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石油是怎么形成的?地球上为什么那么多石油?

 kanglanlan 2019-06-18

我个人是认同石油的生物起源的,因为石油是一系列分子量较高的有机物,包括交联的长链烃和杂环芳香烃等等,而且还含有少量的硫、磷等成分,这种组合看起来非常像是生物体构成物质降解的产物。因为天然形成的有机物一般都比较简单,像甲烷、乙烷、单环的苯等等,且难以以如此丰度富集于一处,形成复杂粘稠的混合物——原油。而原油就源自于同样具有复杂高分子形态的干酪根(油母质)。

上图:干酪根的复杂交联高聚分子形态

对干酪根的深度研究确定了石油和天然气乃至煤的共同起源

一个比较有说服力的石油生物起源的证据就是“干酪根”(又被称为“油母质”),干酪根是kerogen音译词。地球上有大量的干酪根储量,据估计全球有10^16吨,这是全球最大的有机物库,全部埋藏于地下。是全球现生活着的生命体有机物总量的一万倍。

上图:一块地道的干酪根

据地质学家研究,干酪根在生物体内有机物质降解的沉积成岩过程中形成。有机物质来源可包括湖泊和海洋藻类以及浮游生物和陆地高等植物。 在成岩过程中,来自例如原始有机物质中的蛋白质和碳水化合物的大量生物聚合物部分或完全分解(这种分解过程可以看作是光合作用的逆转)。然后这些分解得到的有机物单元可缩聚形成新的地质性聚合物。 以这种方式形成聚合物是干酪根相关的大分子量和多种化学组成的原因。这些聚合通常与一种或多种其他矿物(如钙和硅质)组分的形成和沉降同时发生产生类似油页岩的沉积岩。并且分为若干类型:

I型:湖相藻类/腐殖质型

这种干酪根富含脂类衍生物质,主要来自湖泊淡水藻类,在缺氧湖泊底部沉积形成,而很少在海洋环境中沉积形成;其成分包含藻酸盐、无定形有机物、蓝细菌、淡水藻类和少量的陆地植物树脂当中的蛋白质和脂质前体形成,具有很少的环状或芳香结构,显示出在加热下容易产生液态烃(油)的倾向。含有I型干酪根的页岩在常规石油干馏方面是最有潜力的沉积岩类型。

II型:海相浮游生物型

II型干酪根主要来源于海洋海洋浮游生物和藻类体内的有机质,在还原性(缺氧)的沉积环境中形成,硫含量通常高于其他干酪根类型。尽管II型干酪根的热解产生的油比I型少,但产生的量仍然足以使带有II型的沉积矿床成为石油烃源岩,在加热下产生油气混合物。

III型:腐殖质型

III型干酪根来源于陆生植物体内的有机物质,包括纤维素、木质素(一种由将纤维素串结合在一起的苯基-丙烷单元形成的非碳水化合物聚合物)以及萜烯和酚类。煤炭就是是一种主要由III型干酪根的有机物沉积岩。III型干酪根产油量是最低的,在加热下主要产生气体(最近的研究表明,III型干酪根在极端条件下实际上可以生产油)。

IV型:惰性/残基型

IV型干酪根主要包括多环芳烃形式的惰性有机物,没有生产碳氢化合物的潜力。

当干酪根沉积在岩层中时,由于地壳中的岩石应力和地热梯度,随后的沉积和渐进的埋藏或覆盖层提供了逐步升高的压力和温度,导致干酪根组成的进一步的转化,包括氢,氧,氮,硫及其相关化学基团的丢失,以及随后的异构化和芳构化,使得干酪根达到热成熟状态。芳构化使得干酪根混合物中的分子堆积,并反过来驱动干酪根的物理特性的变化,例如分子密度、镜质体反射率和孢子着色度(随着深度/热成熟度增加,黄色至橙色至棕色至黑色)的增加。

国内外对于干酪根以及石油的生物起源研究已经相当成熟,以至于相关的术语都直接采用生物来源作为干酪根的分类命名,诸如藻型(对应湖相型)、浮游生物型(对应海相型)、腐殖质型(对应陆相型),所以石油的生物质起源在业界没有质疑。干酪根的巨大储量使得全球产生了不少的石油和天然气储量,但实际上这些油气资源不过是干酪根资源的一小部分。还有大量的干酪根储藏量并未达到形成油气的程度。

我们也不应该低估微生物在数十亿年来对地球面貌的改造,10^16吨的干酪根并不算多,想想——地球的氧气几乎都来自于微生物的固碳作用,而大量的岛礁都是建立在藻类和软体动物的尸体之上。

上图:藻类尸体堆积形成的层叠岩

上图:层叠岩剖面,能够观察到微生物生长的过程,这是用时间堆积起来的奇迹。

所以我们有理由相信,干酪根也经历了这样的历程。[悟空问答·小宇堂——未经授权,严谨转载]

石油和天然气的形成

当干酪根在地壳中加热到合适的温度时(产油温度范围50-150°C,产气温度范围150-200°C)不同类型的干酪根或释出原油或释放天然气。当这些干酪根以高浓度存在于岩石中,例如富含有机物的泥岩页岩时,它们就可能形成烃源岩(烃源岩包括油源岩、气源岩和油气源岩,习惯上通常叫作生油岩)。富含干酪根但未加热到所需温度以产生碳氢化合物的页岩则可能形成油页岩沉积物(也就是现在美国大张旗鼓开采的页岩油)。

上图:石油和天然气的产生过程,图片很形象,大家意会吧。

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