克鲁泡特金的油气无机成因和地球排气学说简述

邵丽英 李玉琪

(西北大学 中东研究所，陕西 西安 710069； 西安石油大学 石油史研究所，陕西 西安 710065)

0 引 言

俄罗斯油气无机成因学派中有三个著名的代表人物：门捷列夫(1834—1907)、库德梁采夫(1893—1971)、克鲁泡特金(1910—1996)，他们三个人的学说既有一定的继承性，又各有侧重点，每个人都有自己独到的见解。我们已经介绍过门捷列夫的学说(参见《西安石油大学学报(社科版)》2015年第6期《门捷列夫的石油无机成因学说及其现代影响》)，本文专门介绍克鲁泡特金的学说，将来还会专门介绍库德梁采夫的无机成油理论。这三位学者的学说放在一起，才能完整地显现出俄罗斯无机成油理论学派的系统观点，反映出这一学派学说观点的发展过程。

1 克鲁泡特金的生平简介和主要科学活动

彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金，1910年11月24日出生于莫斯科一个古老的贵族家庭，他们的家族是古俄罗斯第一个大公留里克家族的一支。彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金的爷爷亚历山大·克鲁泡特金是位哲学家和天文学家，爷爷的哥哥彼得·阿列克谢耶维奇·克鲁泡特金是大名鼎鼎的无政府主义思想的代表人物、俄国最早的民粹派人士之一，同时还是一位地质地理学家，十九世纪中期曾到俄国的西伯利亚考察地理环境和地质矿产，还曾到中国考察过松花江水域的航运条件，其名作《互助论》在民国初年传入中国，对五四时期的早期社会主义者，如李大钊、毛泽东等人，有很大的影响。[1]3-21彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金的父亲是一位律师，曾为俄国的进步人士做法律辩护。他的母亲丽季娅·叶甫根耶夫娜是1900—1905年革命运动的参与者，做过小学教师，后来在苏联大百科全书编辑部工作。父母希望儿子选择人文科学作为自己未来的事业，但是儿子被自己伟大的先辈所从事的自然科学研究，尤其是西伯利亚地质结构的规律性和冰河期的遗迹所吸引，因此进入莫斯科地质勘探学院，成了一名地质学家。

在大学时代，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金就参加了乌拉尔山脉西坡的地质测量和石油探查工作。1932年从莫斯科地质勘探学院毕业后，他投身到托拉斯“远东编队”地质分部工作，在荒无人烟的东北边疆从事战略矿产资源的勘探和开发。他参加了科雷马盆地最大的锡、黄金和铂金矿的开发，总结出了一系列矿藏分布的规律性，并对整个大区域的矿藏做了预测，其工作结果形成系列文章、科研报告和专著，如《鄂霍茨克—科雷马边区和因迪吉尔卡韦尔霍维耶区地质和地理研究史(1890—1934)》以及1934—1936年在列宁格勒出版的《苏联东北地质纲要》(与E.T.沙塔洛夫合著)。

1936年，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金开始在苏联科学院地质所工作直到去世。期间于1960—1989年创建并主持了构造地球物理实验室，后又领导古地磁工作。1941年通过预答辩，1952年获得博士学位。1966年6月当选苏联科学院通讯院士，1992年成为院士。他最初的科研主攻方向是地球动力学和地壳结构学。他在远东地质队工作时，初次涉猎地壳和地幔运动问题，并绘出了这个广袤地区的第一个详细的地质构造图。在他后来所进行的研究工作中，仍对远东给予特别关注，并于1965年同K.A.沙赫瓦尔斯托娃合作出版了专著《太平洋移动地带的地质构造》。

1930—1940年，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金在哈萨克斯坦进行地质考察工作，在那里发现了煤矿和钨矿，为哈萨克斯坦地质构造图的构建打下了基础。

