關(guān)于石油成因“碳酸鹽決定論”等之評論

何志高

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

石油無機(jī)成因的觀點(diǎn)或?qū)W說，引起學(xué)術(shù)界關(guān)注的時(shí)間可以認(rèn)為是從19世紀(jì)開始，由元素周期表主要創(chuàng)立者門捷列夫提出；隨后，到20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)學(xué)者庫得列耶夫采夫放棄有機(jī)成因?qū)W說，轉(zhuǎn)變并激烈主張石油的無機(jī)成因論；尤其在“費(fèi)—托方法”人工大量制造石油制品后,再加之如干酪根熱降解成因?qū)W說本身遇到種種難以解釋的矛盾和石油發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)多樣化等，使得石油無機(jī)成因說日益增加，愈演愈烈。筆者認(rèn)為，這是科學(xué)發(fā)展的一種必然性。而中國科學(xué)院李慶忠院士等對無機(jī)成因作出了深刻而有力的批判[1]。本文在前人有關(guān)石油成因研究的基礎(chǔ)上提出問題，并對“濕封閉體系微生物和碳酸鹽主導(dǎo)生油理論”[2]做了進(jìn)一步的分析解讀，得出了“石油成因碳酸鹽決定論”的新觀點(diǎn)。

1 關(guān)于石油無機(jī)成因存在的問題

(1)2個(gè)代表性油田原油的對比。沙特加瓦爾油田原油，代表世界上最大的海相碳酸鹽巖油田的原油；中國大慶油田原油，代表陸相碎屑巖油田的原油。這2個(gè)代表性油田的地質(zhì)年代相同，都是中生代，但其原油的物理性質(zhì)和組成相差懸殊(表1)，它們沒有任何相似性，沒有任何關(guān)聯(lián)。

多數(shù)石油無機(jī)成因論者認(rèn)為，石油是自發(fā)地在地幔中產(chǎn)生[1,3-5]，并被擠壓到地殼的上層；化學(xué)反應(yīng)是費(fèi)—托合成反應(yīng)，反應(yīng)物質(zhì)是一氧化碳和氫氣。眾所周知，一種化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)、同樣的反應(yīng)物質(zhì)和同樣的反應(yīng)條件，一定生成組成基本相同的化學(xué)產(chǎn)物，否則，人類數(shù)以萬計(jì)的化工產(chǎn)品怎么能生產(chǎn)出來？這應(yīng)該說是常識。

(2)原油普遍性特征與人工合成油品個(gè)性的差別。人工合成油品中的大量烯烴和甲醇、乙醇在所有原油中不存在；而原油中普遍存在、有些含量還很高的硫等成分，在人工合成油品中卻不存在。

(3)海相和陸相原油成分存在巨大差異，碳酸鹽巖和碎屑巖原油成分也存在巨大差異。這些巨大差異人所共知，怎樣解釋？

(4)不同年代原油成分存在差異。例如原油中的釩、鎳和硫，從新生代至古生代，釩/鎳的比值增高；非金屬元素硫也是如此，又怎樣解釋？

(5)同一原生油藏的原油，同一個(gè)原油樣品，原油沒有任何色層分異：分子量58的丁烷與分子量為數(shù)百的高分子烴類化合物同在，沒有重力色層分異；沸點(diǎn)幾度與幾百度的原油餾分同在,沒有餾分分異；黏度相差數(shù)百倍、千倍的低分子量原油烷烴與黏度極高的原油膠質(zhì)瀝青質(zhì)同在，沒有分子極性差異分異。如果去實(shí)驗(yàn)室看一張最簡單的汽油餾分色譜圖，所有這些色層分異都會一目了然。然而，如果是“生成于地球深處地幔的無機(jī)生成原油”要“擠壓到地殼的上層”，必然存在上述種種色層分異，而且，這么長距離，又必定是極其不規(guī)則，可以想象，這個(gè)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“干酪根成因?qū)W說”的排烴和初次運(yùn)移難題。

