本文转自:人民网-科普中国

在一亿年前,松辽盆地还是一片湖泊,湖底生活着大量的藻类。在缺氧事件和地质运动后,这些水生植物被埋在了地底,经过几千万年的复杂变化,最终在地底形成了一个油田。

日常生活中,我们常提到石油,天然气和煤是三大化石能源。化石能源一词中的“化石”即Fossil,之所以得名化石能源,是因为这些能源由古代生物的遗骸,经过几千万年甚至上亿年的时间变成的。那么,石油这个全球消耗量最大的化石能源,到底是由动物遗骸变成的,还是植物遗骸,还是古代真菌呢?

“多姿多彩”的石油家族

说到石油,大家能够想到的是从油井中喷涌出的、黑色的、黏稠的液体。但实际上,石油及石化产品本身的颜色形态是多种多样的,石油的主要成分是烃类化合物,以饱和烃为主,含有少量芳烃等不饱和烃。经过精馏,分离不同温度下的产物,就能初步得到汽油、柴油、航空煤油、石蜡、沥青等N种粗加工产品。当然原油中也含有硫化物、氮化物等杂质,这些杂质不仅会在燃烧时生成硫氧化物、氮氧化物污染环境,而且还会腐蚀运输管道,所以原油还要经过加氢、脱硫等工艺,除去杂质后才能加工。

石油不仅可以作为燃料,还可以作为化工原料。我们用的口罩,里面的聚丙烯熔喷布就是石油化工产品。可以说,石油制品与我们的日常生活息息相关。

最左边那瓶黑色的是原油,之后从左到右的精馏温度依次增加,第二瓶就是高纯度的汽油,最右边则是沥青。

鼻尖上的石油

在学校的课堂上,老师拿了一组样品到教室,是大庆油田的原油及其不同温度的馏分。比较颠覆笔者认知的是,高纯度的汽柴油其实是很清澈的。汽油接近无色,柴油则是浅褐色。

汽油样品闻着有一股很重的油漆味,很刺鼻。原油闻着有淡淡的酸味和夏天马路上的沥青味,在样品管里根本摇不动,从底部安安静静地躺着。精馏重组分(沸点高的组分)比蜂蜜还黏稠,而沥青就跟原油一样,黏稠到摇不动了(注意:沥青是液体)。

石油的来源

1、石油产生的两种假说

石油在形态上与岩层中的固态的“化石”形态相差甚远,成份上也并非一般的矿石。那么问题来了,这么一坨黑乎乎的东西,怎么知道它之前是什么生物呢?

在学术界,关于石油的来源,一共有两种学说。一个学说为石化油学说,大概意思就是石油是由地壳岩层里面的碳形成的,是一种可再生的能源。另一种则是学术界主流观点,即生物沉积变油学说。

依照生物沉积变油学说,石油是古代生物质在地底下经过复杂演化得来的。这句话包含着一个关键:地底下。你没看错,就是这个词。这个词包括了N多条件:

无氧,要不然那些生物质还没变成石油就全都氧化腐烂了;

压力,石油上面那么厚一层土,肯定压力够大;

温度,大致上从地表往下算,每向下30m,地层温度升高1摄氏度;

还可能有微生物活动......

再联想一下,与石油同年代的岩石,大概率是跟石油被埋的深度差不多的,而岩石里可能会含有当年的古生物化石。那么,我们是不是把石油埋藏区的岩石挖出来看看,这个问题就大概有答案了呢?

2、地质研究提供的初步证据

上世纪七八十年代,大庆油田的研究员对松辽盆地的页岩、油岩(通俗点就是含有石油的岩石)进行地质研究。研究发现:松辽盆地之前是一片湖泊。

研究人员在岩石中发现了藻类和水生动物的化石,化石中最典型的有两种:轮藻和叶肢介。现存的轮藻只生活在浅水水域中,要求生活水域为弱碱性,多数生活在淡水中,少数生活在半咸水中。叶肢介在生物分类上属于节肢动物门、叶足亚纲、介甲目,现存属种主要生活在陆地淡水水域中,如果水体含盐量在0.05%-1%、PH值在6.6-9.5,就能迅速繁殖。

