此外,從碳的穩(wěn)定同位素分析也不利于無機成因說的可能性,因為油氣和生物相似,含有比無機碳較少的碳-13同位素(C13)。地球上的石油絕大多數(shù)產(chǎn)在含有生物有機物的盆地中,也支持生物成因說。如今我們已經(jīng)能夠利用生物成因說的準則,成功地預測石油的產(chǎn)量和分布。石油成因的研究不僅是學理上的研究,也有實際上的功用。
石油是古代生物遺骸經(jīng)由很復雜的生物和化學作用轉(zhuǎn)化而成的,據(jù)估計大約只有千分之一或更少的生物體,有機會經(jīng)過很快的掩埋與氧隔絕避免腐爛,并轉(zhuǎn)化成石油的前身油母質(zhì)。油母質(zhì)是一種大分子的有機地質(zhì)聚合物,以固態(tài)存在于頁巖或碳酸巖的顆粒間,它的成分很復雜,含碳、氫和少量的氮、硫、氧。油母質(zhì)的形成一般認為是由生物聚合物例如蛋白質(zhì)等先分解成單分子體,再重新聚合成油母質(zhì)。
湖里沉積物中的油母質(zhì)多數(shù)來自藻類、細菌孢子、花粉或樹脂等,以產(chǎn)生液態(tài)石臘系的碳氫化合物石油為主。海里沉積物中的油母質(zhì)多數(shù)來自浮游生物、藻類、細菌和少量陸上植物,以產(chǎn)生液態(tài)石油為主,天然氣為輔。陸上沉積物中的油母質(zhì)多數(shù)來自高等植物的木質(zhì)素,以產(chǎn)生天然氣為主。因此了解生油巖中油母質(zhì)的來源,可以預測所產(chǎn)出石油的成分和油與氣的比例。
油母質(zhì)的形成多數(shù)在沉積掩埋的早期,當時的地溫多不超過攝氏50度。大約經(jīng)歷幾千萬年,沉積物越埋越深,地溫越高(約攝氏100-150度),油母質(zhì)的成熟度達到一定范圍(油窗)就轉(zhuǎn)化成液態(tài)石油或天然氣。
石油的生成是受化學動力控制的不可逆反應,就像我們煮食物一樣,溫度高所需時間短,溫度低得慢慢熬。油母質(zhì)轉(zhuǎn)化成石油一般認為符合反應速率的準則。石油地球化學家以實驗模擬,把油母質(zhì)在壓力鍋中加熱觀察石油的產(chǎn)生并測量其反應速率和參數(shù),再從地層中已知生油巖掩埋的深度或其相當?shù)牡貙訙囟群偷貙友诼竦臅r間(約千萬年),去估計石油生成的量。
埋藏在深處的石油分子經(jīng)過長期地熱的煎熬(約攝氏150-200度),逐漸裂解成天然氣和焦瀝青,終究有機會以氣態(tài)再度移棲到淺處成為天然氣藏,或以固態(tài)的天然氣水合物隱藏在深海底,或逸出地表。石油裂解過程如同石油的生成一樣是不可逆反應,甲烷和石墨為其最終產(chǎn)物。
黑金的流浪生涯
石油從油母質(zhì)產(chǎn)生后,起初多被殘留的油母質(zhì)所吸收,當石油的量超過油母質(zhì)所能吸收的最大量時,就進入生油巖地層的孔隙間。當石油越生越多,地層內(nèi)壓力升高將油氣由生油巖排出到周圍孔隙度高的地層中,有時生油巖地層壓力高過巖層的強度則發(fā)生破裂,因而加速油氣從生油巖中排出(初次移棲)。
當油氣進入高孔隙的地層中,由于孔隙大,毛細阻力小,油氣可通過浮力快速沿著此運載地層往淺處移動,這是二次移棲。當油氣在移棲途徑中遇到不透油的地層(封阻)受阻而停留下來,慢慢由上而下匯集在此封閉地層中,封閉內(nèi)的石油越聚越多,就形成所謂的油藏。
倘若油的來源不斷,繼續(xù)匯集,一直到此封閉地層被油氣所填滿,如果有油氣再補充進入,則由下方溢口溢出,經(jīng)由其它途徑再向淺處移棲。除了少量油氣有朝一日為人類服務,多數(shù)殘留在地層內(nèi)的油氣終究難逃被細菌吞噬的命運,因細菌生化作用大大改變石油的成分和性質(zhì),使其變重而多硫,并不為人類所喜歡。
石油探勘者如果能準確地定出石油移棲的途徑和方向,就可在沿途按圖索驥探尋可能存在的油藏。我們?nèi)绾沃朗鸵茥耐緩胶头较蚰??石油地質(zhì)學的研究告訴我們,石油二次移棲的途徑和方向與地下地質(zhì)斷層構(gòu)造和運載地層的特性或連續(xù)性有密切關(guān)系。地球物理學家利用震波探測技術(shù)和地質(zhì)學家研究地層的變化與構(gòu)造,提供我們詳細的地下地質(zhì)輪廓,讓我們了解油氣最可能移棲的地層或斷層,以及能夠封阻油氣的蓋層和封閉。
地球化學家從石油中的生物指標或碳和氫同位素,告訴我們油藏中的石油是從哪個生油巖地層來的,并追蹤生油地層和石油移棲的方向,就如同刑事警探利用指紋和 DNA 追蹤罪犯一樣。有些生物指標的特性和含量可告訴我們油母質(zhì)是否已成熟,石油是否已生成。此外,因為石油中的極性有機分子在移棲途中易被地層中黏土礦物吸附,所以它的含量隨移棲距離增加而減少,也因此可告訴我們石油移棲的遠近。
黑金的歸宿
石油在地下匯集到油藏封閉,就如同河水在地表匯集到湖泊、池塘、水庫或海洋一般。不同的是石油的流動(移棲)是由下往上浮升,倘若地下移棲通道順暢,石油終究要漏出地表而消散。所幸地下經(jīng)常存在著滲油性很低的地層,如顆粒很細的泥巖、頁巖,或很致密含石膏鹽類的蒸發(fā)鹽巖等。這些巖層受擠壓而形成背狀或帽型的構(gòu)造(背斜),成為良好蓋層,倘若蓋層下的巖層是孔隙大的巖石如砂巖、碳酸巖等,則這些地層中的巖石孔隙就成為容納石油的空間。
在儲油層中,氣、油、水由于比重不同,是成層狀存在的,天然氣層在上面,其次是油層,最下面是水層,但有時候天然氣與油可以單獨與水共存。