现代石油地质学——幔源油气理论

崔永强

（中国石油 大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712）

自然科学理论、实验、宇宙探测、石油勘探开发实践的进步及其取得的成就，使传统石油地质学由科学假说提升为现代石油地质学科学理论成为可能。

由于对石油生成的不同认识，人们提出石油有机成因和无机成因两种假说。有机成因假说即石油来自沉积有机质，富含沉积有机质的细粒沉积层即生油层。根据生油层成因的不同，以有机成因为核心的传统石油地质学，又派生出陆相生油理论和海相生油理论。

基岩油气藏[1]的发现既挑战了陆相生油理论，又挑战了海相生油理论。基岩即发育于盆地基底的变质岩和火山岩，基岩不具备有机成因所要求的沉积有机质。全球已超过30个盆地中发现了基岩油气。全球基岩油气藏石油储量为248×108t，天然气储量为2 681×108m3.因此，基岩油气藏存在本身否定了石油有机成因假说，包括陆相生油理论和海相生油理论。

前人已经在通往石油无机成因的道路上取得了丰硕的研究成果，石油来自地幔的认识获得越来越多的支持。

1 幔源油气概念

俄罗斯学者Д.И.门捷列夫1876年提出“碳化铁生烃说”[2]，认为地球深部的碳铁化合物遇到水之后，“铁或者其它金属与水中的氧反应生成氧化物，水中的氢分离出来，一部分是游离的，在氧化过程中，原来与铁结合在一起的碳也分离出来，与氢结合起来，生成碳氢化合物，这就是石油。石油一边上升一边冷却，在接受它们的地层中冷凝成液并聚集成矿”。用化学反应式表示就是：3FemCn+4mH2O→mFe3O4+C3nH8m.这个反应发生的地质环境就是熔融的岩浆。

В.Д.索柯洛夫也注意到石油和岩浆的成因联系，并提出石油生成的“宇宙说”[2]，其依据是太阳系中行星天体光谱分析发现有甲烷，以及烃类化合物可由无机物通过费-托合成反应合成。他认为碳氢化合物是在地球尚处于熔融状态时就已存在于大气圈中，后随着地球冷却收缩凝结于地壳上部，并沿裂隙分离出来，当有孔隙性地层和其上被非渗透层覆盖时则可聚集成油气藏。

Н.А.库德梁采夫继承了门捷列夫和索柯洛夫的思想，提出“岩浆说”[3]，认为碳氢化合物不只在行星和太阳上有，而且在地球的岩浆中也有。在岩浆上升过程中，温度逐渐降低，活性很强的甲炔基基团发生聚合作用，依次变为亚甲基（CH2）、甲基（CH3）、甲烷（CH4），最后形成较重的烃类物质；一氧化碳也能直接合成烃类物质，在高温高压下形成氢和其他元素参与的烃类化合物。

П.Н.克鲁泡特金认为，石油天然气与烃类岩浆起源，其实并无关系，提出固态地球是由冷的宇宙尘埃和气体组成的[3]，这些气体是指参加到组成地球和其他行星的原始物质中的氦、氮、碳氢化合物。由П.Н.克鲁泡特金主持的1976年、1985年和1991年前苏联《地球排气作用与大地构造》学术会议，以及由А.Н.德米特里耶夫斯基主持的2002年、2006年、2008年和2010年全俄和独联体国家《地球排气作用：地球动力学、地球流体、石油与天然气（碳氢化合物及生命）》学术会议，都强调了地球是冷球的思想。

Д.И.门捷列夫、В.Д.索柯洛夫、Н.А.库德梁采夫和П.Н.克鲁泡特金关于烃类是否来源于岩浆的分歧，在杜乐天提出的“烃碱流体地球化学”中得到统一[4]。地幔流体是烃碱流体，烃类和碱类是烃碱流体的两大组成部分。烃碱流体既可以交代地幔岩，形成玄武岩岩浆；又可以交代地壳岩石，形成中酸性火山岩。超临界态地幔烃碱流体在上升过程中，不断与围岩发生交代作用，从围岩获得金属和硅质组分。在临界温度（水的临界温度是374.2℃），烃碱流体将转化为含烃、金属、非金属、稀土元素的热液，这些热液组分将在合适的温压和地层条件下分异形成金属、非金属、油气矿藏。所以，金属、非金属矿床中伴生烃类，而石油中则富含大量的金属、非金属、稀土等不相容元素。

