碳氢化合物的起源与开发探讨

大家都知道煤的储量是巨大的，但是在某种程度上，天然气的储量可能更大。有关可得到的天然气储量在地质学家中存有争议，但是在深部地层监测到的以水合物形式存在的可用天然气数量为更可观的天然气储量提供了有力证据。

天然气主要由甲烷组成。通常，甲烷也可以由有机废物生成作为生物沼气。最近的证据暗示更多的甲烷存在，甚至比以前所预想的还要多。许多人也探讨了获取甲烷水合物的可能性，在甲烷水合物中，甲烷储藏在一个复杂的分子结构中。深海气田也拥有许多未利用的甲烷。探索、开发和利用甲烷水合物取决于实际的碳氢化合物生成的过程。

生物成因理论推断碳氢化合物起源于以前生物的遗体。那种碳氢化合物存在于离地球表面并不太深的地壳沉积层中。这种观点目前很流行，尤其是在西方国家。

D．Mendeleev提出的非生物成因理论推测碳氢化合物燃料由无机过程产生。Mendeleev在1877年发表的《关于石油起源——在宾夕法尼亚（Pensylvania）和高加索（Caucasus）的石油工业》的论文（由俄国人NMakarova翻译）中写到：

我们不能由古代的生物来推测石油的起源……我们需要从比目前发现石油地方更深的地壳中探寻石油的起源……碳金属存在于地球内部……铁和其他金属与含氧的水反应将生成氧化物并且释放氢气——一部分作为自由氢，一部分与碳结合在一起……这就是石油。

NKoudriavtsev（1959，1963）极大地发展了该理论，并且ETchekaliuk（1967）给出了一个关于石油形成的热力学背景。

近来最著名的非生物成因论的支持者ThomasGold探讨了碳氢化合物燃料包括在地球深处其他物质的形成情况。利用这个观点，Gold预测在严寒星球表面存在大量甲烷，在那里有机生命根本不存在。他在2004年7月去世，在他去世后6个月，欧洲航天局的惠更斯（Huygens）号探测器在土星的最大月球——寒冷的泰坦（Titan）星球（大约-180℃）上登陆，并且发回液态甲烷海洋的照片，正如Gold所预测的那样。图1-6所示是从8km高的位置拍出的照片。图1-7和图1-8是在2005年1月14日着陆后拍的，大量的甲烷令人吃惊！从泰坦到地球的距离大约1.5个光时。

图1-6 在土星的卫星泰坦表面的由甲烷组成的河流和海洋，拍摄于其上空8km［来源：欧洲航天局（ESA）］

从他于1977年6月8日发表在《The Wall Street Journal》的论文《再议石油和天然气的起源》开始，Gold（1987，1999）将他受欢迎的技术论文合成为两本书。他的中心思想可以用几句话描述。由Gold理论，我们的行星就像一个充斥着原始的碳氢化合物的海绵。它们与地球深处的其他物质在大约40亿年前形成在一起。与周围的多孔岩石相比，由于它们极低的密度，一股上升的碳氢化合物气流从数百千米处产生，主要是甲烷。这些在底下永久不变的渗透液填充了石油和天然气田，而一些最终释放到大气中。碳氢化合物从最初的CH₄（甲烷）失去氢后变为CH₀8（煤），甚至在一些合适条件和地方形成纯碳如钻石。以Gold的观点，有非常好的理由将碳氢化合物燃料作为一种几乎无限的能量来源。

Gold利用他在天体物理学、化学以及生物学领域渊博的知识，给出了强有力的论据支持他的观点。

一些事实是不可能用生物成因论来解释的：

● 现在观测到的在严寒星球如泰坦星球表面的甲烷河，在那里根本不可能存在有机生命；

● 大量的甲烷和热的火山岩浆随着火山喷发流出；

● 在许多地方记载过的在墨西哥湾接近Eugene岛处废气油田的回填。(www.xing528.com)

图1-7 无穷无尽的甲烷之海，惠更斯号探测器于2005年1月14日拍摄于泰坦表面（来源：ESA）

图1-8 泰坦上的一个由满是冰雪的群山环绕着的液体甲烷湖（来源：惠更斯号探测器，ESA）

生物成因论支持者主要的论据是在原油中存在一些毫无疑问是来源于生物体的分子，因为这些分子显示了掌性效应（chiral effect）（能使偏振光发生强烈的旋转）。生物分子的存在也是非生物成因概念非常重要的一部分，但它将以前的生物成因论的推理颠倒了过来。也就是说，并不是细菌产生了碳氢化合物，而是最初的碳氢化合物的“浸泡”为细菌提供了食物。据预测，在这些细菌中有机物的总质量为成千上万吉吨，远多于表面生物群的有机物质量。