轮藻结构图

东方叶肢介化石

陆上水域,淡水,微咸,弱碱性。这几个条件凑在一起,读者们是不是能想到这是什么地理环境了呢?没错,湖。而研究人员在岩石中发现的这些生物化石,生活条件又几乎与湖泊完全符合。之后研究人员又发现,这个地层是白垩纪的。白垩纪距今1.45亿年-6600万年前,形成石油的年代也够了。而且研究表明,这个古代湖泊之前经历过一次缺氧事件,形成石油的条件基本都得到了印证。

3、化学分析技术追根溯源

通过这个研究,至少我们能推断出,石油应该是水生生物的生物质演变来的。那我们怎么断定是植物还是动物呢?这时候就要用到化学分析了。

我们先复习一下,生物界三大类无非就是动物、植物和真菌。一亿年前的真菌已经进化出了几丁质外壁,而之前的地质研究也没有发现真菌的踪迹,真菌形成石油的猜想基本不可能;而动物界与植物界的核心区别,是有无叶绿体。动物界几乎不存在含有叶绿体的生物,而叶绿体里富含叶绿素,那么我们就可以这么说,动物不含叶绿素,植物含叶绿素。

不过生物界总有例外

可能有人会说,植物还有纤维素形成的细胞壁,动物没有。第一,细菌其实也有细胞壁,只不过主要成分是肽聚糖;第二,现代研究发现,植物的纤维素与木质素是另一种化石燃料——煤的形成原料。纤维素的碳原子骨架结构与煤的类石墨化结构(碳原子以正六边形排布,连接成层状)很相近,化学上也印证了煤是植物变化而来的猜想。

于是,我们自然而然地产生了这么一个猜想:如果石油是植物变化来的,那么古代植物的叶绿素应该会变化成了一种化学物质,检测到这种物质,那石油就是植物变的,反之就是动物变的。好巧不巧,正好有一种化学物质符合预期:马来酰亚胺类物质。

这是马来酰亚胺,它的同系列物质都是在其基础上加各种取代基,比如甲基、乙基、苯基。

这是叶绿素a,有没有觉得马来酰亚胺跟它的某部分有点像?

同样是在松辽盆地的页岩油岩取样,研究人员检测了马来酰亚胺类在岩石样品中的含量。马来酰亚胺类已经确认是叶绿素的降解产物或衍生物。那事情就简单多了,只要检测一下松辽盆地的样品里有没有这种物质,基本上这个问题就尘埃落定了。

大致流程就是这么分离的

经过检测,松辽盆地的样品中,存在相当含量的马来酰亚胺及其衍生物,并且检测发现,苯基取代的马来酰亚胺系列占总量比值较高,而且埋藏深度越深、有机质成熟度越高的岩石样品,苯基取代的马来酰亚胺系列含量占比越高。同时,研究人员检测到了几种特殊的马来酰亚胺类:Me,i-Bu马来酰亚胺和Me,n-Pr马来酰亚胺。这两种物质来源于光合绿硫细菌。光合绿硫细菌的存在,也证实了松辽盆地古湖泊曾经经历过缺氧事件。

现在,我们基本确定了,石油是植物遗骸变成的,而且在这种变化中,水生植物占主导地位。但是可能还会有人说:你这验的都是堆石头,原油呢?好,直接化验原油。

这份检验报告,检验的样品是珠江口盆地的原油样品。研究人员直接在原油中检测出了马来酰亚胺类物质。随着埋藏深度增加,生物降解程度逐渐降低。这也是为什么我们从图中看到一个峰值的原因:随着深度增加和生物降解程度的增高,马来酰亚胺类物质的含量呈上升趋势。

现在,我们基本就可以想象这样一个场景了:在一亿年前,松辽盆地还是一片湖泊,湖底生活着大量的藻类。在缺氧事件和地质运动后,这些水生植物被埋在了地底,经过几千万年的复杂变化,最终在地底形成了一个油田。

可能读者还在疑惑,松辽盆地在哪里?为什么选择这个地方的样品?那我们不妨拿出地图来找一找大庆油田,没错,大庆油田就在松辽盆地。大庆油田是中华人民共和国成立后发现的第一个油田,也是松辽盆地地区发现的第一个油田。大庆油田的开发建设,甩掉了中国“贫油”的帽子。

作者:科普创作者苏辛一

审核:青岛海洋地质研究所研究员张训华

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