一九九九◆十二月冬季
《第十二期》
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一九九九◆十二月冬季《第十二期》 |
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最近由於國際原油價格飛漲，不僅汽油價格調漲，物價也蠢蠢欲動。對於七十年代兩次全球性能源危機及九十年代波斯灣戰爭記憶猶新的人，不禁憂心世界經濟在不久的將來，是否將再度面臨石油短缺所造成的衝擊。
在一、兩年前，當世界原油價格低迷之際，幾個重要能源研究機構皆於具世界權威的科學雜誌《科學的美國人》（Scientific American，一九九八）以及美國之《科學》（ Science，一九九八）上，陸續發表對未來世界石油供需問題的研究結果。多數研究都不約而同地預測嚴重的石油短缺，快則十年，慢則三十年內即將來臨。除非新的主要能源及時出現，人類不久將來再度面臨能源危機將是不可避免的。
人類從十九世紀大量使用石油，至今短短兩百年間，就將把大自然在千萬年間孕育的原油消耗殆盡。飲水思源，多少人知道石油是如何從岩石中經年累月一點一滴的生出呢？如果我們知道了石油生成的過程有多麼緩慢、再生有多麼困難，或許我們多少會較節約能源吧！
 認識石油的組成 |
石油主要由許多大小不同的碳氫化合物分子所組成，在岩層的孔隙內，經常以液體或氣態存在，有時部份凝結成固態。
石油三相態的相對體積，隨著地下溫度和壓力的不同而有所變化。當石油以氣態存在，稱為「天然氣」，主要成份為含三個碳以下的碳氫化合物，如甲烷（ CH4）、乙烷、丙烷，並有少量含四個碳以上的碳氫化合物（C4）。液態石油的主要成份為含碳量在Ｃ4－C30之間的碳氫化合物。而固態的石油以含高碳的「石腊」及「瀝青」為主。
探討石油的成因 |
石油的成因於過去二十年來，在地質學及地球化學的研究下已大有進展，出現了較清楚的輪廓，石油的「生物成因說」已近不爭之實。雖然無機成因的油氣也可能存在，但仍屬少量。
石油中殘留大量的生物分子，成了生物成因說的重要證據。除此之外，因為油氣同生物相似，含有比無機碳較少的碳13同位素，因此從碳的穩定同位素也排除了無機成因說的可能性。再加上地球的石油多數產在含生物有機物的盆地，也支持了生物成因說。
如今我們已能利用生物成因說的準則，成功地預測石油產量及分佈的情形。所以石油成因的研究不僅是學理上的研究，也有實際上的功用。
石油的形成 |
石油一般認為是由地層中的有機物質「油母質」，經地溫長時間的熬煉，一點一滴地生成而浮游於地層中。由於浮力的關係，石油在水中每年緩慢地沿著地層或斷層向上移動，直到受不透油的封閉地層阻擋而停留下來。當此封閉內的石油越聚越多，
便形成了所謂的「油藏」。所謂「油氣深勘」就是尋找具有經濟價值的油藏。
以下便是石油形成的四部曲：
石油是古代生物遺骸經由很複雜的生物及化學作用轉化而成的。據估計大約只有千分之一或更少的生物體經快速掩埋與氧隔絕避免腐爛，才有機會轉化成石油的前身「油母質」。
古代生物遺骸原本可能堆積在湖裡、海裡，或是陸地上。岩層中堆積的生物遺骸種類不同，會產生不同成份的油母質，所產出的石油成份以及油氣比例自然也就不同。
湖裡大多堆積了藻類、細菌、孢子、花粉、樹脂等，以生產液態石腊系之碳氫化合物石油為主。
海裡的生物遺骸多數來自浮游生物、藻類、細菌及少量陸上植物，以生產液態石油為主、天然氣為副。
陸地上多數堆積高等植物之木質素，以生產天然氣為主。
