上學時沒學懂石油的形成，那現在可能是最好的機會了

文/地質喵

來源：知乎

你見過很多岩石，但你見過燃燒的泥 / 頁岩嗎？

一塊質地鬆脆，顏色發黑，密度不高的岩石，竟然可以直接用明火點燃，是不是出乎了很多人的想像？

（疏鬆的質地是泥岩 / 頁岩的共性，能夠燃燒則是因為它含有各種各樣的複雜有機物，有時被稱為頁岩油）

悠長的歲月，在無數代人類生命的時間尺度上，吟唱著屬於自己的滄海桑田。就在那不見天日的湖泊或大海深處，細小的沉積物顆粒正日復一日的堆積在水底——水底的淤泥，說的就是它們。

你有沒有想過，為什麼淤泥那麼臭？

又是四月，春暖花開的季節，最適合牽著姑娘的手，沿河看柳或者湖邊小坐。正是北方枯水的季節，大大小小的水窪里，青蛙們正準備找個對象干他一炮，然後在下一個小長假，讓你看見一池子的蝌蚪。景色雖然不錯，陽光也總是暖暖的，但卻總能夠聞到一絲令人不悅的味道。

一股不同於屍體腐爛的味道，能讓人聯想起臭水溝和魚塘捕魚的陳腐氣息——這樣的生活經驗你肯定有——沒有的話你該去試試挖藕。

（某高校組織的挖藕大賽，重點是水塘底部富含有機質的黑色淤泥）

那些隨著枯水季節露出來的泥地，雖然變得乾燥長滿了草，時不時還能看見一兩條眼神空洞的死魚。這些表面發褐的土地，翻開來看確是黑色不行，聞起來更是令人作嘔。

這就是生命逝去的味道：上一年死去的動植物屍骸，化作細小的有機殘渣隱藏在淤泥里，微生物開始享用它們的大餐，偶爾打出幾個飽嗝讓你噁心的能吐出隔夜飯。

如果用石油地質專業的術語，這叫未熟的生物成因天然氣，富含甲烷，也含有其他烴類及非烴類——說白了就是沼氣。對，就在你家後面的荷花池裡，正在緩慢發生著有機質生成油氣的第一步。是不是沒有想到？

閉上眼睛，想像一場落在海洋深處的「雪」

海洋科學領域優秀答主梅洋湯曾在回答里說，她在乘坐深潛器緩緩沉到海底後，舷窗外除了一篇幽暗的深藍，還有紛揚降落的海雪。

……什麼也看不到，比較無聊的下潛了快兩小時。真是黑，非常黑！一直到了海底 2000 多米的地方，pilot 才把潛水器周圍的強力探照燈打開。周圍頓時一片明亮！看外面有很多海雪飄下來，在燈光照射下很像冬天在下雪。周圍特別安靜……

當然，這不是真正的雪花，而是來自上方 2000 米海水中的生物殘渣。

（大抵是這樣的場面吧，上圖引自@梅洋湯海底是什麼樣子的？生活著什麼生物？是不是黑得什麼也看不見，靜得什麼聲音都聽不見？ - 知乎）

海洋，是一個巨大的搏殺場。這裡每天都上演著獵殺與捕食，破碎的肉塊骨渣連同死去的浮游生物一起，緩緩沉降到海床上。如果考慮到海洋生物的進食作用，並生物殘渣沉降量的角度來說，越深的深海越不利於堆積有機質，反而是遠離海岸線的大陸架遠端最為有利。所以，這就是為什麼人們在說有利烴源岩的時候，總是喜歡把「前三角洲」、「淺海陸棚」、「半深海」掛在嘴邊，而並不經常提到真正的深海——但並不是說那裡沒有，只是沒有前面多。

「海雪」落到海床上以後，會成為底棲生物和微生物的大餐。然而，這場大餐雖然美味，卻也暗含殺機——荷花池裡，生物作用（腐爛）形成的沼氣、硫化氫等氣體會自然釋放，但在壓強巨大的海底，一些有害氣體卻會逐漸積累。

（墨西哥 Cenote Angelita 水下河，富含硫化氫的水層位於上層淡水和下層鹽水之間（霧狀水層），這是高度安靜的水體中，底部生物腐爛釋放的硫化氫溶解在水中形成）

