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前言石油和天然气的成因问题是石油地质学的前缘学科之一，也是石油地质的热门话题。因为不仅涉及到油气成因理论的创新，而且关系到深部油气的勘查方向和最大程度扩大能源储备的问题。对于油气成因，除了“生物成因论”和“地幔成因论”之外，尚有“地幔热柱成因论”、“宇宙尘石油雨成因论”、“地下放电放光成因论”、“古陨石坑成因论”等等概括地说，就是“有机”和“无机”的成因争论。20世纪中期，我国大庆油田在陆相有机成因理论的指引下，发现了世界上最大的中、新生代陆相油田，突破了“中国贫油论”的束缚，取得了辉煌的成绩。近年来由于我国冀东南堡大型油田、四川盆地普光大型海相油田、松辽盆地徐家园子油田火山岩气田的发现，无疑是对单一的“生物成因论(有机成因论)”提出了挑战。然而石油成因理论不仅关系到生命起源等重大科学问题，而且对于石油勘探工作有着实际的指导意义。有机生油论指导我们找到了目前绝大多数的油气资源，然而无机成因油气田的不断发现，以及无机生油论取得的一些令人瞩目的研究成果，使我们不得不重新审视生油理论，以求解放思想，拓宽视野，在新领域探寻石油资源。现在认为石油基本上是无机成因的，而天然气的成因却是二元的即有机成因和无机成因。油气成因理论应该是不断发展、不断进步、不断丰富的过程。上世界七十年建立的油气有机成因理论极大地推动了石油工业的发展，指导地质学家们发现了众多的油气田。但是油气的无机成因理论也在发展丰富取得了一些列的成就。以及一些无机成因的油气田的发现更是极大地鼓舞了长期坚持油气可以无机形成的地质学家，进一步推动了有机无机成因理论的发展。同时也有一些理论认为尤其是两种机制同时作用的结果，即油气中的碳元素来自生物有机质即为有机成因，而油气中的氢元素部分却是来自无机自然界的。更有一些理论运用地球动力学的模式直接打破了油气传统的有机或者无机成因划分，将二者融为一体运用地球动力学模式进行分析和研究进而指导油气田的勘探。一．油气有机成因油气的有机成因理论包括早期生油说和晚期干酪根热降解。油气的有机成因理论大家已较为熟悉在这里我只做简要的介绍。油气的有机成因理论中最重要的是上世纪七十年代法国科学家Tissot等创立的干酪根晚期热成烃理论,揭示了常规油气的形成、演化和分布规律，描述了油气生成、破坏的阶段性和基本过程在指导现在常规油气的勘探中发挥了无可替代的作用。干酪根晚期热降解生烃理论认为液态烃形成的温度范围为60-120℃(即Ro在0.6%-1.35%之间),当地层温2度超过120℃(Ro1.35%)时有机质和液态烃将发生分解形成以甲烷为主的气态烃类。世界上绝大部分已发现的石油均存在于65.5-149℃的温度范围，高于此范围的石油则被天然气所取代。故将此温度界限称之为“液态窗”。该理论认为在约4500m以下深度的地温环境下石油和天然气将不能形成有商业价值的油气藏。然而勘探实践和理论研究表明石油特别是天然气可稳定地存在于更大的深度。因此对深层石油和天然气的研究应着眼于突破传统的经济死亡线在现行勘探深度以下研究和寻找石油和天然气特别是天然气资源。这说明传统的油气有机成因理论即干酪根晚期热降解理论存在着一定的局限性，不能用于指导地壳更深层的油气资源的勘探。二.油气无机成因从1763年俄国学者洛蒙诺索夫注意到油气的成因与火山活动有关，提出了无机成因油气的启蒙思想以来，无机成因油气说几度兴衰。油气无机成因理论出现两个多世纪以来，形成了多种无机成因油气观点，概括起来有以下几种：宇宙说、碳化说、岩浆说、变质说和核变说。目前影响较大的非无机生油气的几个学派。其中之一是Gold的地幔脱气理论;其中之二是费-托地质合成理论。1.地幔脱气说1.1Gold氏的理论Gold等依据太阳系、地球形成演化的模型,认为地球深部存在着大量的甲烷及其它非烃资源,这些甲烷在地球形成时就已存在,大量还原状态的碳是在地壳深部被加热而释放出来的。