石油和岩浆是地幔流体作用的不同产物，从深部断裂、泥火山和岩浆喷发通道上来的石油，都是源于烃碱流体。烃碱流体地球化学理论既支持了П.Н.克鲁泡特金地球是冷球的思想，又解释了Д.И.门捷列夫、В.Д.索柯洛夫和Н.А.库德梁采夫的石油与岩浆的关系问题。从这个意义上，烃碱流体地球化学原理[4]就是中国版的石油无机成因理论，烃碱流体中的烃类组分就是幔源油气的源头。

幔源油气概念是现代石油地质学的核心。为了明确现代石油地质学与陆相生油理论、海相生油理论和以往无机成因理论的区别，本文提议用“幔源油气理论”或“幔源油气地质理论”来概括现代石油地质学。必须指出，来自铀矿地质的地幔烃碱流体的概念，已经为上地幔与软流层地球化学研究、铀矿地质研究和其他金属、非金属矿产地质研究所证实[5-6]。

2 幔源油气的生成和演化

天然石油作为C—H体系的成员，由具有高还原性的烃类分子混合物组成，并且这些烃类分子具有高的化学势，大部分呈液态，因而天然石油处在明显的非平衡状态。关于组成石油的烃类分子存在和起源的首要科学问题是：在热力学条件下，具有高化学势和高还原性的分子是如何演化的？这是一个化学热力学稳定性问题，这个问题与石油可能存在的岩石特征无关，也与在石油中发现的微生物的特性无关。

建立在近代原子和分子理论、量子统计力学和众数理论基础之上的化学热力学研究，对上述问题给予了回答[7]。石油分子是C—H体系分子，而生物分子是C—H—O体系分子。所有C—H—O体系生物分子（以葡萄糖为代表，其分子式是C6H12O6）的化学势（化学位、吉布斯自由能）都小于CH4的化学势。C—H—O体系生物分子的质量越大其化学势越低，而C—H体系烃类分子与之相反，质量越大其化学势越高（图1）。热力学第二定律表明低化学势分子不会向高化学势分子自然演化。

图1 自然生成碳氢化合物摩尔吉布斯自由能[7]

甲烷是唯一一种在标准温压条件下稳定的碳氢化合物。只有在压力大于3 000 MPa，温度大于700℃时（相当于地下深度约100 km），从甲烷形成正常烷属烃才有可能。因此，由氧化的有机分子，如碳水化合物（C6H12O6），形成较重的碳氢化合物，在任何条件下都是不可能的。

现代烃类起源的高压实验证明了Д.И.门捷列夫的设想[8]。所用的材料也是地球上最普通的大理石（CaCO3）、氧化亚铁（FeO）和蒸馏水（H2O），其化学反应方程式是：nCaCO3+（9n+3）FeO+（2n+1）H2O=nCa（OH）2+（3n+1）Fe3O4+CnH2n+2.与地幔条件相比，实验中采用碳化合物CaCO3是氧化的、低化学势的，所有这些使得系统更不容易将碳演化成重烷烃。实验结果发现[7]，当压力低于1 000 MPa时，没有重于CH4的烃类分子存在；当压力大于3 000 MPa时，烃类分子开始演化；当压力达到5 000 MPa，同时温度达到1 500℃时，系统自发地产生具有天然石油分布特征的甲烷、乙烷、正丙烷、2-甲基丙烷、2，2-二甲基丙烷、正丁烷、2-甲基丁烷、正戊烷、2-甲基戊烷、正己烷、2-甲基己烷、正戊烷、2-甲基戊烷和正己烷，直到正癸烷、乙烯、正丙烯、正丁烯和正戊烯（图2）。

化学热力学和高压实验研究是石油无机成因从假说迈向科学理论的重要转折。热力学第二定律指出了C—H体系分子向C—H—O分子进化的不可逆性，从而彻底否定了石油来自生命的假设；同时，也否定了费-托合成反应（包括在低压下生命物质加氢）生成天然气石油的可能性。因为低压下完成的费-托合成高度受控，有用中间产物需要不断移除，而在地层条件下，并不存在这样的过程。

