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刘先志：石油天然气金刚石地下放电成因说及电化学沉积成矿说
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科学人 网站
2005-06-12
文/刘先志（成都，西南技术物理研究所）
摘 要：本文简介了地震火山地下雪崩放电成因说，根据地下存在强放电以及放电过程中产生包括有紫外光的地光的事实，并根据无机物在放电以及紫外线照射作用下，生成氨基酸、碳氢化合物、油性齐聚物等有机化合物和金刚石的事实，进而提出了石油天然气金刚石地下放电成因说。本文揭示了中国大陆油气田分布与地震火山分布之间的正相关现象，提出了石油天然气和金刚石勘探的新思路：即多留意那些地下富含碳的化合物和地下水的地震火山活跃区及其附近区域。本文还提出了电化学沉积成矿说，并提出了地质极板、地质电解池等概念，本文对矿物质迁移、沉积、富集、伴生等给出了一个新的解释。
关键词：米勒实验；雪崩放电；等离子体化学；地震；火山；石油；天然气；金刚石；成因；电化学；沉积；成矿
1、概 述
对于地震火山爆发的成因，作者早在1988年作了初步探讨，并撰写和发表了地震火山地下雪崩放电成因说和石油天然气金刚石地下雪崩放电成因说
[1]。下面先将地震火山地下放电成因说和石油天然气金刚石地下放电成因说作一简述。
在地球内的圈层地块之间，存在着一定的电场。当相邻的圈层地块之间的电场强度极其强，则可发生地下的雪崩放电。当强大的地下雪崩放电电流穿透岩层之时，则会使岩层的温度猛增，甚至使岩层中的岩石在一瞬间熔化；在岩石急剧熔化为岩浆的时，其体积则发生膨胀；热膨胀的岩浆的巨大的膨胀力则使周围的岩层地块崩裂，这样就形成了地震及其地裂。当地下雪崩放电所产生的热膨胀的岩浆从崩裂开的地缝中喷发出来，即形成火山爆发。
当雪崩放电电流穿过含有碳的化合物的岩层以及含有氢的地下水的地层中的时候，则电离出大量的碳离子、氢离子等；这些碳离子、氢离子在高温、高压、高密集自由电子的条件下，则可形成石油天然气或坚硬的碳物质金刚石等。
作者最初提出地震火山地下雪崩放电成因说时，还以为这是一首创，但是后来从一些文献上看到国外已有人在许多年前就曾提出过地震的地下雪崩放电成因说。例如，前苏联有位名叫沃罗勃耶夫科学家早在
1970年就提出了放电引发地震的说法[2]。不过，石油天然气金刚石地下雪崩放电成因的假说部分，作者还没看到更早的文献和报道。
目前，我们所看到的比较流行的石油天然气成因说中，有一种较为盛行的生物有机成因说是这样解释的：远古的生物尸体由于地壳变动埋在地下，经过长时间高压力的作用，尸体腐败而形成石油和天然气。对于这种生物有机成因说，现已有不少研究人员持怀疑态度，并列举了一些证据向有机成因说提出了挑战,并且还提出了碳化物说、宇宙说、岩浆说、天然气深源假说等无机成因假说。可以说，石油天然气的成因，至今还是一个值得拓宽思路，深入探讨的领域。
2、几个大自然放电现象
《奇异自然现象》一书中介绍了一种山间放电现象：在有火山活动的幼发拉底河谷地区，有时会看到一个火球从一个山头出发，象一道闪电掷向另一个山头，并且还能听到隆隆的雷声[3]。
《地壳中的电磁现象》一书中介绍了一种地下强放电现象：在1966 年塔什干地震余震活动期间，在放到
500米深井下无电流的电缆头上，看到了强放电。据有关人员估计，深部电缆和地面接地线间的电压值为5～10千伏。另外还发现敷设在花岗岩里的电缆绝缘层因放电而损坏，甚至由于地下的强放电，造成电缆头熔化[2]。
1990 年 4
月24日《文汇报》的一篇题为《海底也有雷电现象》的文章报道说，原苏联太平洋海洋学研究所的科研人员发现：海底也有雷电。
对于上述的地上山间放电、地下放电现象，可作如下解释：太阳是一具有巨大能量包括电学能量的球体，在太阳的电场以及太阳辐射出的各种带电粒子的作用下，围绕着太阳不停进行自转、公转的地球，也是一个携带有大量电荷的球体。《大气电学基础》一书告诉我们：相对于大气，我们地球携带了－5.6×105C左右的电荷[4]。在地球内部，某一圈层相对于另一圈层来说，由于其地质构造、物质组分、深度等方面不完全相同，因此其电荷的分布也不尽相同。有的圈层岩层地块，分布积累的电荷较多，有的圈层岩层地块，分布积累的电荷较少；有的圈层岩层地块主要分布的是正电荷，有的圈层岩层地块分布的主要是负电荷。在分布有不同电荷的圈层岩层地块之间，存在着电场。这种地下电场强度可随着从太阳辐射而来的带电粒子的积累以及地球内部的一些物理化学等活动的作用而增强。一旦相间邻的圈层岩层地块之间的电场强度足够高，即会在相间邻的圈层岩层地块之间形成较强的放电甚至强烈的雪崩放电。
