地球上的石油到底是怎么来的？

当腐烂的植物和微生物被困在沉积物中时，就会形成石油和天然气，在数百万年的时间里，它们被埋在地球深处，地下的热量和压力将它们转化为有用的碳氢化合物，例如石油和天然气。

石油和天然气是天然存在的化学物质，仅由碳和氢两种元素组成。基于碳和氢的化学物质称为碳氢化合物。最简单的碳氢化合物甲烷由一个碳原子和四个氢原子组成。其他碳氢化合物（如辛烷和十八烷）的结构更为复杂。塑料就是由碳氢化合物的聚合物制成，是复杂的很长的烃链交联而成。

生物的自然结局

当生物死亡时，通常可能会有三种结局：

• 被掠食者或微生物吃掉 ；
• 暴露于环境空气或富氧的水体中，生物尸体会氧化。这意味着 物质中所含的氢、碳、氮、硫和磷与空气中存在的氧原子结合。有机物分解为水（H2O）、二氧化碳（CO2）、硝酸盐、硫酸盐和磷酸盐来滋养植物。
• 埋藏于地下形成化石。

烃源岩的形成

经有机物分解形成的含碳氢化合物的岩层被称为烃源岩。

埋藏于地下的生物尸体有一小部分（约0.1％）会逃脱被微生物吃掉、被氧化掉的命运。如果通过水的搬运这些生物体的尸体有时会沉入海底或大型的湖泊，并在这些缺氧的环境中部分保存，并远离水流的扰动。生物尸体中的有机物与自然界的无机物质（例如粘土颗粒和非常细的沙子）混合，甚至还可能与海洋中死去的浮游生物（微生物）的尸体混合之后，被厌氧细菌转化为深色形成了有臭味的泥浆。随着时间的流逝，这些混合的臭泥浆会堆积并硬化。含有至少1％至2％有机物的泥浆有可能会转变成烃源岩（或者源岩），最终形成油气矿藏。

上图：裸露在地表的烃源岩（深色层，高级碳氢化合物显现出沥青般的黑色）。

1％至2％，这个百分比似乎很低，这是因为该过程要能够发生需要一些特定的条件：

• 要有炎热的气候利于大量浮游生物的生长；
• 靠近主要河流入口的位置，此河流携带大量植物残骸堆积在此区域；
• 附近没有山脉可以限制岩石中无机沉积物的量。

源岩沉陷

大量积聚的沉积物因重量原因非常缓慢地将源岩进一步推到地壳之下，每百万年左右就从几米增加到几百米。这种逐渐下沉的过程称为沉陷，并导致沉积盆地的形成。

当沉入地下时，烃源岩将受到越来越高温度的地热的影响，构成岩石的有机物被堆积的沉积物的重量压碎，平均每100米压力增加25个大气压。在地下一公里处，温度可达到为50°C，压力为250个大气压。

在这样的物理条件下，氮、硫和磷原子逐渐转化为干酪根 ，即由水、二氧化碳、碳和氢组成的中间物质，然后再转化为油或气。

上图：烃源岩的沉陷。油气在沉陷的过程中逐步形成。

腐烂的有机物要在源岩中转化为碳氢化合物需要数百万年的时间。随着沉淀的进行，化学反应会产生构成液态或气态烃的碳氢化合物。然后，碳氢化合物缓慢向上移动，直到被不透水的岩石捕获，并在储层中完成富集。

6000万年，是石油和天然气形成的平均时间长度。

石油和天然气的形成方式

在地下2000米的深度处，当温度达到100°C时，干酪根开始释放出某种具有防腐特性的碳氢化合物（这些防腐化学物质可能对未来形成的油气起到一定的防腐作用，从而有利于石油的保存，否则石油也有变质的可能） ：

• 在2000至3800米之间，干酪根可变成石油。该深度区间被称为油窗。
• 当干酪根进一步下沉至3800至5000米之间时，液态烃的产量将达到顶峰。产生的液体变得越来越轻，并逐渐变成甲烷气体，这是最轻的碳氢化合物 。该深度区间被称为气窗。
• 在8至10公里深度处就不会有碳氢化合物生成了，因为它们会被高温所破坏。

