门捷列夫的石油无机成因学说及其现代影响

邵丽英

(西北大学 中东研究所，陕西 西安 710069)

门捷列夫的石油无机成因学说及其现代影响

邵丽英

(西北大学 中东研究所，陕西 西安 710069)

门捷列夫是石油无机成因学说的首创者，但长期以来，人们对其学说内容了解甚少。系统地介绍了其学说的内容和发展过程以及现代俄罗斯石油地质学界对其学说的看法，指出其学说将在未来的石油勘探中发挥巨大的作用。

门捷列夫； 石油无机成因学说； 现代影响

0 引 言

俄罗斯伟大的化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(1834—1907)以创建化学元素周期表而广为人知。在石油科技史上，他是第一个提出石油无机成因假说(也叫矿物成因假说，与生物成因即有机成因假说对应)的学者。关于他这一方面学说的内容和影响，国内石油学界介绍的不多，几乎没有中文研究文献。在俄罗斯，无机成因学说曾沉寂过一个阶段，但自20世纪90年代后期重新兴起，逐渐成为主流学说。现在俄国持无机成油论的学者，基本上都承认从门捷列夫的学说中获得了思想营养。

本文以最新的俄文研究文献为基础，结合笔者去俄罗斯实地考察交流的结果，较为系统地介绍了门捷列夫石油起源学说的内容，概括了为什么有一个阶段他的学说不被接受、处于较边缘化的原因，同时介绍了当代俄罗斯学界对门捷列夫学说的新认识。

1 门捷列夫的生平简介与主要科学贡献

门捷列夫1834年出生于俄罗斯西伯利亚的托波尔斯克镇。他幼年丧父，家庭贫困，后随母亲跋涉千里到达莫斯科和彼得堡，进入了圣彼得堡中央师范学院学习。大学毕业后，他曾去辛菲罗波尔一所预科学校教书，没多久，又到彼得堡大学读研究生。1854—1860年，他到德国进修化学，进入了国际化学界，1861年回国后在彼得堡大学等几个大学任教。1869年，他提出了著名的化学元素周期表，荣誉接踵而至。但由于他的自由主义政治信念遭到学术界保守派的批评，皇家科学院拒绝选举他为院士。1890年，他失去了在大学的职位。不过，当时沙皇政府的首席大臣维特伯爵非常欣赏门捷列夫，任命他为自己的技术事务顾问，在1893—1907年期间，他还担任过中央度量衡局的局长。在这期间，他的主要身份是政府的科学顾问，同时还是工业与贸易协会的主要技术发言人和理论家。

门捷列夫的学术研究兴趣活跃而广泛。他关注过农业，尤其是肥料问题。1865年，他购置了一处庄园，亲自种试验田，以证明科学种田的价值。他还关注奶酪加工业、北极考察、西伯利亚开发、气球用于通信等诸多问题。1887年，为观测日全食，他一个人乘气球升上天空。由于他涉猎范围较广，后来在俄罗斯诸多科学领域都留下了影响。

在大学教书时，他感到没有一本令人满意的无机化学教材，于是决定自己写一部，这就是后来成为他的经典著作的《化学原理》(一共出了十三版，最后一版是1947年)。在撰写这本书的过程中，他提出了著名的化学元素周期表。当时他并不认为这是多么伟大的事。由于对奶酪的加工技术有深入的研究，奶酪加工厂催促他尽快去工厂进行指导，所以在写完关于化学元素周期表的文章后，他就委托自己的一位同事到俄罗斯化学学会去代自己宣读，他本人则到奶酪加工厂出差去了。因为有这么个插曲，以致后来有一段时间竟有人质疑他不是化学元素周期表的创始人。