(6)一氧化碳與氫氣的費(fèi)—托合成反應(yīng)本身的問題。這些問題基本上都是普通化學(xué)的問題。一氧化碳與氫氣，2種物質(zhì)相態(tài)轉(zhuǎn)化差別巨大，極大地影響反應(yīng)進(jìn)行；一氧化碳和氫氣的反應(yīng)，有一個(gè)合理比例的問題；催化劑的要求是極其嚴(yán)格的；地幔中一氧化碳和氫氣的數(shù)量，這個(gè)數(shù)量與地球上原油的數(shù)量能否相匹配的問題。有人說氫氣數(shù)量很多，即使如此，那一氧化碳夠嗎？人工合成是在人造的設(shè)備中完成的化學(xué)反應(yīng)，而與在地幔這個(gè)誰都說不清的“設(shè)備”中可能完成的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行對比，而且是生成大量的原油，合適嗎？

(7)原油中存在著大量不穩(wěn)定的化合物，有的熱穩(wěn)定性很差。例如高分子的硫醇類化合物，二硫化物、噻吩等化合物，在地幔的高溫條件下根本不可能存在。

(8)歷史上，石油無機(jī)成因論者總以“金剛石包裹體”作為有力“證據(jù)”，但這早已被論證，那是煤類物質(zhì)，不能作為石油無機(jī)成因的證據(jù)。那“從地幔生成后被擠壓至地殼的上層”的原油，運(yùn)移長達(dá)數(shù)千米、萬米[5]198(松遼盆地莫霍面最深為29 km)，而且一定要有直徑巨大無比 、其形狀更難以想象的運(yùn)移通道，歷史上沒有此類發(fā)現(xiàn)的報(bào)道。美國著名的亞利桑那州大峽谷，從老到新的整合地層，一桶原油也沒有流出來；海拔8千多米的珠穆朗瑪峰，歷史上也沒有哪一位登山者報(bào)道過發(fā)現(xiàn)石油；前不久在江蘇油田附近的超深井也無石油，如此等等。

(9)宏觀油田的地質(zhì)實(shí)體實(shí)證。很多油田，例如大慶油田，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)大密度的鉆井，對巖心的研究[6]表明，其為河流—三角洲體系(包括沖積扇砂礫巖體、河口砂壩、分支河口砂壩等)，油田和三角洲沉積密切相關(guān)。近90歲的中國科學(xué)院謝學(xué)錦院士自述[7]，他父親謝家榮院士早在勝利油田發(fā)現(xiàn)之初，就寫了一篇評論：“這個(gè)只是巨人的頭發(fā)，油就在這些河道里生成，而巨人的頭在渤?！?，幾十年后渤海大油田的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了當(dāng)年他父親的正確認(rèn)識。謝家榮是發(fā)現(xiàn)大慶油田的功臣之一，石油地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)極為豐富。在中國還有一大批一輩子從事油田研究的地質(zhì)專家，他們提出石油是“土生土長”的科學(xué)認(rèn)識[8]55。所有這些宏觀油田的地質(zhì)實(shí)體實(shí)證，是無機(jī)成因說無法回避的重大問題。

2 碳酸鹽協(xié)同微生物主導(dǎo)生油的實(shí)踐與地球化學(xué)基礎(chǔ)

筆者認(rèn)為，濕封閉體系微生物和碳酸鹽主導(dǎo)生油理論[2](以下簡稱濕生油理論)，最重要的是碳酸鹽的作用，是碳酸鹽協(xié)同微生物主導(dǎo)直接生油作用；碳酸鹽還創(chuàng)造了沉積盆地水生生物生成的良好環(huán)境和營養(yǎng)，從而為濕封閉體系提供生油的主要物質(zhì)基礎(chǔ)?？梢钥隙ǖ卣f，沒有碳酸鹽，就沒有石油的生成，當(dāng)然，對一個(gè)盆地而言也就沒有油田。碳酸鹽的作用時(shí)間有2個(gè)：一個(gè)是在“濕封閉體系”之中；另外一個(gè)是在形成濕封閉體系之前，沉積物沉積之前的整個(gè)地質(zhì)過程。這2個(gè)作用都很重要，兩者作用機(jī)理、時(shí)間、地點(diǎn)和條件都不一樣，因此，兩者不可混淆。