1958年，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金与E.H.柳斯季赫一道首次汇总了整个地球的重力测量数据，确定了地壳各部分的厚度以及能够证明极地位移的古地磁学资料，这些工作使他得出的结论是，水平运动是形成地壳结构的主要作用力。他将地壳中的位移进行了综合重构，成为俄国以至世界地质科学中完善移动论和板块构造学说理论的先锋之一。地球大陆移动说的坚持者同不动说的信仰者之间的争论持续了数十年，其对立有时是非常激烈的。女编辑Л.И.库兹涅佐娃回忆说，1972年她想请当时苏联最著名的地质学家B.B.别洛乌索夫院士担任一本关于A.魏格纳假说的科普书《大陆移向何处》的科学顾问，别洛乌索夫坚决拒绝，他说：“大陆是不可能水平移动的！这个假说是荒谬的！这甚至就不是假说，而是谬论……”。最后，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金同意做这本书的科学编辑。

20世纪60年代，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金发表了一系列文章，批评那些在他看来早已陈旧的“不动说”观点。其中一篇刊载于莫斯科自然体验者协会会刊上的文章《大洋的年龄与成因》，以充分的论据详细地分析了被B.B.别洛乌索夫发展的“不动说”的不合时宜。他强调说：“大自然是丰富多彩的，那些呆板公式的普罗克鲁斯特的床装不下它。”众所周知，更好地理解了地球自然状态的“移动说”最终获得了胜利。由此，世界科学界形成并确立起陆地板块理论，或者说是新的全球地质构造理论，这是地球科学真正的革命性转变。

彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金耗费多年时间，在分析不同地质结构中同期应力状况的基础上研究地壳运动的动力学模型。他得出结论，由于地幔排气(国内也有译作“地幔脱气”)排出的液体和天然气的压力作用，收缩的结构性应力很快在地壳基底形成。

从1950年开始，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金将大部分精力用于关注地壳内石油和天然气资源的形成问题，并接受门捷列夫的思想，发展了碳氢化合物无机成因说。关于他的油气无机成因学说，我们下一节将系统介绍，此处暂不赘言。

在油气问题的研究过程中，他接受了俄罗斯著名地球化学家维尔纳茨基的地球排气学说，并独创性地将地球排气分为“冷、热两支”(亦将在下一节详细介绍)。通过对地球排气的研究，克鲁泡特金又进入了天体物理学、行星学和宇宙学等研究领域。他分析宇宙扩展的宇宙学假说，以量子引力理论原则建立模型，研究宇宙因素在地震过程周期性中的作用。他将研究月球、火星和其他行星获得的资料，类地行星大爆炸环形结构形成的条件等都引入自己的文章。1970年《地质构造》杂志发表了他的文章《宇宙因素对地质构造的可能影响》和《重力测量学与月球地貌—与地球比较》。这些当初以谨慎的态度提出的宇宙物理学思想后来都获得承认。

1978年，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金当选俄国最早的科学组织——莫斯科自然体验者协会副主席，担任协会常务理事多年，领导协会地球物理分部工作直到1960年。他是多个科学委员会的成员，他还是《地质构造》和《知识就是力量》杂志编委会成员。

在生命最后的日子里，彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金仍继续研究自己毕生痴迷的问题，即关于地球生命运动、地幔排气、石油的无机成因等诸多知识领域。

彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金是一位非常谦逊和友善的人，他的同事称呼他为“贵族骑士”。他总是慷慨地与自己的年轻同事们分享自己的思想。他组织出版了许多专题文集，为其中的文章写序、结语或者做责任编辑。

彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金于1996年1月17日逝世，时年86岁。在《地质构造》杂志刊载的有А.Л.亚申、Н.П.拉约罗夫、Ю.М.布夏罗夫斯基、Ю.Г.列昂诺夫、В.Е.哈因等院士以及俄罗斯著名的科学家签名的悼念文章中评价他是：“俄国老一辈百科全书式学者的典型代表，他为祖国地质科学奠基做了大量工作，其成就为全世界所承认。”“彼得·尼古拉耶维奇·克鲁泡特金无论对哪个学科都能捕捉到科学发展的新的方向并倾全力加以吸收，尽可能多地将数学、物理学和化学等学科的最新成就引入地质学。”[2]11-18

