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文章来源 科学网 博客 ——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248×108t，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。 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）。 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）。 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％以上的油气田分布在沉积岩区，这些沉积岩中都富含有机质的细粒沉积物”,这是石油有机成因的三个立论依据之一。现已明确，沉积盆地对应上地幔软流层隆起，上地幔软流层隆起越高，沉积盆地含油气丰度越大。 然而，沉积盆地的形成不是孤立的沉积现象，盆地中所发育的巨厚沉积体需要由下伏地层提供相应的沉积空间。由于上地壳的刚硬性质，相应沉积空间只能通过中地壳塑性层的侧向流动来提供，而中地壳和沉积层之间的密度差又必然导致重力失衡，造成重力亏空，这需要由上地幔软流层隆起来加以弥补。因此，上地幔软流层隆起与沉积盆地的形成是互为关联的地质构造，它是重力均衡作用的必然结果。 上地幔软流层隆起会导致地幔烃碱流体向软流层隆起顶部富集，同时，上地软流层幔隆起又会造成上地幔刚性岩石圈的张性破裂，继而软流层中的地幔烃碱流体可通过这些张性破裂进入地壳和沉积层。其中烃类组分或被幔汁（地幔烃碱流体，HACONS）中的钾、钠为盆地盐层沉积以及蒙脱石、高岭石的伊利水云母化提供碱源。这也是许多油气田中发育盐层的原因。石油的形成由幔汁中的氢、烷合成,石膏被氢烷还原则形成硫磺。地层捕获形成油气藏，或上升到盆地地表，进入盆地水体或者逸散到大气中(见图4)。 图4 天然气（石油）-盐层-软流层-幔汁间关系示意 1－盆地中充填物；2－盆地基底（盖层）；3－上地壳结晶基底；4－中地壳塑性层；5－下地壳；6－交 代型花岗岩；7－重熔型花岗岩；8－逆冲断层；9－俯冲方向；10－主动力作用方向Fig. 门捷列夫于140年前指出：石油矿床的分布均与山脉的山脊走向是相平行的。在盆地勘探中， “一条裂缝一个矿”是科研人员的经验结论，并能识别出“油源断裂”和“气源断裂”。遗憾的是，由于以往缺乏构造理论的支持，我们很难把断裂控制油气的现象作为油气来源于深部的直接地质证据。 大陆层控构造理论证明了深部缺乏沟通的盆地缺乏油气。例如，南秦岭前陆盆地，由于南秦岭上地壳底部刚硬的结晶基底向北秦岭中地壳塑性层快速顺层俯冲,造成盆地底部形成双层刚性上地壳，阻碍了深部流体上升到沉积盆地，导致沉积盆地油气缺乏（图5）。按照大陆层控构造理论，我国大陆东部、中部、西部的不同构造特点，控制幔源油气的构造地质模式可能是东部断陷盆地盆-山系控油模式(图6)，其中松辽盆地、渤海湾盆地的油气藏可能呈压剪性正断层走向模式，大陆中部为压陷盆地仰冲型冲叠造山带控油模式（图7），鄂尔多斯盆地的油气藏则存在于逆冲断层附近，西部压陷盆地属于厚皮纵弯隆起带控油模式（图8），准噶尔盆地、塔里木盆地、四川盆地的油气应定位于逆冲断层附近。从理论上讲，厚皮纵弯隆起的真空抽吸作用是压陷盆地富集油气的动力源泉，随着盆地构造活动的不断发生，深部油气资源将不断地向沉积盆地和已开发油气西藏域移运供。 图6盆-山系及其深部构造成因机制剖面示意图 M—莫霍面; A—软流层或异常地幔顶面 【李扬鉴1988年原图解：箕状盆地基底受力状态、弯矩（M）和剪切力（Q）的分布及其变形情况与深部构造关系，其中g1是盆地基底岩层重力均布载荷、g2是盆地沉积物重力分布载荷、P是断层面滑动力集中载荷、ymax是上地壳正断层最大下降幅度】 图7 仰冲型冲叠造山带成因机制剖面示意图 1—盆地中充填物；2—盆地沉积基地；3—上地壳结晶基底；4—中地壳塑性层；5—岩浆； 6—仰冲断层；7—主动力作用方向 1996年，李扬鉴等人根据大陆层控构造理论阐述了地幔构造、地壳构造与沉积层构造的形成和演化的关系。