2.1 碳酸鹽在濕封閉體系內(nèi)部的作用

在濕封閉體系內(nèi)部，由微生物脫去脂肪酸的羧基直接形成石油烴類的生物化學(xué)反應(yīng)，是濕生油理論的化學(xué)基礎(chǔ)。該反應(yīng)在形成一分子烴類的同時(shí)生成一分子二氧化碳。二氧化碳與石油烴類是“雙胞胎”。該反應(yīng)是在一種水介質(zhì)中進(jìn)行的，反應(yīng)生成的烴類在水中溶解度很小，密度比水小，因此，自然地離開水相進(jìn)入封閉體系的上部，在濃度上對該化學(xué)反應(yīng)沒有顯著影響。而二氧化碳則因?yàn)樾再|(zhì)不同，在水中有一定溶解度，在一定范圍內(nèi)，其溶解度隨壓力增加而增大；二氧化碳在水中濃度增加，生成石油烴類的生物化學(xué)反應(yīng)必然減慢，直到終止反應(yīng)。為了該反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行下去，二氧化碳必須從水溶液中除去[質(zhì)量作用定理，勒夏特列( Le CHATELIER)原理]。根據(jù)基本地質(zhì)學(xué)原理，在這樣一種沉積作用和過程中，能夠和二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在數(shù)量和性質(zhì)上，消除二氧化碳影響的物質(zhì)只有碳酸鹽。這種結(jié)論，不是推理推論，而是有大量證據(jù)的科學(xué)結(jié)論。例如，所有原生油藏儲油砂巖沒有或者很少有碳酸鹽膠結(jié)物，孔隙度和滲透率都高于非含油砂巖(順便提示，沒有碳酸鹽的事實(shí)，過去相關(guān)人員錯(cuò)誤地解釋為“碳酸鹽被原油溶解了”)。另外，所有原生油藏原油的伴生水礦化度很高，也是碳酸鈣被轉(zhuǎn)變成重碳酸鈣反應(yīng)中消耗了大量水，從而使伴生水被高度濃縮。這些都是實(shí)證。因此，結(jié)論是：沒有碳酸鹽就沒有石油的生成反應(yīng)，就沒有石油；碳酸鹽協(xié)同微生物主導(dǎo)生成石油是恰當(dāng)又必然的定義。同時(shí)，我們還可以看到，有碳酸鹽存在的生成原油的化學(xué)反應(yīng)，為原油本身開辟了運(yùn)移通道及存儲場所，分散的石油易于得到聚積，油田就此形成。

綜上所述，濕生油理論將在濕封閉體系中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)由以下簡化了的2個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式表示。式(1)是微生物在有水的條件下直接生油反應(yīng)；式(2)是碳酸鹽在有水的參與下和有水的條件下，去除二氧化碳，協(xié)同微生物完成直接生油的反應(yīng)。

2.2 碳酸鹽在濕封閉體系形成之前的作用

碳酸鹽作為濕封閉體系中石油生成的主導(dǎo)者，在沉積之前的整個(gè)過程，通常劃分為碎屑沉積與化學(xué)沉積2大類。每一種類有著結(jié)構(gòu)和性質(zhì)行為上的較大差異，同時(shí)，兩者也有共同的性質(zhì)和作用。在理論上，筆者定義碳酸鹽在這一個(gè)領(lǐng)域的作用是為濕封閉體系提供沉積有機(jī)物質(zhì)。當(dāng)然，碳酸鹽越多，環(huán)境越有利，作用越強(qiáng)，生成的有機(jī)物質(zhì)越多，為濕封閉體系提供的生物數(shù)量就越多。其原理用以下2個(gè)化學(xué)反應(yīng)式表達(dá)：

