油燃而声 第4期 | “茧”之伤痕——筑起油气运动的地下迷宫

《油气简史》

（第二版 富媒体）

  油燃而声 第4期

（科普解说词见文章末尾）

自然界里的岩石形成了多彩多姿的山脉、平原、河流、湖泊、大海等自然景观，可是，你可能不知道，岩石在地球上基本上是以成层的形式出现的，所以我们称之为岩层。

▲科罗拉多大峡谷

地球内动力作用会引起地壳的机械运动，从而引起岩层的变形、移位，在岩层上留下一道道“伤痕”，产生角度不整合、褶皱、断裂等各种地质构造，引起海、陆轮廓的变化，地壳的隆起和坳陷以及山脉、海沟的形成等（地质学上称之为构造运动），由此形成了各种各样的岩石或岩层分布形态，成为今天丰富多彩的自然奇观。

怪石林立、突兀峥嵘、姿态各异的云南石林，岩层嶙峋、层峦叠嶂的科罗拉多大峡谷…… 总是让人们惊叹大自然的鬼斧神工！但这些大自然的鬼斧神工却常常使得地下油气的前进步伐及聚集更加复杂，类似于地下的迷宫。

地下迷宫之角度不整合

（岩层的接触关系）

岩层表面是冰冷的，可它却是有“生命” 的，它记录和经历了各种地壳运动。地下的岩层和我们一样是有年龄的，有的岩层很年轻，年龄很小，不过和人相比还是挺老的，少则也有 1 万年了，有的岩层很老很老，年龄很大很大，以至于我们都无法想象，有几十亿年了。比如，科罗拉多大峡谷一直被称为“活的地质史教科书”，它从谷底到顶部分布着从寒武纪（大约 6 亿年前）到新生代（大约百万年前）各个时期的岩层，层次清晰，色调各异。

最老的、年龄最大的岩层常在地层的最底部，年轻的、年龄小的地层常在年老地层的上面，所有岩层都有一定程度的横向延伸，有时我们在地面某处见到的岩层（称之为地面露头），顺地层走向方向，岩层可在地面延伸几十米、几千米，甚至数十数百千米，与地形地貌有关。地下的新岩层、老岩层在空间上不是简单的、整齐划一的摆放在那里，而是有着多种多样的叠置关系，地质学家称之为地层接触关系。地壳下降引起沉积，上升引起剥蚀，岩层记录下了地壳运动带来的各种接触关系，它们是构造运动的证据。正是由于岩层间丰富多彩的接触，才使得油气之“茧”的形成变得扑朔迷离。地质学上，“接触”可以分为“整合接触”和“不整合接触”。这里的“整合”是指时间上的连续，没有任何中断。

最简单的接触叫“整合接触”。它的形成过程是：当地壳处于相对稳定下降的情况下，形成连续沉积的地层，老地层沉积在下，新地层在上。它的特点是岩层相互平行，时代上连续，没有间断。然而，地质历史上构造运动是频繁发生的，可以使沉积中断，造成新地层、老地层之间缺失一个时期的沉积（这个时期可能长达千万年），形成时代上不连续的地层，地质学家称这种关系为“不整合接触”。两套地层中间的不连续面，即新、老地层间的接触面，称不整合面。不整合还可分为平行不整合和角度不整合。

平行不整合接触的形成过程是这样的：地层形成以后，地壳均衡上升，使该地层遭受剥蚀，形成剥蚀面，随后地壳均衡下降，在剥蚀面上重新接受沉积，并形成上覆地层。它的特点是不整合面上下两套地层的倾向、倾角彼此平行，但不是连续沉积的，即发生过沉积间断。

▲平行不整合接触及其形成过程示意图

角度不整合的形成过程与平行不整合相似。其特点是不整合面上下两套地层呈角度相交，其间剥蚀面相分隔，上覆岩层 (7层、8层) 覆盖于倾斜地层侵蚀面之上。角度不整合可以覆盖地下很大的区域，可以形成巨大的油气田。

▲角度不整合接触及其形成过程示意图

地下迷宫之褶皱

（岩层的皱纹）

就像人脸的皱纹是饱经风霜的见证，地层的褶皱是地球经历亿万年动荡留下的痕迹。我们知道，一块坚硬的钢板，只要施加足够大的外力，也会弯曲甚至断裂，所以，即使由坚硬岩层组成的地层，在一定条件下，也会发生扭曲褶皱。

褶皱是地壳最常见的最基本的地质构造形态，是地壳构造中最引人注目的地质现象。褶皱主要是构造运动的产物，在地壳不同方向的挤压力作用下，岩层在挤压方向上受到压缩而产生上拱下弯的塑性变形。

