從石油的生成揭開地

文｜吳再豐 編譯

從石油的生成揭開地

文｜吳再豐 編譯

科學家逐漸掌握了石油性質的分析技術，取得了構成原料的物質或由熱引起的變質過程的詳細數據，并從這些數據進一步查明作為原料的生物尸骸是在怎樣的環境下被堆積起來的。

巨大油田的形成清楚地刻錄了過去地質變動的歷史。

油田的形成與地球變化或生物進化有著緊密的關系。通過研究石油是怎樣生成的，以及油田是如何形成的，不難揭開地球變遷的歷史。

石油是怎樣形成的

石油是怎樣制成的

石油的原料是生物的尸骸。生物的細胞中含有脂肪或油，脂肪或油由碳、氫、氧三種元素構成。生物的尸體沉入海底或湖底被泥砂覆蓋，氧分離，由碳與氫構成碳化氫。

現在地球上已發現3000種以上的碳化氫。石油是由其中約350種碳化氫構成的。比石油輕的碳化氫為天然氣。煤與石油的成因很相似，但是煤是植物的化石，與石油的不同是煤是固體。

大量生成碳化氫的巖石被稱為石油源巖。石油源巖被埋在地下，由于受地下的熱或壓力的影響，以及各種化學反應造出石油。造出的石油積聚在巖石的縫隙間構成油田。

地球的變動與石油生成

地球的變動與石油生成

據了解，石油的生成似乎與地球內部的大變動有關。為此，先介紹一下地球內部的結構。

眾所周知，地球的半徑約為6400千米。粗看一下，地球就像一個巨大的雞蛋，由表及里地依次由地殼、地幔和地核組成。其中地殼擁有陸地和海洋，平均厚約為30千米；地幔厚約為2870千米，從我們腳下30千米到2900千米處；地核半徑約為3470千米，從我們腳下2900千米處到地球中心。地核又被細分為外地核和內地核，外地核厚約為2270千米，是一個由鐵（占80%以上）和硫等元素的混合液體構成的熔融海洋，內地核半徑約為1200千米，呈固態，主要以鐵為主，也含少量的鎳等，物質密度大，每立方米（含物質）13000千克左右。中間的地幔層次復雜，大體可看成由地幔外層、過渡層和地幔內層構成。外層厚約為370千米，在我們腳下30~400千米；過渡層厚約為300千米，在我們腳下400~700千米；地幔內層厚約為2200千米，在我們腳下700~2900千米。

需要指出的是，在大陸地面以下有一層70~150千米厚既堅硬又寒冷的巖石圈，它包括海洋（地殼）底板和大陸地殼底部及地幔外層的一部分。在巖石圈下面，則是軟流圈，厚達550~620千米，具有塑性，內部溫度較高，且塑性和溫度隨深度的增加而增加。軟流圈底部在地下700千米處，往下便是地幔內層。在與軟流圈上部接壤的巖石圈下部，有些局部被熔化的巖石。那里的巖石圈比較容易滑動，這是造成地球陸地變遷的主要因素。

漂浮在軟流圈上的巖石圈并不是一整塊，而是由許多碎塊組成的，這些碎塊被叫作板塊，地球的表面就是由這些板塊所覆蓋。它們是由地幔中被稱之為洋中脊的海底山脈上升而成，并以不規則的方式在軟流圈上緩慢地滑動，在被稱之為海溝的地方鉆到別的板塊下面。目前，整個地球表面是由13塊大大小小的板塊拼成。

根據地震波（包括縱波、橫波和地面波三種波）在地球內部的傳播方式，可以知道地球內部的結構。科學家發現，使板塊發生運動的是對流。在地球內部，越往里溫度越高。地球深處的地幔物質受熱力驅動，形成一個圓柱狀的熱地幔柱往地球上層緩慢運動。而地球較外層的較冷板塊物質則恰恰相反，重力驅動它們逐漸插入地幔深處形成冷地幔柱。它們從地幔深處（甚至地核）吸收熱量后（熔化）又會向上升起，完成一次涉及整個地幔層的大循環。在這種熱地幔柱上升、冷地幔柱下降的過程中，有新板塊在大洋中脊處生成。例如在太平洋板塊下有一個沸騰高溫的地幔柱上升流，以蘑菇云那樣的形狀存在于夏威夷或塔希提島以及非洲大陸的下面。另外，低溫使巨大的地幔柱下降流存于亞洲大陸和南美大陸的下面。

顯然，這樣的運動不僅對板塊運動，而且似乎對整個地球的地質或環境產生了巨大的影響。

熱地幔柱制造了石油

熱地幔柱制造了石油

現在世界生產的石油，60%來自恐龍繁榮時代大約1.5億~6500萬年前構成的石油源巖。這個時代形成的被稱之為“黑頁巖”的石油源巖分布在全世界。

黑頁巖主要是由藻類等植物浮游生物的尸骸沒能被氧化而堆積構成的巖石。所以黑頁巖的大量生成是以植物浮游生物的繁殖為基礎，以及其尸骸沒能被氧化那樣的缺氧環境為條件。

最近，查明這個時代的石油源巖的生成與熱地幔柱的活躍進行有關。其機理如下：

如果熱地幔柱活躍進行，從地下的地幔物質構成洋中脊的體積增大，海平面上升，陸地的低地部分成為淺海。淺海構成以石油原料的硅藻類等植物浮游生物容易繁殖的環境。

另外，如果熱地幔柱活躍進行，則火山活動也變得頻繁，來自地下的大量二氧化碳被釋放到大氣中，二氧化碳的增加起到了溫室效應，氣溫由此而上升。由于氣溫上升，南極或北極的冰融化，海平面上升，繼續擴大淺海。此外，與二氧化碳一起，繁殖浮游生物必要的硫黃、氮、磷等營養素也由地下供給。

