翁文灏与陆相生油理论二三事

张玉珍

中国地质大学(武汉),武汉,430074

回顾中国石油发展历史不难发现,陆相生油理论是中国地质学家开创的石油理论。它不仅为中国石油勘探和开发提供了重要的理论指导,也对中国石油工业的发展产生了重大影响。石宝珩(1981)认为中国石油理论的发展始于20世纪20年代。他指出,“陆相生油理论是我国石油工业发展的理论依据,是在石油勘探实践过程中产生和发展的”。吴凤鸣(1999)详细梳理了世界石油理论的发展历史,并指出中国地质界对石油理论的研究成果主要是1913年成立的中国地质调查所(下文统称地质调查所)对陆相生油理论的贡献。冯志强等(2009)认为,大庆油田勘探的50年是陆相生油理论的伟大实践。贾承造等(2018)认为,中国陆相油气地质理论是石油地质学基础理论的重要组成部分,在世界石油地质界具有重大影响,发展陆相油气理论是中国地质学家对石油地质学理论的重大贡献。

陆相生油理论在中国石油工业发展过程中的重要性毋庸置疑,但是学界对于第一个提出这一理论的学者一直存有争论。石宝珩(1985)多次对陆相生油理论的历史进行讨论并指出潘钟祥是这一理论的首倡者。杨光荣(2006)同样认为潘钟祥20世纪20～30年代在多次调查陕北石油地质的基础上,写成论文《中国陕北和四川的白垩系石油的非海相成因问题》并于1941年最早发表在美国《石油地质学家协会志》(AAPG Bulletin)上,是该理论的首倡者。吴凤鸣(1999)则认为陆相生油的地质概念,最早可追溯到谢家荣1922年发表的《甘肃玉门石油报告》。该论文“虽未明确指出是陆相概念,但文中三要点均属陆相特征”(地质构造为背斜;储油层为松质砂岩;储油层上下有致密红色页岩,阻止油液渗透;即构造、地层和岩性三个因素)。1937年,谢家荣向第17届国际地质大会提交论文《中国之石油资源》,其中也阐述了这个论点。吴凤鸣表达了“若从文字记录优先来说,似乎谢家荣为更早”的论断。胡社荣(1999)认为谢家荣最早对陆相生油理论进行了详细的阐述。张立生(2008)肯定了翁文灏对陆相生油理论的贡献,但是他认为谢家荣在《石油》一书中,阐述了石油的成因机理和陕北油田的地质史,并且详细论述了海陆二相地层,提出“这是中国地质学家关于陆相生油的最早期的论述”。

笔者通过梳理中国早期石油的相关史料,发现民国时期多名地质学家,如翁文灏、谢家荣、王竹泉、潘钟祥、黄汲清、孙健初等,都对陆相生油开展了积极的研究和调查,其中翁文灏不仅自己深入钻研相关理论,还通过他当时的学术职务对这一理论的创新起到了关键引领作用。此外,他调派人员进行充分的石油地质普查,并在重点区域组织石油钻探等实践对陆相生油理论进行了充分的验证。在以往相关研究著述中,薛毅(2005)、李学通(2005,2018)、张叔岩(2006)、陈谦平(2016,2017)等对翁文灏在中国近代石油工业建设中的贡献多有述及,但对翁文灏“陆相生油”理论的创新研究尚付阙如。本文依据相关文献史料,对近代石油工业发展中翁文灏在石油地质学理论研究方面的创新贡献进行考察与分析,补一漏万,请各位学者批评指正。

1 首倡石油产于中生代陆相地层

世界石油工业的发展始于19世纪40～50年代。随着石油工业钻探的逐渐兴起,美国、俄罗斯等多国都发现大型油田。当时权威的石油理论都认为石油是在海相沉积地层中生成的。

石油的发现及其用途在中国古籍中已多有记载,章鸿钊(1917)指出石油有很多名称,如“石漆”、“石脂水”、“火油”、“石脑油”等,但到北宋已经出现“石油”一词。中国古代钻井技术也堪称一流。正如谢家荣(1930)所言,“在我国,石油之发明,远在汉唐以前。而四川凿井技术,尤能开世界之先路,……诚我国历史上之光荣也”。

