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[油气矿产] 构造变动中的地幔柱理论和石油天然气资源

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  • TA的每日心情
    开心
    2020-2-24 17:26
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    [LV.5]渐新世

    发表于 2019-11-5 18:09:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
    関岡正弘
    捕获地球系统为geo system时,处理它的理论最近的进步是显著的。其进步的原动力在于一个古老概念的崩解和新的概念的诞生。具体来讲,就是以前认为不动的大陆在简单地运动。地球系统科学的革命最初在1960年采用了板块构造理论。比较此前的地质学和化石学的点研究,已经变成了以面为对象的研究。经过三十多年的发展,最近发展出了地幔柱构造理论。地幔柱理论明确了以下事实:追朔到行星诞生时,大量的陨石和小行星相互撞击而形成地球,经过大融合分离出地核和地幔,其后由地幔对流而引起的热辐射进行冷却。包括大陆在内的地球表面即地壳不过是在这一过程中形成的产物。地幔柱构造理论是一般性的,不仅应用到地球,也可以应用到所有的行星中。地球的表面之所以受到板块构造的支配,是因为地球的自然环境允许这种构造理论的作用(海洋的存在)。不仅是石油,在所有的资源开发工程学中,到目前为止都依赖地质学,这种状态今后也不会变化吧。也不能指望在小的油田勘探开发中,宏观的地幔柱构造理论能发挥巨大的作用。但是,在地球范围内讨论石油资源时,还不允许忽视地幔柱构造理论。不仅是石油,在地球范围内的所有资源问题,与任何事物相比,都不允许缺少对地球的理解。
    地幔柱构造
    在板块构造中,首先它不能说明地幔为什么会对流,其次也不能说明在板块边界上,沉入地幔内部的海洋板块的最终命运。揭开这个谜团的是地幔柱构造理论。地幔柱构造理论利用地震波分析方法,以地震波断面分析技术做为基本的分析手段。板块构造理论中的研究对象包括称为岩石圈的地壳和地幔上部的一部分。厚度60到100公里。地壳本身的厚度,在大陆部分为30公里,在海洋部分为6公里。地球的半径是6400公里,地幔的厚度是2900公里。所以作为板块构造理论的研究对象岩石圈就象是在地球系统总体中的苹果皮一样。与此相对,在地幔柱构造理论中,能够以具有2900公里厚的地幔整体为对象。地幔柱构造理论最近是以日本学者主导的理论。根据其中之一人,丸山茂德——东京工业大学教授的著作,看一下其中的概要:根据地震波断面分析,现在的地球系统被两个超热地幔柱和一个超冷地幔柱所支配。前者位于南太平洋和非洲大陆以西。两个超热地幔柱的年龄有很大的差异,南太平洋热地幔柱的年龄是6亿年,非洲大陆以西的是2亿年。那么地幔柱是什么呢?椐研究因为变冷,比重加重的海洋板块以其原始状态沉入到地下670公里处,地下670公里是上下地幔的分界线。以这个线为基准,构成地幔的岩石的结晶构造逐渐增大。因巨大的压力而发生变化,所以产生了比重差。停留在670公里线处的海洋板块的集合体,据研究仍然还是板状或水滴状。只要海洋板块继续活动,并不断地输送物质,保留下来的板状物就不断地成长。而且若到了一定大小,就落到地幔的底部,地核的上面。这种落下去的板状物叫做冷地幔柱。根据日本周边的研究表明,板状物的下落周期是2500万年。冷地幔柱一到达地核的表面,地核这一部分的表面温度下降。地核外侧即外核是液体,进行着从一般到活跃的对流。因为存在这种立即恢复热的扰动的循环,所以热的液体核聚集起来。这种热导致地幔底部加热,产生出比循环温度更高的部分。温度上升,比重下降变轻,这一部分开始上升。这就是热地幔柱。冷地幔柱生成热地幔柱的现象,可以说是地幔热辐射的必然结果。作为行星的构造,地幔柱运动是普遍现象,而板块构造,可以说是在地球等的特殊条件下发生的现象。冷地幔柱是地幔的入口,热地幔柱是地幔的出口。地幔柱理论作为启动板块的原动力在于起主要作用的不是热地幔柱而是冷地幔柱的重力。其结果是向着冷地幔柱沉入的地方,地球上的所有大陆运动合并,形成泛大陆。但是不久冷地幔柱沉入的地方戏剧性地转换成热地幔柱上升的地方。这样,好不容易地形成的泛大陆,如今遭受到了向四面八方解体的命运。
