索柯洛夫在1889年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”,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费-托合反应无机合成。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。
库德梁采夫在1951年继承了门捷列夫和索柯洛夫的思想,提出“岩浆说”,认为碳氢化合物的是那些不只在行星和太阳上有,而且在地球的岩浆中也有的碳和氢形成的。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),最后形成烃类物质;一氧化碳也能直接合成烃类物质,且在高温高压下形成氢和其他元素参与的烃类化合物。
克鲁泡特金在1955年认为石油天然气与烃类岩浆起源,其实并无关系,提出固态地球是由行星冷的宇宙尘和气体组成的,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。由克鲁泡特金本人主持的1976年、1985年、1991年全苏《地球排气作用与大地构造》学术会议,以及由德米特里耶夫斯基主持的2002年、2006年、2008年、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。
上述关于烃类是否来源于岩浆的分歧,在杜乐天1996年提出的“烃碱流体地球化学”中得到统一。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和沉积岩形成中酸性火山岩。以超临界态存在的地幔烃碱流体在上升过程中,不断与围岩发生交代作用,不断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、含金属、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,从深部断裂上来的石油、从泥火山上来的石油和岩浆喷发通道上来的石油,它们都是源于烃碱流体。烃碱流体地球化学理论既支持了克鲁泡特金地球是冷球的思想,又解释了门捷列夫、索柯洛夫和库德梁采夫观察到的石油与岩浆的关系问题。从这个意义上说,烃碱流体地球化学原理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。
幔源油气的生成和演化
天然石油作为H-C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:在什么样的热力学条件下,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回答。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。热力学第二定律禁止低化学势分子向高化学势分子发生自然演化。
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