非常好奇,石油的“古代生物成油說”,一個油田上億噸,古代有那么多生物嗎?
石油是地球上傳統(tǒng)能源的典型代表,它和煤炭、天然氣一起,作為傳統(tǒng)的化石能源,雖然在不完全燃燒以后會產(chǎn)生有毒有害氣體,而且燃燒之后會產(chǎn)生增強(qiáng)溫室效應(yīng)的大量二氧化碳?xì)怏w,但是,這些化石能源,卻是近現(xiàn)代人類社會發(fā)展不可或缺的燃料來源,為世界工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活水平的發(fā)展作出了卓越貢獻(xiàn)。而關(guān)于石油是如何產(chǎn)生的,一直以來科學(xué)界都有一定的爭論,主流觀點(diǎn)認(rèn)為是含有機(jī)質(zhì)的大量動植物殘骸被埋入地下后,在漫長的地質(zhì)作用下緩慢形成的,然而也有相當(dāng)一部分的群體認(rèn)為是由自然環(huán)境中的無機(jī)碳和氫,經(jīng)過長期的化學(xué)作用而形成。
石油的主要組成
在常溫常壓下,石油呈現(xiàn)流體或者半流體的形態(tài),顏色以黑色或者黑褐色為主,也有黃色、暗綠色等其它較深的顏色,之所以呈現(xiàn)不同的顏色,主要是其組成物質(zhì)略有差異。總體來看,石油的組成是以烴類化合物為主,占比達(dá)到80-90%,另外還含有以硫化物、氧化物、氮化物、瀝青等非烴類化合物。從化學(xué)元素的組成來看,碳和氫元素的占比最高,其次為氧、硫、氮以及微量的氯、磷、鐵、鉀等元素。
烴類化合物是石油的主要組成物質(zhì),按照化合物的不同性質(zhì),可以繼續(xù)劃分為以下幾類:
烷烴類化合物:以碳為中心元素,碳與碳之間通過化學(xué)鍵相連,剩余的化學(xué)鍵都由氫元素補(bǔ)充,形成飽和的烴類化合物,其分子通式為CnH2n+2,常見的有包含在內(nèi)的氣態(tài)甲烷、已烷、丙烷和丁烷,以及呈現(xiàn)液態(tài)的戊烷一直到十五個碳原子構(gòu)成的十五烷,而十六烷及以上的烷烴呈現(xiàn)固態(tài)。
環(huán)烷烴類化合物:與烷烴類分子結(jié)構(gòu)相似,都是由碳和氫元素構(gòu)成的飽和烴類化合物,只不過碳原子之間相互連接成為環(huán)狀,其分子通式為CnH2n。
芳香烴類化合物:碳原子之間呈現(xiàn)的是環(huán)狀連接的結(jié)構(gòu),其中單雙鍵交替排列,屬于不飽和烴類化合物,都具有苯環(huán)結(jié)構(gòu),其分子通式為CnH2n-6、CnH2n-12、CnH2n-18等。
除了上述烴類化合物以外,石油中還含有少量的不飽和烴,以烯烴類為主,另外在石油加工過程中也會產(chǎn)生一定量的烯烴類化合物。
石油有機(jī)物生成說
主流的石油形成原理是有機(jī)物生成說,其主要觀點(diǎn)是:在漫長的歷史年代發(fā)展進(jìn)程中,大量含有有機(jī)質(zhì)的動物尸體和植物殘骸被埋入地下,與巖石、泥砂共同組成了有機(jī)質(zhì)淤泥,而且在地質(zhì)沉降的作用下,這些有機(jī)物質(zhì)被一層一層埋入,并且與外界環(huán)境隔離,形成封閉的無氧環(huán)境。
隨著沉積作用的持續(xù)進(jìn)行,那些最先埋入的地層中的壓力和溫度越來越高,在厭氧菌的作用下,被埋入的有機(jī)物質(zhì)被逐漸分解,形成富含有機(jī)物的“小油滴”,形成了聚合成石油的基本單元。
在重力作用的影響下,這些被分解越來越多的小油滴就會逐步地往地層深入移動,越往下層溫度上升越明顯,這些油滴的活性也就越來越強(qiáng)。在越來越大的壓力作用下,這些原本分散的小油滴,會沿著巖石中的縫隙被擠進(jìn)底層的砂巖層中,這里沉積物的顆粒較粗,孔隙較大,有利于油滴的聚集,最后形成能夠存積大量油滴的貯油層。而周圍及上部沉積物較細(xì)的區(qū)域,則會形成頁巖,致密度較高,油滴只能部分被擠入,從而形成可以隔離貯油區(qū)的巖層,或者形成油頁巖。
石油無機(jī)物來源說
石油無機(jī)物來源說的主要觀點(diǎn)認(rèn)為,石油中大量的烴類化合物,不是由于眾多動植物的殘骸經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用演化而來,其來源是自然環(huán)境本身中所擁有的無機(jī)碳和氫,主要包括兩個方面:
一個是來源于地球內(nèi)部的巖漿。地球深處的碳和氫元素,在3000攝氏度以下的上升巖漿中,會發(fā)生反應(yīng)生成甲基態(tài)物質(zhì),隨著巖漿的繼續(xù)上升和溫度的不斷降低,會相繼生成甲烷以及其他烴類化合物,接著這些氣態(tài)和液態(tài)烴類化合物,會隨著壓力作用產(chǎn)生具有一定富集趨勢的位移,最終在孔隙較多的沉積巖中聚集起來形成油層。
第二個來源于地球內(nèi)部的碳化物。地球誕生之后,地球上豐度很大的碳和鐵元素,在地球內(nèi)部聚合形成碳化鐵這個金屬碳化物,然后在重力作用下,與同樣滲入到地殼深入的高溫水發(fā)生反應(yīng),生成碳?xì)浠衔,然后在壓力作用下也會在一定的沉積巖中聚集,最終形成石油層。
石油無機(jī)物來源說,雖然從化學(xué)反應(yīng)上也可以解釋得通石油以烴類化合物為主的組成結(jié)構(gòu),但是卻沒有和區(qū)域的地質(zhì)條件以及地質(zhì)活動的演變進(jìn)行緊密地聯(lián)系。現(xiàn)在絕大多數(shù)油田都是位于大規(guī)模的沉積巖層中,而一些火山底部火成巖中發(fā)現(xiàn)的烴類化合物,也證明了并非是巖漿冷卻過程中的副產(chǎn)物,更多的是從周圍沉積巖中滲透過來的。
古代有那么多生物沉積嗎?
現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)的油田,規(guī)模以上的其儲油量都在億噸以上,如果是有機(jī)物生成石油,這么大的儲量,有那么多的古代生物進(jìn)行支撐嗎?在回答這一疑問時(shí),我們首先要明確一點(diǎn),石油的產(chǎn)生,并非一朝一夕,而是在漫長的地質(zhì)作用下,通過不斷地沉積、微生物的分解、油滴的逐漸聚合而成。不是說一下子給你幾十億噸有機(jī)物埋在地底,就能在若干年前后形成石油,它需要的兩個重要方面,一個是沉積作用,第二是漫長的時(shí)間。
從沉積作用看,在源源不斷接收太陽能量的基礎(chǔ)上,地球一年內(nèi)新增的生物量,包括陸地上的森林、草原以及海洋中的藻類等,其總量也不下數(shù)千億噸,而每年枯死的樹木、落下的殘枝枯葉以及死亡的藻類,又何止幾十億噸。這些有機(jī)物質(zhì)有一部分會在好氧菌類的作用下直接分解掉,其中還會有一部分被土壤或者海水覆蓋起來,在厭氧菌的作用下分解為小分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)物,從而在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)都會與空氣隔絕起來。
從時(shí)間角度來看,地球上的有機(jī)物質(zhì)沉積是持續(xù)不斷進(jìn)行的,在重力作用下,一層一層地被沉積到越來越深的地層中,也就是說,沒有參與氧化作用的這些有機(jī)物,在地層無氧環(huán)境中的總量會持續(xù)增多。然后底層的在溫度更高、壓力更大的作用下形成黏稠的油液,油液再通過一定的油氣傳輸路徑向著更深、孔隙更多的巖層中行進(jìn),持續(xù)反復(fù)地進(jìn)行著這個過程,則一方面形成能夠聚集更多油液的石油層,另一方面上部不斷沉積的有機(jī)物質(zhì)可以為石油層補(bǔ)充更多的物質(zhì)輸入來源。我們現(xiàn)在所說的石油是不可再生能源,其主要依據(jù)就是我們對石油的利用速度,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于石油的生成速度,利用和再生之間的關(guān)系差距太大,以至于石油的總量滿足人類的需求是不可持續(xù)的。
總結(jié)一下
從目前來看,石油無機(jī)物來源說還不足以解釋儲存區(qū)域特殊的沉積環(huán)境,因此古代生物有機(jī)來源說還是石油形成的主流觀點(diǎn)。而之所以我們發(fā)現(xiàn)的石油礦藏儲量很大,并不是古代生物在短時(shí)間內(nèi)沉積分解形成的,而是在漫長的歷史年代中,通過有機(jī)物質(zhì)的不斷沉積緩慢形成的,巨量的動植物殘骸為石油的生成,提供了源源不斷的物質(zhì)來源。