享用著這最後的晚餐，消耗著水底本就不多的氧氣，然後被高度富集的硫化氫殺害——這樣，海底 / 湖底的淤泥會很自然的傾向於出現富含硫化氫的還缺氧原環境。

硫化氫的毒害作用、缺氧環境會導致好氧微生物的倖存種類大大減少，而淤泥逐漸埋深愈發緊實的過程也會慢慢的殺死耐硫化氫微生物，最終創造出利於有機物保存的沉積物環境。

硫化氫殺死大部分微生物的同時，還順便創作著藝術——

（國內收藏界廣受喜愛的「鐵膽石」，是深水環境下硫化氫與分散鐵質發生反應，形成硫化亞鐵（黃鐵礦），在條件適合時聚集形成結核）

這也是為什麼，我們會經常在烴源岩地層或者煤系地層里發現黃鐵礦結核的原因。為什麼鐵膽石經常出現在灰黑色泥頁岩地層里？為什麼在煤礦里會經常充斥著臭雞蛋味的原因——科學與生活就這樣不經意的結合在一起，需要的只是能夠發現的眼睛。

從淤泥到石油的漫長旅程，從地殼的沉降開始

Homo Sapiens 這個物種的生命太過短暫，於是該物種的許多個體對於巨大時間尺度的事件無法理解。如果他們能夠快進著看地球的歷史，才發現他們以為的天長地久其實只是一廂情願。

許多人或許對地殼在水平方向的運動有所了解——板塊漂移；但是對地殼在垂直方向上的運動往往只了解一半：板塊相撞，發生造山運動抬升高原與山脈的那一半。這不被人們了解的另一半，是垂直沉降。

只有垂直沉降，才讓一片海域或一個湖泊沉積成千上萬米厚的沉積物，然而水深只有沉積物厚度的零頭，或者地表保持平原的狀態。

關於地質沉降的更多內容，參見我的兩個回答——假如人類現在滅亡，幾億年後能留下什麼痕迹證明人類曾經存在過且達到了高度文明？ - 知乎泰山是如何形成的？ - 知乎

人們總是習慣了看頭頂的藍天，看遠方的白雲，很少有人願意俯下身看看腳下的大地。可當我們真的藉助科學手段探索這片土地，卻發現它有著不輸於藍天和遠方的精彩。它埋藏了古老的海洋，消亡的湖泊；它從一個小窪地演化為一個巨型湖泊，然後填滿泥砂變成平原；它從古代的崇山峻岭逐漸演化為汪洋一片，然後又從海面下崛起變成陸地。

滄海桑田，並不僅僅是海平面高一點或者低一點，它的背後其實隱藏著地殼的大規模垂直升降過程，以及隨著這個過程一起保存在地層里的有機物。

眺望貝加爾湖，思考它的「深度」

現如今，貝加爾湖的古老基底（下圖的 Basement/prerift）依舊在地殼拉張的作用下快速沉降——這個快速，是指每年 0.03-0.3mm【1】，根據不同位置而變化。

對於人類來說，這個速率讓人無法察覺。可如果用這個速率乘以貝加爾湖的年齡：2500 萬年至 3000 萬年的話，沉降量是多少呢？

最大值大概是 0.3mm*30,000,000=9,000,000mm=9km，最小值把小數點往前撥一位，900m。

這也就意味著，貝加爾湖形成之初堆積的沉積物及其中的有機質，現在可能位於最深 9000 米的地下。有誰知道中國最深的石油鑽井有多深？不到 8500m。

眾所周知，地下越深處，溫度和壓力也越大。淤泥會在壓力的作用下逐漸變成泥岩，那麼其中的有機物會在溫度的作用下變成什麼呢？

將地層放進高壓鍋：高溫高壓生成油氣

複雜高分子有機物會在溫度的作用下逐漸分解，發生熱解反應和裂解反應，這是一個高中階段就應該了解過的有機化學知識，包括文科生——所以如果有人不了解，那是你忘了。

（烴源岩中的有機物隨著溫度升高發生熱解和裂解，逐漸釋放小分子有機物的過程。【2】）

介紹有機地球化學領域的兩個實驗。

第一個叫做「乾酪根分離試驗」，它從泥頁岩 / 其他烴源岩中分離出不溶於非氧化性的酸、鹼、非極性有機溶劑的高分子複雜有機物——這種東西我們稱其為 kerogen，乾酪根。最終測定提取出來的有機質與岩石樣品質量的比值，從而鑒定烴源岩的優良程度。實驗流程如下：GBT 19144-2010 沉積岩中乾酪根分離方法