在化學(xué)反應(yīng)式(3)、(4)中，反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物分子下的注腳，表明該反應(yīng)中的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物都處于水介質(zhì)之中，而且，根據(jù)生物化學(xué)和物理化學(xué)的基本原理，這些都是有利于反應(yīng)進(jìn)行的一種獨(dú)特因素。反應(yīng)(4)式中下注腳[RCOOH]示意代表反應(yīng)式(1)中的可以生油的脂肪酸的醣類。

另外，除了上述反應(yīng)式及其原理，重碳酸鹽在水溶液中的溶解產(chǎn)物將使水介質(zhì)呈弱堿性，無疑也是一種有利于水生生物生成繁衍的重要因素。

2.3 大慶油田與碳酸鹽

《大慶油田地質(zhì)概況》[6]如此結(jié)論：“薩爾圖、葡萄花、高臺子油層是一套連續(xù)沉積的砂巖，縱向上具有連續(xù)的旋回性。高臺子往上，油層由薄變厚，砂巖由細(xì)變粗，鈣質(zhì)含量由多變少”。由此可見，大慶科技人員已經(jīng)認(rèn)識到了：碳酸鹽(鈣質(zhì))與巖性有關(guān)，與油層有關(guān)。

更加有意義的研究是：由《地學(xué)前緣》[9-10]報(bào)道的松遼盆地松科1井白堊系青山口組、嫩江組沉積有多種類巨厚連續(xù)多旋回碳酸鹽沉積物和含碳酸鹽沉積物，例如白云巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r以及灰質(zhì)泥巖等，還有極其豐富的介形類化石。筆者認(rèn)為，這些碳酸鹽巖正是碳酸鹽主導(dǎo)生油理論最有力的證據(jù)。就是這些碳酸鹽在松遼盆地白堊紀(jì)地層沉積階段，碳酸鹽如上述化學(xué)反應(yīng)式所示，為盆地水體生物提供著豐富的營養(yǎng)和良好的生成環(huán)境，大量水生生物得以繁衍，濕封閉體系得到豐厚的生油物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)然，碎屑碳酸鹽沉積物和自生碳酸鹽都能保證微生物生烴反應(yīng)的進(jìn)行，由此也創(chuàng)造了油氣的運(yùn)移通道和儲存場所。因此，筆者認(rèn)為，松遼盆地白堊系豐富的碳酸鹽沉積物(特別是連續(xù)多旋回碳酸鹽沉積)揭示大慶油田富油的奧秘已經(jīng)初見端倪。

2.4 無油沉積盆地——渭河盆地

渭河盆地?zé)o碳酸鹽沉積層，是一個(gè)無油沉積盆地的典型代表[11]。

渭河盆地是中國大型含油氣盆地——鄂爾多斯盆地南緣的一個(gè)衛(wèi)星盆地，根據(jù)資料[8]介紹，渭河盆地為一典型的斷陷盆地。20世紀(jì)60年代，中國當(dāng)時(shí)全國石油地質(zhì)普查六分之一的力量投入該地區(qū)，“對找到有工業(yè)價(jià)值的油氣田可能性應(yīng)較大”[8]287。第一次普查，9口井總進(jìn)尺3萬多米，未見油；數(shù)年后，“受華北地區(qū)在新生代斷陷盆地找到油田的啟發(fā)”，又經(jīng)過數(shù)年普查勘探，總進(jìn)尺66 538 m，最深井5 205 m，還是未見油。最終，以“有機(jī)物未達(dá)成熟階段”作為結(jié)論。以后又是新單位新人又在該地區(qū)做了相當(dāng)多的石油普查勘探，至今無油氣發(fā)現(xiàn)。筆者認(rèn)為，該盆地?zé)o油，根本不是有機(jī)物質(zhì)“不成熟”的問題。井深超過5 000 m無石油顯示，而相距不遠(yuǎn)的秦嶺大巴山以東的小盆地——南陽盆地，油層埋深約2 000 m。筆者在渭河盆地工作過數(shù)年，看過地質(zhì)錄井資料與巖心(全部地層，5千多米)，無碳酸鹽巖層(東部邊緣項(xiàng)城組薄的泥灰?guī)r不屬于斷陷盆地主體)，有機(jī)物質(zhì)含量普遍不高。因此，筆者將渭河沉積盆地作為無碳酸鹽就沒有石油的實(shí)證——科學(xué)的結(jié)論；作為“濕生油理論”的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一；作為一個(gè)無油沉積盆地的典型代表。

