石油和天然氣的成因

石油

石油，地質勘探的主要對象之一，是一種粘稠的、深褐色液體，被稱為"工業的血液"。地殼上層部分地區有石油儲存。主要成分是各種烷烴、環烷烴、芳香烴的混合物。石油的成油機理有生物沉積變油和石化油兩種學說，前者較廣為接受，認為石油是古代海洋或湖泊中的生物經過漫長的演化形成，屬於生物沉積變油，不可再生;後者認為石油是由地殼內本身的碳生成，與生物無關，可再生。石油主要被用來作為燃油和汽油，也是許多化學工業產品，如溶液、化肥、殺蟲劑和塑料等的原料。

生物成油理論(羅蒙諾索夫假說)

研究表明，石油的生成至少需要200萬年的時間，在現今已發現的油藏中，時間最老的達5億年之久。但一些石油是在侏羅紀生成。在地球不斷演化的漫長歷史過程中，有一些"特殊"時期，如古生代和中生代，大量的植物和動物死亡後，構成其身體的有機物質不斷分解，與泥沙或碳酸質沉澱物等物質混合組成沉積層。由於沉積物不斷地堆積加厚，導致溫度和壓力上升，隨著這種過程的不斷進行，沉積層變為沉積巖，進而形成沉積盆地，這就為石油的生成提供了基本的地質環境。大多數地質學家認為石油像煤和天然氣一樣，是古代有機物通過漫長的壓縮和加熱後逐漸形成的。按照這個理論石油是由史前的海洋動物和藻類屍體變化形成的。(陸上的植物則一般形成煤。)經過漫長的地質年代這些有機物與淤泥混合，被埋在厚厚的沉積巖下。在地下的高溫和高壓下它們逐漸轉化，首先形成臘狀的油頁巖，後來退化成液態和氣態的碳氫化合物。由於這些碳氫化合物比附近的巖石輕，它們向上滲透到附近的巖層中，直到滲透到上面緊密無法滲透的、本身則多空的巖層中。這樣聚集到一起的石油形成油田。通過鑽井和泵取人們可以從油田中獲得石油。地質學家將石油形成的溫度範圍稱為"油窗"。溫度太低石油無法形成，溫度太高則會形成天然氣。

實際上，這個假說並不成立，原因是即使把地球所有的生物都轉化為石油的話，成油量與地球上探明的儲量相差過大。

非生物成油理論

非生物成油的理論天文學家託馬斯·戈爾德在俄羅斯石油地質學家尼古萊·庫德裡亞夫切夫(Nikolai Kudryavtsev)的理論基礎上發展的。這個理論認為在地殼內已經有許多碳，有些碳自然地以碳氫化合物的形式存在。碳氫化合物比巖石空隙中的水輕，因此沿巖石縫隙向上滲透。石油中的生物標誌物是由居住在巖石中的、喜熱的微生物導致的。與石油本身無關。在地質學家中這個理論只有少數人支持。一般它被用來解釋一些油田中無法解釋的石油流入，不過這種現象很少發生。

天然氣

天然氣是指自然界中存在的一類可燃性氣體，是一種化石燃料，包括大氣圈、水圈、和巖石圈中各種自然過程形成的氣體(包括油田氣、氣田氣、泥火山氣、煤層氣和生物生成氣等)。而人們長期以來通用的"天然氣"的定義，是從能量角度出發的狹義定義，是指天然蘊藏於地層中的烴類和非烴類氣體的混合物。在石油地質學中，通常指油田氣和氣田氣。其組成以烴類為主，並含有非烴氣體，因而燃燒產生黃色或藍色火焰

天然氣蘊藏在地下多孔隙巖層中，包括油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣等，也有少量出於煤層。它是優質燃料和化工原料。

天然氣主要用途是作燃料，可製造炭黑、化學藥品和液化石油氣，由天然氣生產的丙烷、丁烷是現代工業的重要原料。天然氣主要由氣態低分子烴和非烴氣體混合組成。

天然氣的成因是多種多樣的，天然氣的形成則貫穿於成巖、深成、後成直至變質作用的始終，各種類型的有機質都可形成天然氣，腐泥型有機質則既生油又生氣，腐植形有機質主要生成氣態烴。

生物成因

成巖作用（階段）早期，在淺層生物化學作用帶內，沉積有機質經微生物的群體發酵和合成作用形成的天然氣稱為生物成因氣。其中有時混有早期低溫降解形成的氣體。生物成因氣出現在埋藏淺、時代新和演化程度低的巖層中，以含甲烷氣為主。生物成因氣形成的前提條件是更加豐富的有機質和強還原環境。