中国虽然对石油的认识较早,古代凿井也创造了灿烂辉煌的历史,但中国的石油研究和工业创办直到民国初期才开始艰难起步。当时工业结构畸形发展,尤其重工业力量微乎其微。矿产资源的开采和利用技术落后,科学理论和人才的严重缺乏导致本国石油资源无法自行探采。1914年北洋政府与美孚公司签订《中美陕直二省石油合同》,聘请美国技师在陕北钻探石油,并设置全国煤油矿筹备处。经过两年的勘探,耗费将近300万元之后(谢家荣,1935a),美孚公司得出中国“贫油”的结论。

《中国石油编年史》(2015)记载,美国斯坦福大学教授E.B.Welder 1922年发表文章指出中国缺乏海相生油的地层,因此不可能生产大量的石油。美国地质师希洛埃(W.B.Heroy)(1927)也撰文指出中国只有陕西和四川两个地区可能有值得开采但不是很大的油田。美孚在中国的探油以失败告终,1916年全国煤油矿筹备处遭裁撤。“中国贫油”的结论和石油海成的权威理论让中国社会笼罩着悲观失望的阴影。

矿产的生成依赖一定的地质条件,石油在地层中生成、运移、储存。因此,研究石油必须研究地层,包括地层的接触关系、地层年代、地层的划分及地层的岩性等。翁文灏(1919)引用了美孚地质师马栋臣(F.G.Clapp)、王作栋(M.L.Fuller)和阿世德(Estabrook) 等1914～1916年间对陕北所作的石油地质调查报告。在报告中,他们指出陕西的产油区域在其北部,东边在延川、延长、宜川一带,西边在肤施(即延安)、甘泉、鄜县(今富县)一带。报告分析陕北地层主要包括太古宇、元古宇、古生界的石炭系、汾河系、陕西系等,其中陕西系为产油层。翁文灏参考了美孚地质师的调查报告,并结合自己对中国地质的广泛调查,在分析陕甘盆地矿产的时候,他说陕西汾河系之上,缓倾平铺广泛分布在关中、榆林地区的地层都是含有薄煤层和石油的砂页岩。总厚达二千多米,称为陕西系。翁文灏(1919)假定“其时代为侏罗纪。西向至甘肃东部…至祁连山一带,犹见石油踪迹”。

从上面美孚地质师和翁文灏二者对陕北生油地层的分析对比可以看出,早在1919年,翁文灏就提出陕北产油的地层地质年代应该是中生代的侏罗纪,他不同意美孚地质师认定的古生代。翁文灏当时没有找到确切的年代化石,因此他用了“假定”。

1923年翁文灏派王竹泉赴陕北做地质调查。王竹泉根据发现的化石,改正了美孚地质师对陕北地层年代划分的错误。王竹泉(1923)记载,“民国12年,泉曾由陕西东北隅之府谷县西南行…斯役不仅将从前全国煤油矿公署所延美国煤油技师马栋臣(F.G.Clapp)及王作栋(M.L.Fuller)所称之石炭纪陕西系,由植物化石证明而知其确为早侏罗世,且彼等之二叠安定灰岩,因有鱼类化石之发现,而知其实为晚侏罗世”。由此更可以确定翁文灏早年对陕北地层年代的判断是正确的,陕北石油生成年代为中生代的侏罗纪而不是美孚地质师报告中认定的古生代。

翁文灏(1919)对陕北地层的准确推断基于他对中国地质情形的系统而专业的研究。他认为中国幅员辽阔,呈现出区域地质特点。整体上,中国地层“东北各省,成陆最古,西南一部,则海相较久,变动最新”。在论述下中生界时,他指出中国的二叠系与三叠系之间不太容易划分界限。下中生界“大抵皆为陆相”而且“以砂岩页岩煤层为多”。北方“惟陕西侏罗纪砂岩中含有石油。渭北河西,皆其分布之地。西延至于新疆,亦以产油著闻。”他还指出,四川盆地的地质与陕甘盆地类似,新发现的石油和煤气值得详细调查和关注。他总结说,“就地史言之,侏罗纪之后,中国陆地业已巩固。所有内湖浅海亦复蒸发干涸。而膏盐油矿,亦于是焉成”。这些论断清楚表明中国中生代侏罗纪之后的沉积都是陆相而不是海相沉积了。

