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第一节 石油与煤球盟会体育炭形成之谜

返回列表 来源:球盟会体育 发布日期:2022-09-02 18:24
 

球盟会体育一、石油

据史书记载,早在汉代,我国的劳动人民就发现有一种从岩石中流出来的油脂,用火一点就会燃烧,当时的人们称其为“石漆”,它就是我们今天所说的石油。石油作为一种自然资源,是当今世界上使用最普遍的能源和极为重要的化工原料。

然而,关于石油的来源问题,自从100~200年前,俄国两位科学家分别提出了石油的有机成因和无机成因以来,地质学家就分成了两大学派,为此争论不休。

球盟会体育世界上第一个试图探索石油成因的是俄国科学家罗蒙诺索夫。他在1763年就提出一个假设:“地下肥沃的物质,如油页岩、碳、沥青、石油和琥珀……都起源于植物。因为油页岩不是什么别的东西,而是古代从结果实的地方和从树林里被雨水冲刷下来的烂草和烂叶形成的黑土,它像淤泥般地深埋在湖底……,树脂和石油以它们的(重量)轻和树脂的可燃性表明它们也是同样成因的。”

后来又有人继承和发展了罗蒙诺索夫的观点,形成了石油有机说理论体系,这一假说可具体可概括为:石油是由埋藏在地下的动植物遗体变来的。石油一般生成在古代的沉积盆地或浅海和湖泊中,在漫长的地质年代里,这里堆积了几百米至几千米厚的沉积物,其中埋有许多动植物的遗体;这些生物有机物质经过几百万年的地质变化及一系列的物理化学变化,逐渐转变为无数细小的油珠;油珠再汇成油流,油流则集中迁移到地壳中具有封闭构造的地层中储藏起来,最终形成规模较大的油田。

石油有机成因说自提出以后,地质研究工作者找到了大量的证据,用以说明石油的有机形成过程。

球盟会体育尽管世界上找不到成分完全相同的两种石油,但绝大多数石油都含有不同数量的碳氢化合物,这类化合物很容易氧化,在200℃以上便会分解,因而它们只能来自生物,而不可能来自地球内部和岩浆。另外,化学分析显示,石油中碳12富集,碳13较贫。这种碳同位素比例与依赖光合作用的生物相似。

1980年底,一些美国科学家潜入加利福尼亚湾瓜伊马斯海盆,考察那里的海底热泉,无意中目睹了在高达600℃的热泉作用下,堆积在这里承受着海水和地层巨大压力的有机沉积物,就像处在石油厂的裂变设备中一样,正在分解裂变成石油。

瓜伊马斯海盆的这一发现为石油有机成因说提供了现实证据,同时也修正了有机成因说的一些推论,它说明石油的形成不一定要经历上百万年的时间,也不一定要埋藏到上千米深的地下才能形成。

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尽管有机成因说日臻完善,但随着石油地质工作研究的深入,一些不利于有机成因说的证据渐渐显现出来。人们注意到,在世界上已发现的3万多个油田中,有8个特大油田占了全部储量的一半左右。如果说石油是由动植物演变而成的,那么就不会出现这种情况;因为生物在地球上的分布虽然不均衡,有的地方多,有的地方少石油成因之谜,但绝不会造成如此巨大的差别。

人们还注意到,有些油田在垂直方向上分布很深,而且越往深处成油条件越好,油气的产量高、压力大,似乎在它的深部有源源不断的油气供给。

颇有意味的是,当初在勘探中国南海地区的油气藏时,一些西方的石油公司从有机成因观点出发,在分析了当地地层中一系列有机指标后,断言这里不可能生成供大规模开采的石油矿藏。而实际情况却完全相反,南海地区打出了一个又一个高产油气井。

因此,在过了一个世纪之后,石油成因的无机说在学术界应运而生,它最早是由元素周期律的发现者门捷列夫于1876年提出来的。他在实验室看到水与金属碳化物(碳化铁、碳化铝)能在高温高压下起化学反应,生成类似石油的碳氢化合物。受此启发,他提出一种假设认为,地球上有丰富的铁和碳,在地球形成初期可以化合成大量的碳化铁,以后又与过热的地下水作用,遂生成碳氢化合物;这些碳氢化合物沿地壳裂缝上升到适当部位储存冷凝,即形成石油矿藏。

