地球上万紫千红的生物界是形成石油和天然气的物质基础

       在占地球表面75％的水体中，生活着大量的微生物和微体生物。据推算，一个硅藻体在不受任何阻碍的条件下，一天之内即可繁殖到和地球一样大小! 海洋学家在不同深度的海洋水体中安置了生物体接收网，据观察推算，海洋中的浮游生物每年的死亡量可达550×109吨。它们在海水中大量生存被科学家称为“生物雨”，而死亡后向海底飘落的则形成了“尸体雨”。还有大量的生物遗骸被河流和风源源不断地携带到海洋与湖泊中，不断地沉降到底部，这些生物和碎屑是生成石油、天然气雄厚的物质基础。

       在水体中，生物死亡以后，体内的主要成份如碳水化合物、蛋白质、类脂物、木质素等会先后遭受程度不同的分解与破坏。分解产物一部分被另外一些生物当作能源而再循环，另一部分则经过物理学过程而变为简单分子(CO2和H2O等)。剩下的部分，是生物原始数量的极少部分，没有经历完全的生物再循环和物理化学分解而进入沉积物中，这就是“沉积有机质”的主要来源。

沉积有机质的形成

       早期的沉积有机质和沉积物在沉积的压实作用下，不断地被埋藏到较深的部位。在正常的地质条件下，需经过5000～10000年才能形成1米厚的沉积层。在这段沉积时期，细菌活动引起的发酵作用，使有机物中的纤维素、蛋白质和多糖大分子被降解。大多数有机质在这一阶段聚合成不溶于有机溶剂的有机物，人们称之为“腐殖组分”，石油地质学家们把它叫做“干酪根”—这是一类石油地球化学专家们非常关注且也十分困惑的有机质。

       干酪根（Kerogen）一词来源于希腊语，意为能生成油或蜡状物的物质。1912年A. G. （Brown）布朗第一次提出该术语，表示苏格兰油页岩中的有机物质，这些有机物质在干馏时可产生类似石油的物质。以后这一术语多用于代表油页岩和藻类中的有机物质。直到20世纪60年代才明确规定为代表沉积岩中的不溶于酸的有机质。人们对干酪根的真正含意也争论了很久，目前比较趋于一致的看法是：干酪根是死亡后的生物体在一定条件下被微生物降解，残留下来的不溶部分，而可溶部分则称为沥青。石油地质学家在实验室模拟条件下，使干酪根转化生成了石油烃，所以干酪根生油说就成为有机生油理论的核心。

       从有机质到干酪根，主要得益于细菌的降解作用。使干酪根进一步演变成石油则主要靠温度。

       各国的石油地质工作者都是用物理与化学的方法，把干酪根从岩石中提取出来，然后在光学、荧光和电子显微镜下观察、认识其形态；还用红外光谱、元素分析，以及稳定同位素分析等方法认识干酪根的组成和成熟特征，进而对一个地区的石油生成和含油远景作出评价，并指导油气勘探。

       干酪根是岩石中有机质的主体，约占总有机质的80%~90%。认为80%~95%的石油烃是由干酪根转化而成的。研究表明，干酪根是一种高分子聚合物，没有固定的化学成分，主要是由碳、氢、氧和少量硫、氮组成，无固定的分子式和结构模型。

       在不同沉积环境中不同类别生物体的天然组合，决定了沉积物中不同来源的有机质形成的干酪根的组成和类型，因而造成它们的性质和生油气的潜能有很大的差别。

石油与天然气的形成

       石油主要是由干酪根生成的，而且不同的干酪根类型对生成油气的潜能大小以及质量好坏有重要的影响。实践已经证实，腐泥型干酪根类型最好，它反映有机物来源以低等水生生物藻类为源，生油质量最好。其次则为混合偏腐泥型，反映有机物中水生生物、陆生高等植物都有，但水生生物占比例大些。再次则为混合偏腐植型，也即以陆生高等植物生源占比例偏多。差的类型是腐植型，以陆源高等植物生源为主，对生油来讲是质量最差的，但是它更有利于生成天然气。

       石油和天然气来自沉积有机质，而沉积有机质的主要构成部分之一就是干酪根。一般来说，干酪根约占有机质的80%~90%。作为高分子聚合物，干酪根没有固定的结构表达式，但拥有固定的化学成分。科学家杜兰德对世界各地440个干酪根样品进行了元素分析，结果表明，干酪根的主要成分为碳、氢、氧和少量的硫与氮。其中，碳、氢、氧三者共占构成干酪根元素的93.8%，是干酪根的主要元素成分。

干酪根照片

       不同来源的有机质在不同的沉积环境中形成的干酪根性质有很大差异。一般将干酪根分为Ⅰ型干酪根、Ⅱ型干酪根以及Ⅲ型干酪根等三种类型。它们的具体特征如下：

       I型干酪根：又称为腐泥型。主要由含类脂化合物组成，直链烷烃多，多环芳香烃和含氧官能团少，具高氢低氧含量，可能来自藻类沉积物，也可能是由细菌改造的各种有机物形成的。它具有巨大的石油潜力，每吨生油岩可生产约1.8kg石油。

       Ⅱ型干酪根：氢含量较高，为高度饱和的多环碳骨架，含有中等长度的直链烷烃和环烷烃，还包括多环芳烃和杂原子官能团，来自海洋浮游生物和微生物，生油潜能中等，每吨生油岩可生产约1.2kg石油。

       Ⅲ型干酪根，又称为腐殖型。碳骨架中富含氧元素，而氢元素含量较贫乏，主要由多环芳烃和含氧官能团组成，饱和烃较少。它来自陆生高等植物，这对生油是不利的。每吨生油岩可以产生约0.6kg的石油，但它也可以是良好的天然气来源。

干酪根的显微镜下特征描述

人们推测的干酪根结构式

       干酪根是一种极为复杂的大分子化合物，来源和形成原因都十分复杂，人们使用了高倍扫描电子显微镜和透射电子显微镜、多种有机地球化学分析，但迄今还没有完全弄清楚它的结构，但可以确定，它与生物体的残余物有着密切的关系。令人遗憾的是，由于干酪根的形成过程漫长而复杂，所以迄今为止，世界上依然没有人能够准确而客观地认清干酪根的结构。

转载自《石油科学传播》公众号