2 克鲁泡特金油气无机成因学说的主要内容

与很多无机成油论者一样，克鲁泡特金的油气无机成因学说也是从对油气有机成因学说的质疑和对油气实际分布状态的观察开始的，然后依据基础的物理学和化学原理解释实际观察的地质现象，得出了油气主要来自地幔的烃类物质的结论。在研究过程中，有对前辈学者如门捷列夫、维尔纳茨基等学者的继承和接受，也有与同辈学者的互相印证。尽管当时在苏联，主张油气无机成因论的是非主流派，但他们已形成一个延续数代不断、在各个专业研究领域里独立研究探索、得出共同结论的团队，具有强大的学科覆盖能力和思想交流碰撞平台，这是使这一学派的知识体系不断完善、进化、提高的重要原因。

2.1 对有机说的质疑

克鲁泡特金对有机成油论的质疑是多方面的，摄其要者介绍如下：

首先，他强烈质疑有机论者将沉积岩中的不溶性“沥青”(就是现在所说的“干酪根”)等同于石油族沥青。他提出，干酪根跟石油沥青之间的共同点是如此之少，根本不能将干酪根视为石油的来源。而且干酪根中严重缺氢，只有在急剧的还原环境中经过加氢才能生成油气，但地质学和地球化学方面都没有这样的证据。干酪根生烃所需要的温度，在地质条件下基本达不到(通常只有30～80℃，高的也不过100多℃)。他引用泽林斯基和弗洛斯特的实验数据，证明要从干酪根中形成石油碳氢化合物，不仅需要有170～500℃的温度，还要求这系统中有高含量的氢气或甲烷。由此，他判断“化学实验的资料推翻了作为陆台沉积表层特征条件下(温度不高于30～80℃)从有机物质(即干酪根——笔者注)产生石油的假设。”[3]180另外，有机论所说的生烃岩假说也是漏洞百出。所谓生烃岩现在通常叫“烃源岩”，就是富含有机质(干酪根)的岩石，有机论认为是这种岩石中的干酪根在温度作用下生成油气这类烃类的。但克鲁泡特金发现，关于什么岩石可作为生烃岩其实是没有科学的标准的，有人把黏土层当生烃岩，有人将碳酸盐岩当生烃岩，甚至有人将砂岩当生烃岩，这些岩石中的干酪根含量相差悬殊，甚至就连石油之形成是赖于海相沉积还是陆相沉积都不清楚。由此他得出认识：生烃和生烃岩与沉积环境几乎没有任何关系。从运移的环节来看，众所周知，气体是从压力较高的地点流向压力较低的地点的，但实际发现的油气藏其压力多远高于其围岩，从四周生烃岩生成的气体怎么从低压区运移进高压区呢？诸如此类的质疑还有很多，总之，克鲁泡特金认为有机论中的漏洞太多，不能成立。

2.2 油气的实际分布受构造控制

克鲁泡特金认为，通过对已经发现的油气藏实际存在位置的观察，更能说明油气的来源。经过对全世界各地油气田的观察，他发现了两个规律：一是油气都沿断裂带分布；二是各种深度、各种岩石中都有油气分布。

油气沿断裂带分布是门捷列夫早就发现的规律。门捷列夫实地考察过美国宾夕法尼亚、阿巴拉契亚和俄罗斯的高加索巴库、库班等油田，发现油气藏均分布在山脚前的断裂带。[4]13-15克鲁泡特金继承了这一观点。他列举了美国、加拿大、俄罗斯、埃及、德国、波罗的海沿岸、巴西等地多个油气田的资料，认为油气藏既不在为大量侵入体冲破的地壳强烈断裂带，也不在地台上最稳定的地带，而是集中在断裂适中的地带。这种地带不仅可以是山间拗陷(加利福尼亚、委内瑞拉)和边缘拗陷，而且也可以是陆台上断裂地段(伏尔加流域)，或者是沿地台边缘的巨大断裂带(例如在德克萨斯的巴尔康斯—麦克西亚—塔尔可地带)。含油气性常常是和影响到剖面深部或影响到陆台基底之变动有联系。这种地带也常常是从巨大的构造隆起到拗陷的过渡带或者是拗陷的边缘部分，尤其是那些为新生代断裂所形成或再造了的地带。[3]188和克鲁泡特金同时代的另一位知名的苏联地质学家裴伟把这种切穿结晶基底的断裂称之为“深断裂”，后来地质学家们称之为深大断裂。将油气的分布与山前断裂相联系，说明的只是在浅部沉积层的油气分布规律。而将断裂的认识延展到切穿结晶基底甚至地壳、直达地幔的深大断裂，就打通了油气是从深部来源的认识通道。

