石油和天然气发现之谜

Answer 1

从全世界勘探和开发石油及天然气矿藏几百年历史来看，99.9%以上的油气矿藏都在沉积岩中，只有极少量的石油和天然气储藏在火成岩或变质岩中。经实际分析，即使这些很少量的石油和天然气也大都是沉积岩中的石油和天然气渗流进去的。这个事实充分说明了石油和天然气是在沉积岩中形成的。

新疆是我国最大的一个省（区）份，国土面积为166.49万平方千米。在这广阔的面积内是否到处都能生成石油和天然气呢？不是的。那么，新疆在哪里才有沉积岩呢？经过50多年来广大地质工作者的艰苦勘探，具有一定厚度和具有油气勘探价值的沉积岩盆地有30多个（表4-4-1），总面积约90万平方千米。

表4-4-1 新疆主要沉积岩盆地一览表

从表中我们知道，在新疆已勘探的沉积岩盆地中，已找到大小80多个油气田，这些石油和天然气是怎样生成的呢？那么就要了解在漫长的地史时期中，有机质是怎样生成石油和天然气的。

（一）油气物质来源探秘

从人们开始勘探石油和天然气开始到目前为止，世界上经过勘探所找到的石油储量约1300亿吨。而新疆已进行勘探的沉积岩盆地——塔里木、准噶尔、吐哈、三塘湖、焉耆等盆地，到2007年底，累计探明石油储量38亿吨，探明天然气储量1.3万亿立方米。人们自然会问，沉积岩中的有机物质是否有足够的数量作为生成大量石油和天然气的物质基础呢？

根据近年来地球科学工作者研究，有机物质在沉积岩中的分布十分广泛，地球上沉积岩中的有机物质总含量约为3000万亿吨，而地球上煤和石油的储量分别为5万亿吨和2千亿吨，也就是说，它们仅为沉积岩中有机物质总量的1/600和1/15000。

上述数据说明，作为生成石油和天然气的原始有机物质总量是十分充分的，完全能够满足生成石油和天然气的需要。

这些有机物质是从何而来的呢？根据古生物和地质历史的研究，地球上有生命的物质的出现是很早的，远在距今10亿年左右的元古宙，地球上就有很低等的藻类等生物。随着地球的发展，生活在地球上的生物也得到了繁殖和发展。在距今大约5亿～6亿年的古生代时期，出现了大量的生物，当时几乎所有动物的主要门类都有了。在距今3.5亿～4亿年的古生代泥盆纪时期，水生生物得到了巨大发展，原始的水生植物扩展到陆地，占据了地球表面的各个部分。发展到现在，地球上已经有了几百万种动物和植物。在地球的任何部分，从波涛汹涌的海洋到宁静的湖泊，从奔腾的河流到辽阔的平原，从地球的空气层到地面以下的土壤里，从气温常变的沙漠到风雪交加的两极，都有各种类型的生物生活着。据统计，现在地球上活着的生物可达10万亿吨。在过去的地质时代中，各种生物不断地繁殖、发展，老的死亡，新的出生，死亡之后的尸体在一定条件下保存下来，形成了各地质时代中的丰富的有机物质。特别是低等生物，它们的繁殖速度（即在一定时间内产生和死亡的数量）是非常惊人的，例如一个硅藻（低等植物的一种），在不受任何限制的理想条件下，8天之内就可以繁殖地球那么大的体积。

在现代海洋中，有不少地方可以看到，由于低等生物的繁殖，而使大片大片的海域变成绿色、深棕色或蓝色。有人统计过，全世界所有海洋，在水深100米厚的这一层水体中，单是浮游生物每年可产生600亿吨的有机碳，有机碳是从有机物质中分析出来的碳素。

陆地上也同样有着极其丰富的有机物质。如果把地球上的内海、内陆湖泊、海湾等地区的有机物质统统计算起来，它的数量是非常巨大的。这样巨大数量的有机物质并非都能保存下来，但是地质年代是漫长的，是以百万年为计算单位的。因此，即使只有很少部分有机物质被保存下来，其总的数量还是很可观的。据石油地质工作者测定，塔里木盆地暗色沉积岩石中的有机质含量平均占岩石重量的1.2%，有的高达3.88%（侏罗系七克台组），这类岩石厚度有两千余米，分布面积达50多万平方千米，可见当时保存下来的有机物质是很丰富的。这些有机物质就是生成塔里木盆地极其丰富的石油和天然气的原始材料。准噶尔、吐哈、三塘湖、焉耆等盆地与塔里木盆地相同，沉积岩中的有机物质含量也很丰富，生成的石油和天然气也很丰富。