第二個實驗叫「黃金管熱模擬生烴實驗」，這個實驗通過人工對富含有機質（殘餘乾酪根）的泥岩（烴源岩）粉末進行加壓加溫，然後鑒定其在各個溫度階段釋放的產物和產量。未找到可下載的國標，但這裡有個去年年初的新聞：《黃金管生烴熱模擬實驗方法》中國石油天然氣行業標準公布實施 ---- 中國科學院廣州分院。實驗過程：生烴熱模擬實驗方法述評

黃金管實驗的相關論文非常多，隨便舉一例：

（圖片引自【3】。這裡的溫度和升溫曲線是實驗室狀態，壓力 50MPa。地質條件下會有所差別。）

乾酪根是一種可以從烴源岩中提取出來的物質；

這種物質通過加壓加溫試驗可以人為產生多種輕重烴類，形成似油氣的物質；

不同類型的乾酪根具有截然不同的生烴特性；

這就是油氣有機成因的證據，實驗室得到的。

海綿一樣的岩石，我們叫它儲集岩

學習地質以後的改變之一，就是看待岩石的方式發生了徹底的轉變。「堅若磐石」這四個字從此以後只能針對某些岩石類型，但對有一些岩石，用「海綿」來形容更為貼切。

一塊普通的砂岩看起來是這樣：

在偏光顯微鏡下看，有可能會是這樣：

（紅色和藍色是壓注進砂岩的樹脂，這些樹脂佔據了砂岩礦物顆粒之間的孔隙）

在掃描電鏡下一般是這樣子：

（大塊的髒兮兮的礦物顆粒，和顆粒之間黑色深邃的孔隙）

我們很容易就可以想到，在一些看似堅固的岩石中，實際上存在著複雜的孔隙結構。一些空間想像力不錯的同志大約已經形成了一副沉積岩中孔隙結構的三維效果，理論上差不多會是下面這樣：

地下岩石的這些空隙里，顯然充滿了水，或者油氣——這才是油氣在地下的主要面目（次要面目要考慮岩石的裂縫、地層中稍大一些的洞穴）。

但對於更加緻密的泥 / 頁岩，孔隙的總體積要遠遠比砂岩小。

離開搖籃，走向未知：油氣的初次運移

當一個人類族群受到逐漸增大的環境壓力，且群落內個體數量不斷增大的雙重壓力作用時，小群體的離開與出走會成為常態。類似的情況，我們可以套用到烴源岩里的油氣。

不斷埋深的烴源岩層，受到各種來自外界的壓力：比如上覆地層巨大的壓力；在它內部，不斷生成的油氣（還有一些礦物釋放的水）也在慢慢佔據本就不多的孔隙空間，形成內在壓力。

這些有機油氣需要有個去處。作為孔隙較少的緻密岩石，烴源岩內「缺乏收納空間」，不斷形成的油氣會在「後浪擠前浪」的排烴壓力、地層壓力和自身內部愈演愈烈的超壓作用下向烴源岩外排出。

（只要是能夠離開烴源岩的方向，都是走出搖籃的道路，無論向上還是向下）

油比水輕，氣更輕——向上，向上，向上：油氣的二次運移。

浮力讓一切都試圖向上運動，包括油氣。自由任性的向上緩慢流動才是地下油氣世界的真實面目。直到遇到阻礙流不動為止——這樣的阻礙，往往來自緻密缺孔的岩石。它可以是覆蓋全盆地的厚層泥岩，可以是蒸發岩，可以是封閉性斷層，還可以是緻密的上涌岩漿岩。

一整個盆地範圍（想想華北平原有多大？）內的烴源岩源源不斷的形成並排出油氣，這些油氣在地層里四處緩慢流動，尋找著一切能讓自己駐足的地方——這些吸引油氣停留的地方，往往是滲透性岩石與非滲透岩石巧妙結合，被構造運動和地層形態精密控制的地區——我們稱呼它為圈閉（trap，字面意為陷阱）。

（綜合體現一個盆地內，深部烴源岩的油氣經過初次運移（排烴）、二次運移進入圈閉的示意圖）

（對流體開放的斷層也是很好的二次運移通道）

（一些常見的圈閉類型。shale 作為烴源岩，limestone 和 sandstone 都是良好的儲集層；在不能繼續上浮的角落裡聚集形成油藏，許多個這樣的油藏經過開採就是大油田。）