由于淺海硅藻類等浮游生物大量繁殖，細菌為了分解其尸骸消耗氧，造成缺氧環境。再者，全球的暖化也使海的深層流發生改變。高緯度與低緯度的海有溫差，含大量氧的深層海水從高緯度流入低緯度。但是如果全球變暖，則溫差變小，這個深層的海水流動就會減弱。而且隨著缺氧海域的擴大，未被氧化的浮游生物尸骸保存大量的有機物，造出石油源巖。

熱地幔柱流的活動有可能使地球磁場受到影響。我們知道，地球的磁場幾乎在百萬年間進行過幾次極性逆轉。考慮到地球磁場是由外核的液態金屬對流產生的，沉到地幔底的冷地幔柱或熱地幔柱的活動對外核與地幔的熱交換有影響，或許對外核的對流與地球磁場有影響。

實際上，如果我們看到的黑頁巖大量堆積約是1億年前的數據，則恰好是與磁場逆轉少的穩定期和火山活動的頻繁期，與洋中脊生成板塊的旺盛期一致。另外，像二氧化碳增加引起地球變暖或與洋中脊增加相呼應的海平面也上升。

盡管看1.5億年前左右的數據，好像石油源巖的發達時期與磁場的穩定期有關，但是看4.3億年前在北非海上構成的石油源巖，可考慮與熱地幔柱的活動無關。因為僅是熱地幔柱的活動無法解釋地球上一切形成石油源巖的原因。但是如果僅限于大約2.5億~6500萬年前的中生代，則考慮有較大的因果關系。

生物進化改變了石油的性質

生物進化改變了石油的性質

因為石油的原料是生物的尸骸，所以如果調查石油的性質，能夠推斷過去生物進化或地球環境的歷史。

生命大約在38億年前誕生，開始是緩慢地進化，但是距今5.5億年前的古生代寒武紀，生物完成了爆炸性的進化，而且在大約4.45億年前生物登上了陸地。

大約4.4億~4億年前，石油源巖是以當時繁榮的動物性浮游生物的碳化氫主體。另一方面，這個時期蕨類植物開始在近海岸繁殖，出現了以陸上植物為原料的石油源巖。

到了2.9億年前左右，廣大陸地被裸子植物森林化，于是圍繞沼澤地的湖生成了藻類。這樣又增添了以藻類為原料新性質的石油源巖。陸上植物的擴展自然誕生了新性質的石油源巖。

其后，9000萬年前左右被子植物或針葉林擴大到高緯度地區和高地，大量制造了以陸地上的木材為原料的石油源巖。同時，樹木的樹脂成為制造輕質原油的石油源巖。針葉林的發展使以藻類為原料的石油源巖被以木材為原料的石油源巖所取代。

高等植物所含的蠟構成的表皮保護了樹干和葉，以及果實免受損傷或干燥。約2億~200萬年前，森林也入侵低緯度的干燥環境，甚至高緯度的沼澤地，植物也逐漸地適應進化而入侵。

另一方面，海或湖的藻類或浮游生物尚未進化到造出像蠟成分那樣的高分子化合物。所以日本出產或中東出產的石油蠟成分較少，這是因為以海或湖的藻類或浮游生物為原料的緣故。

科學家逐漸掌握了石油性質的分析技術，取得了構成原料的物質或由熱引起的變質過程的詳細數據，并從這些數據進一步查明作為原料的生物尸骸是在怎樣的環境下被堆積起來的。

地質變動制造大油田

地質變動制造大油田

巨大油田的形成清楚地刻錄下過去地質變動的歷史。

石油是石油源巖長時間被深埋在地下，經過一定溫度加熱形成的。因為在地下埋得越深，溫度就越高，所以如果石油源巖被埋到一定的深度，便會自動地變成石油。換句話說，如果石油源巖層被埋在廣大地區，則一下子變成了油田。

5．9億~2.5億年前左右制造的石油源巖自2.5億~2億年前左右被埋在地下，生成了大量的石油。

這個時期被稱之為海西（華力斯坎）造山運動期，正在形成烏拉爾山脈等世界規模的山脈。造山運動的另一方面，將阿拉伯、西伯利亞地區、北海的南部北美大陸的阿巴拉契亞地區等廣大地域埋在地下，相當于堆積盆地構成的時期，這些地區大多存在巨大油田或天然氣田。

約1.7億~200萬年前，發生世界規模的“阿爾卑斯造山運動期”也形成了巨大油田。1億年前左右制造的石油源巖被埋在廣大地域，也許迄今約三分之二的石油和天然氣是這個時期制造的。