人工合成「多種、非生物成因複雜碳氫化合物」新進展

2021-02-25 燕山期重大地質事件

石油、天然氣等通常被認為是不可再生能源，由死亡生物經深埋後、通過複雜化學反應而形成，其中的多種碳氫化合物是關鍵組分。以往實驗研究表明，無機反應可以形成某種簡單碳氫化合物，如甲烷（CH4）。最近，北京大學高溫高壓實驗室在人工合成「多種、非生物成因複雜碳氫化合物」領域取得重要進展，即利用國產六面頂大壓機成功無機合成了多種、非生物成因複雜碳氫化合物。該研究表明，石油、天然氣等能源可能不是「不可再生能源」，地球內部具備無機生成大量、多種、複雜碳氫化合物的條件。

地表與地球內部都含有大量的碳、氫元素，具備無機合成碳氫化合物的基本原料。另一方面，地表與地球內部物質通過巖漿/流體活動、板塊俯衝等地質過程而發生物質交換，從而有可能產生有利於無機合成碳氫化合物的物理－化學條件，形成非生物成因的碳氫化合物。確實，北京大學地球與空間科學學院宋述光教授課題組、張立飛教授課題組近年來分別在中國北祁連造山帶的方輝橄欖巖、西天山碳酸鹽化榴輝巖中發現了含有CH4的氣相碳氫化合物包裹體，提出了富碳流體與富鐵矽酸鹽礦物、富鐵碳酸鹽礦物與水在高溫高壓條件下發生歧化反應，從而生成非生物成因碳氫化合物CH4的機制。這一無機形成碳氫化合物CH4的機制無疑與美國印第安納大學Scott教授、上海大學陳晉陽教授等的高壓實驗研究結果一致。

圖1 代表性高溫高壓實驗產物及其表徵：元素分布（a）、BSE照片（b）、光學照片（c）、Raman數據（d）

圖2 高溫高壓實驗中通過無機反應而形成的多種氣體（烷烴、烯烴、氫氣）：氣相色譜數據

為進一步研究地球系統中無機合成大量、多種、複雜非生物成因碳氫化合物的可能性，北京大學地球與空間科學學院張立飛教授課題組博士生陶仁彪與劉曦教授及費英偉教授等合作，充分利用北京大學高溫高壓實驗室的六面頂大腔體壓機樣品大、穩定性好的特點，將含鐵碳酸鹽礦物（菱鐵礦）與水在黃金樣品倉內混合，在壓力高達6 GPa（約6萬個大氣壓）、溫度為600～1200℃的條件下反應。樣品冷卻卸壓後，提取氣相物質分析其成分，氣相色譜數據表明這些高溫高壓實驗合成了甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）以及乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、丁烯（C4H8）等多種、複雜碳氫化合物。實驗產物中的固相物質主要有石墨、磁鐵礦等。這充分表明，在高溫高壓條件下，碳氫化合物可以由碳酸鹽礦物與水發生氧化還原反應而無機生成。這是世界上首次通過高溫高壓實驗的方式同時無機合成種類多而複雜的烷烴與烯烴，對於進一步探索石油－天然氣的無機成因理論以及深部油氣資源勘察具有重要意義。

以上研究成果已於近日正式發表在國際地質學著名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上，並被國際深部碳觀測計劃（DeepCarbon Observatory）選入最新一期的News Letter、以「Under right conditions subduction zone factories may manufacture abiotic hydrocarbons」進行了深入報導，這是自DCO成立（2009年）以來首次報導來自中國的深部碳方面的研究成果。該工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃「深地資源勘查開採」專項「燕山期重大地質事件的深部過程與資源效應」（2016YFC0600408）等項目資助。

 

論文信息：

Renbiao Tao, Lifei Zhang, Meng Tian,Jianjiang Zhu, Xi Liu, et al., 2018. Formation of abiotic hydrocarbon from reduction of carbonate in subduction zones: Constraints from petrological observation and experimental simulation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 239:390-408.

全文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703718304368

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