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石油有机成因理论简介

已有 3001 次阅读 2019-7-28 12:22 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 石油, 有机成因

石油有机成因理论认为生物体,包括浮游植物、浮游动物,细菌以及陆上高等植物,是生成石油和天然气的来源。这些生物死亡之后,它们的残体被沉积埋藏形成沉积岩中的有机质。随着沉积有机质埋藏深度加深,温度升高,沉积有机质发生热降解,历经数百万年或上亿年转化为石油和天然气。

石油界经常把生成石油的烃源岩比喻为厨房。我们下面用在厨房做一碗冬瓜排骨汤的过程来理解石油有机成因理论。做一碗冬瓜排骨汤首先需要原料,巧妇难为无米之炊,原料是必不可少的。冬瓜排骨汤的原料很简单,就是冬瓜和排骨;生成石油和天然气的原料也很简单,主要是海洋或湖泊中生活的浮游植物、浮游动物,细菌,以及一些陆地高等植物。厨房需要有厨房环境,一个厨房需要有冰箱给食物保鲜,需要有灶台来给食物加热,需要油烟机来排掉厨房油烟,需要水池来清洗蔬菜;生成石油和天然气也需要一个良好的环境,主要包括生物体生长和繁殖环境,生物死亡之后残体保存以及转化环境。做汤火候很重要,火候不够,冬瓜排骨不熟;火候过了,汤煮干了,冬瓜排骨汤成了冬瓜炒排骨。地下沉积有机质也一样,只有达到一定温度才会生成大量石油。而且温度也不能太高,如果温度太高,生物有机质可能被“烧”成焦炭或石墨。做冬瓜排骨汤需要小火慢炖半小时左右,生成石油时间稍微长些,需要“慢炖”几百万年到数亿年。

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                            冬瓜排骨汤                                             砂岩中的石油

1.       原料

生成石油的主要原料是浮游植物,其次是浮游动物,高等植物和细菌。恐龙,猴子或者鲸鱼等高等动物不包括其中,与浮游生物相比,高等动物生物量微不足道。浮游植物主要是浮游藻类,现今全世界藻类植物有4万多种,其中硅藻是最重要的浮游植物。在海洋和湖泊都生存大量藻类植物。我们常吃的紫菜和海带等都是浮游藻类植物。

浮游植物从太阳吸收能量,从水体获得养分。浮游植物通过光合作用吸收二氧化碳,释放氧气。地球百分之80的氧气基本是通过浮游植物光合作用产生的。浮游植物是地球上固碳的重要生物,浮游植物光合作用生产的有机碳总量数倍于高等植物生产的有机碳总量。

温度,光照以及水动力条件是影响浮游植物生长和分布的最显著因素。湖泊浮游藻类主要生活在沿岸带和河口带,这里光照充足,而且有河水携带的外源营养补充。湖心区水体深,光照不足,浮游藻类数量少。在海水中浮游藻类主要生活在浅水阳光充足水域。如果环境条件适宜,营养物质丰富,浮游植物个体数增长非常快速,在湖畔和海水中大量繁殖,使水体呈现绿色或红色等色彩,这种现象被称为“水华”或“赤潮”。

有些浮游植物会发出生物荧光,受到海浪冲击,这些浮游植物就开始活跃起来,产生发光效果。李安在电影《少年Pi的奇幻漂流》中向观众呈现了这一美景。

浮游动物种类繁多,数量极大。现今原生浮游动物和甲壳浮游动物都各有3万多种,腔肠浮游动物约有9000多种。我们熟悉的水母和海蜇等都是浮游动物。浮游动物主要以浮游植物为食,本身也是鱼类的重要饵料。浮游动物中对生成石油最重要的是放射虫,有孔虫和翼足类浮游动物。

浮游生物包括浮游植物和浮游动物是海洋中最主要生物,占海洋总生物量的百分之95以上。浮游生物对海洋生态环境起着至关重要的作用。

陆地高等植物是生成煤和天然气的主要原料 部分高等植物生物分解产物被河水从陆地携带到湖泊或海洋,成为生成油和气的“原料”。细菌本身是良好的生油“原料”,而且细菌也是催化剂,能够加速石油的生成。

