索柯洛夫在1889年也注意到石油和巖漿的成因聯(lián)系并提出石油生成的“宇宙說”,其依據(jù)是太陽系中行星天體光譜分析發(fā)現(xiàn)有甲烷,以及烴類化合物可由費-托合反應(yīng)無機合成。他認為碳氫化合物是在地球尚處于熔融狀態(tài)時就已存在于大氣圈中,后隨著地球冷卻收縮凝結(jié)于地殼上部,并沿裂隙分離出來,當有孔隙性地層和其上被非滲透層覆蓋時則可聚集成油氣藏。
庫德梁采夫在1951年繼承了門捷列夫和索柯洛夫的思想,提出“巖漿說”,認為碳氫化合物的是那些不只在行星和太陽上有,而且在地球的巖漿中也有的碳和氫形成的。在巖漿上升過程中,溫度逐漸降低,活性很強的甲炔基基團發(fā)生聚合作用,依次變?yōu)閬喖谆?CH2)、甲基(CH3)、甲烷(CH4),最后形成烴類物質(zhì);一氧化碳也能直接合成烴類物質(zhì),且在高溫高壓下形成氫和其他元素參與的烴類化合物。
克魯泡特金在1955年認為石油天然氣與烴類巖漿起源,其實并無關(guān)系,提出固態(tài)地球是由行星冷的宇宙塵和氣體組成的,這些氣體是指參加到組成地球和其他行星的原始物質(zhì)中的氦、氮、碳氫化合物。由克魯泡特金本人主持的1976年、1985年、1991年全蘇《地球排氣作用與大地構(gòu)造》學術(shù)會議,以及由德米特里耶夫斯基主持的2002年、2006年、2008年、2010年全俄和獨聯(lián)體國家《地球排氣作用:地球動力學、地球流體、石油與天然氣(碳氫化合物及生命)》學術(shù)會議,都強調(diào)了地球是冷球的思想。
上述關(guān)于烴類是否來源于巖漿的分歧,在杜樂天1996年提出的“烴堿流體地球化學”中得到統(tǒng)一。地幔流體是烴堿流體,烴類和堿類是烴堿流體的兩大組成部分。烴堿流體既可以交代地幔巖形成玄武巖巖漿,又可以交代地殼巖石和沉積巖形成中酸性火山巖。以超臨界態(tài)存在的地幔烴堿流體在上升過程中,不斷與圍巖發(fā)生交代作用,不斷從圍巖獲得金屬和硅質(zhì)組分。在臨界溫度(水的臨界溫度是374.2℃)烴堿流體將轉(zhuǎn)化為含烴、含金屬、非金屬、稀土元素的熱液,這些熱液組分將在合適的溫壓和地層條件下分異形成金屬、非金屬、油氣礦藏。所以,金屬、非金屬礦床中伴生烴類,而石油中則富含大量的金屬、非金屬、稀土等不相容元素。
石油和巖漿是地幔流體作用的不同產(chǎn)物,從深部斷裂上來的石油、從泥火山上來的石油和巖漿噴發(fā)通道上來的石油,它們都是源于烴堿流體。烴堿流體地球化學理論既支持了克魯泡特金地球是冷球的思想,又解釋了門捷列夫、索柯洛夫和庫德梁采夫觀察到的石油與巖漿的關(guān)系問題。從這個意義上說,烴堿流體地球化學原理就是中國版的石油無機成因理論。烴堿流體中的烴類組分就是幔源油氣的源頭。
幔源油氣概念是現(xiàn)代石油地質(zhì)學的核心。為了明確現(xiàn)代石油地質(zhì)學與陸相生油理論、海相生油理論和以往無機成因理論的區(qū)別,本文提議用“幔源油氣理論”或“幔源油氣地質(zhì)理論”來概括現(xiàn)代石油地質(zhì)學。
必須指出,來自鈾礦地質(zhì)的地幔烴堿流體的概念已經(jīng)為上地幔與軟流層地球化學研究、鈾礦地質(zhì)研究和其他金屬非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)研究所證實。
幔源油氣的生成和演化
天然石油作為H-C體系的成員,由具有高還原性的烴類分子混合物組成,并且這些烴類分子具有高的化學勢,大部分呈液態(tài),因而天然石油處在明顯的非平衡狀態(tài)。關(guān)于組成石油的烴類分子存在和起源的首要科學問題是:在什么樣的熱力學條件下,具有高化學勢和高還原性的分子是如何演化的?
這是一個化學熱力學穩(wěn)定性問題。這個問題與石油可能存在的巖石特征無關(guān),也與在石油中發(fā)現(xiàn)的微生物的特性無關(guān)。
建立在近代原子和分子理論、量子統(tǒng)計力學和眾數(shù)理論基礎(chǔ)之上的化學熱力學研究對上述問題給予回答。石油分子是C-H體系分子,而生物分子是C-H-O體系分子。所有C-H-O體系生物分子(以葡萄糖為代表,其分子式是C6H12O6)的化學勢(化學位、吉布斯自由能)都小于CH4的化學勢。C-H-O體系生物分子的質(zhì)量越大其化學勢越低,而C-H體系烴類分子與之相反,質(zhì)量越大其化學勢越高。熱力學第二定律禁止低化學勢分子向高化學勢分子發(fā)生自然演化。
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