王 丹

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

油氣成因理論在油氣勘探中起著重要的作用，包括有機(jī)成因論和無機(jī)成因論。根據(jù)長期的勘探實(shí)踐，有機(jī)成因論在油氣地質(zhì)學(xué)中占主導(dǎo)地位，無機(jī)成因論則一直都存在爭議。無機(jī)成因論認(rèn)為油氣是由地球深部簡單的非烴物質(zhì)(如重金屬碳化物等)和早期存在于大氣圈的碳?xì)浠衔?如甲烷)經(jīng)過無機(jī)化學(xué)反應(yīng)合成的。石油地質(zhì)學(xué)家們對無機(jī)成因理論的研究從未停止過，國內(nèi)的戴金星、張景廉等一直致力于無機(jī)成因理論的研究，來自地球化學(xué)的證據(jù)為無機(jī)成因氣的存在提供了有力的科學(xué)依據(jù)，目前的證據(jù)顯示有一部分天然氣是無機(jī)成因的，石油幾乎都是有機(jī)成因的。

1 提出及發(fā)展

1876年，俄國化學(xué)家門捷列夫的“碳化物說”代表著油氣無機(jī)成因論的提出，他認(rèn)為石油是地下深處熾熱的重金屬碳化物與沿裂縫下滲的水相互作用而生成，所生成的石油蒸汽在涌向地殼過程中冷凝在多孔巖層中，條件適宜時(shí)就形成油氣藏。1889年索科洛夫提出“宇宙說”，其依據(jù)是太陽系中行星天體光譜分析發(fā)現(xiàn)有甲烷，以及烴類化合物可由費(fèi)－－－托合反應(yīng)無機(jī)合成。他認(rèn)為碳?xì)浠衔锸窃诘厍蛏刑幱谌廴跔顟B(tài)時(shí)就已存在于大氣圈中，后隨著地球冷卻收縮凝結(jié)于地殼上部，并沿裂隙分離出來，當(dāng)有孔隙性地層和其上被非滲透層覆蓋時(shí)則可聚集成油氣藏。20世紀(jì)中葉，庫德梁采夫(1951)提出“巖漿說”，他認(rèn)為地球深部基性巖漿中存在大量碳和氫，他們在高溫高壓下合成烴類混合物，在析出和向上運(yùn)移聚集過程中形成石油[1，2，11]。上述這些都是早期的油氣無機(jī)成因論，只是定性的進(jìn)行描述，缺乏定量依據(jù)，還不能作為無機(jī)成因論的有力證據(jù)。之后的不少學(xué)者對油氣無機(jī)成因也進(jìn)行了研究，Gold等提出了地幔脫氣說、杜樂天提出了地幔烴堿流體說，岳中琦提出殼幔間層的甲烷氣層等，此外還有中地殼與費(fèi)－托地質(zhì)合成以及板塊構(gòu)造與費(fèi) －托地質(zhì)合成理論[2]。

2 無機(jī)成因油氣的科學(xué)依據(jù)及其判別

近幾十年來先進(jìn)的勘探技術(shù)和大量天然氣地球化學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，無機(jī)成因氣的存在已被確定，且在我國東部探明和確定了一些無機(jī)成因氣藏[3]，但還沒有證據(jù)證明無機(jī)成因石油的存在。因而以下就對無機(jī)成因氣的科學(xué)依據(jù)進(jìn)行闡述。

2.1 科學(xué)依據(jù)

(1)地幔與地核中大量的碳和氫 Fe－Ni組成的地核是碳的重要儲集場所(Spera，1987)。地幔中也含有較多的碳(Trull，1993)。同時(shí)，地核中熔解了大量的氫，并不斷釋放出來(Bai，1994)。通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為地幔中橄欖石可能是氫的主要儲集體[4]。張愷(1998)[5]從宇宙、天文學(xué)角度探討地球內(nèi)部富含氫，通過宇宙元素合成理論(B2FH理論，1957)、天文學(xué)家對木星的新認(rèn)識、室內(nèi)試驗(yàn)、太陽系的冷凝聚模型以及地球未發(fā)生熱核反應(yīng)保留有大量氫等間接討論地球內(nèi)部氫的豐度和氫存在的相態(tài)。