“碳化说”在十九世纪末和二十世纪初曾流行一时,然而,地球内部是否存在碳化铁,却是一个未知数;再者,即使存在碳化铁,地球内部的高温却又使水无法到达,这样就不会产生水和碳化铁的化学反应;更何况石油的化学成分非常复杂,水和碳化铁的简单反应不能形成如此多样的成分。由于存在着如此多的疑点,所以门捷列夫的假说流行了一个时期后就被人们抛弃了。

继“碳化说”之后,1889年俄国的索柯洛夫提出了石油成因的“宇宙说”。他认为,地球在诞生伊始尚处于熔融的火球状态时,吸收了原始大气中的碳氢化合物,随着原始地球不断冷却,被吸收的碳氢化合物逐渐冷凝埋藏在地壳中,于是形成了石油。

进入二十世纪六十年代以后,天文学家利用光谱分析,在宇宙中发现了大量的有机物质,有力地支持了宇宙说。碳氢化合物不仅见于一些行星的大气里和彗星的彗核中,有的甚至可以构成巨大的分子云。在陨石中,人们还找到了更复杂的有机物。它们显然与生物作用无关。这些事实说明,许多有机物完全可以通过非生物途径获得。

在以上发现支持下,现代主张石油无机成因说的研究者认为,在地球形成早期,后来生成石油的有机物便以甲烷及其他碳氢化合物形式参与了地球的组成,后来在地球内部热力和压力的促使下,它们从深部释放出来,在某种有利的环境下进一步合成变成了石油。至于石油中含有的有机质,无机成因说的主张者们认为,那是原生石油在运移过程中受到了有机物的污染,从而造成了石油成分的复杂化。同时,他们也不否认一部分石油可能来自生物,但大量的石油则来自地球的内部。

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但是,还是有反对者指出,索柯洛夫的观点有一个先天不足,他们认为地球形成时的大气与现在差不多,不可能存在大量碳氢化合物,即使有的话石油成因之谜,遇到高温熔融状的地球也早就分解了。

美国康奈尔大学的天文学家高尔德,站在无机说的角度批驳有机说时说,世界上油矿的规模比其他任何沉积矿体大得多,已查明的油气储量也比原先根据生物生成说估计的高出数百倍之多;最难以解释的是许多油气田中含有大量的氦,但生物对氦的浓集不起任何作用;再有,生物作用无法说明世界油田分布高度集中现象(指中东)。

围绕着石油成因,有机说与无机说的争论已持续了一个世纪之久,各自都有自己的理论依据和证据,谁也说服不了谁,因此上说,关于石油的形成问题,至今难以定论。

那么,除了上述过程以外,地球上的石油能不能按照其他途径形成呢?本文站在太阳系演化的角度提出一种假说,认为地球上的石油是在5.8亿年前太阳系的那场灾变中通过无机过程形成的。

5.8亿年前,宇宙中有一星云状物质团撞入太阳系,引发了一颗类地大行星发生了爆炸。这一星云体裹杂着爆炸碎块进入了地球运行轨道,其中一少部分物质,在地球万有引力的吸引下,环绕在地球周围,形成了地球上最原始的大气。刚刚形成的地球大气极其浑浊,外层温度较低,主要以星云体的化学成分为主;而内层温度较高,主要以行星爆炸后的尘土颗粒和金属元素为主。经过几百万年,大气层在散失热量后逐渐冷却。大气中的高熔点物质和比重较大的物质陆续向地面降落,尘土颗粒形成了地表沉积岩石层,金属元素则形成了各种金属矿藏,而外大气层中的星云气体降落于地表后,形成的就是石油矿藏。

由于彗星也是由星云气体演化而来,因此石油应与彗星的化学成分相近或相同。天文学家通过光谱分析确定彗星的化学成分有:氢(H)、碳(C)、氧(O)、硫(S)、碳氢基(CH)、氨基(NH)、羟基(OH)C2、氰基(CN)、一氧化碳(CO)、氨基(NH2)、水(H2O)、氰化氢(HCN)、甲基氰(CH3CN)等。地球原始大气中也同样含有这些物质,它们就是形成石油的原始材料。当这些物质沉降于地面后,在刚刚形成不久的沉积岩石层中液化、流动、汇集,并经过一系列物理和化学反应,最终形成了石油矿藏。