2.5 無魚河與揭示其無魚之謎

根據(jù)CCTV10科教頻道2016《地理中國》報(bào)道，從陜西少華山流出的羅紋河，是一條無魚河。有1千多年記載歷史以來，這條長達(dá)數(shù)十公里的流入渭河的主要支流，自古代以來水量豐沛，河水無污染，無不利生物生長成分，但河里始終無魚。

陜西師范大學(xué)延軍平教授等實(shí)地考察探究“羅紋河為何無魚”。延教授指出：“有沒有魚的問題，不是一個(gè)簡單的生物學(xué)問題或者說動物學(xué)問題，它與生態(tài)環(huán)境有關(guān)系”。

筆者從報(bào)道的資料中發(fā)現(xiàn)，河流水源自秦嶺山脈花崗巖，花崗巖中不含碳酸鹽。筆者認(rèn)為：沒有碳酸鹽是無魚的真正原因，其原理就是本文上述化學(xué)反應(yīng)式(2)～(4)。

2.6 碳酸鹽與魚類“物種多樣性”對比研究

根據(jù)韋日鋒等[12]對中國廣西河池地區(qū)魚類資源調(diào)查及兩支流的魚類多樣性比較，得出結(jié)論：紅水河水系的魚類的多樣性較柳江水系豐富，其主要原因?yàn)榧t水河流經(jīng)區(qū)域喀斯特地貌發(fā)育。筆者由此對比，認(rèn)為碳酸鹽是生物物種多樣性的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，其原理同樣可以從化學(xué)反應(yīng)式(2)～(4)得到揭示。

2.7 中東—波斯灣油田與碳酸鹽

眾所周知，中東—波斯灣的海相油田，幾乎全部都是碳酸鹽或與碳酸鹽密切相關(guān)的沉積區(qū)域。只是學(xué)者都僅僅把碳酸鹽看成是一種通常地質(zhì)概念中的沉積環(huán)境，一種沉積物類型，一種沉積巖；沒有認(rèn)識到碳酸鹽協(xié)同微生物主導(dǎo)生油的作用，沒有認(rèn)識到碳酸鹽對生物生命的意義及其原理。當(dāng)然，更加沒有認(rèn)識到碳酸鹽主導(dǎo)生油的作用以及科學(xué)原理和價(jià)值。筆者在本文還想特別強(qiáng)調(diào)，世界上最大的油田——加瓦爾油田，其主力生油巖，是實(shí)際生產(chǎn)原油的儲油巖。

3 結(jié)論

(1)碳酸鹽的基本化學(xué)性質(zhì)對生油和地球生物至關(guān)重要。

(2)碳酸鹽協(xié)同主導(dǎo)生油理論認(rèn)為，陸相和海相生油的基本地球化學(xué)原理相同；任何沉積盆地沒有碳酸鹽沉積就沒有石油；渭河盆地是一個(gè)無碳酸鹽古物源沉積因而無油的典型代表；中國最大油田大慶油田因?yàn)橛胸S富的碳酸鹽古物源沉積，因而富油。