克魯泡特金的油氣無機成因和地球排氣學說簡述

邵麗英 李玉琪

(西北大學 中東研究所，陜西 西安 710069； 西安石油大學 石油史研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

俄羅斯油氣無機成因學派中有三個著名的代表人物：門捷列夫(1834—1907)、庫德梁采夫(1893—1971)、克魯泡特金(1910—1996)，他們三個人的學說既有一定的繼承性，又各有側重點，每個人都有自己獨到的見解。我們已經介紹過門捷列夫的學說(參見《西安石油大學學報(社科版)》2015年第6期《門捷列夫的石油無機成因學說及其現代影響》)，本文專門介紹克魯泡特金的學說，將來還會專門介紹庫德梁采夫的無機成油理論。這三位學者的學說放在一起，才能完整地顯現出俄羅斯無機成油理論學派的系統觀點，反映出這一學派學說觀點的發展過程。

1 克魯泡特金的生平簡介和主要科學活動

彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金，1910年11月24日出生于莫斯科一個古老的貴族家庭，他們的家族是古俄羅斯第一個大公留里克家族的一支。彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金的爺爺亞歷山大·克魯泡特金是位哲學家和天文學家，爺爺的哥哥彼得·阿列克謝耶維奇·克魯泡特金是大名鼎鼎的無政府主義思想的代表人物、俄國最早的民粹派人士之一，同時還是一位地質地理學家，十九世紀中期曾到俄國的西伯利亞考察地理環境和地質礦產，還曾到中國考察過松花江水域的航運條件，其名作《互助論》在民國初年傳入中國，對五四時期的早期社會主義者，如李大釗、毛澤東等人，有很大的影響。[1]3-21彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金的父親是一位律師，曾為俄國的進步人士做法律辯護。他的母親麗季婭·葉甫根耶夫娜是1900—1905年革命運動的參與者，做過小學教師，后來在蘇聯大百科全書編輯部工作。父母希望兒子選擇人文科學作為自己未來的事業，但是兒子被自己偉大的先輩所從事的自然科學研究，尤其是西伯利亞地質結構的規律性和冰河期的遺跡所吸引，因此進入莫斯科地質勘探學院，成了一名地質學家。

在大學時代，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金就參加了烏拉爾山脈西坡的地質測量和石油探查工作。1932年從莫斯科地質勘探學院畢業后，他投身到托拉斯“遠東編隊”地質分部工作，在荒無人煙的東北邊疆從事戰略礦產資源的勘探和開發。他參加了科雷馬盆地最大的錫、黃金和鉑金礦的開發，總結出了一系列礦藏分布的規律性，并對整個大區域的礦藏做了預測，其工作結果形成系列文章、科研報告和專著，如《鄂霍茨克—科雷馬邊區和因迪吉爾卡韋爾霍維耶區地質和地理研究史(1890—1934)》以及1934—1936年在列寧格勒出版的《蘇聯東北地質綱要》(與E.T.沙塔洛夫合著)。

1936年，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金開始在蘇聯科學院地質所工作直到去世。期間于1960—1989年創建并主持了構造地球物理實驗室，后又領導古地磁工作。1941年通過預答辯，1952年獲得博士學位。1966年6月當選蘇聯科學院通訊院士，1992年成為院士。他最初的科研主攻方向是地球動力學和地殼結構學。他在遠東地質隊工作時，初次涉獵地殼和地幔運動問題，并繪出了這個廣袤地區的第一個詳細的地質構造圖。在他后來所進行的研究工作中，仍對遠東給予特別關注，并于1965年同K.A.沙赫瓦爾斯托娃合作出版了專著《太平洋移動地帶的地質構造》。

1930—1940年，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金在哈薩克斯坦進行地質考察工作，在那里發現了煤礦和鎢礦，為哈薩克斯坦地質構造圖的構建打下了基礎。