褶皱的规模相差很大。大褶皱长达几十千米到几百千米，而小褶皱则可在一块手标本上见到，有的甚至需要在显微镜下才能观察到。

褶皱是地壳中常见的地质构造，也称为褶皱构造。褶皱构造的每一个单独的弯 曲叫褶曲，褶曲的基本单位有背斜和向斜。背斜是地层向上弯拱部分，在同一水平线上，其中心部分的地层较老，外侧地层逐渐变新。向斜是地层向下弯曲部分， 其中心部分的地层较新，外侧地层逐渐变老。不过在特殊情况下，地壳的运动非常复杂，会导致岩石层序被打乱，需要依据地层中的化石来判断岩层的年代。

▲褶皱景观

背斜与向斜

背斜和向斜两者是“龙凤胎”，背斜之旁必然出现向斜。一般情况下， 背斜形成山峰，向斜形成谷地（简称背斜成山，向斜成谷）。但有时往往相反。因为褶皱形成后，如果地壳再次经历强烈的运动，那么这些褶皱会再次受到挤压，出现斜坡抬升、背斜降低甚至倒置等多种现象，地质情况十分复杂。凡是向斜成山、背斜成谷现象，称为“地形倒置”或“负地形”。

穹隆是一种特殊形态的背斜，形态大致呈圆形或椭圆形隆起，中部呈穹隆状，与蒙古族的蒙古包等圆形的民居类似。它是指地下地层侵入到上覆地层，有时穿透上覆地层的地质情况。大的穹隆直径可达几千米，小的穹隆直径只有数米。背斜和穹隆常常是储集油气的地方，形成了很多世界级的巨型油气田，例如，1912 年发现的美国俄克拉何马库欣（Cushing）油田。中东大多数油田都是在背斜和穹隆上。背斜和穹隆是寻找石油和天然气的重要目标对象。

世界上有许多著名的山脉都是由地壳褶皱推动形成的。从欧洲的阿尔卑斯山到亚洲的喜马拉雅山一带，是世界上最长的一条东西向褶皱带，其中包括高加索山脉、兴都库什山脉等。

▲背斜成山、向斜成谷示意图

▲死海盆地东侧出露褶皱（G.I.Alsop, 2021）

▲俄克拉何马库欣油田 ( 刘云生等，2009，略改 )

地下迷宫之断层

（岩层的伤痕）

地壳岩层的可塑性很小，当它受到地壳运动引起的强大外力时，会发生断裂和破碎，这种被断开的岩层，就叫断层。断层是地层的另一种变形体。 

断层运动的面叫断层面。在断裂时，断层面上下发生摩擦，在断面上常常留下一道道条痕，叫作断层擦痕。断层面大多是倾斜的，位于断层面上部的部分叫上盘，位于下部的叫下盘，断层两盘岩块的相对运动可以产生巨大的位移。地质学家们把上盘相对于下盘做上升运动称之为逆断层，把上盘相对于下盘做下降运动称之为正断层。正断层和逆断层“两盘” 相对运动方向都大致平行于断层面的倾斜方向，故统称为倾向滑移断层。此外，如果“两盘”的运动只是在水平方向，而且平行于断层面，这种断层又称之为走向滑移断层（简称走向断层）。

▲吐孜沟发育的正断层

断层运动可以发生在各种岩层中，使地壳有的上升，有的下沉，上升成山，下沉成谷。断层的规模大小相差很大，小的位置变化仅几厘米，大的可达几千米，甚至几十千米。在地貌上，大的断层往往会形成裂谷和陡崖，如加利福尼亚的San Andreas断层、著名的东非大裂谷。

▲加利福尼亚的 San Andreas 断层 

（Chelsea, et al., 2020）

▲东非大裂谷

知识小讲堂

世界上著名的断裂带还有环太平洋断裂带和亚欧大陆南部断裂带；规模较小的有莱茵地堑、贝加尔湖、滇池、洱海等断层湖。此外，在地质构造中，褶皱和断层常常相伴而生，它们往往造成褶皱断层山脉。我国西部的天山山脉就是著名的褶皱断层山脉。断层既可以是活动的也可以是不活动的，活动的大断层带往往是火山、地震活动的频繁地带。可以说，有断层的地方就有地震。日本，处于太平洋板块与欧亚大陆板块交汇、碰撞地带，大大小小的断层时有发生，因而地震也频繁发生。认识断层的分布对我们现实生活具有指导意义。2008年5月12日 14时28分04秒，中华人民共和国成立以来破坏性最强、波及范围最大的 “ 汶川大地震”，重创约50×104km2的中国大地，即为逆冲、右旋、挤压型断层地震。如果工程设施修筑在断层上，建筑物就会因断层错动或沉降速度不一而发生破裂、倒塌。所以，在大工程施工前，做好地质构造调查是非常必要的。