最有利於生氣的有機母質是草本腐植型—腐泥腐植型，這些有機質多分布於陸源物質供應豐富的三角洲和沼澤湖濱帶，通常含陸源有機質的砂泥巖系列最有利。硫酸巖層中難以形成大量生物成因氣的原因，是因為硫酸對產甲烷菌有明顯的抵製作用，H2優先還原SO42-S2-形成金屬硫化物或H2S等，因此CO2不能被H2還原為CH4。

甲烷菌的生長需要合適的地化環境，首先是足夠強的還原條件，一般Eh

有機成因

沉積有機質特別是腐泥型有機質在熱降解成油過程中，與石油一起形成的天然氣，或者是在後成作用階段由有機質和早期形成的液態石油熱裂解形成的天然氣稱為油型氣，包括溼氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。

與石油經有機質熱解逐步形成一樣，天然氣的形成也具明顯的垂直分帶性。在剖面最上部（成巖階段）是生物成因氣，在深成階段後期是低分子量氣態烴（C2～C4）即溼氣，以及由於高溫高壓使輕質液態烴逆蒸發形成的凝析氣。在剖面下部，由於溫度上升，生成的石油裂解為小分子的輕烴直至甲烷，有機質亦進一步生成氣體，以甲烷為主石油裂解氣是生氣序列的最後產物，通常將這一階段稱為幹氣帶。

由石油伴生氣凝析氣幹氣，甲烷含量逐漸增多，故乾燥係數升高，甲烷δ13C1值隨有機質演化程度增大而增大。

煤型氣

煤系有機質（包括煤層和煤系地層中的分散有機質）熱演化生成的天然氣稱為煤型氣。

煤田開採中，經常出現大量瓦斯湧出的現象，如重慶合川區一口井的瓦斯突出，排出瓦斯量竟高達140萬立方米，這說明，煤系地層確實能生成天然氣。

煤型氣是一種多成分的混合氣體，其中烴類氣體以甲烷為主，重烴氣含量少，一般為幹氣，但也可能有溼氣，甚至凝析氣。有時可含較多Hg蒸氣和N2等。

煤型氣也可形成特大氣田，1960S以來在西西伯利亞北部K2、荷蘭東部盆地和北海盆地南部P等地層發現了特大的煤型氣田，這三個氣區探明儲量22萬億立方米，佔世界探明天然氣總儲量的1/3弱。據統計（M.T哈爾布蒂，1970），在世界已發現的26個大氣田中，有16個屬煤型氣田，數量佔60%，儲量佔72.2%，由此可見，煤型氣在世界可燃天然氣資源構成中佔有重要地位。

成煤作用與煤型氣的形成：成煤作用可分為泥炭化和煤化作用兩個階段。前一階段，堆積在沼澤、湖泊或淺海環境下的植物遺體和碎片，經生化作用形成煤的前身——泥炭；隨著盆地沉降，埋藏加深和溫度壓力增高，由泥炭化階段進入煤化作用階段，在煤化作用中泥炭經過微生物酶解、壓實、脫水等作用變為褐煤；當埋藏逐步加深，已形成的褐煤在溫度、壓力和時間等因素作用下，按長焰煤氣煤肥煤焦煤瘦煤貧煤無煙煤的序列轉化。

實測表明，煤的揮發分隨煤化作用增強明顯降低，由褐煤煙煤無煙煤，揮發分大約由50%降到5%。這些揮發分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等氣態產物的形式逸出，是形成煤型氣的基礎，煤化作用中析出的主要揮發性產物。

1．煤化作用中揮發性產物總量埠；

2、CO2 3.H2O 4. CH4 5.NH3 6.H2S

從形成煤型氣的角度出發，應該注意在煤化作用過程中成煤物質的四次較為明顯變化（煤巖學上稱之為煤化躍變）：

第一次躍變發生於長焰煤開始階段，碳含量Cr=75-80%,揮發分Vr=43%，Ro=0.6%；

第二次躍變發生於肥煤階段，Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%；

第三次躍變發生煙煤無煙煤階段，Cr=91%，Vr=8%,Ro=2.5%；

第四次躍變發生於無煙煤變質無煙煤階段，Cr=93.5%,Vr=4%，Ro=3.7%，芳香族稠環縮合程度大大提高。

在這四次躍變中，導致煤質變化最為明顯的是第一、二次躍變。煤化躍變不僅表現為煤的質變，而且每次躍變都相應地為一次成氣（甲烷）高峰。

煤型氣的形成及產率不僅與煤階有關，而且還與煤的煤巖組成有關，腐殖煤在顯微鏡下可分為鏡質組、類脂組和惰性組三種顯微組分，中國大多數煤田的腐殖煤中，各組分的含量以鏡質組最高，約佔50～80%，惰性組佔10～20%（高者達30～50%），類脂組含量最低，一般不超過5%。