把构造地质学由几何学和运动学层次提升到流变学和动力学层次，对推动石油地质学发展做出重要贡献。 图8 青藏高原上地壳纵弯隆起及其产生的地质现象剖面示意图 1-N-Q磨拉石建造；2-上地壳；3-中下地壳；4-莫霍面；5-岩石圈；6-软流层；7-岩浆；8-壳幔 混合熔融层；9-水平挤压力；10-逆冲断层；11-正断层；12-物质流动方向 完成油气藏在断陷盆地沉积层花状断裂体系内精确定位研究的是俄罗斯中央地球物理研究院А.И.齐穆尔基耶夫和他领导的团队。他们利用三维地震技术在西西伯利亚盆地叶特-普罗夫油田侏罗系勘探中获得了探井成功率100%的探测成果。2005～2008年，他们相继部署37口探井并全部获得工业油流，其中239号井日产油700t、气49×104m3是产量最高的。 齐穆尔基耶夫团队按照滑断层控制油气模型（图9、图10），瞄准小断距基底断裂带1.5公里以内、储层应力应变状态不同位置，为石油勘探开发提供了强大的技术支持。这一成果有力证明了幔源油气理论的真理性。 4. 幔源油气上升的动力 地球排气作用是当代地球化学研究的前沿课题。上世纪30年代，В.И.维尔纳茨基首先提出了地球排气作用问题。1964年，А.П.维诺格拉多夫发表了关于“地球气体状态”的论文，他敏锐地指出，地球排气和熔融乃是地球化学演化的两大基本作用。1987年，杜乐天根据铀矿地质实际，进一步分析研究了地球排气的物理化学机制，发展和完善了幔汁理论(HACONS)。 所谓幔汁，又称地幔烃碱流体。它是由产生于地幔的氢、卤素、碱、碳、氧、氮、硫等物质的化合和混融而形成的热流体，其分子结构主要由H、A（金属）、C、O、N、S等元素组成。地球排气作用则是指超临界态地幔烃碱流体自地球深部自发向上、向外的辐射排放。幔汁不包括硅铝酸盐。硅铝酸盐岩浆乃是幔汁与固相岩石发生相互作用的派生产物。 图9 通过叶特－普罗夫长垣北高点走滑断层构造的早期“挤压楔子”模型概念 （左图红色线段代表花状断层，黄色区为应力拉张区，黑色为应力挤压区，白色为应力过渡带； 右侧为上侏罗系ПК1层顶面沉积相切片上显示的模型剖面位置） 幔汁在地球内部按垂直分层成带，自深向浅的构造排布是：地核中储存巨量的氢；内核中是固态FeH；外核液态Fe中溶解大量H或H2。这与冶金领域的经验或理论是相恰的。内外地核的氢流是地幔流体的起源地，氢流向上辐射的驱动力是压力差、温度差、粘度差、质量差、密度差、浓度差等因素引起的。当氢流向上穿透下中地幔时会把大量分散的活性阳离子萃取携带向上，其萃取组分主要是Li、Na、K、Rb、Cs等的氢化物形式。因此，这一状态下的幔汁称为氢型幔汁(H-HACONS)。在H-HACONS继续上穿的过程中，氢幔汁会萃取大量碱金属而演化成碱型幔汁(A-HACONS)。对于上地幔软流层(体)、异常地幔及玄武岩浆、金伯利岩等的形成和构成， A-HACONS的渗入、富化、淀积起到了关键性的决定作用。如果地幔流体继续向上进入地壳，则进一步演化为氧型幔汁(O-HACONS)，地壳中的低速移运体和酸性岩浆就是由O-HACONS的因素所导致的。 如果O-HACONS或A-HACONS沿深断裂带快速上升到上地壳浅层，由于压力和温度下降，它们可能先冷却凝固，进而逐步演化为热液并产生热液作用。当热液效应达到一定阶段后，将出现气相化合物与热液分离。气态物继续向上进入地下水体则形成热泉或水合天然气。因此，地幔流体穿透地壳后的最终产物成了大气圈和水圈的造份。 幔汁理论可以较为完整地解释地球排气的物理化学过程及其所引起的各种地质作用，他涉及到地球的形成和演化。我们知道，地球上的大洋没有一块前侏罗纪洋壳，地球经历了大规模不对称的膨变构型。从大洋开裂和地球隆凹的物质运转及能量转化的解角度探索地球排气，不仅有助于理解地球的形成与演化，而且对于油气藏的勘探开发具有直接深远意义。
