现代油气成因理论综述

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1、前言前言石油和天然气的成因问题是石油地质学的前缘学科之一，也是石 油地质的热门话题。因为不仅涉及到油气成因理论的创新，而且关 系到深部油气的勘查方向和最大程度扩大能源储备的问题。对于油 气成因，除了“生物成因论”和“地幔成因论”之外，尚有“地幔 热柱成因论” 、 “宇宙尘石油雨成因论” 、 “地下放电放光成因论” 、 “古陨石坑成因论”等等概括地说，就是“有机”和“无机”的成 因争论。20 世纪中期，我国大庆油田在陆相有机成因理论的指引下， 发现了世界上最大的中、新生代陆相油田，突破了“中国贫油论” 的束缚，取得了辉煌的成绩。近年来由于我国冀东南堡大型油田、 四川盆地普光大型海相油田、松辽盆地

2、徐家园子油田火山岩气田的 发现，无疑是对单一的“生物成因论(有机成因论)”提出了挑战。 然而石油成因理论不仅关系到生命起源等重大科学问题，而且对于 石油勘探工作有着实际的指导意义。有机生油论指导我们找到了目 前绝大多数的油气资源，然而无机成因油气田的不断发现，以及无 机生油论取得的一些令人瞩目的研究成果，使我们不得不重新审视 生油理论，以求解放思想，拓宽视野，在新领域探寻石油资源。现 在认为石油基本上是无机成因的，而天然气的成因却是二元的即有 机成因和无机成因。油气成因理论应该是不断发展、不断进步、不断丰富的过程。上 世界七十年建立的油气有机成因理论极大地推动了石油工业的发展， 指导地质学家们

3、发现了众多的油气田。但是油气的无机成因理论也 在发展丰富取得了一些列的成就。以及一些无机成因的油气田的发 现更是极大地鼓舞了长期坚持油气可以无机形成的地质学家，进一 步推动了有机无机成因理论的发展。同时也有一些理论认为尤其是 两种机制同时作用的结果，即油气中的碳元素来自生物有机质即为 有机成因，而油气中的氢元素部分却是来自无机自然界的。更有一 些理论运用地球动力学的模式直接打破了油气传统的有机或者无机 成因划分，将二者融为一体运用地球动力学模式进行分析和研究进 而指导油气田的勘探。 一油气有机成因一油气有机成因油气的有机成因理论包括早期生油说和晚期干酪根热降解。油气 的有机成因理论大家已较为熟

4、悉在这里我只做简要的介绍。油气的 有机成因理论中最重要的是上世纪七十年代法国科学家 Tissot 等创 立的干酪根晚期热成烃理论,揭示了常规油气的形成、演化和分布规 律，描述了油气生成、破坏的阶段性和基本过程在指导现在常规油 气的勘探中发挥了无可替代的作用。干酪根晚期热降解生烃理论认2为液态烃形成的温度范围为 60-120( 即 Ro 在 0.6%-1.35%之间 ),当 地层温度超过 120( Ro1.35%)时有机质和液态烃将发生分解形成 以甲烷为主的气态烃类。世界上绝大部分已发现的石油均存在于 65.5-149的温度范围，高于此范围的石油则被天然气所取代。故 将此温度界限称之为“液态窗”

5、 。 该理论认为在约 4500m 以下深度的地温环境下石油和天然气将 不能形成有商业价值的油气藏。然而勘探实践和理论研究表明石油 特别是天然气可稳定地存在于更大的深度。因此对深层石油和天然 气的研究应着眼于突破传统的“经济死亡线“在现行勘探深度以下研 究和寻找石油和天然气特别是天然气资源。这说明传统的油气有机 成因理论即干酪根晚期热降解理论存在着一定的局限性，不能用于 指导地壳更深层的油气资源的勘探。 二二. .油气无机成因油气无机成因从 1763 年俄国学者洛蒙诺索夫注意到油气的成因与火山活动有 关，提出了无机成因油气的启蒙思想以来，无机成因油气说几度兴 衰。油气无机成因理论出现两个多世纪以

6、来，形成了多种无机成因 油气观点，概括起来有以下几种：宇宙说、碳化说、岩浆说、变质 说和核变说。目前影响较大的非无机生油气的几个学派。其中之一 是 Gold 的地幔脱气理论;其中之二是费-托地质合成理论。 1.1.地幔脱气说地幔脱气说 1.1Gold1.1Gold 氏的理论氏的理论Gold 等依据太阳系、地球形成演化的模型, 认为地球深部存在 着大量的甲烷及其它非烃资源,这些甲烷在地球形成时就已存在,大 量还原状态的碳是在地壳深部被加热而释放出来的。经过地质历史 时期的种种变化,这些甲烷向上运移, 并大量聚集在地壳深度 15km 左右的地带,形成无机成因的油气藏。Gold 认为,大陆板块边缘褶