上图：烃源岩（Source Rocks）与油气圈闭(Trap)的关系。

• Oil Window - 油窗
  

• Gas Window - 气窗

• Anticline - 背斜圈闭

• Fault Trap - 断层圈闭

• Stratific Trap - 地层圈闭

• Reef or Salt Trap - 礁块或盐圈闭

• Reservoir Rock - 储集岩

以这种方式产生的液体和气体的比例取决于烃源岩的类型。如果有机碎片主要由动物尸体组成，那么它将产生的石油多于天然气。如果主要由植物残渣组成，则烃源岩将主要产生天然气。

据估计，烃源岩每百万年的平均沉积量为50米，死去的动物变成液态烃要花费6000万年。因此，石油被列为不可再生能源就不足为奇了 。

此后，地下的高压往往会将碳氢化合物从烃源岩中挤出到所谓的储集岩中。储集岩是某些特定类型的岩石，例如砂岩，其特征是孔隙大到足以允许诸如石油、天然气和水之类的流体渗透进入。由于石油和天然气的密度低于水，因此在含水丰富的地层中它们将向上浮动。如果没有什么因素阻止这种迁移，那么石油和天然气甚至可能会渗出到达地面，成为露天油井和气井。这些油气井往往可以被人类发现，在古代人类就有利用天然油气井的经验。

如果没有渗出地面的油气会在储集层的顶部富集形成油气田，这就是现代石油工业勘探和采掘的对象。

关于油气圈闭

圈闭有两种主要类型：

• 由构造板块运动引起的地质层变化形成的构造圈闭。储层岩石有时会变形，直到形成一个完全密封的空间。这些背斜圈闭是圆顶形的，是构造圈闭的最常见类型 。
• 地层圈闭由未经历构造变形的沉积层组成。在这种情况下，盖岩完全密封了储集岩。例如，在类型的疏水阀中，盐丘可以充当盖岩。

圈闭包含了碳氢化合物，但也包含了残留水。因为碳氢化合物比水密度低，所以碳氢化合物会迁移到地下水位的上方。

上图：四种圈闭类型构造示意。

圈闭内可包含：

• 仅石油，但具有大量溶解的天然气。
• 仅天然气，但包含被称为凝析气的轻质液体烃。
• 石油和天然气。在这种情况下，比油轻的气体会积聚在圈闭的顶部。

如果对圈闭的油气储藏进行了开发，则溶解在原油中的天然气将转化为主要用作燃料的液化石油气（LPG）。凝析气将被精炼以生产石脑油（石化工业中用作原料）或煤油（航空中的燃料）。

油气的变质

碳氢化合物一旦被圈闭，仍然有变质的危险，变质可能会损害其商业价值。

在不到1000米的深度处，源岩和储集岩可能会被流水渗透（沉淀）。这种水包含细菌和氧气，它们与天然气和石油接触，会触发化学反应，将其分解为水和二氧化碳。

细菌和氧气通常会攻击轻质和中等碳氢化合物的分子。一段时间后，这些碳氢化合物会显着降解，只剩下未降解的比油气更难提取的粘性固体烃（例如石蜡和沥青）。

上图：细菌对烃源岩的分解作用，以及随深度增加干酪根分离出油气。

• Kerogen - 干酪根
  

• Oil - 油

• Gas - 天然气

• Bacteria - 细菌

• Organic Matter - 有机物

在1000米以下，大多数情况下温度会高于50°C，那些可能导致降解的细菌无法生存。尽管不再受到细菌或氧气的威胁，但位于地下深处的圈闭可能会受到构造活动的影响，而且有些圈闭就是通过这种方式形成的。构造活动可能会导致岩石破裂和形成断层，破坏密封层，并使碳氢化合物泄漏出疏水圈闭。剧烈的地震对于石油圈闭的影响尤为严重。

总结

石油肯定是来自于远古动植物的尸体，是地球碳循环的一个重要部分。烃源岩和干酪根是地球碳固定和碳储藏的主要形式之一。石油的生物起源是人类石油工业公认的常识，石油工业的大量术语都与石油的生物起源有关，诸如根据海相浮游生物、陆湖相植物等对烃源岩和干酪根进行分类。石油之所以是不可再生是因为石油的形成速度太慢而人类开发速度太快。石化燃料是地球大气二氧化碳的主要来源。