翁文灏(1927)还指出美孚在陕北探采石油失败的原因是美国地质师对中国地层缺乏研究,直接按照美国的石油探勘经验来确定钻探位置。“美国煤油常在古生界,而中国煤油多产中生代,苟未先有所研究,自即据彼以为律此”。

矿床的生成、储存与地壳变动也有密切关系,翁文灏(1919,1920)多次详细分析中国构造历史,从而揭示石油生成及储存的原因和年代。根据当时观察到的地层不整合情形并综合各种地质调查报告资料,他推断出中国地质历史时期的几次重要的构造运动情形。奥陶纪之末,东北地盘逐渐涌起成为陆地,但西北西南和秦岭以南仍然被海水淹没。古生代末期,中国西南各地又经历重要地壳变动,海水再次进侵。中生代之初,新疆、甘肃、四川、云南、贵州等地又沉入海底,其他东部地区都已经涌起成为陆地。从此以后,海面逐渐变窄,陆地逐渐变宽,剩下几个盆地,也都成为里海。最重要的盆地,北边是陕西北部至甘肃东部盆地(陕甘盆地),南边是四川盆地。翁文灏(1919)分析了中国构造运动历史之后,指出石油产于中生代侏罗纪,“气候变化之影响,水分蒸发,遂成盐层。而石油地层亦与之先后告成。中国地质,自侏罗纪后,即无甚重要沉淀”。虽然因为早期研究资料的缺乏和石油地质调查的不甚周全,翁文灏对中国构造沉积历史的分析不完全准确,但是他能够推断出石油产于中生代侏罗纪,已经充分证明了他研究的前沿性。

根据中国构造历史和矿床成因,翁文灏指出石油产于几个重要的盆地。陕甘盆地中,陕西侏罗系中含有石油,石油分布区域从渭河北部一直向西延伸到甘肃河西走廊,再延伸到新疆。侏罗纪之后,中国大部分地区都已经涌起成为陆地,剩余几个盆地,也成为里海。因此可以看出,早在1919年,翁文灏就正式在著作中推断出中国石油产于中生代侏罗纪的盆地(翁文灏,1919),根据目前的史料,这是最早关于石油产于陆相地层的论述。

2 坚持地质学理研究为实践针导

翁文灏(1934)在地质调查所讲学会上讲演《中国石油地质问题》,他提出了一个最关键的问题,“陆相地层果绝无生油之望耶?若以油泉之多观之,陕北实远过于四川”。黄汲清(1989)因此指出,当时翁文灏“已初步感觉到,陆相地层也有生油和储油的可能性。这就是说,他脑海里已经有了陆相生油论的萌芽”。但当时海相生油是权威理论而且美孚在陕北探油失败,陆相地层到底能不能找到大量工业油流是争议的关键。