从石油的储藏地方来看,世界上已发现的油气田有99%以上产生在沉积岩中。无论在古老的沉积岩中,还是后期形成的沉积岩中,都普遍含有类似石油成分的分散碳氢化合物。更为有趣的是石油成因之谜,许多油气藏与金属和非金属矿床相伴,在勘探金属矿时,有时会钻出石油,钻石油时,却发现了金属矿床,这一现象对有机说来说是无法解释的。

本文提出的石油成因说与索柯洛夫的观点很接近,同属于石油成因的宇宙说,只不过本文的观点更名副其实些。两者区别之处在于,石油的形成时间不同,产生机制各异。索柯洛夫认为石油形成于地球诞生时的46亿年前,而本文则认为石油形成于5.8亿年前。索柯洛夫宇宙说认为石油是熔融状态的地表岩层吸收了原始大气中的碳氢化合物而形成;而本文则认为石油是由5.8亿年前原始大气层中的碳氢化合物降落地面冷凝而成,因此它不存在索柯洛夫学说所面临的理论困难。

第一节 石油与煤球盟会体育炭形成之谜

油气田中氦元素的发现,可以说是对石油成因宇宙说的一个最有利佐证。氦是宇宙中丰度仅次于氢的一种元素,在星云体中存在比例很高。但是,地球上氦元素的存在比例却是极低的,人们最早发现氦元素,不是在地球上,而是在太阳的大气中,可见氦在地球上是极其稀有的。然而,人们在许多油气田中却发现了大量的氦,这是以往有机说和无机说都无法解释的。这一发现证明,组成石油的物质只能来源于宇宙。

既然石油形成于5.8亿年前太阳系的那场灾变,那么,这种宇宙成因说在太阳系中就应该具有普遍意义。如果这一假设成立,那么太阳系内所有类地行星和大质量卫星都有形成石油藏的可能性。

水星,质量是地球质量的0.055倍,表面没有水,大气极其稀薄,气压是地球的50亿亿分之一,昼夜温差很大;表面形状和月球一样,凹凸起伏,环行山星罗棋布。根据太阳系演化与灾变理论,水星与卫星有着相同的起源,在形成之初,和地球一样也有大气层,具备形成石油的条件。但是,由于水星的质量太小,在太阳和周围行星引力作用下,水星的原始大气很快就散失掉了石油成因之谜,大气中的碳氢化合物随之挥发,所以水星上不可能形成油气矿藏。

金星,地球的姊妹星,大小、质量、密度、乃至表面形态都与地球接近。5亿年前的大气环境与地球相似,因此可以断定,在金星的沉积岩层中积聚着碳氢化合物,存在着与地球类似的油气矿藏。

火星,质量为地球质量的0.11倍,大气非常稀薄,表面气压仅相当于地球上空30 — 40公里处的大气压,主要成分为二氧化碳,温度在20℃—140℃之间。火星探测器在火星表面曾拍摄到宽阔而蜿蜒曲折的干河谷,说明火星上曾有过海洋和河流的存在。因此,可以断定,火星表面的沉积岩层中,一定蕴藏着石油矿藏。

冥王星,太阳系边缘最远的一颗行星。按太阳系起源与灾变说的观点,它和水星及卫星一样,具有共同的起源。但不同的是,冥王星在进入行星轨道之前,它是一个星云气体和类地行星爆炸碎块的混合物,进入行星轨道之后,星云气体一部分在冥王星表面直接凝结,一部分则组成了冥王星的大气。由于冥王星温度极低,背着太阳一面温度为-253℃,所以在冥王星上形成的不是液体石油,而是一层冰冻态的碳氢化合物,一种原始形态的石油。