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浮游植物和浮游动物                                                                海藻泛滥

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海上发光浮游植物                                                    李安电影    《少年Pi的奇幻漂流》

2.       环境

生成石油和天然气需要天然良好的“厨房”环境,“厨房”里生成石油和天然气的原料要充足,而且更重要的是要有“冰箱保鲜”,保持原料 “新鲜”,不会被氧化破坏。

生成石油和天然气的主要原料是浮游生物,浮游生物的产量取决于阳光,温度,湿度,含盐度和营养条件等因素。海洋湿温带浅海区以及大量温热带湖泊有良好的透光性和营养条件,有利于浮游生物大量生长和繁殖。海洋大陆架水深不超过200米,水体宁静,阳光充足,温度适宜,各种浮游生物异常发育;三角洲地区不但繁殖大量浮游生物,而且河水不断将陆地高等植物残体搬运而来,因而有机质含量特别高;海洋深海区阳光不足,不适于浮游生物生长。滨海区浪潮作用强烈,不利于生物有机质的保存。

大陆环境的深水和半深水湖泊水体稳定,为浮游生物提供良好的繁殖发育条件。而且湖泊能够汇聚周围河流搬运而来的大量陆源高等植物残体有机质,增加了湖泊营养和有机质数量。深水和半深水湖泊是非常有利的生油区。

海洋或湖泊浮游生物死亡之后其残体与矿物颗粒一起向水底下沉堆积。生物残体在下沉过程或在水底都很容易受到氧化和微生物的破坏。只有水体不是很深,水底是厌氧或贫氧环境才能很好地给石油原料“保鲜”。厌氧环境每升水中氧气溶解浓度低于0.1毫升,贫氧环境每升水中氧气溶解浓度介于0.1毫升到1毫升。水体循环流动会给水体补充氧分,因而厌氧或贫氧环境水体往往为静水。厌氧或贫氧环境中只有厌氧细菌才能生存,那些可以消化有机物的底栖生物在这种环境下不能生存;另外厌氧或贫氧环境氧气不足,有机物不会被氧化。厌氧或贫氧环境为有机物保存提供了良好的条件,是保存有机质的“天然冰箱”。

保存有机质的天然冰箱主要有三种不同类型:第一类有机沉积物保存环境是限流环境。限流环境接受地面河流淡水输入,但流出受限,这样水体从水面到水底形成密度不同的分层,降低了水体的垂向循环流动,造成深水区的静水厌氧环境。现在的黑海或者一些深水湖泊是限流环境很好例子。黑海最深处水深有2500米,但黑海只有25米与地中海相连。由于大量地面河水流入黑海,黑海表层水体基本上是低矿化度淡水。黑海表层淡水流入地中海,地中海咸水从海底流入黑海,这样在黑海产生一个淡水和咸水间的清晰界面。界面之上为低矿化度富氧环境,有利于浮游生物繁殖。界面之下为高矿化度厌氧环境,有利于浮游生物残体保存。浮游生物死亡之后其残体与一些粘土矿物颗粒一起向水底下沉,在湖底或海底沉积埋藏,形成富含有机质沉积岩,即烃源岩。

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第二类有机沉积物保存环境是有浮游生物大量繁殖和发育的浅海环境 。海洋深部富含营养成分的海水上涌,在浅海大陆架阳光充足地区促使浮游植物大量繁殖。浮游生物死亡之后其残体在下沉过程中被氧化降解,消耗掉海水中溶解的大量氧气。由于氧气的大量消耗,在海水一定深度以下建立起厌氧环境,这个深度是氧化还原界面。界面以上为氧化环境,界面以下为还原环境。浅海区生物繁盛,有机质保存完好,因此浅海区具有极为有利的生油条件。