翁文灏(1934)鼓励中国石油地质学家们要从实际出发,不被国际权威所局限,敢于提出自己的理论。他指出,“中国石油地质近来调查渐多,更进一步仍须先有理论之研究,庶足为搜求之针导”。“油之所成、及其分布之法则,则惟有从理论地质,以为探索。不揣固陋,故先发为问题,以待研究”。翁文灏特别强调了理论研究对石油调查的指导作用。在这篇短文中,他探讨了七个有关石油地质的重要问题,希望大家不拘泥于现有定论,进行更深入的学理研究。第一,陕西、四川两省油田的优劣问题。如果从构造讲,四川背斜构造比陕西发育好,应该四川油田更多,但实际钻探结果却相反。第二,陕西、四川石油是否海相成因。当时很多人认为世界其他国家大量石油产在三叠系,而且都在海成地层。翁文灏说,“四川三叠系为海成,陕西三叠系则迄今未有海成证明,大致似为陆相”而且勘探结果表明陕北比四川有更多的石油。第三,四川海相三叠系找不到石油的问题。他假设海相三叠系为中国主要储油层,根据古代海陆分布图,应该在贵州和四川。贵州石油已经泄露,四川应该大有希望。第四,四川石油分布区域问题。按照苏联巴库油源聚集在里海边缘的构造特点,四川的油源应该在乐山、犍为、富顺和容县等地。第五,扩大盆地搜求范围问题。因为盆地生成较晚,因此不能局限在四川盆地,应该扩大到北边的汉水盆地和东边的归州盆地,但是相应的调查也没有发现油泉。第六,三叠系海湾沿长江东延问题。因此,长江各省应该有石油。第七,浙江长兴发现油苗的问题。长兴石油地层年代属于二叠纪,因此,可能二叠纪之下的地层也有石油,那么石油的成油时代更不确定,更需要深入研究。翁文灏针对当时石油调查研究的主要争论问题,着重分析了四川和陕北石油地质问题,他认为陕北产油希望大于四川。他强调不断深入理论研究才能解决实际问题。

翁文灏(1934)在讲演中多次表明“陕北的陆相地层可以产油”这个观点,并呼吁其他地质学家注意石油理论的创新。同时,翁文灏强调注重在盆地中勘察石油。因此,黄汲清(1989)认为翁文灏“已经有了陆相生油理论的萌芽”。

如果按照石油海成的权威理论,四川石油勘探的希望应该更大。但是翁文灏却发出了质疑,“然陆成地层果绝无生油之望耶”?翁文灏为什么会提出这个问题?为什么是翁文灏提出这个问题,又为什么他会质疑海相生油的权威理论,认为陆相地层也可以生油呢?这应当是与翁文灏的科学素养和独立的科学精神有密切关系。

翁文灏一直强调科学研究的重要性。他在《对于自然科学的大概观念》(1923)、《为何研究科学如何研究科学》(1925)、《如何发展中国科学》(1926)等文章中,用浅显易懂的文字,深入浅出地例证了研究纯粹科学学理的方法及其重要性和必要性。另外,翁文灏特别强调科学研究要有自立的精神。他指出做学问,进行科学研究的意义不仅仅要学习前人的研究成果,享受既得的知识并传授给后人,还要对前人没有注意、没有研究的问题进行研究和发明,这样才能对学问有所贡献,对人类知识的进步有所帮助,这也是做学问的真正意义所在。翁文灏(1926)强调,中国学术研究“发轫方始,信用未立,更宜惟精惟确,实事求是,始足与世界学者相见,而确立中国科学之基础”。这些发人深省的文字,处处体现着翁文灏独立、纯粹的科学观念和精神,也从侧面证明了翁文灏具有从中国石油调查实际出发,质疑国际权威石油理论的能力。翁文灏从不拘泥于权威理论,而是坚持实事求是。他用自己的知识告诫社会“中国地大物博”是个错误和片面的认识。翁文灏(1932)引用李希霍芬(Ferdinand von Richthofen)对山西铁矿的著述,“山西一省的铁矿可以供给全世界数千年之用”。受其影响,当时很多人士都认为中国铁矿储量异常丰富。但翁文灏强调山西的铁矿分布虽广,但矿床较薄,质量不佳,储量并不大。他还引用万国地质学会调查的数据,提出美国上等铁矿石储量有中国的十倍之多,英国也有三倍多。他还预计当中国工业发达的时候,会出现铁矿石储量不能自给自足的情形。

作为中国第一个地质学博士,翁文灏追求实事求是,强调学理研究,他指出地质学是探矿者必备的知识。因此,在地质学不太发达的民国时期,翁文灏能够凭借自己扎实的专业知识和独立的科学精神,在地质调查所讲学会上对石油海成理论进行大胆质疑,并强调陕北陆相地层也能生油的观点。翁文灏也利用自己的科学家领袖身份不断鼓励地质学家们进行石油理论的创新研究。