按照有机成油论的观点，油气是由沉积层形成时就存在的生物质转化成有机质，再经地质埋深加深的热作用演化而成的。按其理论逻辑，油气就只能在沉积岩中生成，并在沉积岩中赋存。作为沉积层基底的变质岩和岩浆活动产物的岩浆岩中就不应该存在油气。但克鲁泡特金发现，大量的油气田中，变质岩与岩浆岩中都有油气发现，比如美国德克萨斯西北阿马里诺带的多裂隙花岗岩、堪萨斯中央隆起带的前寒武纪岩石、加利福尼亚艾迪生油田的变质岩中都有具有经济价值的石油。法兰西中央地块、加拿大地盾和波罗的地盾结晶基底中可见到大量的沥青脉，埃及位于红海地堑两侧的油田不仅在盖于基底之上的长石砂岩中含油，而且在下伏的前寒武花岗岩中也含油，且含油显示是延续到一定深度的，这个含油层中，没有任何富含有机物质的岩石。[3]185所有这些情况都可以解释为碳氢化合物从深部的基底，通过地层剖面的全部岩层而上升的结果。

2.3 地球排气分为冷热两支

俄罗斯杰出的地球化学家维尔纳茨基早在克鲁泡特金发表其《石油起源问题》二十多年前就发现了地球排气现象，他发现在含油气地区中，有很多氮、氦及其它惰性气体等地下气体出露，在地球化学中，它们是甲烷及其它气态碳氢化合物的伴生体。除去氮、氦及其它惰性气体以外，气苗中偶尔还有从地球内部喷出的纯氢气。在某些氢-甲烷天然气流中，氦的含量比在大气中要大几千倍。由于结晶基底的放射性元素的分解，氦气就逐渐聚集起来，所以结晶基底就成为大量氦气的来源。氮气是火山气的重要组成部分，每次火山喷发都释放出大量的氮气，成千上万的矿床几百万年中不断地分泌着天然气，这些天然气几乎全由氮气组成(就其重量来说，氮气常占90%以上)。维尔纳茨基把氦气和氮气的涌出比喻做“地球的呼吸”，地球大气圈的稳定主要来自于地球深部排气的不断补充。[3]189这一学派被称之为“地球排气”学派。克鲁泡特金接受了维尔纳茨基的地球排气学说，认为氦气、氮气与甲烷气的共生现象，表明甲烷也是深部起源的，氦、氮公认是无机形成的，故甲烷也是无机形成的。

在地球排气方面，克鲁泡特金的独特贡献是将之分为冷排气和热排气两种类型。所谓热排气是指与火山过程、热液过程相关的高温二氧化碳气，所谓的冷排气是指低温的烃类气体，泥火山就是冷排气的一种具体表现形式。这种划分对油气勘探的指导意义在于，与“热排气”——二氧化碳脱气相联系的石油天然气含量前景不乐观。[2]20-35

2.4 天文学方面的证据

克鲁泡特金引用了同时代学者关于陨石的研究资料，发现大量的陨石中存有石油类型的碳氢化合物。这些来自太空的陨石中存在的油气不可能是生物成因的，而只能是非生物的无机成因。