经过地质历史时期的种种变化,这些甲烷向上运移,并大量聚集在地壳深度15km左右的地带,形成无机成因的油气藏。Gold认为,大陆板块边缘褶皱带、大型地壳裂谷、地震活动带、活火山或死火山附近,以及已查明富集油气的线性带的外延部位均是油气概率极高的地区。如前所述,来自地幔的烃,可以进入到大气圈中,也可运移到沉积储层,也可运移到火成岩、变质岩中,更可以进入水圈。北极地区大量气水合物的发现正是甲烷等烃类气体向上运移而形成的类冰态化合物。著名天体学家Ahrens(1994)在论述地球起源时明确指出:地球是吸积形成的,被吸积的物质是冷却的,因此,它们保留了相当一部分挥发份(水、甲烷、氨和稀有气体等)。1.2幔汁说幔汁说由杜乐天所倡导。杜乐天通过对地幔流体及软流层地球化学的多年系统的深入研究,在1987年提出幔汁说的基础上,于1993年提出了地球有5个气圈的新假设。该假设认为:地球是一个充气的3球,它内部存在压力极大,而且温度和密度都很高的气体,这些气体构成了从地球表面一直到地核的至少5个气圈。其中地壳气圈(即气圈,位于地壳8～10km以下)对于人类具有重大的意义,它蕴藏着可供人类大规模开发利用的巨大天然气资源。1.3幔源油气前苏联科学院地质研究所极重视地球深源气的研究,根据他们的理论,以及实验模拟,并从大量的地球化学资料,论证了在强还原条件下形成的深源气是氢气、各种烃类气及硫化氢。他们认为:在上地幔这种特有的温度和压力条件下,液-气相是氢和烃的巨大储气库。2.费-托地质合成说2.1俄罗斯学者的“超基性岩底辟说”俄罗斯学者卡罗斯、萨尔基索夫等(1986)根据大量折射波、反射波、转换波的研究和分析,提出地壳结晶基底非层状特征的新概念模型。尔后,沃里沃夫斯基提出了陆壳岩浆潜入式增长的超基性蛇纹岩底辟说。他们认为:陆壳的结晶部分不全是由高变质的层状结晶岩所构成,即在花岗岩(花岗片麻岩)与玄武岩中间夹有可塑性的超基性蛇纹岩。在地壳发展早期是双层结构,后来由于可塑性的超基性岩的挤入使上下层分离,并发生破裂,即所谓的“超基性蛇纹岩底辟说”。这种超基性岩在地球物理上的显著特点是低速、高导性。根据上述机理,上层的花岗岩(花岗片麻岩)呈不连续的断块似乎飘浮在这层超基性岩上。地幔脱气生成的CO2、CO、H2沿玄武岩的破裂带上升到超基性的蛇纹岩带,发生了著名的费-托合成反应:费-托合成的烃类伴随着岩浆活动(如火山喷发)沿花岗岩缺失的“通道”上升,并运移到储集层形成油气藏。蛇纹石化超基性岩是油气生成的“发生器”,油气的费托合成反应便在此带发生;沉积盆地由于有孔隙好的砂岩、白云岩等,成为油气的“存储器;上地幔是油气生成的“原料库”。这三者缺一不可,但必须有“通道”相互连通。这是目前对地壳结构的新的认识,从而为油气非生物(无机)生成理论注入了新的活力,使非生物(无机)成因论摆脱了“烃类无法存在于上地幔的高温条件”的困境。沃里沃夫斯基研究了上述陆壳结构与含油气盆地的关系,特别是研究了世界9个大型、超大型含油气盆地的结构、地球物理参数,发现这些大型、超大型含油气盆地的沉积层均直接与蛇纹石化超基性4岩或玄武岩接触而缺失花岗岩,他把这种盆地称为“缺花岗岩型盆地”,并认为凡底部缺失花岗岩的盆地,均蕴藏着巨大的油气资源。2.2板块构造与费-托地质合成费-托地质合成反应能否在地质条件下实现,困难主要在于催化剂、氢气和二氧化碳的来源问题。2.2.1氢来源自然界常见到超铁镁岩的蛇纹石化,伴随蛇纹石化过程有氢气放出,其反应方程是:10(Mg1.86Fe0.14)SiO4+14.2H2O—→5Mg3Si2O5(OH)4+3.8(Mg0.95Fe0.05)(OH)2+0.4Fe3O4+0.4H2Janecky和Seyfried(1986)用海水对大洋橄榄岩作了蛇纹石化的模拟实验,温度在200℃和300℃,压力为50MPa(没有CO2),结果有磁铁矿沉淀和氢气生成。上述反应是可逆的,即如果蛇纹石与水镁石反应,则可生成橄榄石、磁铁矿、水和氢气。这个反应即所谓脱蛇纹石化作用。