1958年，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金與E.H.柳斯季赫一道首次匯總了整個地球的重力測量數據，確定了地殼各部分的厚度以及能夠證明極地位移的古地磁學資料，這些工作使他得出的結論是，水平運動是形成地殼結構的主要作用力。他將地殼中的位移進行了綜合重構，成為俄國以至世界地質科學中完善移動論和板塊構造學說理論的先鋒之一。地球大陸移動說的堅持者同不動說的信仰者之間的爭論持續了數十年，其對立有時是非常激烈的。女編輯Л.И.庫茲涅佐娃回憶說，1972年她想請當時蘇聯最著名的地質學家B.B.別洛烏索夫院士擔任一本關于A.魏格納假說的科普書《大陸移向何處》的科學顧問，別洛烏索夫堅決拒絕，他說：“大陸是不可能水平移動的！這個假說是荒謬的！這甚至就不是假說，而是謬論……”。最后，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金同意做這本書的科學編輯。

20世紀60年代，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金發表了一系列文章，批評那些在他看來早已陳舊的“不動說”觀點。其中一篇刊載于莫斯科自然體驗者協會會刊上的文章《大洋的年齡與成因》，以充分的論據詳細地分析了被B.B.別洛烏索夫發展的“不動說”的不合時宜。他強調說：“大自然是豐富多彩的，那些呆板公式的普羅克魯斯特的床裝不下它?！北娝苤?，更好地理解了地球自然狀態的“移動說”最終獲得了勝利。由此，世界科學界形成并確立起陸地板塊理論，或者說是新的全球地質構造理論，這是地球科學真正的革命性轉變。

彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金耗費多年時間，在分析不同地質結構中同期應力狀況的基礎上研究地殼運動的動力學模型。他得出結論，由于地幔排氣(國內也有譯作“地幔脫氣”)排出的液體和天然氣的壓力作用，收縮的結構性應力很快在地殼基底形成。

從1950年開始，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金將大部分精力用于關注地殼內石油和天然氣資源的形成問題，并接受門捷列夫的思想，發展了碳氫化合物無機成因說。關于他的油氣無機成因學說，我們下一節將系統介紹，此處暫不贅言。

在油氣問題的研究過程中，他接受了俄羅斯著名地球化學家維爾納茨基的地球排氣學說，并獨創性地將地球排氣分為“冷、熱兩支”(亦將在下一節詳細介紹)。通過對地球排氣的研究，克魯泡特金又進入了天體物理學、行星學和宇宙學等研究領域。他分析宇宙擴展的宇宙學假說，以量子引力理論原則建立模型，研究宇宙因素在地震過程周期性中的作用。他將研究月球、火星和其他行星獲得的資料，類地行星大爆炸環形結構形成的條件等都引入自己的文章。1970年《地質構造》雜志發表了他的文章《宇宙因素對地質構造的可能影響》和《重力測量學與月球地貌—與地球比較》。這些當初以謹慎的態度提出的宇宙物理學思想后來都獲得承認。

1978年，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金當選俄國最早的科學組織——莫斯科自然體驗者協會副主席，擔任協會常務理事多年，領導協會地球物理分部工作直到1960年。他是多個科學委員會的成員，他還是《地質構造》和《知識就是力量》雜志編委會成員。

在生命最后的日子里，彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金仍繼續研究自己畢生癡迷的問題，即關于地球生命運動、地幔排氣、石油的無機成因等諸多知識領域。

彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金是一位非常謙遜和友善的人，他的同事稱呼他為“貴族騎士”。他總是慷慨地與自己的年輕同事們分享自己的思想。他組織出版了許多專題文集，為其中的文章寫序、結語或者做責任編輯。

彼得·尼古拉耶維奇·克魯泡特金于1996年1月17日逝世，時年86歲。在《地質構造》雜志刊載的有А.Л.亞申、Н.П.拉約羅夫、Ю.М.布夏羅夫斯基、Ю.Г.列昂諾夫、В.Е.哈因等院士以及俄羅斯著名的科學家簽名的悼念文章中評價他是：“俄國老一輩百科全書式學者的典型代表，他為祖國地質科學奠基做了大量工作，其成就為全世界所承認?！薄氨说谩つ峁爬S奇·克魯泡特金無論對哪個學科都能捕捉到科學發展的新的方向并傾全力加以吸收，盡可能多地將數學、物理學和化學等學科的最新成就引入地質學?！盵2]11-18