油母質的形成多數在生物遺骸沈積掩埋的早期，當時的地溫多不超過揚氏五十度。生物遺骸中的有機碳氫化合物、蛋白質、碳水化合物、類酯體等等，會在「厭氧細菌」的作用下，進行「低溫化學反應」：先是被分解成單分子體，再重新聚合成油
母質。另外，生物遺骸中原有不溶解之聚合物，由於抗菌作用強，可殘留下來。
當沈積物越埋越深，地溫越高時（約攝氏一百至一百五十度），油母質會在一定
的成熟度範圍內（油窗）轉化成液態石油或天然氣，其成份視原來的油母質種類成份及成熟度而定。
油母質是一種有機地質聚合物，以固態存在於頁岩或碳酸岩顆粒之間，成份很複雜，包含各種碳氫化合物以及含氮、硫、氧之化合物官能團。油母質本身不溶於有機溶液，但其中吸收類似石油的瀝青質，則可經由有機溶液萃取出來。此瀝青質或為生
物遺骸留下的類脂體，或是經由熱力從地質聚合物所分解出之低成熟度的石油。
如何估算石油生成的量？石油的生成是不可逆反應，受化學動力控制，就像我們煮食物一樣，溫度高、所需時間短，溫度低、需慢慢熬。油母質轉化成石油符合「反應速率」的準則，也就是說，反應速率與所殘留的反應物之量成正比。 因此，當地層掩埋深度逐漸增加，油母質隨時間緩慢加溫。當溫度或時間進入油窗期時，石油起初慢慢產生，到一定溫度時反應速率最快。然後當溫度再上升，反應速率則緩慢下來。 石油地球化學家可利用實驗模擬，把油母質加熱產生石油，進而測量其反應速率反率參數，如活化學能等，再從地層中已知源岩掩埋的深度或其相當的地層溫度、地層掩埋的時間（約千萬年），去估計石油生成的量。 |
生物指標石油中殘留之生物分子仍具有在生物體所存在的分子構造或特性，一般可指示石油或油母質前身生物的種類、年代、沈積環境，因此稱為「生物指標」。 石油中最常為人所知的生物指標為「甾烷」以及「三帖烷」，其生物質的前生分別為「類固醇」及「三帖系化合物」。生物指標分子在石油探勘上甚為有用，可告訴我們石油的來源地層，有助於追蹤石油移棲的方向。 |
石油從油母質產生後，起初多為殘留之油母質吸收，當石油的量超過油母質所能吸收的最大量，石油做進入源岩地層的孔隙間。
當石油越生越多，地層內壓升高，將油氣由源岩排至周圍孔隙度高的地層中。有時源岩地層壓力高過岩層的強度，因而發生破裂，加速油氣從源岩中排出，此為「初次移棲」。當油氣進入高孔隙的地層中，由於孔隙大、毛細阻力小，油氣可藉由浮力快速沿著此運載地層往淺處移動，是為「二次移棲」。
油氣在岩層移棲的過程並非暢行無阻，一旦遇到不透油的地層，則勢必得停留下來，慢慢由上而下聚集在此封閉地層中，直到地層被油氣填滿。若有油氣再補充進入，則由下方溢口溢出，經由其他途徑再向淺處移棲。經此，大小不同的油藏在不同之淺處匯聚形成，大功告成。
在油藏中由於比重不同，氣、油、水是成層存在：天然氣在上面，其次為油層，最下面為水層，但有時天然氣與油可以單獨與水存在。
埋藏在深處的石油分子經過長期地熱的煎熬（約攝氏二百五十至二百度），逐漸裂解成「天然氣」及「焦瀝青」，終究有機會以氣態再度移棲到淺處，成為天然氣藏，或以固態之水合物隱藏在深海底，或逸出地表。石油裂解過程如同石油的生成一樣是不可逆反應，「甲烷」及「石墨」為其最終產物。
有幸移棲到淺處的石油有朝一日為人類服務，但多數仍殘留地層內。細菌退化作用會大大改變石油的成份及性質，使其變重、多硫，終究難逃被細菌吞噬的命運。
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