图2 烷烃累计丰度与温度的关系[7]

3 幔源油气的运移和聚集

П.Н.克鲁泡特金指出：“有机成因说除了说明应该在沉积岩中寻找石油以外，就别无所有了”，“它不能给出适用于任何油区的找油原则”[3]。由此可见，以往石油勘探成果归功于有机成因说，并以此证明有机成因的正确性，这种说法并没有遵循实事求是的原则。传统石油地质学的核心工作就是优选圈闭[9]，有机成因理论无法回答圈闭中是否有油，从而把科学勘探降级为简单的试错行为。世界石油勘探成功率为10%～30%[10]，是通过试错获得的。

“世界上99%以上的油气田都分布在沉积岩区，这些沉积岩中都存在富含有机质的细粒沉积物”,这一地质事实曾经是石油有机成因的三个立论依据之一[11]。现已查明，沉积盆地对应上地幔软流层隆起，上地幔软流层隆起越高，沉积盆地含油气丰度越高[12]。

因为沉积盆地的形成不是孤立的沉积现象，而是地壳构造运动的结果。盆地中所发育巨厚的沉积体需要由下伏地层提供相应的沉积空间。由于上地壳的刚硬性质，相应沉积空间只能通过中地壳塑性层的侧向流动来提供。而中地壳和沉积层之间的密度差又必然导致重力失衡，这一重力亏空须由上地幔软流层隆起加以弥补。因此，上地幔软流层隆起与沉积盆地的形成是相辅相成的事件，是重力均衡作用的必然结果。上地幔软流层的隆起，必然导致地幔烃碱流体向软流层隆起顶部富集，同时，又会造成上地幔刚性岩石圈的张性破裂，软流层中的地幔烃碱流体将会通过这些张性破裂进入地壳，其中烃类组分或被地层捕获形成油气藏，或上升到盆地地表，进入盆地水体，或逸散到大气中（图3）。

图3 天然气（石油）-盐层-软流层-幔汁间关系示意[4]

幔汁（地幔烃碱流体，HACONS）中的钾、钠为盆地盐层沉积以及蒙脱石、高岭石的伊利石化和水云母化提供碱源。许多油气田中总发育盐层，在此得到根本解释：石油的形成由幔汁中的氢、烷合成而来，石膏被氢、烷还原则生成硫磺。

Д.И.门捷列夫指出：石油矿床的分布均与山脉的山脊走向平行[13-14]。现代盆地勘探中，也总结出“一条裂缝一个矿”的结论，并识别出“油源断裂”[15]和“气源断裂”[16]。遗憾的是，由于以往缺乏构造理论的支持，无法进一步把断裂控制油气的现象作为油气来源于深部的直接地质证据。大陆层控构造理论的创立解决了这个问题，证明与深部缺乏沟通的盆地缺乏油气。例如南秦岭前陆盆地，由于南秦岭上地壳底部刚硬的结晶基底向北秦岭中地壳塑性层快速顺层俯冲,造成盆地底部形成双层刚性上地壳，阻碍了深部流体上升到沉积盆地，导致沉积盆地油气缺乏。针对中国大陆东部、中部和西部的不同构造特点，大陆层控构造理论提出控制幔源油气的构造地质模式，即中国大陆东部断陷盆地盆-山系控油模式（图4），以松辽盆地和渤海湾盆地为例，油气藏定位于压剪性正断层附近；中部压陷盆地仰冲型冲叠造山带控油模式（图5），以鄂尔多斯盆地为例，油气藏定位于逆冲断层附近；西部压陷盆地厚皮纵弯隆起带控油模式（图6），以准噶尔盆地、塔里木盆地和四川盆地为例，油气定位于逆冲断层附近，厚皮纵弯隆起的真空抽吸作用是压陷盆地富集油气的动力源泉，随着盆地构造活动，深部油气资源将源源不断地向沉积盆地和已开发油气藏供给。

大陆层控构造理论比较完整地阐述了地幔构造、地壳构造与沉积层构造形成和演化关系[19]。在把构造地质学由几何学和运动学层次提升到流变学和动力学层次的同时，对推动石油地质学发展做出重要贡献。