顺便说一下，门捷列夫还是俄罗斯“伏特加”白酒的配方发明人。现在俄罗斯著名的“标准牌”伏特加酒瓶的商标上，就记载着这段故事。

本文所要集中介绍的是门捷列夫的另一个重要贡献：石油的矿物(无机)成因学说。

2 门捷列夫石油成因学说的主要内容

现在的主流石油地质学教科书都指出，门捷列夫的石油无机成因学说是1876年提出的。[1]115但实际上，从19世纪60年代起，门捷列夫对石油的起源问题进行了长达20多年的持续研究。他亲自到俄罗斯的巴库油田(在高加索的阿塞拜疆)和美国的宾夕法尼亚进行实地考察，发表了多篇有关方面的研究文献，主要有《北美宾夕法尼亚和高加索的石油工业》(1877年)、《巴库的石油问题》(1886年)、《关于巴库石油枯竭传闻的再次兴起》(1889年)、《石油》(1897年)、《化学基础》(1906年)等，这些文章全部收录在1949年苏联出版的《门捷列夫文集》第十卷中。

门捷列夫的石油起源学说主要包括以下五方面的内容。

2.1 反对石油的有机起源学说

当时，已经有了石油的有机起源学说。该学说认为，石油是由动植物的遗骸演变而来的。门捷列夫对此学说表示明确反对，指出“大多数的学者以为首先是有机物的遗骸产生了石油，我以为不是这样，根据目前研究所获得的信息，没有机会从有机物中形成石油”。[2]192他指出，有机论面临着三个不可克服的困难：(1)动物残骸应当释放出许多氮物质，而这些物质在石油中非常少；(2)已经开发出的石油的质量与动植物身体内所含的热量不成匹配；(3)石油矿床的分布均与山脉的山脊走向相平行。这在有机论中是难以解释的。”[2]193

当时有机论者论证石油是由生物生成的，一个重要依据是石油具有旋光性，即当光线通过石油时会产生一个偏转振动面。有机论者认为只有生物形成的物质才具有旋光性，因此，又把这类特性称为石油的生物标志性。针对这一论点，门捷列夫提出反证：“石英、液态玻璃等其它矿物质都具有转动偏振面的能力。”[2]194

2.2 石油矿床的分布特征说明它只能从地下深部产生

通过对美国宾夕法尼亚、阿巴拉契亚以及俄国的高加索巴库、库班等油田的实地考察，门捷列夫发现石油矿床的分布与山脉(主要是山脊)的走向平行，他由此推测“山脉是在地球的内部能量作用下隆起的结果，山脊可能由向上断裂的裂痕演变而成，山脚由地层中几乎同时发生的向下断裂的裂痕演变而成，这些断裂随着时间的变化不断延伸、挤压。但是地壳深处形成山体侧面的地层应该是水平隆起的，正如地质学家们指出的那样。山脚处的裂缝使人们能够发现形成于地壳深处随着断裂运动上升的石油。山脚处的地表可能依然是原封不动，但是地层深处的断裂仍旧发生着。”“应当承认，石油既不是形成于地表，也不是形成于水底。如果是第一种情况，石油会蒸发，而最终只会留下一些松脂状残留物；如果是第二种情况，石油又会自水底浮出水面，又与空气发生了接触。因此，石油不是在上述两种情况下形成的，石油的形成应当到地层深处去寻找”。[2]195

2.3 石油的无机生成假说

门捷列夫指出，他的石油成因学说来自于一个推测：“地球内部，除其它物质外，以炽热状态存在着大量的碳素铁，也就是目前经常称为碳化铁的物质，类似于铸铁和钢铁里含有的成份。碳素铁的密度接近7，比铁本身的密度(7.8)要略小。”他证明地球内部存在碳化铁的证据竟然是天文学的研究成果,“在太阳上，在它的发光表面，毫无疑问，根据光谱分析显示，含有大量的铁元素。因此，如果根据拉普拉斯提出的假说，地球是由太阳产生的，那么，地球应该含有大量的铁元素。随着地球的冷却，铁元素应该较其它物质更早地由气态转成液态，……在地核，与分布密集的铁共同存在的应该有大量的碳，因为碳较之氧化硅和石灰更不易挥发，正如穆瓦桑和其他化学家在实验炉上做的实验所显示的那样。这就是地球内部碳铁元素形成的原因和条件。”[2]198