除了类地行星以外,太阳系中一些大质量卫星也极大可能地存在着石油矿藏。如土卫六就有浓密的大气,其厚度为地球大气层厚度的10倍;大气中含有甲烷、乙烷、乙烯、乙烯等气体。可以推断,在土卫六形成之初,应该具备形成石油矿藏的条件。当然,对地球人来说,人们最关心的还是月球是否存在石油的问题。由于与水星相同的原因,月球没有吸附住原始的大气,大气中的碳氢化合物没能在月球表面凝结,所以月球上不可能有石油矿藏。

地球上石油矿藏的形成,与太阳系演化存在着密切关系,这些碳氢化合物是由天外星云物质凝结而成,与生物作用无关。

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二、煤炭

在地球所有的矿产资源中,有两种矿藏起源曾被认为与动植物作用有关,其中一种是石油,而另一种就是煤炭。

煤是重要的矿产之一,可做燃料和化工原料,是一种宝贵的地下资源,有太阳能化石之称,据说它蕴藏着远古时期太阳的能量。那么,煤炭是怎样形成的呢?

煤炭的主要化学成分是碳元素,而这种元素又普遍存在于生物界,所以在学术界普遍流行的是煤炭的有机成因学说。这种假说认为,煤炭起源于植物,是由植物演变而来。人们设想,在远古时候,地球表面有一些低洼积水的地区繁殖着大量的植物,植物死后倒入水中,慢慢又被泥沙覆盖,与空气隔绝,经过一系列生物化学变化,植物遗体就变成了泥炭。泥炭是一种燃料,但还不是煤,它由部分分解的植物物质组成。随着泥炭层上覆盖沉积物的逐渐加厚,泥炭层受到高温高压的作用,逐渐被压实脱水,碳质含量也愈来愈多,泥炭变成褐煤,再变成烟煤,最后变成无烟煤。如果温度压力继续增大,无烟煤还会变成石墨,石墨也是一种非金属矿产,但不再是煤了。

研究者们还认为,煤的形成与植物的生长和演化有关。最早的煤层出现在4亿年前,那时在一些宁静浅水海湾中,有低等菌藻植物大量繁殖,遗体经过成煤作用,形成石煤。大规模成煤是从石炭纪开始的,那时陆地面积已经很大,出现了茂密的森林,植物个体也很高大,为成煤提供了物质条件。

不难看出,上述论点与石油的有机成因说如出一辙,这两种矿藏都被认为是由生物界的有机物质转化而来的。既然我们对石油的有机成因说作出了否定性结论,认识到地球上的生物作用不足以形成大规模的矿藏,那么我们就有理由对煤的有机成因说再度提出质疑。

首先,我们对煤炭的形成条件提出质疑。就煤炭的储藏量来看,要形成一定储量和厚度的煤层,需要大量的植物体,仅凭一个或几个生长周期的植物体是不够的,这样就需要死亡植物体有一个堆积过程。然而,从植物生长的地理环境来讲,如果大量死亡植物体一味地堆积起来,势必影响以后植物的生长,这种堆积过程不可能长久维持下去。再者,空气中大量碳元素被植物沉淀下来,空气中的碳元素不断减少,生态平衡将被破坏,这不符合生物发展规律。反过来,我们也可以作一下计算,假如把储藏在地球内部的煤炭,全部还原成原始状态下空气中的碳元素,那么地球上的生态环境又会怎样呢?简直是不可想象的。因此上说,植物体对碳元素的沉积过程令人置疑。

另外,在茂密的植物圈内,必伴有大量的动物活动,那么,这些生物体为什么没有按照石油的有机成因说形成石油呢?还有,现在的生态环境是远古生态环境的一种延续,那么,在现在的生态环境中为什么找不到一点生物体碳化成矿的迹象呢?

