石油元素組成研究的成因及環境意義

劉 君 宋 岑 于艷玲

[摘要]通過分析石油的化學元素組成,對比當今存在爭議的石油成因的無機(礦物成因)說與有機說的理論基礎,提出石油的成因及環境意義。

[關鍵詞]石油元素組成成因儲集環境

中圖分類號:TE99文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0820012-01

一、前言

元素組成是化學組成的基礎,石油是元素循環過程中的中間產物,在不同條件下,由不同物質通過不同的途徑可形成在性質、結構、成分上有巨大差別的石油。因地質構造的復雜性,它們也可以有各不相同的儲存方式和產出狀態。[8]

二、石油的組成化學元素

組成石油的元素主要是碳和氫,其次是氧、硫、氮。其中,碳、氫元素含量一般為97-99%(碳占84-87%,氫占11-14%),其余3種元素僅占1-4%。[2]

碳、氫元素含量變化與石油的化學組成密切相關。[2]隨分子量的增加,碳含量增高,氫含量減少。氧、硫、氮含量變化一般與非烴化合物尤其是膠質瀝青質有關[8]。

由實驗可知,石油與有機組分在元素組成上相似,都以碳氫為主,但在元素含量上又有顯著差異,石油中碳氫元素含量高于有機質中的任一組分,而氧含量很低,這不僅為石油有機成因說提供了成因上的證據,而且還表明從有機質向石油演化是一個“脫氧、加氫、富集碳”的過程。[8]

原油的微量成分及地球化學特征是表征石油成因的重要標志。如親鐵元素主要集中于鐵鎳核中,特別是錸金屬被公認為是地球的核幔成分。遼河油田原油、克拉瑪依油田烏爾禾瀝青及塔里木盆地下古生界瀝青的Pb、sr、Nd同位素組成特征表明了石油更多地與下地殼、上地幔流體有關,證明了石油是深部幔源產物。[10]因此,研究石油微量成分及地球化學特征可以探尋石油的成因。

微量元素在石油中的濃度分布與其在有機質中的分布極為相似,說明石油和原始有機質在成因上有密切聯系。

三、石油的成因

研究可燃礦物的成因、分析可燃礦藏形成過程與地質環境的關系是地質學研究的一個基本方向,可使我們闡明油氣藏和其他礦藏形成和分布的時空規律,確定合理的自然資源的生態體系[1]。

(一)有機成因說。“現代油氣成因理論”認為石油主要是由有機質生成[4],且進一步認為石油是分散有機質在成巖作用早期轉化而成的[5]。石油與有機物間的聯系是有機生油論的主要論據,石油的旋光性、石油成分中的硼族化合物、相似的微量元素都證實了這一點[1]。由我國科學家創立的陸相成油理論(潮濕與干燥氣候的時代轉變,長期的深坳,有利于生油層的形成;內陸、潮濕、坳陷、強烈坳陷的盆地、淡水——半咸水的迅速堆積的巨厚的湖泊相沉積、有機質豐富、還原環境是陸相生油的基本條件[3])是有機成因說的最好證明。

油氣有機成因論認為滿意的地球化學證據是碳、氦等氣體同位素,但這些同位素作為物源判識是不太可靠的,因為影響碳同位素組成的因素還有:流體中含碳物質間、流體與圍巖間的同位素交換,脫氫作用、細菌氧化、pH值等等(張景廉等,1998)[9]。

(二)礦物成因(無機成因)說。石油礦物成因說的實質是將油氣的生成和油氣藏的形成看作是一種由地球脫氣造成的分布極廣泛的自然,其化學基礎在于:在高溫高壓、有天然催化劑參與下,礦物是可以轉化為烴類的。而在地球深部是完全滿足這三個條件的。

張景廉及同事首次將固體同位素Pb、Sr、Nd應用于原油定年與示蹤研究。經多年實驗研究,獲得了一批極為寶貴的干酪根、瀝青的Pb、Sr、Nd同位素數據,從而對塔里木盆地、準噶爾盆地原油的形成年齡及成因演化有了新的認識:(1)干酪根與瀝青不同源,前者為殼源,后者為幔源、下地殼;(2)原油生成年齡,在克拉瑪依為294Ma,在塔里木為872Ma;(3)原油運移年齡:在克拉瑪依為122Ma;在塔里木,初次運移為440Ma,二次運移年齡為250Ma;(4)克拉瑪依原油生成環境為俯沖帶地幔,而塔里木則為下地殼麻粒巖相,說明在塔里木、準葛爾盆地的原油是無機成因。[9]

油氣深源無機成因學說認為上地慢上涌的液氣相物質是油氣形成的母質,深斷裂為油氣母質的通道,與深斷裂相聯系的孔隙網絡系統為油氣儲集空間,滲透性較低的各類巖系為油氣的遮擋圈閉。[4]

四、石油的生成儲集環境

油田的形成經過了石油的生成、運移、聚集三個階段。油田形成必須由生、儲、蓋和圈閉一整套要素構成。蓋層覆蓋在儲集巖上面或側面,防止油、氣的散逸。在石油形成、運移前圈閉必須形成。[7]

分析顯示,世界各大油氣田總以各種方式與隱伏的深大斷裂或基底斷裂相溝通,斷裂和油氣總是同時出現在一個剖面上。[6]因此,被動大陸邊緣盆地、板塊俯沖的主動邊緣弧后盆地以及推覆、褶斷所形成的圈閉中,都是聚集、保存深部上涌烴類流體的有利地區。油氣藏的規模常受斷裂的縱深展布、張開程度以及儲、保巖系的展布空間的控制。[6]尤其是石油中含有地殼稀少而地球深部富集的元素更是說明石油中有來源于地球深部,其含有的生物質中未見的元素則是證明了石油存在無機成因的可能性。

五、結論

1.石油的微量元素及Pb、Sr、Nd同位素組成特征證明了部分石油來源于地球深部;2.石油儲集體系必須具備一定的密封度,其密閉方式可以是滲透性相對低的巖系,也可以是不滲透巖層形變形成的叫圈閉,總而言之,要“下有來路,上有倉庫”;3.根據大量前人油氣資料分析,我們可以知道石油的成因是相當復雜的。有機成因和無機成因各執一詞,但我們認為石油主要還是有機成因,但也不否認地球上的相當部分石油是屬于無機成因。

參考文獻:

[1](俄)Y.A.Romanov,V.N.Fomi,石油成因的無機說和有機說,新疆石油地質,2004,25(5):571-573.

[2]陳家良、邵震杰、秦勇編著,能源地質學,中國礦業大學出版社,2005,6:74-80.

[3]戴金星,油氣地質學的若干問題[J].地球科學進展,2001,16(5):700-717.

[4]李水福,石油源于源巖層而成于儲集層[J].新疆石油地質,2008,29(1):113-116.

[5]欒作峰,渤海盆地石油成因的探討[J].海洋科學,1989,(4):2-8.

[6]符曉,探索無機成因油氣藏的地質條件兼論四川盆地西部找油氣方向[J].石油實驗地質,1987,9(3):211-217.

[7]藤田嘉彥,火山巖油田的成因[J].世界地質:1988,7(4):66-72.

[8]曾國壽、徐夢虹主編,石油地球化學,北京:石油工業出版社,1990.

[9]張景廉、曹正林、張寧,關于無機生油理論的思考[J].石油實驗地質,1999,21(1):8-11.

[10]張之一,關于石油深部起源的若干問題[J].新疆石油地質,2006,27(1):112-117.