這就是所謂「超大規模油田」的來歷

「超大規模」看起來很唬人，但其實就是幾個大號的圈閉而已，比起整個盆地來說，太微不足道。

總結：

油氣的有機成因學說，是經過實驗提出理論、理論指導勘探、勘探成功案例不斷完善理論的極富生命力的學說。自從它在上個世紀六七十年代提出，經過近半個世紀的發展，它在全世界範圍內指導了無數的油田獲得勘探成功。

有機物殘骸分散沉降在水底軟泥里，被水底微生物消耗一部分後，被水底自發形成的缺氧還原環境保存下來；【有機質的來源與保存】

水底軟泥逐漸演化為泥 / 頁岩，有機質則經過熱演化逐步成為複雜乾酪根；【從基本生物殘骸轉變為性質穩定的乾酪根】

長期緩慢沉降的地殼，能夠在龐大的面積內，年復一年的積累富含有機物的軟泥，並成為地層中體積巨大的泥 / 頁岩（烴源岩）層；【地層沉降形成大範圍厚層烴源岩】

乾酪根在不斷增大的壓力和溫度作用下開始依次發生熱解和裂解反應，釋放大量油狀烴類物質，這一過程得到了充分的實驗室證實；【烴源岩中的有機質發生化學反應，釋放油氣】

地質沉降過程的繼續，伴隨著沉積體系的滄桑巨變，不同性質的地層漸次形成；【沉積盆地內形成多種岩石類型，提供豐富的生儲蓋組合】

烴源岩逐漸生烴，在內外的巨大壓力下將烴類物質排出；【初次運移，或稱排烴，將烴類物質從烴源岩里釋放到周圍儲集層中】

主要在浮力的作用下，油氣在儲集層里發生運移，直到無法繼續上浮為止；【二次運移，直到遇到具有特殊構造形態、特殊儲蓋組合的圈閉】

這些圈閉里的油氣在漫長的地質變遷中倖存下來，活到了 19 世紀中後期，被人類逐漸發現；【一個個沉積盆地內裝滿油氣的圈閉被發現，一個個大油田拔地而起】

隨著勘探手段和地質認識的不斷進步，許多過去被忽略的、未發現的油藏終於又被揭露出來啊，石油峰被一而再、再而三的推遲；【我輩石油人的驕傲與自豪，希望與夕陽。】

但是，天下沒有不散的宴席。人類消耗油氣的速率遠大於自然界逐漸生成的速率。油氣在經濟意義上的枯竭，只是一個時間問題。新能源的發展與逐步取代油氣，勢在必行。

關於近期社交平台熱議的無機成因的評價：

油氣的無機成因學說，它源自於 19 世紀後期，並且獲得了無機成因天然氣田的勘探驗證。但這個學說的問題在於，它尚未指導一個油田取得勘探成功，反倒失敗了不少探井。

實踐是檢驗真理的唯一法寶。不管有關研究者多麼堅持，提出多麼令人眼花繚亂的理論來豐富無機成因理論，但事實卻是殘酷的：還沒有在地球上發現無機成因能夠形成更重的液態烴的任何證據，實驗室里沒有，勘探實踐里也沒有。正如@趙公子斐 在另一篇回答里提到的（如何看待《石油枯竭騙局？「三百年驚天大騙局：石油竟不是埋在地下生物變成的！」》這篇文章？），松遼盆地昌德氣藏是世界上發現的唯一一個有充分地球化學證據，生產烷烴氣體為主的無機成因的，天然氣藏。

石油工業並不排斥無機成因理論作為現代油氣綜合成因理論體系的一個良好補充，畢竟能夠發現更多油氣是一件大家都喜聞樂見的事情。但是，任何理論的突破都需要建立在詳實的科學論證與勘探成功上。

無機成因論恰恰在這兩點上令人難以信服。

實際上，在中國石油地質科學界，有關的學術交鋒由來已久。在 10 多年前，就發生過一場無論是層次、規模還是影響力都令人側目的學術大討 si 論 bi。討論的雙方都是國內油氣勘探一線有多年工作和科研經歷的專家，觀點對立之尖銳，言辭之犀利嚴肅，在學術界的討論中都是罕見的。