7、皱 带、大型地壳裂谷、地震活动带、活火山或死火山附近,以及已查明 富集油气的线性带的外延部位均是油气概率极高的地区。如前所述, 来自地幔的烃,可以进入到大气圈中,也可运移到沉积储层,也可运移 到火成岩、变质岩中,更可以进入水圈。北极地区大量气水合物的发 现正是甲烷等烃类气体向上运移而形成的类冰态化合物。著名天体 学家 Ahrens( 1994) 在论述地球起源时明确指出:地球是吸积形成 的, 被吸积的物质是冷却的, 因此,它们保留了相当一部分挥发份 (水、 甲烷、 氨和稀有气体等)。 1.21.2 幔汁说幔汁说幔汁说由杜乐天所倡导。杜乐天通过对地幔流体及软流层地球化 学的多年系统的深入研究,在

8、 1987 年提出幔汁说的基础上,于 1993 3年提出了地球有 5 个气圈的新假设。该假设认为:地球是一个充气 的球,它内部存在压力极大,而且温度和密度都很高的气体,这些气体 构成了从地球表面一直到地核的至少 5 个气圈。其中地壳气圈( 即 气圈,位于地壳 810km 以下)对于人类具有重大的意义,它蕴藏着可 供人类大规模开发利用的巨大天然气资源。 1.1. 3 3 幔源油气幔源油气前苏联科学院地质研究所极重视地球深源气的研究, 根据他们的 理论,以及实验模拟,并从大量的地球化学资料,论证了在强还原条件 下形成的深源气是氢气、 各种烃类气及硫化氢。他们认为:在上地 幔这种特有的温度和压力条件

9、下,液-气相是氢和烃的巨大储气库。 2.2.费费- -托地质合成说托地质合成说 2.2. 1 1 俄罗斯学者的俄罗斯学者的“ 超基性岩底辟说超基性岩底辟说”俄罗斯学者卡罗斯、萨尔基索夫等( 1986)根据大量折射波、反 射波、转换波的研究和分析,提出地壳结晶基底非层状特征的新概念 模型。尔后,沃里沃夫斯基提出了陆壳岩浆潜入式增长的超基性蛇纹 岩底辟说。他们认为: 陆壳的结晶部分不全是由高变质的层状结晶 岩所构成,即在花岗岩(花岗片麻岩) 与玄武岩中间夹有可塑性的超 基性蛇纹岩。在地壳发展早期是双层结构,后来由于可塑性的超基性 岩的挤入使上下层分离,并发生破裂, 即所谓的“ 超基性蛇纹岩底 辟说

10、” 。这种超基性岩在地球物理上的显著特点是低速、高导性。 根据上述机理,上层的花岗岩(花岗片麻岩)呈不连续的断块似乎飘浮 在这层超基性岩上。地幔脱气生成的 CO2、 CO、 H2 沿玄武岩的破 裂带上升到超基性的蛇纹岩带, 发生了著名的费-托合成反应:费-托合成的烃类伴随着岩浆活动(如火山喷发)沿花岗岩缺失的“通 道”上升,并运移到储集层形成油气藏。蛇纹石化超基性岩是油气生成的“发生器”,油气的费托合成反 应便在此带发生;沉积盆地由于有孔隙好的砂岩、白云岩等,成为油 气的“存储器 ;上地幔是油气生成的“原料库” 。这三者缺一不可, 但必须有“通道”相互连通。这是目前对地壳结构的新的认识,从而

11、为油气非生物( 无机) 生成理论注入了新的活力,使非生物(无机)成 因论摆脱了“烃类无法存在于上地幔的高温条件”的困境。沃里沃夫斯基研究了上述陆壳结构与含油气盆地的关系, 特别是 研究了世界 9 个大型、超大型含油气盆地的结构、地球物理参数,4发现这些大型、超大型含油气盆地的沉积层均直接与蛇纹石化超基 性岩或玄武岩接触而缺失花岗岩, 他把这种盆地称为“缺花岗岩型 盆地”,并认为凡底部缺失花岗岩的盆地,均蕴藏着巨大的油气资源。2.2. 2 2 板块构造与费板块构造与费- -托地质合成托地质合成费-托地质合成反应能否在地质条件下实现,困难主要在于催化剂、氢气和二氧化碳的来源问题。 2.2. 2.1