图10 走滑断层构造 “挤压楔子”新版本（“楔子中楔子模型”）与叶特-普罗夫油田Inline1700测线岩石应力状态（归一化后的水平 应力）数值模拟结果的对比 （色标：红色－挤压，兰色－拉张，白色－过渡区（中性带） 5. 已发现油气藏的储量补给 地球排气或幔汁辐射是地球演化的必然过程，在这个过程中幔源油气将对沉积盆地和已开发油气田的藏储量进行自发性补充给。 在门捷列夫所处的那个时代，人们注意到油田产量递减的事实，担忧所有油田最终都会枯竭。但是，门捷列夫根据自己的研究提出，“至今在巴库周边的地下深处，仍在持续生成石油，这些产生的石油起源于渗入地球内部深处的水，或者以气态的形式通过地球深部所具有的裂缝到达上部地层，蓄积入石油储层中”，“巴库油田存在着找到新的巨大的石油矿床的可能性”。他观察到，宾夕法尼亚油田是平面扩展的，扩展长度超过约合200km，与宾夕法尼亚产量相当的巴库油田(年产量约合8190t)则表现为油井不断加深，在1880年时约为171m，而到了1902年深井达到约320m。 1951年库德梁采夫分析认为，岩浆中形成石油的过程在不断进行着，古老油气通过扩散作用早已逸散消失，现存所有油藏，包括寒武系中的油藏，都是年青的油藏。并且，地球上生物的诞生和延续需要依靠石油，因为石油中含有生物所需要的一切化学元素。石油不是来自有机物质，恰恰相反，有机物质却是来源于石油。 对于加利福尼亚海湾中部的Guaymas盆地热液喷口石油，所做的14C测龄平均仅为4692a，表明石油正在生成。中国近海的PL19-3油田的天然气沿垂直断裂在不断地逸散，但其储量仍然巨大，同样表明了自藏油以来一直有深部油气补给。美国墨西哥湾尤金岛330区块油田于1971年发现,到1997年底已采出原油1.59×108m3，但原来计算的可采储量仅4880×104m3；俄罗斯伏尔加-乌拉尔盆地的罗马什金油田预计可采储量20×108t,但到2002年已累计产油30×108t；其它各地老油田累计采油量超过预估储量的案例有很多。这些客观事实都表明了老油田有新的补给,油气组分是在不断变化的。 6. 煤和天然气水合物 可以认为，烃类的高压起源研究否定了煤和天然气水合物生物成因理论。从煤和石油的化学成分来看，二者并无本质上的区别。由此可见，煤和石油都是地幔烃碱流体运移演化的产物，其中煤是石油在不同的地质环境（主要是温度和压力）状态下形成的。该结论符合大家公认的“石油沥青化”和“沥青煤化”的基本事实。详细论证参看作者的《论煤的无机成因》。 天然气水合物的形成严格受控于温度和压力条件，它们广泛分布于大洋和大陆冻土带的低温和高压环境中。天然气水合物中稳定存在的重于甲烷的组分，这些组分一般只能在地球深部100km以下的温压条件下生成。也就是说，天然气水合物的唯一来源只能是地球排气因素。 7. 结论 现代科研基本证明了石油的大规模存在不是以生命物质为前提条件，它是在地表100km以下的地幔深部，由先存的碳氢元素合成初级产物，再通过向上移运而形成的。如果石油起源于生物有机物，这与热力学第二定律是相悖的，因为热力学第二定律禁止C-H-O体系的生物分子在任何条件下向C-H体系烃类分子发生自然演化。 烃类在地幔条件下是地幔烃碱流体的组成部分，它在上升的过程中与围岩发生碱交代作用，并在适应温压条件下转化成富含金属、非金属和稀土元素的石油热液；石油热液在上升通道中将转化为气、液、固混合相，形成金属、非金属、稀土和油气矿藏。 断陷盆地油气上升通道是小断距基底走滑断层，成藏于该断层控制的花状断裂体系内部；油气分布距离花状断裂一般不超过2km；压陷盆地油气上升通道是仰冲型冲叠造山带内部的逆冲断层，石油成藏于逆冲断层附近；进入断陷盆地水体的剩余石油热液将经历分异作用形成化学沉积层和油层，油层由于水化和氧化进一步转化为石油沥青；石油沥青经历埋藏和热解将转化为煤层。进入大洋水体和陆地冻土带的天然气在合适的温压条件下形成天然气水合物。 大洋热液喷口、大洋和陆地泥火山是地球排气的窗口，其强大的排放现象能够证明盆地和油气藏正在接受深部油气的供给。 传统石油地质学所谓的沉积盆地 “有机生油”已经不复存在，探索石油如何在地幔条件下生成是地质石油界的前沿课题，我们应该加强幔源油气地质理论研究，迎接新挑战。 *崔永强（1965～），男，石油地质学博士，高级工程师，从事石油地质学创新理论、幔源油气理论研究。邮箱：cuiyongqiang@petrochina.com.cn，电话：13945976152. |
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