討論的結果，其實是持無機論者要麼是用錯證據，要麼是對地質證據的理解出現偏差，要麼是使用了一些沒有證據的言辭，要麼是持無機論者的理論還存在漏洞。

孰高孰低，我作為後學之輩不便評價，有興趣者一讀便知。

黃第藩, 梁狄剛. 關於油氣勘探中石油生成的理論基礎問題——與無機生油論者商榷[J]. 石油勘探與開發, 2005, 32(5): 1-10. （此文將我國學術界的幾位代表性的無機成因者駁了個遍，有興趣者一定要看看） 李慶忠. 生油理論值得重新審視——答黃第藩, 梁狄剛《 關於油氣勘探中石油生成的理論基礎問題》 一文[J]. 石油勘探與開發, 2005, 32(6): 13-16. 張景廉, 張虎權, 衛平生. 再談油氣成因和拓寬勘探領域問題[J]. 天然氣地球科學, 2006, 17(2): 143-147. 王蘭生. 對目前國內油氣無機成因理論的幾點看法[J]. 石油勘探與開發, 2006, 33(6): 772-774. 張景廉. 關於油氣成因的辯論——與王蘭生先生商榷[J]. 石油勘探與開發, 2008, 35(1): 124-128. 王蘭生. 再論國內油氣無機成因理論——答張景廉先生[J]. 石油勘探與開發, 2009, 36(2): 254-256.

火山岩油藏與上生下儲是怎麼回事？

在一些關於無機成因的資料里，總會看到語焉不詳的提到一些火山岩油藏，然後試圖引導大家將油氣成因引導至岩漿的方向。但他們並沒有告訴你們的是，這些火山岩油藏要麼是發育在沉積盆地的基底，億萬年的風化早已讓它千瘡百孔，然後在一些高點讓油氣不再上浮駐足停留；要麼是發育在沉積盆地里的岩漿侵入體，構造活動讓它變得支離破碎，然後周圍的油氣也可以自然匯聚於此。

（基底花崗岩潛山裡的原油。岩心是花崗岩，原油賦存在花崗岩的裂隙、孔洞里）

（花崗岩裂縫裡的一小條砂岩，這是在花崗岩風化裂隙內發育的沉積岩）

你能想像黃山 / 泰山 / 廬山逐漸沉降，慢慢形成一個大湖，沉積了砂泥岩並最終形成油氣。在排烴壓力的作用下，向下突破後向上匯聚；或者油氣從「山腳」的烴源岩里形成後向上運移，並儲存在這些花崗岩風化層的破碎孔洞中嗎？

（到底是上生下儲為主，還是下生上儲佔優？火山岩里的油藏真的能作為無機成因原油的證據嗎？這恐怕還有得說道吧！）

寫在後面的話：

最近有一篇從今日頭條傳播出來的文章，用「五億年前的恐龍」這樣令人匪夷所思的語言，大談特談石油有機成因不靠譜和「沒有科學實證」，表示有機成因學說「是精心編製的謊言」。然而，任何石油工作者都一眼就看明白，那篇文章的作者完全是個沒有地質知識的傢伙，寫出這樣的文字真是令人發笑——說好的五億年前的恐龍呢？

嚴肅的學術討論我們是歡迎的。

但是用這種看似合乎情理，實則文詞間漏洞百出，用塑造受壓迫形象甚至鼓吹西方學術陰謀的伎倆，描繪一幅西方國家打壓發展中國家的畫面，煽動廣大行業外群眾參與到一個自己完全不了解的學術爭論里來，實在令人搖頭。

這種引導民粹勢力擾亂學術氛圍的行為，恕某不齒。

按照石油化石學說，要生成該油田已產出的石油，需要一個長寬高各 30 公里的立體空間，在裡面填滿恐龍肉，而且還要 100% 轉化為石油。這簡直是荒謬至極。

以我之見，這句話應該寫成下面這樣：

按照石油化石學說，要生成該油田已產出的石油，需要一個長寬高各 30 公里的立體空間，在裡面填滿恐龍肉，而且還要 100% 轉化為石油。

——這簡直是荒謬至極。

部分參考資料：

【1】 Colman S M, Karabanov E B, Nelson III C H. Quaternary sedimentation and subsidence history of Lake Baikal, Siberia, based on seismic stratigraphy and coring[J]. Journal of Sedimentary Research, 2003, 73(6): 941-956.

【2】 Seewald J S. Organic–inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins[J]. Nature, 2003, 426(6964): 327-333.

【3】 何坤, 張水昌, 王曉梅, 等. 松遼盆地白堊系湖相 Ⅰ 型有機質生烴動力學[J]. 石油與天然氣地質, 2014, 35(1): 42-49.

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