12、2.1 氢来源氢来源自然界常见到超铁镁岩的蛇纹石化,伴随蛇纹石化过程有氢气放出,其 反应方程是: 10( Mg 1. 86Fe0. 14 ) SiO4+ 14. 2H2O5Mg 3Si2O5 ( OH) 4+3. 8( Mg 0. 95Fe0. 05 )( OH) 2+ 0. 4Fe3O4+ 0. 4H2 Janecky 和 Sey fr ied( 1986) 用海水对大洋橄榄岩作了蛇纹石化 的模拟实验, 温度在 200和 300,压力为 50 MPa(没有 CO2 ) ,结 果有磁铁矿沉淀和氢气生成。上述反应是可逆的,即如果蛇纹石与水 镁石反应, 则可生成橄榄石、 磁铁矿、水和氢气。这个反应

13、即所谓 脱蛇纹石化作用。因此,只要地壳上发生超铁镁岩的蛇纹石化及其逆反应脱蛇纹石化,便 可产生大量的氢,而大洋中脊、 板块俯冲带、 裂谷则都是超铁镁岩 蚀变生氢的有利场所。 2.2.2CO2.2.2CO2 2来源来源蛇绿岩、科马提岩等超铁镁岩经常有白云石、菱镁矿等碳酸盐矿 物共生,在蛇纹石化过程中,这些碳酸盐矿物有可能部分或完全离解 脱碳生成 CO2。 板块俯冲、岩浆侵入、裂谷等地质背景均适宜 CO2 的排放,这部分 CO2 可按费-托合成原理转化成烃类。 2.2.32.2.3 催化剂催化剂研究表明:在费-托合成反应中,不仅金属铁有催化活性,离子化 (氧化)的铁有与金属铁一样的催化活性。在合成

14、过程中由于 CO2 的 离解,表层磁铁矿会不断氧化成赤铁矿;同时在氢的作用下,它又重新 还原成磁铁矿。研究还表明:在 500的温度下,氧化铁可以与它的 承载物(氧化硅或氧化铝)交换阳离子, 即铁离子进入了承载晶格比 较稳定的位置,因而获得了良好的催化活性。由此推测铁硅酸盐可能 也是费-托合成反应的活跃催化剂, 而磁铁矿、赤铁矿、铁硅酸盐都 是地壳中常见的矿物,完全可以满足费-托合成反应的需要。 2.2.42.2.4 发生费发生费- -托合成反应的有利构造部位托合成反应的有利构造部位目前看来,最适宜的部位是:俯冲板块的接触带、蛇绿岩推覆体中、 裂谷作用所薄化的地壳中,具体地说,这种俯冲沉积岩含大

15、量碳酸盐, 而蛇绿岩仰冲到陆架碳酸盐之上。俯冲碳酸盐沉积物中所排出的水5和脱碳作用所生成的 CO2,将沿着上覆的地幔岩石圈及蛇绿岩的底面 上升,为蛇纹石化,H2O、 CO2 的还原以及烃类的合成创造良好条件。 此类大型推覆体本身的质量,可能有助于把所产生的流体向克拉通内 部驱赶。 三三. .油气有机无机混合成因油气有机无机混合成因 尽管大量资料显示烃类特别是石油的形成主要与沉积有机质有关, 但由于有机质赋存于无机矿物颗粒之间,特别是其中富集大量的水, 成为化学反应活跃的介质,并可能参与化学反应。成岩演化不仅对有 机质成烃演化起促进作用，而且环境条件的变化亦相应地促进无机 岩石的转化。因此， 有

16、机质无机矿物水之间构成了一个相互联 系、相互制约、 相互促进转化的整体。按照有机成烃观点，油气中 的主体元素 C、H 和辅助元素 N、S、O 等都来自先体有机质，与有机质相比烃类相对富氢（表 1） ，而这些氢由原始有机质中一部分化 合物聚合而产生。 事实上，无论是何种自然有机质组成，要形成石油，如果以 C 作为标准，必是一个富氢去其它元素（ N、S、O 等）的过程。目前 流行的看法是氢主要来自有机组分本身，由于一部分有机质的缩合，提供氢以形成烃类 。但是，在沉积源岩中从水中提供的氢可能比 有机质缩聚产生氢更有利。因为含有机质的所有沉积物中都含有水， 因此，沉积水与烃类的产生过程密切相关。大体上水控制着源岩有 机质的沉积环境，而在地下环境中，水提供了烃类形成氢的来源，6也是油气烃类运移的动力和运载体。从这一点而言，即使所谓有机 成因的烃类，其元素碳的来源基本上来自有机质，而其中氢的来源 除有机质外，还应有大量的无机来源，特别是气态烃。 1.1.混合成因的证据混合成因的证据 1.11.1 油田水的证据油田水的证据大量的实践证明，油