完成油气藏在断陷盆地沉积层花状断裂体系内精确定位研究的是俄罗斯中央地球物理研究院А.И.齐穆尔基耶夫和他领导的团队。他们利用三维地震技术，在西西伯利亚盆地叶特—普罗夫油田侏罗系勘探中，获得了探井成功率100%的实践成果[20]，于2005年至2008年间，相继部署37口探井并全部获得工业油流，其中239号井获得日产油700 t，日产气49×104m3的最高产量。

图4 盆-山系及其深部构造成因机制剖面示意[17]

图5 仰冲型冲叠造山带成因机制剖面示意[18]

图6 青藏高原上地壳纵弯隆起及其产生的地质现象剖面示意[18]

А.И.齐穆尔基耶夫团队开发的小断距基底走滑断层控制油气模型，明确油气分布在走滑断裂带1.5 km以内、储集层应力应变状态不同决定其油气产量不同[21]，为石油勘探开发提供了强大的技术支持。如果说实践是检验真理的唯一标准，那么，100%的探井成功率则证明了幔源油气理论的真理性。

4 幔源油气上升的动力

地球排气作用是当代地球化学最重要的研究前沿。20世纪30年代，В.И.维尔纳茨基首先提出了地球排气作用观点。А.П.维诺格拉多夫建立了地球排气作用现代概念的基础，指出地球排气和熔融乃是地球化学演化的两大基本作用[22]。杜乐天结合铀矿地质实际，把地球排气理论进一步深化提高，终于发展成为幔汁（HACONS）理论[23-25]，把地球排气作用定义为超临界态地幔烃碱流体自地球深部自发向上、向外的辐射排放。地幔烃碱流体又称幔汁，指产生于地幔的氢、卤素、碱、碳、氧、氮、硫间的化合物热流体，主要成分是H-A-C-O-N-S，H代表氢、卤素和热流，A代表碱金属，C代表碳，O代表氧，N为氮，S为硫族。幔汁不包括硅铝酸盐，硅铝酸盐岩浆乃是幔汁与固相岩石反应的派生物。

幔汁在地球内部是垂直分带的，自深向浅顺次如下：地核中储存有巨量的氢；内核中有固态FeH存在[26]；外核液态Fe中又可以溶解大量H和H2，这在冶金上早已熟知[27]。内外地核的强大氢流是地幔流体的发源地及后盾。“氢流向上辐射的驱动力是压力差、温度差、黏度差、质量差、密度差、浓度差”[24]。当氢流向上穿透下—中地幔时，会把大量分散的活性很大的阳离子（在高压下它们从镁氧化物及硅酸盐晶格中被挤出并处于活化态）萃取并携带向上，其中最重要的萃取组分是Li，Na，K，Rb，Cs（呈氢化物形式），故称此时的幔汁为氢型幔汁（H—HACONS）；当氢型幔汁继续上穿到上地幔时，由于沿途萃取了大量碱金属而演化成碱型幔汁（A—HACONS）。上地幔软流层（体）、异常地幔及玄武岩、金伯利岩等的成因皆取决于碱型幔汁的渗入、富化和交代。当此地幔流体继续向上进入地壳后，则进一步演化为氧型幔汁（O—HACONS），地壳中的低速体和酸性岩浆就是由氧型幔汁造成的。

如果氧型幔汁或碱型幔汁沿深断裂带快速上升到上地壳浅处，由于压力和温度降低，冷却凝结为热液，出现热液作用。如果有过剩的气体或气相化合物与热液分离，继续向上，和地下水或海水混合后，则会形成陆上或海底喷气热泉以及水合天然气。地幔流体穿透地壳到达地表后，最后形成大气圈、水圈。

幔汁理论较为完整地解释了地球排气的物质来源、动力来源及其所引起的各种地质作用，这个理论所涉及的各个细节将对地球形成和演化研究产生重大推动作用。众所周知，大洋没有一块侏罗纪前的洋壳，地球正在经历大规模不对称膨胀[28]。对大洋开裂和地球膨胀过程中物质和能量来源的深入探索，将有助于对地球排气和地球形成与演化的理解。