总之，可以肯定，在地质历史中，有机物质作为生成石油和天然气的原始材料，在数量上是可以满足需要的。由于低等生物比高等生物的繁殖速度要大得多，因此，一般认为低等生物是生成石油和天然气的主要物质（图4-4-1）。

（二）油气生成条件探秘

塔里木、准噶尔、吐哈等盆地内沉积岩中有机物质本身的性质，决定了它能够变成石油和天然气。因此，有机物质的存在为石油和天然气的生成提供了依据。但是，有机物质能不能变成石油和天然气，还需要有适当的外界条件。正如鸡蛋要有适当的温度才能变成小鸡一样，没有适当的外界条件，有机物质也不能变成石油和天然气。

首先，要有保存有机物质的地质环境。否则，有机物质不可能保存下来。例如，把有机物质（各种生物的尸体）暴露在空气中，时间长了就会慢慢地被氧化，即通常称之为腐烂，氧化以后生成气体跑到空气中，剩下一些残渣。这正像烧煤一样，燃烧以后，煤炭就和空气中的氧气相结合，生成二氧化碳，从烟囱里跑掉，剩下一堆灰。因此，有机物质在空气中是不可能被保存下来的。那么，有机物质在什么样的地质环境条件下才能保存下来，并向石油和天然气变化呢？根据地质勘探实践，首先需要有比较广阔的低洼地区，曾经长期被水（海水或湖水）淹没。有机物质在这样的水域沉积下来，而水层又起到了隔绝空气的作用。虽然水中也有一定量的氧气，但当这些氧气氧化一部分有机物质而消耗以后，其他大量的有机物质就能够被保存下来。因此，在地质历史中，曾经是浅海、海湾、湖或大陆上的湖泊等地理区域是生成石油和天然气的有利地区。确定这些低洼地区的存在，是根据分布在这些地区的沉积岩岩性特征得来的，地质上叫泥岩、砂质泥岩分布地区在地质历史上一般都是较低洼的地区。曾经是深海的地区，并不利于有机物质保存，因为有机物质要沉积下来，需要通过很厚的水层，而被水中的氧所氧化掉了。

其次，需要在浅海、湖泊等低洼地区的周围和水中，有大量的生物繁殖，特别是微体生物的繁殖。这些低洼地区处在良好的气候条件下，为生物大量的滋生创造了良好条件。因此，气候条件是生油的外界条件之一。有没有大量的有机物质存在，可以从沉积岩中的生物遗迹，即化石的丰富情况来判断。

最后，需要有陆地上经常输入大量的泥沙或其他矿物质到浅海或湖泊中去，迅速地把从陆地上输送来的和水体中死亡的生物体埋藏起来，形成与空气隔绝的还原环境，从而不让它们腐烂成为气体向空气中扩散而消失。这就需要这些低洼地区，随着地壳的运动，边沉降边沉积，即陆生和水生的生物死亡以后同大量的泥沙和其他物质一起沉积下来。沉积盆地不断地沉降，沉积物一层一层地加厚，老的沉积物被新的沉积物所覆盖，沉降多少，沉积物的厚度就增加多少，长期保持水的一定深度，就能长期地形成还原环境。在这样的地质环境下，才可能有极其丰富的有机物质被保存下来，并在还原环境中向石油和天然气转化。新疆的塔里木、准噶尔和吐哈等盆地的地层厚度达万米以上，这么厚的地层，显然是在边沉降边沉积的过程中形成的（图4-4-2）。

总之，还原环境是有机物质保存并向石油和天然气变化的外界条件，而还原环境的形成则需要有良好的地理条件、气候条件和地质条件。这些条件在塔里木、准噶尔、吐哈等盆地的某些地质历史上都具备。

（三）油气生成过程探秘

在认识了生成石油和天然气的原始物质和它们的生成环境的基础上，就可以对石油和天然气的生成过程有个概括的了解，即：生成石油和天然气的原始材料是有机物质，这种有机物质既有陆生的，也有水生的，既包括动物，也包括植物，而以繁殖量最大的低等生物为主。有机物质从陆地上搬运下来，或从水体中沉积下来，同泥沙和其他矿物质一起，在低洼的浅海或湖泊中沉积下来，形成了淤泥，这种有机淤泥被新的沉积物覆盖，造成了氧气不能自由进入的还原环境。随着低洼地区的不断沉降，沉积物的不断加厚，有机淤泥所承受的压力和温度不断地增大。同时，在细菌、压力、温度和其他因素不断的作用下，处在还原环境中的有机物质逐渐地变成石油和天然气。这是一个漫长的、复杂的变化过程，一直持续到含有机物质的淤泥经过压实和固结作用而变成沉积岩石，形成生油层，在时间上往往要经过数百万年。