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其次,一个地域的煤炭储藏总是分成很多层,它们深浅不一地夹杂在几百米至上千米的沉积岩层中。按照有机成因说,一定深度的煤层对应于特定的煤炭形成期,而一个成煤期需要经历几百万年至几千万年的时间。那么,人们不仅要问,为什么不同时期形成的煤炭却都集中在同一地域呢?这一现象简直太奇怪了,不符合地质变迁规律。

如果说植物的有机作用不足以形成矿藏,那么,地下的煤炭又是怎样形成的呢?要想揭开这个谜底,我们需要对地球上的碳元素有一个了解。

煤炭的主要化学成分是碳元素,在高温高压条件下可以变成石墨。石墨是一种碳晶体,在一定的物理条件下,石墨可以转化为一种同素异形体,它就是金刚石。金刚石是自然界中最硬的物质,非常稀少,素有“宝石之王”的美称。在地球上,原生金刚石矿床的唯一成岩母矿就是金伯利岩。过去一般认为,金伯利岩形成于地球内部,在火山爆发过程中,碳元素结晶可形成金刚石。

然而,1888年俄国学者叶罗费也夫和拉钦诺夫的发现,改变了人们的看法。他们首次在地球以外,即坠落到地球的石质陨石中发现了浅灰色的金刚石颗粒。接下来,人们又在铁质陨石中找到了相同形态的金刚石颗粒。美国芝加哥大学的刘易斯和沃特等人,在研究1969年坠落于墨西哥等地的四块陨石时,意外地发现了无数细小的金刚石粉末,其中还含有微量的具有特殊比例的同位素氙气。这些发现表明,地球上的金刚石或碳元素完全有可能来自地球以外。

二十世纪七十年代末八十年代初,美国乔治亚大学的加迪尼等人,测定了美国阿肯色州金刚石中的气—液包裹体,竟然发现其中含有类石油的烃类物质,如甲烷、乙烯、甲醇、乙醇等。平均每克金刚石的含油量约3.3 ╳ 10-5克。这一发现启示人们,金刚石的形成与地球上的碳氢化合物存在密切联系。

从金刚石到煤,同属碳元素,只是物理形态和储藏的位置不同而已。金刚石的这些特征,暗示着煤的形成与早期的地球大气有关。

石油是由地球原始大气中的碳氢化合物转化而来,通过对比可以发现,煤与石油两种矿藏具有相似之处。两者都储藏于地壳的沉积岩层中,都含有丰富的碳元素,在不同程度上都伴有一定含量的有机气体。这是否意味着煤也像石油一样,也是由地球原始大气中的物质转化而来的呢?

据此,本文提出煤炭成因无机说,认为煤炭与石油一样,都是通过无机过程形成的,准确地说,煤炭是5.8亿年前地球大气中单质碳的沉淀物。5.8亿年前,在太阳系的那场灾变中,地球遭受了天外流星体的袭击,大气极其浑浊,含有大量的碳元素组成的尘埃颗粒。随着地球热量的散发,温度逐渐下降,大气中的碳氢化合物首先降落于地表,在沉积岩中形成了石油矿藏。接着,大气中的水蒸气在地表冷凝为液态水,于是形成了海洋。这时,大气中由各种金属和非金属元素组成的尘埃颗粒陆续向地表沉降,物以类聚,同一种元素的尘埃颗粒相互聚集,于是,在刚刚诞生的陆地上形成各种矿藏。其中,由单质碳颗粒沉降形成的就是原始的煤炭矿藏。原始的煤炭矿藏形成以后,经历了不同时期的地质演变,最初形成的碳的沉积层被深埋地下部分,经高温高压就变成了优质煤炭;沉附于地表浅层的碳的沉积层,由于没有经历高温高压的过程,所以形成的煤质就相对较差。煤炭与原始的沉积岩几乎是在同一时期形成的,都是大气尘埃的沉淀物,所以煤层与沉积岩层夹伴而生,呈现出多层次结构。

而与此同时,沉降于海洋中的各种尘埃颗粒却无法聚集在一起,它们有的分解溶于海水,成为海水中的矿物质,而有的则结成了不溶解的物质核,如锰结核等。碳的尘埃颗粒沉降于海水后,与其他元素发生了化学反应,生成了许多无机物和有机物,此时,海洋已成为培育生命的“原汤”。有机物进一步演化,出现了原始的生命形态,于是,地球上迎来了寒武纪生命大爆发。

球盟会体育因此上说,地球上的煤炭与地球上的生命两者具有共同的起源。地球原始大气中碳元素的尘埃颗粒,沉降于陆地,形成了煤炭矿藏;飘落于海洋石油成因之谜,则孕育了地球上生命的诞生。

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