3 坚持进行石油地质普查和探采

翁文灏(1927)认为建设国家需要“足食足兵”,“就是很靠地下的矿产”。“机器(工业)的来源靠动力,动力的来源靠煤与油,而煤与油都是从矿产里来的”。因此,在号召大家进行石油学理研究的同时,他坚持选派地质调查所人员进行中国石油的探勘和地质调查,也因此训练了大批石油地质人才。

(1)1917～1923年间,地质调查所所长丁文江、翁文灏准备测制全国百万分之一地质图,就派王竹泉先后去山西调查5次,去陕北及绥远调查1次。王竹泉根据采样的化石改正了美孚地质师研究报告中对陕北石油地层年代的错误判断。

(2)1921年初,翁文灏受北洋政府委派率团去甘肃考察地震灾区。他派谢家荣从青海翻越祁连山到玉门考察石油。谢家荣认真勘察并著作《甘肃玉门石油报告》。张立生(2008)指出“这是中国地质学家独立进行的第一次石油地质调查”。谢家荣(1922)分析了玉门油矿的地质特征,包括产油构造、生油层、盖层等,并根据发现的鱼化石推断华庭[亭]县五村铺的红色页岩似属侏罗纪。

(3)1929年,地质调查所派赵亚曾、黄汲清在四川调查地质,并了解石油矿产,其调查报告附于《秦岭山及四川地质研究》。

(4)1931年,谭锡畴、李春昱在西南调查石油石盐地质,著有《四川石油概论》。

(5)1932年夏,受国防设计委员会委托,地质调查所派王竹泉、潘钟祥、谢家荣、杨公兆等会同北京大学地质系的胡博素一起赴陕北进行石油地质勘查。当时翁文灏是国防设计委员会秘书长,他组织的这次调查工作分两组进行,一组为王竹泉和助手潘钟祥,调查三叠纪红色岩层与侏罗纪煤系的接触关系及煤系下部地层,并采集化石。他们还要调查美孚公司以前所打油井情形。另一组谢家荣、杨公兆、胡伯素等到延长调查油厂矿业及工程,并探寻美孚探矿时所用各种机器。这次调查是复查陕西延长产油区域地质情形,以参证数年前美孚公司技师调查报告,并为国民政府设计委员会开发陕北石油做前期准备。

(6)1932～1936年间,潘钟祥多次受地质调查所委派,调查陕北和四川的石油地质。1934年发表《陕北油田页岩地质》,1936年发表《四川石油简报》。

(7)1933年孙越崎和助手张心田赴陕西进行石油地质调查,并完成10余万字的《陕北油田调查报告及钻探计划》。这个报告为陕北油矿的钻井进行了详细筹划。

谢家荣(1935a)在China’sFutureasanOilProducingNation一文中称1932年陕北石油勘察,是政府组织的先驱性工作,主要是由翁文灏发起并亲自制定计划的。另外,谢家荣(1935a)指出翁文灏考虑到美孚钻井探油失败的原因很可能是因为钻井位置偏西,所以他特别注重陕北东边的延长和延川地区,并派地质调查所技师王竹泉及青年地质家潘钟祥一起去陕西研究地层。谢家荣(1935b)指出王竹泉“发现之功,诚不可没”。

1934年夏,国防设计委员会正式任命孙越崎为陕北油矿探勘处处长。翁文灏组织购买钻机,孙越崎负责安排钻机运输、安装以及钻探等问题。陕北因为位置偏僻,交通不方便,钻机需要从上海运到陕西,运输极其困难。谢家荣(1935b)多次大力称赞孙越崎的出色工作。“幸赖孙氏之设计周密,取道汾阳军渡,再利用黄河水运而达延水关,水陆并进,始得安然到达。查秦晋间利用黄河水运输大批机器,此尚为破天荒之第一次”。