2 克魯泡特金油氣無機成因學說的主要內容

與很多無機成油論者一樣，克魯泡特金的油氣無機成因學說也是從對油氣有機成因學說的質疑和對油氣實際分布狀態的觀察開始的，然后依據基礎的物理學和化學原理解釋實際觀察的地質現象，得出了油氣主要來自地幔的烴類物質的結論。在研究過程中，有對前輩學者如門捷列夫、維爾納茨基等學者的繼承和接受，也有與同輩學者的互相印證。盡管當時在蘇聯，主張油氣無機成因論的是非主流派，但他們已形成一個延續數代不斷、在各個專業研究領域里獨立研究探索、得出共同結論的團隊，具有強大的學科覆蓋能力和思想交流碰撞平臺，這是使這一學派的知識體系不斷完善、進化、提高的重要原因。

2.1 對有機說的質疑

克魯泡特金對有機成油論的質疑是多方面的，攝其要者介紹如下：

首先，他強烈質疑有機論者將沉積巖中的不溶性“瀝青”(就是現在所說的“干酪根”)等同于石油族瀝青。他提出，干酪根跟石油瀝青之間的共同點是如此之少，根本不能將干酪根視為石油的來源。而且干酪根中嚴重缺氫，只有在急劇的還原環境中經過加氫才能生成油氣，但地質學和地球化學方面都沒有這樣的證據。干酪根生烴所需要的溫度，在地質條件下基本達不到(通常只有30～80℃，高的也不過100多℃)。他引用澤林斯基和弗洛斯特的實驗數據，證明要從干酪根中形成石油碳氫化合物，不僅需要有170～500℃的溫度，還要求這系統中有高含量的氫氣或甲烷。由此，他判斷“化學實驗的資料推翻了作為陸臺沉積表層特征條件下(溫度不高于30～80℃)從有機物質(即干酪根——筆者注)產生石油的假設?！盵3]180另外，有機論所說的生烴巖假說也是漏洞百出。所謂生烴巖現在通常叫“烴源巖”，就是富含有機質(干酪根)的巖石，有機論認為是這種巖石中的干酪根在溫度作用下生成油氣這類烴類的。但克魯泡特金發現，關于什么巖石可作為生烴巖其實是沒有科學的標準的，有人把黏土層當生烴巖，有人將碳酸鹽巖當生烴巖，甚至有人將砂巖當生烴巖，這些巖石中的干酪根含量相差懸殊，甚至就連石油之形成是賴于海相沉積還是陸相沉積都不清楚。由此他得出認識：生烴和生烴巖與沉積環境幾乎沒有任何關系。從運移的環節來看，眾所周知，氣體是從壓力較高的地點流向壓力較低的地點的，但實際發現的油氣藏其壓力多遠高于其圍巖，從四周生烴巖生成的氣體怎么從低壓區運移進高壓區呢？諸如此類的質疑還有很多，總之，克魯泡特金認為有機論中的漏洞太多，不能成立。

2.2 油氣的實際分布受構造控制

克魯泡特金認為，通過對已經發現的油氣藏實際存在位置的觀察，更能說明油氣的來源。經過對全世界各地油氣田的觀察，他發現了兩個規律：一是油氣都沿斷裂帶分布；二是各種深度、各種巖石中都有油氣分布。

油氣沿斷裂帶分布是門捷列夫早就發現的規律。門捷列夫實地考察過美國賓夕法尼亞、阿巴拉契亞和俄羅斯的高加索巴庫、庫班等油田，發現油氣藏均分布在山腳前的斷裂帶。[4]13-15克魯泡特金繼承了這一觀點。他列舉了美國、加拿大、俄羅斯、埃及、德國、波羅的海沿岸、巴西等地多個油氣田的資料，認為油氣藏既不在為大量侵入體沖破的地殼強烈斷裂帶，也不在地臺上最穩定的地帶，而是集中在斷裂適中的地帶。這種地帶不僅可以是山間拗陷(加利福尼亞、委內瑞拉)和邊緣拗陷，而且也可以是陸臺上斷裂地段(伏爾加流域)，或者是沿地臺邊緣的巨大斷裂帶(例如在德克薩斯的巴爾康斯—麥克西亞—塔爾可地帶)。含油氣性常常是和影響到剖面深部或影響到陸臺基底之變動有聯系。這種地帶也常常是從巨大的構造隆起到拗陷的過渡帶或者是拗陷的邊緣部分，尤其是那些為新生代斷裂所形成或再造了的地帶。[3]188和克魯泡特金同時代的另一位知名的蘇聯地質學家裴偉把這種切穿結晶基底的斷裂稱之為“深斷裂”，后來地質學家們稱之為深大斷裂。將油氣的分布與山前斷裂相聯系，說明的只是在淺部沉積層的油氣分布規律。而將斷裂的認識延展到切穿結晶基底甚至地殼、直達地幔的深大斷裂，就打通了油氣是從深部來源的認識通道。