地球深部的碳铁化合物遇到水之后，“铁或者其它金属与水中的氧反应生成氧化物，水中的氢分离出来，一部分是游离的，在氧化过程中，原来与铁结合在一起的碳也分离出来，与氢结合起来，生成碳氢化合物，这就是石油，它们一边上升一边冷却，在接受它们的地层中冷凝成液并聚集成矿。”[2]200他所陈述的这一成因原理，被后来的研究者概括为“碳化铁生烃说”，用化学反应式表示就是：3FemCn+4mH2O→mFe3O4+C3n+H8m。[1]116

2.4 实验室证据

门捷列夫是位实验科学家，为了证明他的假说，他在实验室做了大量相关实验。在其假说提出和实验完成了20多年后，他回忆说：“我处理了盐酸白铸铁并得到了一些液体，根据所有的外在形式，看起来就很像石油，我拿给石油开采人员看，他们都直接说这就是石油，甚至努力根据气味和形态来判断它的产区。之后，克罗耶茨在法国也用上述方法得到了大量的含油液体，并在其中正好找到了不同种类石油所含的同种碳，从而清楚地看到了石油来自酸化的碳化铁的可能性”。[2]200

2.5 地下的石油是正在连续产生的

当时，人们已经注意到了各油田产量递减的事实，有人提出所有油田最终都会枯竭的看法。门捷列夫根据自己的研究，提出了另一种假说，他以巴库油田为例，“至今在巴库周边的地下深处，仍在持续生成石油，这些产生的石油起源于渗入地球内部深处的水，或者以气态的形式通过地球深部所具有的裂缝到达上部地层，蓄积入石油储层中。”“在很长一段时间里，巴库油田存在着找到新的巨大的石油矿床的可能性。”他敏锐地观察到，宾夕法尼亚的油田是向平面扩展的，从1859年起，扩散长度超过200俄里；而和宾夕法尼亚产量相当的巴库油田(年产量约50万普特)，则表现为油井的深度不断加深，1880年时该油井深80俄丈，到1902年已经达到150俄丈。[2]206

上述内容，笔者基本上以引用门捷列夫原文的方式，呈现了他关于石油起源的主要观点。需要提请读者注意的是，不仅要记住他关于石油起源的结论，更重要的是要记住他得出这些观点的思考过程、所观察到的现象、所进行的推理以及所做的实验。因为，正是这些细节性的东西，对现代石油科学产生了深远的影响。

3 门捷列夫身后其石油成因学说的沉浮过程

门捷列夫在1876年首次提出石油由无机物矿物生成假说，并持续了二十多年深入研究这个问题。他已经用实验手段证明用矿物可以造出石油。他的研究不是孤立的，当时有一批科学家进行了类似的实验，除了上文提到的法国的克罗耶茨用硫酸和含碳金属反应制造出石油之外，还有比尤阿索、哈利契科夫等科学家用类似的方法在实验室制造出石油。

门捷列夫在世的时候，石油的无机成因说是主流学说。但在他去世后，石油的有机成因学说逐渐兴起，并成为主流，无机成因学说暂时沉寂下去。赞成有机论的学者，对门捷列夫的石油无机成因说进行了批评，其主要理由如下：

(1)在地壳内没有发现有足够量的重金属(铁、钛、铬等)碳化物。甚至在橄榄石(一种公认的可能来自地幔的岩石，其中镁、铁的含量较高，也叫超镁铁岩)中也没有碳化物的显示，其中游离碳含量不超过0.36%，比它浅的酸性岩石中更是缺乏碳化物。门捷列夫指出，碳化铁的密度约为7左右，而根据20世纪50年代一些苏联学者的研究，密度为6.8的岩石已位于2 335公里的地球深处，可能含有碳化物的分散金属带位于地球深部1 600～2 300公里处，远低于橄榄岩带。在这样的深度下，不可能有水以及供水和碳氢化合物运移的裂隙。

