石油元素组成研究的成因及环境意义

刘 君 宋 岑 于艳玲

[摘要]通过分析石油的化学元素组成,对比当今存在争议的石油成因的无机(矿物成因)说与有机说的理论基础,提出石油的成因及环境意义。

[关键词]石油元素组成成因储集环境

中图分类号:TE99文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0820012-01

一、前言

元素组成是化学组成的基础,石油是元素循环过程中的中间产物,在不同条件下,由不同物质通过不同的途径可形成在性质、结构、成分上有巨大差别的石油。因地质构造的复杂性,它们也可以有各不相同的储存方式和产出状态。[8]

二、石油的组成化学元素

组成石油的元素主要是碳和氢,其次是氧、硫、氮。其中,碳、氢元素含量一般为97-99%(碳占84-87%,氢占11-14%),其余3种元素仅占1-4%。[2]

碳、氢元素含量变化与石油的化学组成密切相关。[2]随分子量的增加,碳含量增高,氢含量减少。氧、硫、氮含量变化一般与非烃化合物尤其是胶质沥青质有关[8]。

由实验可知,石油与有机组分在元素组成上相似,都以碳氢为主,但在元素含量上又有显著差异,石油中碳氢元素含量高于有机质中的任一组分,而氧含量很低,这不仅为石油有机成因说提供了成因上的证据,而且还表明从有机质向石油演化是一个“脱氧、加氢、富集碳”的过程。[8]

原油的微量成分及地球化学特征是表征石油成因的重要标志。如亲铁元素主要集中于铁镍核中,特别是铼金属被公认为是地球的核幔成分。辽河油田原油、克拉玛依油田乌尔禾沥青及塔里木盆地下古生界沥青的Pb、sr、Nd同位素组成特征表明了石油更多地与下地壳、上地幔流体有关,证明了石油是深部幔源产物。[10]因此,研究石油微量成分及地球化学特征可以探寻石油的成因。

微量元素在石油中的浓度分布与其在有机质中的分布极为相似,说明石油和原始有机质在成因上有密切联系。

三、石油的成因

研究可燃矿物的成因、分析可燃矿藏形成过程与地质环境的关系是地质学研究的一个基本方向,可使我们阐明油气藏和其他矿藏形成和分布的时空规律,确定合理的自然资源的生态体系[1]。

(一)有机成因说。“现代油气成因理论”认为石油主要是由有机质生成[4],且进一步认为石油是分散有机质在成岩作用早期转化而成的[5]。石油与有机物间的联系是有机生油论的主要论据,石油的旋光性、石油成分中的硼族化合物、相似的微量元素都证实了这一点[1]。由我国科学家创立的陆相成油理论(潮湿与干燥气候的时代转变,长期的深坳,有利于生油层的形成;内陆、潮湿、坳陷、强烈坳陷的盆地、淡水——半咸水的迅速堆积的巨厚的湖泊相沉积、有机质丰富、还原环境是陆相生油的基本条件[3])是有机成因说的最好证明。

油气有机成因论认为满意的地球化学证据是碳、氦等气体同位素,但这些同位素作为物源判识是不太可靠的,因为影响碳同位素组成的因素还有:流体中含碳物质间、流体与围岩间的同位素交换,脱氢作用、细菌氧化、pH值等等(张景廉等,1998)[9]。

(二)矿物成因(无机成因)说。石油矿物成因说的实质是将油气的生成和油气藏的形成看作是一种由地球脱气造成的分布极广泛的自然,其化学基础在于:在高温高压、有天然催化剂参与下,矿物是可以转化为烃类的。而在地球深部是完全满足这三个条件的。

张景廉及同事首次将固体同位素Pb、Sr、Nd应用于原油定年与示踪研究。经多年实验研究,获得了一批极为宝贵的干酪根、沥青的Pb、Sr、Nd同位素数据,从而对塔里木盆地、准噶尔盆地原油的形成年龄及成因演化有了新的认识:(1)干酪根与沥青不同源,前者为壳源,后者为幔源、下地壳;(2)原油生成年龄,在克拉玛依为294Ma,在塔里木为872Ma;(3)原油运移年龄:在克拉玛依为122Ma;在塔里木,初次运移为440Ma,二次运移年龄为250Ma;(4)克拉玛依原油生成环境为俯冲带地幔,而塔里木则为下地壳麻粒岩相,说明在塔里木、准葛尔盆地的原油是无机成因。[9]

油气深源无机成因学说认为上地慢上涌的液气相物质是油气形成的母质,深断裂为油气母质的通道,与深断裂相联系的孔隙网络系统为油气储集空间,渗透性较低的各类岩系为油气的遮挡圈闭。[4]

四、石油的生成储集环境

油田的形成经过了石油的生成、运移、聚集三个阶段。油田形成必须由生、储、盖和圈闭一整套要素构成。盖层覆盖在储集岩上面或侧面,防止油、气的散逸。在石油形成、运移前圈闭必须形成。[7]

分析显示,世界各大油气田总以各种方式与隐伏的深大断裂或基底断裂相沟通,断裂和油气总是同时出现在一个剖面上。[6]因此,被动大陆边缘盆地、板块俯冲的主动边缘弧后盆地以及推覆、褶断所形成的圈闭中,都是聚集、保存深部上涌烃类流体的有利地区。油气藏的规模常受断裂的纵深展布、张开程度以及储、保岩系的展布空间的控制。[6]尤其是石油中含有地壳稀少而地球深部富集的元素更是说明石油中有来源于地球深部,其含有的生物质中未见的元素则是证明了石油存在无机成因的可能性。

五、结论

1.石油的微量元素及Pb、Sr、Nd同位素组成特征证明了部分石油来源于地球深部;2.石油储集体系必须具备一定的密封度,其密闭方式可以是渗透性相对低的岩系,也可以是不渗透岩层形变形成的叫圈闭,总而言之,要“下有来路,上有仓库”;3.根据大量前人油气资料分析,我们可以知道石油的成因是相当复杂的。有机成因和无机成因各执一词,但我们认为石油主要还是有机成因,但也不否认地球上的相当部分石油是属于无机成因。

参考文献:

[1](俄)Y.A.Romanov,V.N.Fomi,石油成因的无机说和有机说,新疆石油地质,2004,25(5):571-573.

[2]陈家良、邵震杰、秦勇编著,能源地质学,中国矿业大学出版社,2005,6:74-80.

[3]戴金星,油气地质学的若干问题[J].地球科学进展,2001,16(5):700-717.

[4]李水福,石油源于源岩层而成于储集层[J].新疆石油地质,2008,29(1):113-116.

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

[6]符晓,探索无机成因油气藏的地质条件兼论四川盆地西部找油气方向[J].石油实验地质,1987,9(3):211-217.

[7]藤田嘉彦,火山岩油田的成因[J].世界地质:1988,7(4):66-72.

[8]曾国寿、徐梦虹主编,石油地球化学,北京:石油工业出版社,1990.

[9]张景廉、曹正林、张宁,关于无机生油理论的思考[J].石油实验地质,1999,21(1):8-11.

[10]张之一,关于石油深部起源的若干问题[J].新疆石油地质,2006,27(1):112-117.