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第三类有机沉积物保存环境受海洋深水洋流循环所控制。深水洋流如果遇到海底突起将会像海流上涌一样将水底富含营养成分的海水涌向海面,这样在广阔海洋中可以建立起厌氧环境。如果这种厌氧环境接近大陆架,会为大陆架产生的有机物保存提供良好条件。

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3.       火候

宋代大词人苏东坡创制了酥香味美的东坡肉,在被贬黄州时他曾写下一首《猪肉颂》:洗净铛,少著水,柴头罨烟焰不起。待他自熟莫催他,火候足时他自美。

厨房做菜火候非常重要。火指温度,侯指时间,生物残体有机质转变为石油最重要的条件也是火候。烃源岩有机质与矿物颗粒的沉积速度一般每1千年在1厘米到10厘米之间。随着沉积物增厚,埋藏深度加深,温度升高。当埋藏深度超过100米左右后,沉积有机质发生生物化学反应及化学降解,失去氧,氮,二氧化碳和水等成分,开始逐渐转化为干酪根。干酪根是一种复杂高分子聚合物,氢碳原子比高于初始有机质混合物,而氧碳原子比低于初始有机质混合物。

法国石油研究院蒂索按氢碳原子比和氧碳原子比的不同将干酪根分为三种不同类型:一型干酪根初始氢碳原子比高,初始氧碳原子比极低。这类干酪根主要来源于浮游藻类植物和细菌,具有极强生油能力,但一型干酪根比较稀少。二型干酪根初始氢含量低于一型干酪根,氧含量高于一型干酪根。二型干酪根主要来源于浮游植物,浮游动物,微生物以及一些从陆地搬运来的高等植物残体。世界石油资源大都来自于二型干酪根。三型干酪根初始氢含量低,氧含量高,主要来源于被河流搬运到海洋,湖泊的陆地高等植物。三型干酪根活性有机质含量少,而难降解有机质含量高,因而三型干酪根不利于生油,却是有利的生气来源。

随着有机质沉积和埋藏深度加深,温度越来越高。干酪根长链分子在高温条件下裂解为小分子,生成石油和天然气。干酪根发生热裂解首先需要合适的温度条件,温度低于60摄氏度,干酪根仍处于未成熟期。只有当温度达到60摄氏度以上,埋藏深度超过1500米左右,干酪根中活性有机质部分才开始缓慢裂解生成石油和天然气。温度在120150摄氏度是干酪根转化为石油的最佳温度,相应埋藏深度在3千米到4千多米左右。通常人们把适合生油的温度范围称为生油窗。如果温度高于150摄氏度,干酪根中更多长分子链以及已经生成的石油中的分子进一步发生裂解,生成天然气。适合生气的温度范围通常称为生气窗。如果温度高于200摄氏度,埋藏深度大于6千米,干酪根过度成熟,干酪根中大量氢原子被消耗,氢碳比降低,最终氢原子枯竭,只剩下干酪根惰性有机质成分被“烧糊”形成焦碳或矿物石墨。

石油的形成是非常缓慢的过程,通常需要几百万年到上亿年小火慢炖时间。时间越长,干酪根成熟度越高。干酪根向石油转化的时间和温度条件是可以互补的,时间和温度因素对石油的形成都起着重要作用“待他自熟莫催他,火候足时他自美”。

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           干酪根三种类型                                    干酪根发生热裂解生成油和气      

在厨房做好的冬瓜排骨汤需要上到餐厅供人们享用,同样烃源岩生成的油气也会经过长途运移到具有隔层和圈闭的构造部位累积形成地下油气藏。开发地下油气需要在地面打井,就像把一根吸管插入到地下油气藏。如果地下油气压力足够高,油气会自动从“吸管”流到地面,而如果地下油气压力不够高,则需要加外力“用力吸”,通常是采用下抽油泵来将流体从地下举升到地面。

也有“性急”的食客等不到冬瓜排骨汤上到餐厅,他们想直接到厨房去享用美食,这些“性急”的食客引发了发生于21世纪初,对世界能源业产生重大影响的“页岩革命”。




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