(2)所有在实验中用无机方法获得的“人造石油”都没有旋光性，而所有天然石油都有旋光性。

(3)天然石油中含有氮化合物(尽管不多)和卟啉。卟啉是叶绿素的衍生物，是只有生物才有的标志物。[3]114-115

石油的有机成因学说在20世纪70年代中期达到高峰，以法国学者蒂索的干酪根热降解生烃模式为标志，其学说对中国石油学界产生了巨大的影响，成为主流的石油成因学说。

在俄国，石油的有机成因学说的表现形式是“沉积—运移”学说，即有机质在沉积过程中生成石油并与水一起运移到储集层中。

但是，有三个背景必须强调：

(1)从门捷列夫起，科学家们进行人工合成石油的努力一直没有停止，做过多种实验。20世纪30年代就发明出著名的费-托合成方法，即用CO2和H2在铁镍等催化剂的作用下(300℃～400℃温度条件)人工制造出石油，并在二战时的德国和被制裁时的南非投入过工业化生产。这些实验室和工业成果成为后来主张石油无机成因学说的学者的重要证据，它们至少可以证明：通过矿物等无机物，可以人工制造出石油。

(2)实际的石油勘探主要是依靠地表显示(即油气苗)，辅之以物探手段对局部地质构造的探测，寻找可能的储油区。无论是有机成油理论还是无机成油理论，对实际勘探工作都没有形成有约束性的指导力。这种勘探的成功率较低。按美国20世纪70年代末的统计，美国大公司的勘探成功率不超过5%，小公司不超过2%，[4]333到今天为止，情况也并没有好到哪里去，没有一个国家的石油公司纯粹的探井成功率能超过10%的。由于有机论实际上也没有起到某些文献所宣称的那么强的指导作用，这就为无机论的复兴提供了机会。

(3)前苏联时期，在石油的“运移—沉积”学说成为主流学说、门捷列夫的无机学说广受批评的同时，也有两位学者独树一帜，提出赞同门捷列夫的学说，并进一步有所阐发。这两位学者一位叫库德梁采夫，一位叫克鲁泡特金。他们不仅将门捷列夫的学说继承下来，而且将其发扬光大，为日后石油无机成因论的复兴打下了基础。

4 俄罗斯学界对门捷列夫学说的现代理解

尽管在长达七、八十年的时间内，门捷列夫的学说被边缘化，但在俄罗斯，一直都有沿着这一思路继续进行研究的学者。如前文提过的库德梁采夫和克鲁泡特金，他们的学说在20世纪50年代提出(关于这二位学者的学说，笔者另有专文介绍，此处不赘述)，此后一直都有学者坚持。截止目前，由克鲁泡特金发起的地球排气会议已经开了七届，前三届由他本人主持，后四届由德米特里耶夫斯基院士和瓦良耶夫主持。2010年的第七届会议就是为纪念克鲁泡特金诞辰百年而开的。近几年关于纪念库德梁采夫的专题学术讨论会也开过三届。2015年8月，笔者曾与我国资深地球物理学家裘慰庭先生、大庆油田勘探开发研究院的高级工程师崔永强博士等一同前往俄罗斯进行专题考察。根据考察结果我们判断，目前在俄罗斯，石油的无机成油理论正在重新成为主流。这主要有两方面的原因，一是浅部的石油越来越少，形势逼迫勘探实践走向深部；二是俄罗斯具有门捷列夫开创的学术传统，对石油的无机成因学说积累了长期的研究成果。

在石油无机成因论重回主流的大背景下，当代俄罗斯的学者，如莫斯科大学的尤·伊·皮科夫斯基教授提出对门捷列夫学说重新进行现代理解的主张。另有很多从事实际勘探的学者以他们的勘探实践为门捷列夫的学说提供了新的证据。