事实上，生命起源的原因存在于深部地层，这里是更可能的地方。也许，在我们太阳系中的十大行星才能为同一种生物（如我们在地球上）产生适宜的地下居所。任一个至少大如我们的月球的岩石星体可能是为高温的向上涌动的碳氢化合物提供必需的地下条件。一个由阿波罗登月使命计划放置在月球上的仪器检测到了可能是甲烷的原子量为16的气体粒子。如火星陨石所暗示的那样，在一个星系中行星之间生命的迁移也是生命起源的一种可能原因。

然而，非生物成因论并不总能获得认可，在瑞典Siljan Ring的一次钻探实验中，在约6km深的地方发现微生物。它们以石油为食物并且通过还原Fe₂O₃为Fe₃O₄获得氧气，留下一些细小的磁性颗粒（尺寸约零点几微米）作为新陈代谢的产物。Gold也观察到在抽取出的石油样品中由这些细小颗粒形成的液体有磁性。

除了在瑞典的钻探实验，更深的在俄罗斯的科拉（Kola）半岛，实验结果与Gold预测的完全一致。在大约10km深处，断裂的岩石被高压的甲烷充满。以前的生物不可能到达那样深的地方，并且产生大量的甲烷。

一些地壳的运动也可能与甲烷气以及伴随的硫化氢气的上涌有关，这些反过来又与地震有关。地震前，地表排放出气体的增加常常被老鼠或其他动物觉察到，这些动物在地震前往往表现出异常的行为。有文献记载的许多地震目击者都见到这种现象。

非生物成因论也可以解释在地球深层金属沉积物的成因。上涌的碳氢化合物的反应在沿途也会产生有机金属化合物。

Gold（1987）在提出并发展非生物成因理论方面衷心地感谢他的前辈，特别是俄罗斯和乌克兰科学家Mendeleev、 Koudriavtsev、 Tchekaliuk和Kropotkin。Kro-potkin为Gold提供了大量的地质学信息。

由于液态甲烷的温度低，它不可能在地球表面存在，但是在高压的地球上地幔区，甲烷可以超临界状态存在。生物成因论支持者最后的论据之一就是在地球外壳可能找到非生物成因甲烷或其他碳氢化合物，但是数量非常少，结果并不能商业化利用。从摄影图像上，我们可以看到在泰坦星球上有大量的甲烷存在，但由于它距离地球15光时远，事实上也不能为地球所用。在火山喷发时看到的大量甲烷，如甲烷水合物，或者通过在Kola半岛钻更深的孔获取甲烷也都不可以商业化利用。探寻更大数量的甲烷并不违背质量守恒或其他的物理定律。大量的甲烷存在于地球上。以作者的观点，对我们具有挑战性的是定位、回收并利用它的技术。

2004年Scott等通过实验采用无机过程生产出了甲烷，他们利用FeO、CaCO₃（方解石）和水在5～11GPa压力之间、温度范围为500～1500℃实验条件下合成了甲烷。其他相关的数据来源于Horita和Berndt在热液条件下的研究工作（1999）。这些实验，辅以计算支持，显示了碳氢化合物可以在地球上的地幔区形成，并且证实Korotaev等（1996）在其书中提出的一般的观点，在书中，P.N.Kropotkin汇编了大量有关非生物成因甲烷的数据。

如果甲烷源大量存在，利用它的主要约束是废气在空气中的污染以及在空气中燃烧可得到的氧量。高温高压的ZEPP为高效无污染地利用当前可得到的甲烷提供了可能性。在21世纪，空气中的氧气被耗尽不可能是一个问题。在空气中总的氧气量约为10¹⁵t，而当前每年氧气的消耗量只有约3×10¹¹t。任何由于每年采用了0.03％氧气导致的问题还未出现。我们也许会预测什么时候，或如果在空气中氧气浓度的下降变得非常明显时，那么太阳能、核能或其他的可再生能源将会作为主要的能源来源。