因此,只要地壳上发生超铁镁岩的蛇纹石化及其逆反应脱蛇纹石化,便可产生大量的氢,而大洋中脊、板块俯冲带、裂谷则都是超铁镁岩蚀变生氢的有利场所。2.2.2CO2来源蛇绿岩、科马提岩等超铁镁岩经常有白云石、菱镁矿等碳酸盐矿物共生,在蛇纹石化过程中,这些碳酸盐矿物有可能部分或完全离解脱碳生成CO2。板块俯冲、岩浆侵入、裂谷等地质背景均适宜CO2的排放,这部分CO2可按费-托合成原理转化成烃类。2.2.3催化剂研究表明:在费-托合成反应中,不仅金属铁有催化活性,离子化(氧化)的铁有与金属铁一样的催化活性。在合成过程中由于CO2的离解,表层磁铁矿会不断氧化成赤铁矿;同时在氢的作用下,它又重新还原成磁铁矿。研究还表明:在500℃的温度下,氧化铁可以与它的承载物(氧化硅或氧化铝)交换阳离子,即铁离子进入了承载晶格比较稳定的位置,因而获得了良好的催化活性。由此推测铁硅酸盐可能也是费-托合成反应的活跃催化剂,而磁铁矿、赤铁矿、铁硅酸盐都是地壳中常见的矿物,完全可以满足费-托合成反应的需要。2.2.4发生费-托合成反应的有利构造部位目前看来,最适宜的部位是:俯冲板块的接触带、蛇绿岩推覆体中、裂谷作用所薄化的地壳中,具体地说,这种俯冲沉积岩含大量碳酸盐,而蛇绿岩仰冲到陆架碳酸盐之上。俯冲碳酸盐沉积物中所排出的水和脱碳作用所生成的CO2,将沿着上覆的地幔岩石圈及蛇绿岩的底面上升,为蛇纹石化,H2O、CO2的还原以及烃类的合成创造良好条件。此5类大型推覆体本身的质量,可能有助于把所产生的流体向克拉通内部驱赶。三.油气有机无机混合成因尽管大量资料显示烃类特别是石油的形成主要与沉积有机质有关,但由于有机质赋存于无机矿物颗粒之间,特别是其中富集大量的水,成为化学反应活跃的介质,并可能参与化学反应。成岩演化不仅对有机质成烃演化起促进作用，而且环境条件的变化亦相应地促进无机岩石的转化。因此，有机质—无机矿物—水之间构成了一个相互联系、相互制约、相互促进转化的整体。按照有机成烃观点，油气中的主体元素C、H和辅助元素N、S、O等都来自先体有机质，与有机质相比烃类相对富氢（表1），而这些氢由原始有机质中一部分化合物聚合而产生。事实上，无论是何种自然有机质组成，要形成石油，如果以C作为标准，必是一个富氢去其它元素（N、S、O等）的过程。目前流行的看法是氢主要来自有机组分本身，由于一部分有机质的缩合，提供氢以形成烃类。但是，在沉积源岩中从水中提供的氢可能比有机质缩聚产生氢更有利。因为含有机质的所有沉积物中都含有水，因此，沉积水与烃类的产生过程密切相关。大体上水控制着源岩有机质的沉积环境，而在地下环境中，水提供了烃类形成氢的来源，也是油气烃类运移的动力和运载体。从这一点而言，即使所谓有机成因的烃类，其元素碳的来源基本上来自有机质，而其中氢的来源除有机质外，还6应有大量的无机来源，特别是气态烃。1.混合成因的证据1.1油田水的证据大量的实践证明，油田水中化学成分垂直剖面的一般变化规律为：水的矿化度随深度增加，水中NaCl逐渐被CaCl2所替代，硫酸盐含量减少,Br含量增加。油田水成分复杂。与油气有关的水一般都以高矿化度为特征，并含有一些特殊的微量组分I、Br、B、Sr、铵等，当然还富含有机组分。这些特征显示，在没有外来水参与下，与油气共生的水以高矿化度为特征，并随深度增加而矿化度增高。但从地质演化来看，如果没有有机质，沉积物在压实过程中，溶液从岩层中挤出，随深度的增加，则溶解固体的浓度（即矿化度)逐渐降低。油田水与非油田水的这种明显差别,决非原始水体、演化环境之差别，应主要与其是否含油气、特别是有否有机质参与成岩演化有关。传统的观念认为，油气中的氢主要来自另一部分有机质的缩合。随埋深增加，CO2脱出进入水体，应该具有pH降低的趋势,但事实上油田水随深度增加而pH增大，矿化度增高，这种变化暗示随着有机质演化程度增高，低分子量烃类的出现，水中的以质子形式参与烃类的形成，使油田水、特别是自生水的pH增大，矿化度增高。因此，在有机质成油过程中，油田水的矿化度增大,pH值升高应起因于水中参与烃类的形成,有机