(2)無機(jī)成因烴類的來源 地球原始大氣中含有大量的甲烷(Gold等，1982)，地球開始凝聚時(shí)，含有甲烷的原始大氣被“吸收”保存在地球內(nèi)部，之后在地球脫氣作用下釋放出來。此外實(shí)驗(yàn)證明，地殼內(nèi)部的 CO2、CO、和 H2在高溫高壓條件下，在鐵族元素的催化作用下可形成甲烷。另外，富含水的大洋板塊在俯沖過程中，俯沖板塊上的上地幔巖在高溫高壓條件下形成榴輝巖，并生成安山巖漿，此過程中分解產(chǎn)生氫、碳和碳的氧化物，再經(jīng)高溫高壓合成甲烷。

(3)地幔深處有甲烷存在 根據(jù)現(xiàn)代油氣生成的地球動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模擬和高溫高壓實(shí)驗(yàn)證明:高溫高壓不僅有抑制烴類系列化合物熱解的作用，而且可促進(jìn)烴類的環(huán)化、聚合作用、凝析作用，向著復(fù)雜烴類系列演化，即油氣能在1 500℃～1 800℃、4 000～12 000 Mpa條件下，氧逸度高的，相當(dāng)于深度在100～200 km左右地幔軟流圈不同深度穩(wěn)定存在。據(jù)T.戈?duì)柕碌膶?shí)驗(yàn)，理論的壓力—溫度線位于地表到30 km深處的壓力—溫度范圍之上，在理論壓力—溫度線上，甲烷開始破壞。向下一直到30 km深度，甲烷似乎基本上是穩(wěn)定的耐熱分解，直至低于30 km深度處，以甲烷形式保持的那部分已降到10%。也許在約600 km的深度的某處，人們才能認(rèn)為是甲烷可能存在的最低極限。二氧化碳的穩(wěn)定性也很高，分解溫度高達(dá) 2000℃，相當(dāng)于上、下地幔交界處溫度[5]，且在地幔巖、火山巖和花崗巖包裹體中都有發(fā)現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w，因此，在地慢和地殼深部高溫高壓條件下，無機(jī)成因的CH4與CO2也可以形成和穩(wěn)定存在，但在較高氧逸度和低壓下以CO2為主，在較低氧逸度或高壓下以CH4為主。當(dāng)深部CH4向地殼表層運(yùn)移時(shí)，將可能出現(xiàn)下列幾種情況:

(1)向地表運(yùn)移時(shí)，當(dāng)壓力降低，而氧逸度高時(shí)，CH4將氧化成CO2;

(2)高速或高壓向地表運(yùn)移時(shí)，仍能保持CH4達(dá)到地表;

(3)在向地表運(yùn)移途中，進(jìn)入氧逸度低的地區(qū)，如沉積盆地中的還原環(huán)境，或進(jìn)入各類圈閉時(shí)，能很好的保持CH4和其系列物不受氧化。

另外，地表和海洋上無機(jī)成因烴類滲漏的現(xiàn)象，也能證明上述(2)和(3)的運(yùn)移保存途徑是存在的。

2.2 無機(jī)成因天然氣的判別依據(jù)

無機(jī)成因的CO2是由無機(jī)礦物或元素經(jīng)過化學(xué)作用形成的，來源有火山噴發(fā)的熱液、溫泉，高溫變質(zhì)作用產(chǎn)生的CO2以及地幔成因的CO2等。天然氣中 CO2組分大于60%是無機(jī)成因的，有機(jī)成因的 δ13CCO2值在 －10‰ ～ －30‰，當(dāng)δ13CCO2值≥－8‰時(shí)則為無機(jī)成因二氧化碳[7]。對無機(jī)成因烷烴氣體的判別主要有碳同位素、烷烴碳同位素系列、與烷烴氣體伴生的稀有氣體含量等方法。目前公認(rèn)的判別依據(jù)有:

2.2.1 無機(jī)成因甲烷的碳同位素值

表1是世界各地一些代表性的無機(jī)成因甲烷碳同位素的值，這些值一般都大于 －30‰，因此把 δ13C1≥ －30.0‰作為無機(jī)成因甲烷的地球化學(xué)指標(biāo)。