    威尔逊循环和气温循环
    现在正处于存在于2亿年前产生的泛大陆解体的过程中。丸山教授认为:最初的泛大陆是在19亿年前出现的劳伦西亚大陆,在19亿年前开始分裂解体。此后在15亿年前、10亿年前也存在泛大陆的事实正在逐步清楚。根据地幔柱理论,地球系统以4亿年为周期(威尔逊循环)不断地形成泛大陆和分解形成的泛大陆。意义深远的是泛大陆循环给予地球的气候以深远的影响。在泛大陆形成时,板块的再生成衰弱,所以由岩浆活动产生的从地下放出的二氧化碳量减少而寒冷化。相反在泛大陆分解时,岩浆活动活跃,二氧化碳的排放量增加。因此气温上升。
    位于南太平洋的阿拉伯板块
    若从地幔柱理论的立场考虑阿拉伯板块的沉积环境,其情况会如何呢?其一,它是前寒武纪到寒武纪的转折点。认为该时代在南太平洋存在冈瓦纳泛大陆,是现在的南太平洋超热地幔柱前身的超冷地幔柱形成的泛大陆。阿拉伯板块也一定是其一部分吧,即阿拉伯板块曾经位于南太平洋。按照已经观察到的,在前寒武纪,在阿拉伯板块上不断地追加地块,其事实证明阿拉伯板块位于冈瓦纳泛大陆的周边。
    漫长的旅途
    在前寒武纪到寒武纪的转折点上,在南太平洋发生了戏剧性的变化。就是此前的超冷地幔柱转变成了超热地幔柱。冈瓦纳泛大陆开始解体,阿拉伯板块也开始漂移。若以这种观点来考虑,奥陶纪到志留纪的分界线,比4亿5000万年前稍后一点,在阿拉伯板块上发育有极地性的冰川的事实具有深远的意义。若从地球系统论的立场来看,此时阿拉伯板块通过南极的可能性高。
    再组合
    因为地球是圆的,所以解体漂移的泛大陆碎片会再一次组合起来。在这个意义上,McGillivray和Husseini推测在3亿9000万年左右,巴里奥特提斯海的海洋地壳开始沉入到阿拉伯板块的大陆地壳之下。把它与海西造山期结合起来意义深远。阿拉伯板块位于前寒武纪冈瓦纳泛大陆的边缘。其相对位置向着相反方向漂移后可能没有变化。所以首先是在地球的里面撞击。3亿9000万年前是新的泛大陆开始形成的历史时间吧。形成泛大陆的非洲西部超冷地幔柱转变为超热地幔柱,到泛大陆开始分解之前,必须经过大约1亿数千万年的地质时间。认为泥盆纪和石炭纪是泛大陆形成、存在的时间。
    泛大陆时代是寒冷期
    McGillivray和Husseini认为从石炭纪末期到二叠纪初期在勒布·阿尔·卡里的西南部覆盖有山岳性冰川。Alsharhan和Kendall认为从石炭纪初期和石炭纪后期到二叠纪初期发现有冰川期的痕迹。这可能就是寒冷期的证据。在这个时期,阿拉伯板块可能位于极高的纬度区。或者这个时期被挤压,在阿拉伯板块可能发育有相当数量的山峰。在考虑延长线时,石炭纪到二叠纪相当于泛大陆开始解体之前和开始解体的时代,是特别寒冷的时代。在“46亿年地球发生了什么?”这个问题上,丸山教授也认为:在2亿5000万年前,泛大陆开始解体之前,地球上广泛覆盖有冰川,发生了地球有史以来最大的生物灭绝。在2亿5000万年前这段时间,与McGillivray和Husseini分析的结果:“沿莎库罗司形成隆起,阿拉伯板块、土耳其、伊朗等大陆分离”的观点恰好一致是意义深远的。因为物理证据少,所以必须慎重地考虑。与穆迪的红色砂岩发育,该时代是温暖期的推论相反,二叠纪为寒冷期的可能性较高。其证明就是从2亿8000万年前到2亿3000万年前持续下来的二叠纪末期所发生的生物历史上最大规模的生物灭绝。
