要压强大于3万个大气压、温度大于700的环境（相当于地下约100km深度）。然而，由氧化的有机分子（如碳水化合物C6H12O6）形成较重的碳氢化合物，目前的研究结果是在任何条件下都不可能（图2）。
现代石油地质学——幔源油气理论
图2 甲烷与H-C体系[(1/n)CnH2n+2+(n-1)/nH2]的Gibbs能对比
注：G(CH4)—甲烷的Gibbs自由能；G(1/2C2H6+1/2H2)—乙烷+氢混合物的Gibbs自由能；G(1/6C6H12+5/6H2)—已烷+氢混合物的Gibbs自由能；G(1/10C10H22+9/10H2)—癸烷+氢混合物的Gibbs自由能。


烃类起源的高压实验证明了门捷列夫的设想。实验材料是地球上最普通的大理石CaCO3、氧化亚铁FeO和蒸馏水，其化学反应方程式是：
nCaCO3+(9n+3)FeO+(2n+1)H2O = nCa(OH)2+(3n+1)Fe3O4+CnH2n+2
与地幔条件相比，样本CaCO3是氧化的、低化学势的，按照通常理解，它们应该更不容易向碳演化成重烷烃，但实验发现，当压力低于10kbar时，没有重于CH4的烃类分子存在；当压力大于30kbar时，烃类分子开始演化；当压力达到50kbar、温度达到1500时，系统自发地产生具有天然石油分布特征的甲烷、乙烷、正丙烷、2-甲基丙烷、2，2-二甲基丙烷、正丁烷、2-甲基丁烷、正戊烷、2-甲基戊烷、正己烷、2-甲基己烷、正戊烷、2-甲基戊烷、正己烷等，还有正癸烷，乙烯，正丙烯，正丁烯，正戊烯等烃类分子出现（图3）。
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图3 正构烷烃累计丰度与温度的关系图
注：1、压力为40千巴；2. 右侧刻度上的CH4丰度约大于其他单一组分烷烃1个数量级。 ?
3. 幔源油气的运移和聚集
按照有机成因说，除了应该在沉积岩中寻找石油以外，就别无所有了。事实上，它不能给出适用于任何油区的找油原则。传统石油地质学的核心工作就是优选圈闭，把石油勘探局限于有机成因的方向，并以石油勘探成就来说明有机成因的正确性。但是，有机成因理论无法回答圈闭中是否有油。
“地球上99％以上的

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