我们结合前面提到的门捷列夫学说的内容以及对他的批评，来看一下当代俄罗斯学者对其学说的理解。

4.1 关于石油的深部来源

门捷列夫认为，石油是从地球深部生成的，是水和地下的碳化铁在高温下发生反应，生成气态的烃类，沿着深部的断裂运移上来，随温度的降低转化为液态的石油。反对他的意见的学者则认为，地壳中没有发现那么多的碳化金属，而且在1 600公里以下的深度不可能有裂隙让气体上传。现代俄罗斯的研究发现，在早期的纯橄榄石和斜方辉橄榄石蛇纹石化的过程中，经常存在碳化铁，而且提出“根据地球上含碳金属的平均分布状况，含碳金属含量平均7%存在于地球深部2 900公里的地幔与地核交界处，地核中还有水，达到9 000ppm，是地壳和水圈水的60倍”，[2]213也就是说门捷列夫所设想的生烃条件地下全都具备。有些学者还结合在地球上多地观察到的从深断裂(如洋脊)喷发出的热液所含石油的现象，提出了地球排气学说，认为石油以各种方式在地球深部生成，由于其温度很高，是超临界流体，有穿越岩浆和致密性岩石的穿透力，所以，一直辐射到地球表面。这方面的研究文献很多，笔者在此处便不一一列举了。

4.2 关于石油在地壳断裂处的运移和赋存

门捷列夫认为，石油均分布于山脉与平原(盆地)的结合部，即山脚之下，而且其展布方向与山脊一致。这个发现看似平常，但极其敏锐，此后的一切石油勘探都验证着这个规律。他更进一步敏锐地指出，这是由于这个部位在地下是深部断裂。

如今，深部断裂是油气成藏的控制因素的观点，已是石油地质学界的共识[5]97。俄罗斯科学院的阿尔丘什科夫院士指出：全世界的石油都分布在盆地周边活动剧烈、快速沉降的地区(其实就是门捷列夫所说的山脚之下)。*Артюшков Е.В.Физическая тектоника.Москва,1993.另一位年青的俄罗斯勘探家阿赫梅特·齐穆尔季耶夫院士利用无机成因理论指导，分析了一条控制着400多个上覆花式构造的基底走滑断层，创造了勘探成功率100%的奇迹[6]159。这些例子证明了门捷列夫洞察力的深刻。

4.3 关于石油的持续产生和补充

门捷列夫提出了石油在深部不断生成、且可以持续补充到现在发现的油气藏中的假说。俄罗斯学者从20世纪70年代起，在鞑靼油气区进行观察和研究，近几年他们得出确凿的结论：在被认为已经接近枯竭的罗马什金油田(这曾是苏联很大的一个油田，其峰值产量是年产7 000万吨，后来衰减至不到2 000万吨)，他们发现有从深部不断补充而来的石油。经估算，现有产量的14%来自深部的油源补充。按现在的补充效率，该油田可按现在的产量再稳产200年，这大大超出了有机论者预期的油田寿命。*[俄]特拉菲莫夫的专题报告，2015年8月，莫斯科。

另外，特别需要强调的是，现代俄罗斯学者不是把门捷列夫的学说当作一种教条来理解。诚然，他们提出了很多证据来论证门捷列夫学说的成立，但他们更关注的还不是这方面的问题，而是门捷列夫敏锐、活跃、系统的思维方式。比如，他们强调，门捷列夫的学说不仅对无机论有用，对有机论也有用，有机质生油赖以成立的温度条件就要靠深部的热能提供*2015年9月在成都对瓦良耶夫的专题采访。。再比如，他们指出，门捷列夫思维的长处是把化学问题、地质问题，甚至宇宙问题结合在一起统一思考，很早就提出了近些年才出现的“星质学”(行星地质学)的概念，等等。总之，现代学者已不拘泥于论证其某一具体论点的成立与否，而是更注重其思想所带来的启发性。[2]217-223