5 已发现油气藏的储量供给

地球排气或幔汁辐射是地球演化的必然过程，在这个过程中，幔源油气源源不断地补充沉积盆地和已发现油气藏的储量[29]。

在Д.И.门捷列夫时代，人们已经注意到了各油田产量递减的事实，有人提出所有油田最终都会枯竭的看法。Д.И.门捷列夫根据自己的研究提出[15]：“至今在巴库周边的地下深处，仍在持续生成石油，这些产生的石油起源于渗入地球内部深处的水，或者以气态的形式通过地球深部所具有的裂缝到达上部地层，蓄积入石油储层中”。“在很长一段时间里，巴库油田存在着找到新的巨大的石油矿床的可能性”。他敏锐地观察到，宾夕法尼亚的油田是向平面扩展的，从1859年起，扩展长度超过200俄里（约合200 km）；而和宾夕法尼亚产量相当的巴库油田（年产量约合8 190 t），则表现为油井的深度不断加深，1880年时巴库油田油井深80俄丈（约合171 m），到1902年已经达到150俄丈（约合320 m）。

Н.А.库德梁采夫指出[3]，因为岩浆中形成石油的过程在不断进行着，古老的油气通过扩散作用早已逸散消失，所以，所有的油藏，包括寒武系中的油藏，都是年青的油藏。并且，依靠石油，在地球上才产生了生物，石油中含有生物所需要的一切化学元素，因此，石油不是来自有机物质，恰好相反，有机物质却是来源于石油。

加利福尼亚海湾中部的Guaymas盆地热液喷口石油14C年龄平均仅为4 692 a，证明石油正在生成[30]。中国近海的PL19-3油田的天然气沿垂直断裂在不断地逸散，而PL19-3油田却仍有巨大储量，表明自成藏以来一直有深部油气补给[31]。老油田产量超过储量的例子如美国墨西哥湾尤金岛330区块油田，该油田于1971年发现，到1997年底已采出原油1.59×108m3，而当时计算的可采储量仅4 880×104m3，表明原油一直有新的补给，油气组分也有变化[32]；俄罗斯伏尔加—乌拉尔盆地的罗马什金油田可采储量20×108t，到2002年已累计产油30×108t[33].另外，格罗兹尼油区的一些油田（如老格罗兹尼、十月、马尔戈别克等油田）累计采油量早已超过了可采储量[34]。

6 煤和天然气水合物

烃类的高压起源研究否定了煤和天然气水合物的生物成因。从煤和石油的化学成分来看，二者并无本质的区别。由此可以得到煤来自石油的基本结论。该结论基于大家公认的石油沥青化和沥青煤化的基本事实[35]。

天然气水合物的形成严格受控于温度和压力条件，广泛分布于大洋和大陆冻土带的低温和高压环境中[36]。天然气水合物中稳定存在的重于甲烷的组分，这些组分只能在地球深部100 km以下的温压条件下生成的结论，天然气水合物的唯一来源是地球排气成因。

7 结论

石油地质学已经发生了深刻的变革，已经从传统的现象对比和自圆其说，上升到应用自然科学工具进行观察和描述的阶段，其观察对象已经从传统的上地壳沉积层内部构造、岩石和流体拓展到整个地球的地壳、地幔和地核。现代科学理论、实验、航天探测和勘探开发实践证明：幔源油气是工业油气藏的唯一来源。支撑传统石油地质学的石油地球化学理论、传统构造地质学理论已经被烃碱流体地球化学理论、大陆层控构造理论所取代。烃类起源的化学热力学计算和高温高压实验成果，是传统石油地质学和现代石油地质学的分水岭。

幔源油气的可再生性，为世界石油工业可持续发展提供了强大的物质保障。基于幔源油气概念总结出的断陷盆地和压陷盆地不同构造体系中油气成藏模式是油气勘探开发部署的有效工具。在传统石油地质理论指导下，世界石油勘探成功率为10%～30%；基于幔源油气的认识，断陷盆地小断距基底走滑断层控制油气藏的研究已经获得了100%的探井成功率。因此，任何试图忽视和回避石油地质学创新理论的做法，都将在实践上造成难以估量的巨大损失。在幔源油气理论指导下，世界油气勘探开发将迎来崭新的局面。

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