👆上滑查看断层类型示意图

对于石油和天然气而言， 断层是一把“双刃剑”。一方面有助于油气向一个地方运移聚集，另一方面，它也可以将形成的油气破坏掉。岩层与岩层之间的“接触”关系、岩层的褶皱、断层筑起了复杂的“地下迷宫”，它使得岩石中的油气前行的道路复杂化，它是油气在地层中某一空间运动、汇合、聚集的重要影响因素，常常是地质学家研究的重要对象。

👇科普解说内容👇

哪里可以找到石油呢？

大家知道，海豚是利用回声定位来判断食物距离和方位的，那我们的地质勘探人员在地面或海面是通过发射什么波找地下沉睡的石油呢？

他们用人工方法（用炸药或非炸药方式）产生地震，形成地震波。这种方法就是寻找石油最常用的一种方式，就是地震波探测方法。

采用炸药爆炸的方法产生震源，通常是在浅井孔中激发，先打一口较浅、手臂粗的井孔，深度有时可达15米左右。接着，将5～7公斤炸药放到井中，用泥土焖实，点燃炸药，这就是老百姓说的“放炮”，只是药量比开山炮少得多。所以，地震勘探是很安全的。为了获得更好的地震效果，不仅要把几千枚炸药深埋于地下，而且要按照一定规律分布，在上万平方千米的范围内依照一定的循序进行引爆。

地震波一般可以穿透几千米甚至万米的地层（包括海水），在向地下传播时，遇到不同的岩层、流体分界面，地震波会发生反射与折射。在遇到地层界面时就会发生反射波。通过地面布置大量的高精度检波器接收回来的信号。检波器是干什么用的呢？它是用来记录反射回来的声波如时间信息。检波器布置在一系列的地震测线上，测线的长度几公里到几十公里不等，测线与测线之间的距离几十、几百米至几公里不等，检波器与检波器之间的距离几米-30米不等，视精度要求而不同。我们可以算一算，如果一条测线20千米长，检波器之间的距离20米，那么这条测线上要布置1000个检波器。如果有几十条测线、几百条测线，就要在地面布置数万个检波器。

大家在电视、电影里看见过地质家们翻山越岭的场景吧。他们在干什么呢？他们是在做地质普查，就像医生，先观察病人的体表特征。接着在可能性大的区域进行地表的化学生物指标分析，这就像给人体做抽血化验，然后给可能存在石油的地方在地表做炸药炮眼布置、检波器布置。

地质学家们利用计算机来处理检波器中记录的这些数据，就可以构造出地下岩层系统的一张张层次分明的图像。这些图像里，就隐藏着油气田的秘密，如地下地层高低起伏、有什么样的岩层、有没有油气、地下油气的可能位置和范围等。这就好比医生给人体做CT、核磁共振、拍X光片,地质学家们通过对检波器数据的分析，给地层做一个全方位的透视扫描。

在海洋上，勘探人员又是怎么发现海底的油气资源的呢？能像陆地那样采用炸药产生地震波吗？

刚刚我们介绍的用炸药做震源，产生地震波。它的优点是简单、易行。但也有缺点，例如钻炮眼和炸药费用较高，在工业区和人口稠密区使用炸药不安全，可能会造成环境污染、地表破坏以及生物死亡等。

还有一种方式，就是不用炸药，即非炸药震源，也称为可控震源。可控震源车底部有特制钢板，通过和地面接触并按一定频率震动，形成往地下传播的地震波。简言之，就是控制重物连续地夯砸以形成地震波，类似过去农村的打夯。

在海上，常用的非炸药震源是空气枪。将空气储存在一个高压容器中，然后加压。当压力达到一定程度后，大概是13-20兆帕，突然将其在水中释放，“爆炸”产生地震波，强大的冲击波向水下和海底地层传播。

因此，利用地震勘探技术，地球物理学家和地质学家就可以给地球做“B超”，就可以发现地下含油气的构造，找到石油与天然气在哪里，在什么地方聚集，富集区最有可能在哪里等一些基本情况。在地下埋藏数千米的岩层，与地面岩层一样，有的地方像崇山峻岭的大山，有的地方像一马平川的平原，油气赋存在不同类型的岩石当中。然而，地下岩层中是否有石油与天然气富集，有多少，是否很容易开采出来等，仍然有很多不确定性，地震勘探技术还不能给出准确答复。通过什么方法来进一步证实、搞清楚呢。做“B超”后，接下来是钻井，凿开一个通往油气层的“井”通道，并对“井”通道剖面进行测井“测试”，综合分析数据。石油地质学家就可以如同“医生”一样，通过开展综合研究，明确地下石油、天然气在哪里，能否开采，有无经济开采价值等。

至此，找油的工作就结束了，接下来就该对地下这些丰富的石油宝藏进行开采了。不过投入开采之前，还有一个重要环节，就是钻井，修建一条通向地面的人工“油气”通道，也就是大家熟知的井眼。

热门推荐

REVIEW

执行编辑：蔡函芸

责任编辑：李   杰

审核编委：李颜君审核老师：杨   烽来源：西南石油大学