按照有機成油論的觀點，油氣是由沉積層形成時就存在的生物質轉化成有機質，再經地質埋深加深的熱作用演化而成的。按其理論邏輯，油氣就只能在沉積巖中生成，并在沉積巖中賦存。作為沉積層基底的變質巖和巖漿活動產物的巖漿巖中就不應該存在油氣。但克魯泡特金發現，大量的油氣田中，變質巖與巖漿巖中都有油氣發現，比如美國德克薩斯西北阿馬里諾帶的多裂隙花崗巖、堪薩斯中央隆起帶的前寒武紀巖石、加利福尼亞艾迪生油田的變質巖中都有具有經濟價值的石油。法蘭西中央地塊、加拿大地盾和波羅的地盾結晶基底中可見到大量的瀝青脈，埃及位于紅海地塹兩側的油田不僅在蓋于基底之上的長石砂巖中含油，而且在下伏的前寒武花崗巖中也含油，且含油顯示是延續到一定深度的，這個含油層中，沒有任何富含有機物質的巖石。[3]185所有這些情況都可以解釋為碳氫化合物從深部的基底，通過地層剖面的全部巖層而上升的結果。

2.3 地球排氣分為冷熱兩支

俄羅斯杰出的地球化學家維爾納茨基早在克魯泡特金發表其《石油起源問題》二十多年前就發現了地球排氣現象，他發現在含油氣地區中，有很多氮、氦及其它惰性氣體等地下氣體出露，在地球化學中，它們是甲烷及其它氣態碳氫化合物的伴生體。除去氮、氦及其它惰性氣體以外，氣苗中偶爾還有從地球內部噴出的純氫氣。在某些氫-甲烷天然氣流中，氦的含量比在大氣中要大幾千倍。由于結晶基底的放射性元素的分解，氦氣就逐漸聚集起來，所以結晶基底就成為大量氦氣的來源。氮氣是火山氣的重要組成部分，每次火山噴發都釋放出大量的氮氣，成千上萬的礦床幾百萬年中不斷地分泌著天然氣，這些天然氣幾乎全由氮氣組成(就其重量來說，氮氣常占90%以上)。維爾納茨基把氦氣和氮氣的涌出比喻做“地球的呼吸”，地球大氣圈的穩定主要來自于地球深部排氣的不斷補充。[3]189這一學派被稱之為“地球排氣”學派?？唆斉萏亟鸾邮芰司S爾納茨基的地球排氣學說，認為氦氣、氮氣與甲烷氣的共生現象，表明甲烷也是深部起源的，氦、氮公認是無機形成的，故甲烷也是無機形成的。

在地球排氣方面，克魯泡特金的獨特貢獻是將之分為冷排氣和熱排氣兩種類型。所謂熱排氣是指與火山過程、熱液過程相關的高溫二氧化碳氣，所謂的冷排氣是指低溫的烴類氣體，泥火山就是冷排氣的一種具體表現形式。這種劃分對油氣勘探的指導意義在于，與“熱排氣”——二氧化碳脫氣相聯系的石油天然氣含量前景不樂觀。[2]20-35

2.4 天文學方面的證據

克魯泡特金引用了同時代學者關于隕石的研究資料，發現大量的隕石中存有石油類型的碳氫化合物。這些來自太空的隕石中存在的油氣不可能是生物成因的，而只能是非生物的無機成因。