    大灭绝
    这种种属灭绝现象有各种各样的说法,尤其是关于6500万年前的中生代到新生代的转折点的这次大灭绝大体上统一到了陨石撞击说。但是,从反复的大量灭绝现象出发,把地球历史上重复多次的灭绝现象用陨石撞击说来解释是没有道理的。因此认为众多的灭绝现象与寒冷化现象不无关系。反复的大量灭绝和二叠纪的种属大灭绝说明当时在地球范围内气温低,泛大陆位于南极点,同时岩盐在世界范围内发育,二叠纪存在以新的红色砂岩为特征的海平面下降,因为海平面下降,在明显变窄的浅海区域,相互竞争和相互捕食成为最主要的原因而发生灭绝。海平面下降可以用地幔柱理论准确地说明。在泛大陆时代,板块的再生产衰弱,所以在地球范围内古老的、变冷的板块增多。其结果是海洋板块的体积缩小,引起海平面下降。在世界范围内二叠纪地层不发育这一事实必须考虑以下原因:因泛大陆形成海岸线缩小、由海退引起的侵蚀活动活跃、形成的地层存在于今日的遥远的海洋。在二叠纪,蒸发岩和岩盐广泛发育的原因也是泛大陆形成时,封闭、干枯的海较多的原因吧。
    海洋缺氧事件
    侏罗纪在地球系统上是什么样的时代呢?一般情况下,遍及从2亿500万年前到1亿3500万年前的这7000万年间的侏罗纪认为是非常温暖且温度变化较小的时代,但必须从总体上看。“反复的大量灭绝”,关于侏罗纪前的三叠纪,有海平面上升说和海平面下降说这两种说法。大概在三叠纪非洲超热地幔柱开始上涌,泛大陆开始解体。这种现象还没有扩大到地球范围,仅在解体的区域海水开始侵入。热地幔柱一开始活动,岩浆活动就开始兴盛,二氧化碳含量增加,气候转向温暖。认为三叠纪是该阶段的初始阶段。总之可以推定三叠纪以后地球开始温暖化,侏罗纪地层本身就保留有气候温暖的证据。根据“反复的大量灭绝”现象,在侏罗纪前期,距今1亿8800万年前发生了以欧洲为中心的双壳类种属的80%以上的灭绝现象。其原因被认为是在欧洲浅海发生的海洋缺氧事件。一般认为海洋缺氧事件发生于温暖、海平面上升时期。意大利的西尔巴教授用下面的两种机理说明气温上升和缺洋事件的因果关系:A、气温上升——海平面上升——海岸平原淹没、浅海增加——植物增加——海底有机物增加——消费海底的氧——缺氧。B、气温上升——高纬度气温上升——高纬度表层水冷却下降——新鲜底层水的供给减少——缺氧。海洋缺氧事件的一种产物是黑色页岩。黑色页岩是因有机物含量高而呈黑色的页岩,在无氧生物不能生存的海底沉积的有机质不能分解,和黏土一起构成岩石。黑色页岩也叫做油母页岩或油页岩,是石油的烃源岩。但是按已经证实的观点,在侏罗纪的阿拉伯板块中,石灰岩是烃源岩。总之,在西尔巴教授的两个机理中,A充分地证明了因有机物的大量产生和氧气不足而不能分解的沉积有机质的存在。
    异常的二氧化碳浓度
    进入白垩纪黑色页岩的沉积进一步增加。从1亿4000万年前到1亿0700万年前的阿菩奇期末和从白垩纪末期的塞诺曼期到丘老期的转换点,即9100万年前左右黑色页岩广泛分布在世界范围内。从1亿3500万年前到6500万年前持续的白垩纪,据研究大气中的二氧化碳的含量是现在的4——8倍。因此气温高,相对于现在的年平均气温15oC,白垩纪的年平均气温估计为23oC。遍及整个白垩纪,完全没有发现大陆冰川的痕迹。在白垩纪后期气温下降,当白垩纪终止时其年平均气温与现在相当,为16oC。可以认为二氧化碳的浓度和气温的上升大致成比例。明显地白垩纪前半期的气温高,后半期的气温发生下降。若根据前后三叠纪和白垩纪进行类推,侏罗纪时的气温是不断地上升的。以时代来说,在侏罗纪中,当然会推论末期的温度最高。阿拉伯板块内的阿拉伯组是侏罗纪末期的地层。
    时代的特异性