在成煤作用中，各顯微組分對成氣的貢獻是不同的。長慶油田與中國科院地化所（1984）在成功地分離提純煤的有機顯微組分基礎上，開展了低階煤有機顯微組分熱演化模擬實驗，並探討了不同顯微組分的成烴貢和成烴機理。發現三種顯微組分的最終成烴效率比約為類脂組：鏡質組：惰性組=3:1:0.71，產氣能力比約為3.3:1:0.8，說明惰性組也具一定生氣能力。

無機成因

地球上的所有元素都無一例外地經歷了類似太陽上的核聚變的過程，當碳元素由一些較輕的元素核聚變形成後的一定時期裡，它與原始大氣裡的氫元素反應生成甲烷。

地球深部巖漿活動、變質巖和宇宙空間分布的可燃氣體，以及巖石無機鹽類分解產生的氣體，都屬於無機成因氣或非生物成因氣。它屬於幹氣，以甲烷為主，有時含CO2、N2、He及H2S、Hg蒸汽等，甚至以它們的某一種為主，形成具有工業意義的非烴氣藏。

稀有氣體He、Ar等，由於其特殊的地球化學行為，科學家們常把它們作為地球化學過程的示蹤劑。He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然氣成因的極重要手段，因沿大氣殼源殼、幔源混合幔源，二者不斷增大，前者由1.39×10-6>10-5，後者則由295.6>2000。此外，根據圍巖與氣藏中Ar同位素放射性成因，還可計算出氣體的形成年齡（朱銘，1990）。

甲烷

無機合成：CO2+H2CH4+H2O 條件：高溫（250℃）、鐵族元素

地球原始大氣中甲烷：吸收於地幔，沿深斷裂、火山活動等排出

板塊俯衝帶甲烷：大洋板塊俯衝高溫高壓下脫水，分解產生的H、C、CO/CO2CH4

CO2

天然氣中高含CO2與高含烴類氣一樣，同樣具有重要的經濟意義，對於CO2氣藏來說，有經濟價值者是CO2含量>80%（體積濃度）的天然氣，可廣泛用於工業、農業、氣象、醫療、飲食業和環保等領域。中國廣東省三水盆地沙頭圩水深9井天然氣中CO2含量高達99.55%，日產氣量500萬方，成為有很高經濟價值的氣藏。

世界上已發現的CO2氣田藏主要分布在中—新生代火山區、斷裂活動區、油氣富集區和煤田區。從成因上看，共有以下幾種：

無機成因：

上地幔巖漿中富含CO2氣體當巖漿沿地殼薄弱帶上升、壓力減小，其中CO2逸出。

碳酸鹽巖受高溫烘烤或深成變質可成大量CO2，當有地下水參與或含有Al、Mg、Fe雜質，98～200℃也能生成相當量CO2，這種成因CO2特徵：CO2含量>35%，δ13CCO2>-8‰。

碳酸鹽礦物與其它礦物相互作用也可生成CO2，如白雲石與高嶺石作用即可。

另外，有機成因有：

生化作用、熱化學作用、油田遭氧化、煤氧化作用

N2

N2是大氣中的主要成分，據研究，分子氮的最大濃度和逸度出現在古地臺邊緣的含氮地層中，特別是蒸發鹽巖層分布區的邊界內。氮是由水層遷移到氣藏中的，由硝酸鹽還原而來，其先體是NH4+。

N2含量大於15%者為富氮氣藏，天然氣中N2的成因類型主要有：

有機質分解產生的N2：100-130℃達高峰，生成的N2量佔總生氣量的2.0%，含量較低；（有機）

地殼巖石熱解脫氣：如輝綠巖熱解析出氣量，N2可高達52%，此類N2可富集；

地下滷水（硝酸鹽）脫氮作用：硝酸鹽經生化作用生成N2O+N2；

地幔源的N2：如鐵隕石含氮數十～數百個ppm；

大氣源的N2：大氣中N2隨地下水循環向深處運移，混入最多的主要是溫泉氣。

同位素特徵看，一般來說最重的氮集中在硝酸鹽巖中，較重的氮集中在芳香烴化合物中，而較輕的氮則集中在銨鹽和胺基酸中。

H2S

全球已發現氣藏中，幾乎都存在有H2S氣體，H2S含量>1%的氣藏為富H2S的氣藏，具有商業意義者須>5%。

據研究（Zhabrew等，1988），具有商業意義的H2S富集區主要是大型的含油氣沉積盆地，在這些盆地的沉積剖面中均含有厚的碳酸鹽一蒸發鹽巖系。

自然界中的H2S生成主要有以下兩類：

生物成因（有機）：包括生物降解和生物化學作用；

熱化學成因（無機）：有熱降解、熱化學還原、高溫合成等。根據熱力學計算，自然環境中石膏（CaSO4）被烴類還原成H2S的需求溫度高達150℃，因此自然界發現的高含H2S氣藏均產於深部的碳酸鹽—蒸發鹽層系中，並且碳酸鹽巖儲集性好。

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