2.5 結論

通過對有機論的深入反思和對油氣分布的地質學、地球化學研究，克魯泡特金得出如下結論：

(1)石油天然氣局部化的主要規律性，不為最富有機物質的沉積巖層在垂直和水平范圍內的分布所決定，而是為大地構造和地球化學特征這一因素所決定。

(2)含油氣盆地基底上覆的沉積蓋層與油氣的生成沒有任何關系，但與油氣的成藏有關，不同的孔滲性和有利構造決定了油氣在哪些局部位置富集。

(3)氣態的碳氫化合物和氮、氦一起從地球深部而來，穿過結晶基底和沉積蓋層，有一部分進入大氣，也有一部分遇到有利的地質條件形成油氣藏。油氣藏只是地球排氣過程中次要的、附屬的結果。

(4)沉積盆地基底巖石中的石油、天然氣和瀝青邊界范圍就可以決定陸臺含油氣省的范圍邊界，含油氣省的范圍邊界與基底的巨大變動有關，而與個別層系的分布無關。

(5)假若碳氫化合物——石油、天然氣——在地殼的任何一個地段都出現的話，那么這些碳氫化合物就是以某種濃度而貫穿到全部地質剖面中，自基巖一直到剖面上部為止都包括在內(這一條常被人們引用，被稱為克魯泡特金定律)。[3]185-194

克魯泡特金認為，油氣有機成因說的主要缺點就是它不能給出適用于任何油田的找油準則，除了說明應該在沉積巖中尋找石油外，就別無所有了。而他提出的基于無機成因的深部排氣通道模式，可以用于一切大地構造、一切層系、一切巖性的地方去找油。他認為，有經濟價值的油氣藏均分布在地球排氣(特別是冷排氣)的排氣通道中的各層系里，并在1985年提出了地球排氣通道及石油天然氣成藏模式圖(見圖1)。

圖1 地球排氣通道及油氣成藏模式(克魯泡特金，1985)

3 結 語

克魯泡特金是俄羅斯油氣無機學派“三杰”中最年輕的一位，他在學術上日趨成熟時，門捷列夫已離世多年，20世紀50年代和他一同發展無機成油論觀點、在當時的影響比他大的庫德梁采夫于1971年去世，在此后20多年里，克魯泡特金就是俄羅斯油氣無機成因學派的領袖。他在世時主持召開了三屆全蘇地球排氣專題研討會，分別是1976年、1985年、1991年，他去世后，由俄羅斯科學院油氣問題研究所的德米特里耶夫斯基院士牽頭，又召開了四次以紀念克魯泡特金為名的全俄地球排氣會議(分別是2002年、2004年、2008年、2011年)。迄今為止，這一學派還在持續他們的學術活動，在地球排氣的各領域不斷有所突破。如沃依托夫集中研究地球排氣中氫在巖石學、地質構造學和石油天然氣藏中的作用，瓦良耶夫研究了烴類大規模排氣和地球古代排氣作用，齊穆爾基耶夫則將基底走滑斷裂作為重要的勘探標志，沃特金斯·李指出越南白虎油田就分布于克魯泡特金所說的排氣通道之內。

中國主張無機成油論的學者中，有一部分也深受克魯泡特金學說的影響，曾經留學蘇聯的杜樂天先生是最早向國內介紹蘇聯地球排氣和克魯泡特金學說的學者，在他的推動下，大慶油田的科技工作者翻譯了第二、四屆蘇聯(俄羅斯)地球排氣會議的論文摘要。杜先生本人對地球排氣學說也有獨特的貢獻，他指出了堿土族元素(鈉、鉀、釹、銫、鈁)在地球排氣過程中的作用，系統地提出了幔汁(HACONS)輻射學說。

筆者認為，從總體上看，油氣無機成因理論比有機成因理論的解釋力要強得多，沒有有機論那么多的邏輯漏洞，更符合石油地質實際。在指導勘探方面，俄羅斯勘探家已創造了多個以無機成油論為指導的成功案例。在整個俄羅斯油氣無機成因理論中，克魯泡特金是集大成的人物，他依據的勘探證據遠比其前輩門捷列夫、庫德梁采夫要多，闡明的油氣成因與成藏原理也更為透徹，所提出的地球排氣通道模式對實際勘探有直接的指導作用，值得中國同行進一步研究。