5 结 语

迄今为止，石油成因的问题仍未得到最终的解决，有机论和无机论的争论还在持续。比如关于生物标记物的问题，有机论者以石油中有卟啉这类只有生命才会有的物质来证明石油源于生物；无机论者则以太空堕下的陨石中也有卟啉来证明非生物的矿物中也有这种物质；而有机论者又指出，陨石中的卟啉也可能是太空中的生命物质留下的……这样的讨论还有很多，但有一点是共同的，随着较浅处石油逐渐消耗殆尽，世界各国的石油勘探家们正逐步探索更深部的油藏。在这个探索中，越来越多的有利于无机成油论的证据被发现，这是无机成油理论在俄罗斯又重回主流的重要原因。

说其重回主流地位，并不是说它形成了一边倒的优势，而是说持这一学派观点的人数越来越多，学术活动越来越频繁，学术研究成果也越来越多。同时，有机成油论依然存在，而且两者有一种互相融合的趋势。无机论者并不否定有机论者有机物也能生烃的观点，但认为在较浅的沉积层(相对于结晶基底而言)，有机物质要形成烃类，需要深部来的热量才行。有机论者也不否认，在超临界状态下，烃类和水能够相溶，有利于流动运移。而且，双方都非常重视断层对烃类运移的作用。这种多元论的观点正使得石油成因理论越来越多地与勘探实践相结合，在实践中获得验证的机会。

仔细梳理门捷列夫石油成因学说在俄罗斯的沉浮过程，让我们最受感动的是这个国家的科学文化氛围，他们的学者以科学的态度对待科学。科学是对未知世界的探索，在探索的过程中，很多问题并不能马上得到验证，这时必然会产生各种假说，有些时候有利于这种假说的证据多些，有时有利于另一种假说的证据多些。俄罗斯科学界的可贵品质在于，对任何一种假说都给予足够的尊重，可以讨论、可以不同意甚至批判对方的学说，但没有封杀，没有视而不见的冷漠。在有机论居主流地位时，仍有学者(如库德梁采夫、克鲁泡特金等)坚持无机论的研究，而且他们能组织起大型的学术活动，这说明主流学界对他们的包容。他们不仅不那么教条化地尊奉某些被验证的观点，而且认真倾听与自己不同的意见，从中吸取自己可以接受的那部分内容，这是健康的科学发展生态。只有这样，才能促进科学的真正发展。

[1] 柳广弟，张厚福.石油地质学[M].北京：石油工业出版社，2009.

[2] Пиковский Ю И，Труды Д И.Менделеева о минер-альном происхождении нефти(современное прочтение)[C]//Дмитриевский А Н.Дегазация земли и генезис нефтегазовых месторождений：К 100-летию со дня рождения П.Н.Кропоткина.Москва: ГЕОС, 2011.

[3] [苏]梁布兴，潘钟祥.石油地质学原理[M].北京：地质出版社，1959.

[4] [美]J·M·亨特.石油地球化学和地质学[M].北京：石油工业出版社，1986.

[5] 张景廉.论石油的无机成因[M].北京：石油工业出版社，2001.

[6] [俄]A·N·齐穆尔基耶夫，戈戈宁科夫.俄罗斯油气井钻探成功率100%的案例[J].休闲读品，2015(2).

(责任编辑 邬静)

Mendeleev's Petroleum Inorganic Cause Theory and Its Modern Influence

SHAOLiying

(InstituteofMiddleEast,NorthwestUniversity,Xi'an,Shaanxi,710069,China)

Medeleev was the initiator who first put forward inorganic cause theory of petroleum,but for a long time,people seldom understood his theory.This paper systematically introduced the content,developing process of his inorganic cause theory about petroleum,as well as the comments on his theory in Russian petroleum and geology world.It was also pointed out that this theorywould take the significant role in the future exploration and development of petroleum.

Medeleev;inorganic cause theory of petroleum；modern influence

2015-09-28

邵丽英，女，吉林省吉林市人，西北大学中东研究所副教授，研究方向：世界历史与国际关系。

2014国家社科基金重大项目(14ZDB060)。

TEI

A

1008-5645(2015)06-0012-06