    这样一来,从侏罗纪末期到白垩纪的中期,在地球系统的历史中,就浮现出一种非常特异的环境。不能认为高浓度的二氧化碳和异常的石灰岩沉积没有关系。沉积物化学认为:地球上的几乎所有沉积性的碳酸盐都是海相生物躯体生成的。可能稍稍过于大胆,但以下假说是成立的。即高温和高浓度的二氧化碳的存在使浮游植物异常繁盛(与现在相比)。它们的遗骸不断地被喜氧性细菌所分解,因为过多,所以氧气的消耗甚大。终于海洋变成无氧状态,细菌也不能生存下来了。但是海面附近还是有氧的,所以浮游植物能够繁殖,死后的浮游植物沉入到无氧状态的海底并保存下来。至少这种沉积环境在侏罗纪末期到白垩纪前半期的阿拉伯板块没有记录到其他的时代中。如果只是上述的这些研究,那么对阿拉伯板块的见解不能应用到地球系统中。但是根据地幔柱理论结果就不是这样。前寒武纪后期,阿拉伯板块所经历的过程,因为是泛大陆威尔逊循环所控制的地球规模的现象,所以至少在时间上或时代上,这个时代的特异性是泛地球的,不能否定。
    在侏罗纪和白垩纪,阿拉伯板块的位置
    剩下的问题就是为什么侏罗纪、白垩纪的气候是全球性的,而石油却集中在阿拉伯板块呢?尤其是为什么石油需要容易形成的空间条件呢?遗憾的是有关这方面的信息几乎没有。有限的线索之一在于该时代的阿拉伯板块是温带或热带,总之可能位于靠近赤道的位置。以下叙述做出这种判断的依据:该泛大陆之前的泛大陆,即在冈瓦纳大陆时代,可以大致确认阿拉伯板块位于南太平洋。在6亿年前,冈瓦纳大陆一开始解体,阿拉伯板块就开始了绕地球半周的漫长旅途。按照已经证实的观点,经过从寒武纪到志留纪末期约2亿年的漫长时间,阿拉伯板块还处于比较稳定的沉积环境的原因是这期间它位于板块构造的传送带上,以无阻挡的状态移动。具有2900公里地幔对流厚度的地幔柱和板块不同,不移动。根据地幔柱理论,6亿年前冈瓦纳大陆开始解体,是因为南太平洋超热地幔柱上涌的力量,而不久在地球的反面非洲西部的超冷地幔柱生成,不久地幔柱下沉的引力就开始支配全球。阿拉伯板块也在其后从挤压状态转变成拉张状态。从泛大陆开始形成的4亿年前到开始解体的2亿5000万年前,无论如何构成其中一部分的阿拉伯板块位于非洲大陆西部的超地幔柱周边是大致确切的。问题是其以后的变化,做这种推理的线索如下:1、现在的大西洋是以大致南北向为轴开裂着。即推测位置在经度上有变化而在纬度上变化不大。2、问题是在2亿5000万年前从阿拉伯板块分离出土耳其和伊朗形成特提斯海,它的形成机制是什么还不清楚,不过可能伴有某种程度的南北移动。但只要从现状来看,当时形成的特提斯海到现在又再一次封闭了。今天的红海可能是一种参考。总之,即便存在南北向移动,那么也可能只限于温带到热带的范围。3、接下来的问题是其后中国内地新出现的超冷地幔柱给予阿拉伯板块什么影响,关于这一方面是不明确的,假设给予了某种影响,那么从位置关系上说也是平行于赤道的运动。根据以上原因可以推测侏罗纪和白垩纪的阿拉伯板块相对于赤道位于和现在大致相同的位置。无论这么说,生命的起源是太阳。即便是在今天,赤道的正下方是新种诞生的场所,种属丰富。可以充分地领会到在侏罗纪末期到白垩纪前半期距赤道不太远的阿拉伯板块具有时代的特异性。正如从地质数据的分析中明确的,该时代的阿拉伯板块在广大范围内出现浅海。据推测,这种状态持续了数千万年。丰富的二氧化碳和充分的气温,具备了充分必要条件,至少其中的一部分可能异常地发育浮游植物。在另一方面,浅海过于发育,所以在远洋长期维持着砂甚至黏土都沉积不到的环境。总之,经历了数千万年这么长的时代。不能认为这期间气候没有变化,海进和海退反复地进行,浅海多次干枯。在阿拉伯板块的边缘形成的浅海底部,大量的生物遗骸保留下来,终于出现了海洋缺氧环境。石灰岩的成因中生物成因说还是有必要的。在海洋缺氧状态下沉积下来的生物遗骸可以成为烃源岩和油层的物质来源。而且,浅海时常干枯,使得大量的石膏层堆积下来。可以说当时的阿拉伯板块具备油田形成的三个条件,大量地形成烃源岩、储集层和盖层,按照已经明确的这种环境,即使从6亿年前开始的阿拉伯板块的历史上说,也是空前绝后的。而且,在侏罗纪和白垩纪位于靠近赤道的并不只是阿拉伯板块吧。在同一时代,具有相似环境的其他地方如今是什么情况呢?遗憾的是解答特别提出的这个问题的信息非常少。唯一可以讨论的是撞击问题。