经过翁文灏的周密安排,王竹泉指定钻眼,孙越崎、严爽组织钻探,在延长钻井4口,延川永平镇钻井3口,而这7口井都有较好产量。陕北油矿出油量不是特别丰富。除非继续钻探找到新的油源,否则还不能断定是否具有国营油矿的价值。陕北这7口井是在中国石油地质学家的理论指导下确定的井位并钻探成功的,初步证明了翁文灏领导的地质调查所尤其是王竹泉、潘钟祥等对陕北石油地质的研究理论是正确的。因此,江鸿治(1939)指出,“在此短期内,经此钻探,获得若干结果,足与地质调查工作表里相互参证,未始不涵有相当意义也”。李德生(2018)指出陕北油矿“打破了中国贫油说,并为陆相生油说的提出打下了基础”。

翁文灏等早期地质学家并没有因为美孚公司宣称 “中国贫油”就对中国石油前景失去信心。相反,早在1919年他就根据储量把矿产分成四类,分别是重要矿产、普通矿产、较贫之矿和希望之矿,而石油归为普通矿产。翁文灏(1919)强调“一国矿业之盛衰,系于天产者半,系于人力者亦半”。他认为陕西北部的石油,虽然储量不一定特别丰富。但是石油品质很高,分布范围比较广泛。所以他说如果矿业家用心经营,那么陕北石油“即不足以外供世界,当亦可以内给国中,而稍减外油之输入”。

谢家荣(1947)对民国初年翁文灏领导中国地质学家坚持自己勘探石油的艰辛,记忆尤为深刻。“回想民国初年,当美孚公司在陕北探勘失败后,若干敏感之士,就断定中国无油,幸经翁院长詠霓先生力排众议,继续探勘,先在陕北获得若干成果,继又在甘肃玉门奠定了西北石油的始基”。

陕北油田之后,翁文灏开始计划探采甘肃石油。他不仅派严爽、孙健初、孙越崎等在甘肃玉门进行石油地质研究和钻探,还积极咨询苏联地质学家关于甘肃油矿的意见。1939年3月根据孙健初划定的井位,玉门老君庙钻探出了石油,并在1940年相继发现大型油田,从而奠定了玉门成为中国石油摇篮的基础。1941年翁文灏派黄汲清等去甘肃、青海进行石油普查。1942～1943年翁文灏在负责接管新疆独山子油矿的同时,派“黄汲清、杨钟健、程裕淇、周宗浚、卞美年、翁文波等去新疆进行石油普查,并详细勘测了独山子油田的地层和地质构造”(黄汲清,1993)。陕北、甘肃、四川、新疆等地的石油地质调查和钻探及1946年中国石油公司的成立,都是翁文灏组织领导广大地质调查人员和石油工人在石油地质学理论指导下的探勘开发实践,是对石油地质理论的有力支撑,也奠定了中国石油工业的基础。

4 结语

中国陆相生油理论因为潘钟祥在美国发表论文而受到关注。但是,这一理论的提出离不开章鸿钊、丁文江和翁文灏领导的中国地质调查所和调查所全体人员的努力,离不开其他许多地质学家的工作成果。翁文灏一直强调并坚持科学理论对实践的指导作用。他1919年出版的《中国矿产志略》提出石油产于中生代,沉积环境是陆相沉积地层的结论。1934年1月,他在对比陕西陆相地层和四川海相地层的基础上,大胆质疑世界权威石油理论,强调石油可以产于陆相地层的观点。

陆相生油理论的提出和发展离不开翁文灏亲自组织的陕北油田、四川勘探开发筹备处、玉门油矿和中国石油公司的调查和探采工作。同时,翁文灏对民国时期中国石油工业的人才培养及石油资源的经营管理都作出了不可磨灭的贡献,可以说中国石油理论的创新和提出是在翁文灏的引领和管理之下取得的。虽然陆相生油理论的提出和发展是中国地质调查所及诸多石油地质从业者集体的贡献,但是没有翁文灏在困难时期极力维持地质调查所的探勘工作,没有他坚持发展石油工业的理念,没有他对石油海相成因的质疑和对陆相地层能产油的关键判断,就不会有民国时期中国石油理论的创新。因此,可以说翁文灏奠定了中国陆相生油理论的研究和实践基础,开启了这一理论的萌芽时期。