2.5 结论

通过对有机论的深入反思和对油气分布的地质学、地球化学研究，克鲁泡特金得出如下结论：

(1)石油天然气局部化的主要规律性，不为最富有机物质的沉积岩层在垂直和水平范围内的分布所决定，而是为大地构造和地球化学特征这一因素所决定。

(2)含油气盆地基底上覆的沉积盖层与油气的生成没有任何关系，但与油气的成藏有关，不同的孔渗性和有利构造决定了油气在哪些局部位置富集。

(3)气态的碳氢化合物和氮、氦一起从地球深部而来，穿过结晶基底和沉积盖层，有一部分进入大气，也有一部分遇到有利的地质条件形成油气藏。油气藏只是地球排气过程中次要的、附属的结果。

(4)沉积盆地基底岩石中的石油、天然气和沥青边界范围就可以决定陆台含油气省的范围边界，含油气省的范围边界与基底的巨大变动有关，而与个别层系的分布无关。

(5)假若碳氢化合物——石油、天然气——在地壳的任何一个地段都出现的话，那么这些碳氢化合物就是以某种浓度而贯穿到全部地质剖面中，自基岩一直到剖面上部为止都包括在内(这一条常被人们引用，被称为克鲁泡特金定律)。[3]185-194

克鲁泡特金认为，油气有机成因说的主要缺点就是它不能给出适用于任何油田的找油准则，除了说明应该在沉积岩中寻找石油外，就别无所有了。而他提出的基于无机成因的深部排气通道模式，可以用于一切大地构造、一切层系、一切岩性的地方去找油。他认为，有经济价值的油气藏均分布在地球排气(特别是冷排气)的排气通道中的各层系里，并在1985年提出了地球排气通道及石油天然气成藏模式图(见图1)。

图1 地球排气通道及油气成藏模式(克鲁泡特金，1985)

3 结 语

克鲁泡特金是俄罗斯油气无机学派“三杰”中最年轻的一位，他在学术上日趋成熟时，门捷列夫已离世多年，20世纪50年代和他一同发展无机成油论观点、在当时的影响比他大的库德梁采夫于1971年去世，在此后20多年里，克鲁泡特金就是俄罗斯油气无机成因学派的领袖。他在世时主持召开了三届全苏地球排气专题研讨会，分别是1976年、1985年、1991年，他去世后，由俄罗斯科学院油气问题研究所的德米特里耶夫斯基院士牵头，又召开了四次以纪念克鲁泡特金为名的全俄地球排气会议(分别是2002年、2004年、2008年、2011年)。迄今为止，这一学派还在持续他们的学术活动，在地球排气的各领域不断有所突破。如沃依托夫集中研究地球排气中氢在岩石学、地质构造学和石油天然气藏中的作用，瓦良耶夫研究了烃类大规模排气和地球古代排气作用，齐穆尔基耶夫则将基底走滑断裂作为重要的勘探标志，沃特金斯·李指出越南白虎油田就分布于克鲁泡特金所说的排气通道之内。

中国主张无机成油论的学者中，有一部分也深受克鲁泡特金学说的影响，曾经留学苏联的杜乐天先生是最早向国内介绍苏联地球排气和克鲁泡特金学说的学者，在他的推动下，大庆油田的科技工作者翻译了第二、四届苏联(俄罗斯)地球排气会议的论文摘要。杜先生本人对地球排气学说也有独特的贡献，他指出了碱土族元素(钠、钾、钕、铯、钫)在地球排气过程中的作用，系统地提出了幔汁(HACONS)辐射学说。

笔者认为，从总体上看，油气无机成因理论比有机成因理论的解释力要强得多，没有有机论那么多的逻辑漏洞，更符合石油地质实际。在指导勘探方面，俄罗斯勘探家已创造了多个以无机成油论为指导的成功案例。在整个俄罗斯油气无机成因理论中，克鲁泡特金是集大成的人物，他依据的勘探证据远比其前辈门捷列夫、库德梁采夫要多，阐明的油气成因与成藏原理也更为透彻，所提出的地球排气通道模式对实际勘探有直接的指导作用，值得中国同行进一步研究。