    被破坏的油田
    从地理上看,在侏罗纪和白垩纪与阿拉伯板块具有相似沉积环境的可能区域之一是印度板块。该印度板块在6500万年前位于印度洋的某岛,因上升的地幔柱而搭乘上了北去的板块传送带撞击了欧亚大陆。即使油田形成了,也可能被破坏吧。撞击的危机在阿拉伯板块也不例外。在原本由地幔柱引起的4亿年威尔逊循环所支配的地球上,石油容易形成的大陆周边的浅海环境,如果循环反转,首先受到冲击而被破坏。如图4,阿拉伯板块的石油资源,在波斯湾的南北存在意义深远的差别。在沙特阿拉伯和UAE的油田中,1亿7000万年前到1亿4000万年前形成的石油被圈闭到1亿6000万年前到1亿2000万年前的地层中。相对于此,在伊朗的诸多油田中,约1亿年前生成的石油被圈闭到了2000万年前的地层中。这种奇妙的现象,如果从阿拉伯板块撞击欧亚大陆板块,结果使萨古罗斯山脉隆起这方面考虑就能容易理解。即伊朗的奥里齐纳尔油层构成的油田因撞击而被破坏,极大可能被再一次圈闭到上部更新的地层中。根据地幔柱理论,如今地球的主宰是中国内地的超冷地幔柱。因此,地球上的所有陆块都处于吸引到超冷地幔柱并形成新的泛大陆的过程中。由于这个原因,可以认为阿拉伯板块上的所有油田都处于被破坏的命运中。
    结语
    穆迪根据统计规律所指出的石油资源在时间上的局限性可以根据地幔柱理论分析其原因。侏罗纪和白垩纪,准确地说是从侏罗纪末期到白垩纪的前半期这段时间,在地球历史上是比较特殊的。相当于4亿年为一周期的威尔逊循环主导的泛大陆的解体时代。岩浆活动是前所未有的旺盛期。因此空气中的二氧化碳浓度异常高、气温也高。新的板块迅速地产生,所以在世界范围内海底的体积增加,发生海侵。恰好在这个时代阿拉伯板块极有可能位于热带或温带的靠近赤道的位置。可以认为最后一个泛大陆之前的泛大陆时代,即冈瓦纳大陆时代,阿拉伯板块位于南太平洋。在6亿年前,冈瓦纳大陆一开始解体,阿拉伯板块就开始了绕地球半周的漫长旅途。但是 通过推理认为在2亿年后的泥盆纪,到达了距离现在的位置不远的地方。可以认为从阿拉伯板块的情况出发,能够充分地领会侏罗纪末期到白垩纪前半期的时代特异性。正如根据地质数据分析所明确的,这种环境在阿拉伯板块6亿年来的历史上是空前绝后的。我们在中东所发现的石油资源,极有可能是地球历史上的一个例外。中东地区的大发现时代是从1935年到1965年,持续了30年,其后就戏剧性地终止了。如果考虑“隐藏在浅海的巨鲸”这种巨大规模的油田的特征,那么我们已经不能期待在阿拉伯板块发现以前所发现的那种规模的石油资源。而且虽不能够断定,但是在阿拉伯板块以外的地区,发现第二个巨大规模的油田带的可能性正在无限地趋近于零。若假定如此,我们中的大多数就成了坐吃山空过去在阿拉伯板块的大发现了。虽然是以上的这种基本情况,但是对于石油资源的未来来说,可以认为现在正是对资源的乐观论横行的时期,这是毫无道理的。其原因我想是以下两方面:1、自1986年价格大跌落以来,除了海湾战争短时期内,原油的价格一直处于低值。2、对最近技术进步的过高评价(到了最终解决资源问题的这种程度)。并非故意煽动危机感,而且也没有在安全状态下突如其来地袭来石油危机的危险。乐观论者应该知道原油价格的特性以及最近技术进步的界限。原油的价格假如供给过剩就会低迷,而一旦不足就会高涨。最近的技术进步只不过是在以前没有发现或者发现了但不能开发的小规模油田的开发方面有所发展。因此,只是边缘的且短期的供给增加。资源论迄今应该站在长期的视野上。如今浸泡在黑色石油海洋中的我们必须认识到占地球60%或70%的阿拉伯板块中的石油资源真正是稀有之神的礼物。

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    [LV.9]古生代

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