有机物质变成石油和天然气的过程，不是一个简单的物理变化或化学变化过程，而是包含着许多作用因素。长期以来，人们根据石油和天然气生成的地质和地理条件，在实验室里进行实验，发现细菌、温度、压力、催化剂和放射性等因素都起一定的作用。例如，温度可以使有机物质发生热分解而生成烃类；压力能够促使低分子的烃类变成高分子烃，使不饱和的烃变成饱和烃；当把一种厌氧细菌和植物一起放在封闭的容器里，经过十多年后，可以见到烷烃的生成；用粘土作催化剂，在比较高的温度（100℃以上）下，可以使脂肪发生变化，而得到类似石油的碳氢化合物等。总之，促使有机物质变成石油和天然气的能量来源是多方面的，其作用过程都比较复杂，尚待进一步研究。

大家都知道，准噶尔盆地的克拉玛依油田石油的蕴藏量十分丰富，这些石油是怎样生成的呢？原来早在1.8亿年到2.7亿年的地质历史中（地质上叫二叠纪、三叠纪），准噶尔盆地是一个与海隔绝的内陆湖泊。当时气候温暖潮湿，在湖泊周围的陆地上和湖泊中的淡水里，繁殖着各种动植物，特别是浮游动物的介形虫、鱼类和甲壳类的叶肢介等大量繁殖。这些生物死亡之后，同周围河流带来的泥沙一起在湖盆底部沉积下来。地壳运动引起的湖盆底部不断地沉降，沉积物一层一层地加厚，经过漫长的地质年代，以至形成了巨厚的湖相沉积岩层，在这些沉积岩层中含有极其丰富的有机物质。在盆地边缘出露的二叠纪、三叠纪的地层及打井过程中取得的岩心、岩屑中，都见到了大量的生物遗迹——化石，如介形虫、叶肢介的介壳、鱼类的骨架和植物枝叶的痕迹等，这就可以推断当时生物是多么丰富。正是这些生物的遗体在还原环境下变成了石油和天然气，后来，这些石油和天然气聚集起来形成了克拉玛依油气田。

（四）油气生成现代证据探秘

前面已介绍了对油气生成的认识。现今地球上仍然广泛地存在着浅海或湖泊等低洼地区，在这些低洼地区的近代沉积物中是否存在丰富的有机物质？是否存在生成油气的条件和油气生成的过程呢？显然，以将今论古的办法，研究近代沉积物中的生成油气条件和生成油气过程，将能更加充实和完善我们对地质历史中油气生成的认识。从这个观点出发，我国石油科技工作者对青海省的青海湖和湖南省的洞庭湖中的近代沉积物进行了研究，国外石油科技工作者也曾在黑海、里海和墨西哥湾等地进行了研究。这些研究工作取得了一定的成果，归纳起来有以下几点认识：

第一，在这些低洼地区的水体中和近代沉积物中，确实存在着大量的有机物质。例如，青海湖中，除有丰富的鱼类以外，还有很多浮游生物和底栖生物（即生活在水底的生物），特别是微生物硅藻占75%以上。据统计，欧洲的黑海有100万吨各种鱼类和100万种微生物，而微生物的产量每年可达80亿吨。在青海湖的近代沉积物中也发现了丰富的有机物质，并且发现有机物质在不同类型的沉积物中的分布也有一定的规律，越细的沉积物中有机物质的含量越丰富。这是由于沉积物越细，当时的水体越稳定，越容易形成还原环境，从而越有利于有机物质的沉积和保存。

第二，从这些低洼地区的近代沉积物中提取出来的有机物质经实验室化验，其化学成分和物理性质与石油近似。把淡水泥质沉积物中的有机物质的元素组成与石油以及浮游生物三者加以比较（表4-4-2）。可以看出，近代沉积物中有机物质的元素组成介于有机物质和石油之间，显然它比浮游生物更接近于石油。

表4-4-2 石油、沉积物中的有机物质和浮游生物元素组成对比表（%）

另外，对近代沉积物中有机物质的碳氢化合物含量进行了分析，发现随着沉积物所处的深度加深，其中有机物质的碳氢化合物含量也在增加，而相对的氧、硫、氮等化合物的含量减少。这说明，越往深处，近代沉积物中的有机物质越接近石油。

这些研究成果表明，在近代沉积物中存在着石油和天然气生成的过程，这个过程就是现在也还在进行着。从现在仍然有生油过程的存在，可以加深对古代生油过程的认识，并说明这种认识是比较符合客观实际的。