2.2.2 無機(jī)成因烷烴氣的碳同位素組成

有機(jī)成因烷烴氣是干酪根降解產(chǎn)生的，其碳同位素組成受同位素動(dòng)力學(xué)分餾效應(yīng)的制約，12C－12C鍵較12C－12C鍵弱而優(yōu)先斷裂，12C將優(yōu)先進(jìn)入烷烴氣體中，從而構(gòu)成隨烷烴分子中碳數(shù)增大δ13C變重的正碳同位素系列 (δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4)。無機(jī)成因烷烴氣是由簡單的含碳分子聚合形成的，同樣受同位素動(dòng)力學(xué)分餾效應(yīng)的影響，12C－12C鍵較12C－13C鍵弱而優(yōu)先斷裂，12C將優(yōu)先進(jìn)入聚合反應(yīng)形成的烷烴氣體中，先形成的烷烴氣體保留較重的δ13C值[8，9]，后生成的烷烴氣體則有較輕的δ13C值，使得無機(jī)成因烷烴氣體具有負(fù)碳同位素系列(δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4)的特征，這也是判別無機(jī)成因烷烴氣的重要指標(biāo)之一。

表1 世界范圍內(nèi)無機(jī)成因甲烷的碳同位素值[8]

2.2.3 與烷烴氣相伴生的稀有氣體同位素

除了烷烴氣體本身的地球化學(xué)特征外，稀有氣體同位素的組成也可以作為烷烴氣體成因的佐證。

(1)Jenden指出天然氣中 R/Ra值大于0.1時(shí)說明有幔源氦的存在，戴金星等人研究了我國東部的裂谷型含油氣盆地如渤海灣盆地、松遼盆地、東海盆地等大量井的 R/Ra值與其碳同位素組成特征，發(fā)現(xiàn)只有在 R/Ra＞0.5，δ13C1－δ13C2＞0時(shí)烷烴氣體才是無機(jī)成因的。

(2)CH4/3He比值也被用來研究烷烴氣的成因。戴金星[8]等分析了我國數(shù)個(gè)含油氣盆地的 126個(gè)氣樣 CH4/3He比值，發(fā)現(xiàn)其區(qū)間為 104－1012，其中 CH4/3He值為 108－1012時(shí)具有正碳同位素系列的特征，也就是說當(dāng)CH4/3He值在108－1012之間時(shí)，烷烴氣是有機(jī)成因的，而 CH4/3He值在104－109時(shí)具有無機(jī)成因氣的地球化學(xué)特征;Jenden等研究了美國加利福尼亞等地區(qū)眾多油氣田中101個(gè)氣樣的CH4/3He比值和 δ13C1及 R/Ra的關(guān)系，CH4/3He比值區(qū)間為107－1011，這些氣中甲烷都是有機(jī)成因的，除此之外還有6個(gè)氣樣為無機(jī)成因甲烷，這6個(gè)氣樣的 CH4/3He比值為109－1011。因此可以得出 CH4/3He≤ 106是無機(jī)成因烷烴氣(甲烷)，CH4/3He≥1011是有機(jī)成因烷烴氣，CH4/3He比值在107－1011之間時(shí)，δ13C1－δ13C2＞0為無機(jī)成因烷烴氣，反之則是有機(jī)成因的。

3 無機(jī)成因氣藏及資源前景

3.1 無機(jī)成因氣藏

目前在我國東部松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地、三水盆地、東海盆地等已發(fā)現(xiàn)35個(gè)無機(jī)成因 CO2氣藏或含氣構(gòu)造，區(qū)域上位于我國東部環(huán)太平洋斷裂帶[9]。在松遼盆地也發(fā)現(xiàn)了無機(jī)成因的烷烴氣藏—昌德氣藏，首次確定了無機(jī)成因烷烴氣藏的存在。

(1)二氧化碳?xì)獠亍r(nóng)安村氣藏。該氣藏位于松遼盆地徐家圍子斷陷，包括芳深9井、芳深7井、芳深701井和芳深6井，但只有芳深9井具有CO2氣藏的特征[11]。該CO2氣藏是一個(gè)在世界范圍內(nèi)都很少見的純無機(jī)成因氣藏，其中CO2含量 為 84.20% ～90.38%，δ13CCO2值 為 －4.06‰ ～－5.46‰，巖漿—幔源 δ13CCO2值在 －6‰ ±2‰范圍內(nèi)[11]，其烷烴氣具負(fù)碳同位素系 列特征，因此所含烷烴氣也是無機(jī)成因的，該天然氣中氦含量達(dá)2.743%，是松遼盆地天然氣氦含量最高的，同時(shí)幔源氦3He達(dá) 38.2%，R/Ra為 3.00～3.21[11]，這些數(shù)據(jù)都指明了該氣藏屬純無機(jī)成因氣藏。

(2)烷烴氣田—昌德氣藏。該氣田位于松遼盆地徐家圍子斷陷西緣安達(dá)——肇州背斜帶中部變質(zhì)巖基底隆起上發(fā)育起來的昌德——大青山背斜構(gòu)造內(nèi)。昌德氣田包括芳深1井、芳深2井、芳深3、4井。其中芳深1，2井烷烴氣不僅具有負(fù)碳同位素系列，而且所有 δ13C1值均很重，從 －16.4‰ ～－22.51‰。芳深 2井基巖天然氣 δ13C1值為 －22.01‰，與其上沉積巖中的 δ13C1值 －22.51‰接近，說明甲烷來自深部，是無機(jī)成因的;但 δ13CCO2值為 － 19.15‰([3]，具有機(jī)成因特征。芳深3，4井氣藏雖也有基巖無機(jī)成因氣向上運(yùn)移，但其在向上運(yùn)移中卻遇到了生成有機(jī)成因氣的烴源巖，于是便聚集為兩種氣的混合氣藏[11]。因而，一般認(rèn)為芳深1井和芳深2井為無機(jī)成因烷烴氣藏。由此可見，無機(jī)成因烷烴氣藏的聚集成藏需要很苛刻的條件，很難發(fā)現(xiàn)純無機(jī)成因烷烴氣藏，目前勘探和開發(fā)的都是無機(jī)—有機(jī)混合氣藏。

3.2 資源前景

我國把無機(jī)成因天然氣作為一種資源，并把這種資源轉(zhuǎn)化為儲量而加以開發(fā)利用。其中無機(jī)成因CO2氣藏(見表2)的勘探和開發(fā)居于世界前列。除了無機(jī)成因CO2氣藏外，我國還研究和探明了世界上第一個(gè)無機(jī)成因烷烴氣藏—昌德氣藏。該氣藏的芳深1井和芳深2井為純無機(jī)成因氣藏，探明地質(zhì)儲量32.66×108m3[10]，反映出我國良好的無機(jī)成因天然氣資源前景。

表2 我國主無機(jī)成因CO2氣田(藏)及其探明儲量[10]

我國目前在無機(jī)成因CO2氣藏的勘探和研究已趨于成熟，在東部和大陸架盆地資源潛力巨大。但關(guān)于無機(jī)成因烷烴氣藏的研究勘探還很薄弱，僅有昌德氣藏的芳深1井和芳深2井有發(fā)現(xiàn)。在沉積盆地，由于烴源巖存在能形成大量有機(jī)成因烴類氣體，即使盆地深部有非生物烷烴氣運(yùn)移至盆地沉積層中，也往往與有機(jī)成因的烷烴氣體混合，很難分辨。根據(jù)天然氣地質(zhì)和地球化學(xué)條件，我國東部裂谷型盆地中有來自深部的無機(jī)成因烷烴氣[8，15]，如:遼河坳陷界 3井的甲烷中有5%左右為來自深部的非生物成因;昌德氣藏的芳深3、芳深4井中也混有高比例的無機(jī)成因的烷烴氣等。以上都說明在我國東部裂谷盆地有非生物烷烴氣運(yùn)移入沉積層中，并部分參與不同程度的成藏，但這種非生物資源至今未被人們充分認(rèn)識和研究[8，15]。

4 結(jié)語

(1)來自地球科學(xué)的證據(jù):地幔與地核中大量的碳和氫、地球原始大氣中大量的甲烷以及部分烴類氣體、二氧化碳可以在地幔深處高溫高壓條件下存在等，均表明了無機(jī)成因氣體的存在，但是還沒有直接證據(jù)顯示石油是無機(jī)成因的。

(2)判別無機(jī)成因 CO2和烷烴氣的地球化學(xué)指標(biāo)有:天然氣中CO2組分大于 60%且 δ13CCO2值≥ －8‰;無機(jī)成因甲烷的 δ13C1≥ －30.0‰;具有負(fù)碳同位素系列，即 δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4;無機(jī)成因烷烴氣的 R/Ra＞0.5 且δ13C1－ δ13C2＞0，CH4/3He≤ 106。

(3)我國無機(jī)成因天然氣資源潛力巨大，目前勘探和開發(fā)較為成熟的是我國東部裂谷盆地以及大陸架盆地的無機(jī)成因CO2氣藏;對于無機(jī)成因烷烴氣藏僅在松遼盆地發(fā)現(xiàn)昌德氣藏，勘探尚未成熟，但仍具有很大潛力。

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