对于地壳中存在高电场并导致地下强放电的现象，原苏联有位科学家早在1970年曾做出过一种解释，《地壳中的电磁现象》一书介绍道：“沃罗勃耶夫提出了地壳中产生高电场的假说。根据他的看法，岩石放电时释放的能量可达1.44×1016尔格。放电是在
10-7秒钟内发生的，因此，瞬时功率可达10 20瓦。沃罗勃耶夫的关于介电岩石中产生高电场的推想，值得注意。”[2]
3、通过放电能生成碳氢化合物和金刚石
早在20世纪五十年代，美国科学家米勒曾设计制作了一个模拟原始地球的实验仪器装置，在这个封闭的装置中先充以类似原始大气的无机化学物质，然后在该封闭的装置中进行一周时间的放电，即得到十一种氨基酸的有机化合物。继米勒这一实验之后，其它一些学者也曾模拟原始地球大气成分采用火花放电、紫外线、电子束等，合成了各种氨基酸等有机物。
20世纪六十年代，形成了一门应用于化学领域的新兴交叉学科——等离子体化学。它建立在放电物理、放电化学等基础学科之上。等离子体化学的知识告诉我们，在放电的等离子体聚合反应中，不同反应条件一般都可以得到包括粉末、固体膜和油性齐聚物在内的不同结构产物。在放电的等离子体聚合反应中，能制备出“具有异乎异常的亚稳态结构的有机高聚物、硅、氮化硅、含氢碳和有机金属化合物等”[5]
。
在放电作用下，人们现在还能够获得人造金刚石。1991年第
1期《大自然探索》的题为《我国人造金刚石合成的现状与展望》介绍道：“用大功率等离子直流弧光放电式直流束技术能使金刚石生长速度达
980μm / h 。”
4、伴随地震出现的放电、地光、油气味、沥青味和毒性碳化氢现象
人们现已发现，许多强烈地震发生前、发生时都伴随有发光现象，这种发光现象称为地震发光或简称为地光。关于地光，地震出版社出版的《地光》[6]以及《地光探源》[7]这两本书中，都介绍了许多事例，并介绍了国内外对地光成因研究的情况[6]。从所介绍的地光成因研究资料来看，大部分研究人员认为地光的形成与“电”有关。例如，日本学者寺田寅彦用他提出的“水的毛管电位理论”来解释地光成因。日本还有人用“电弧理论”以及“岩石尘土磨擦起电”解释地光成因。六十年代末至七十年代初期，芬克尔斯坦和波威尔提出，产生地震“闪电”的电场是地壳中的压电效应引起的。我国一些研究人员也认为，低空大气地震发光现象可能是大气中静电场促成大气气体放电造成的[6]。
地光中包含有可见、红外和紫外等各种波长的光。这种地光有时能对人体造成伤害。例如，海城地震中，地光对人体的伤害不下2
0起。据对病者症状诊断，海城地震时地光伤害，主要是紫外线、红外线烧伤[6] 。
《地光探源》一书中介绍了很多地光等相关现象，下面从该书中摘录数段文字。
“唐山地震前市区某部队驻地有一堆钢筋于 7 月 2 7日下午迸出火花，经检查附近无高压线的影响，7 月 2
8日大震后即消失。在发震的当天晚上唐山市区有灯绳带电，灯绳上掉下火球等现象。”[Ｐ６７]
“唐山地震前后不仅唐山一带，在北京也有日光灯自动闪亮的现象。”[Ｐ７２]“日光灯自动闪光的现象是它附近大气电场强化造成的。”[Ｐ１４５]
“据一位在露天塔式吊车上工作的工人介绍，临震前市内频频出现红、蓝、黄等各种颜色的闪光，把城市上空的云彩映成五颜六色，顷刻间，银灰色和青白色的光变为白色主色调，并不时有红色光芒辐射出来。”[Ｐ２３]
唐山“这次地震震级大，产生的地光很强烈，白光较多，地光分布的空间范围远远超过极震区，在距震中2 0 0
公里以外的人仍能看到。”[Ｐ２１]
“唐山大地震前也有不少人观察到从地下冒出气体的现象。在震前一天出现的地气大都为浓雾状。它常常带有某种特殊的味道，如六六六粉味、硫磺味、血腥味、汽油味等等。”[Ｐ５９]
海城地震“一个为人瞩目的特征就是出现了普遍而强烈的地光现象，震中区居民9
0%看到地光。”[Ｐ１０]“海城地震时凡震前出现硫磺味、六六六粉味、沥青味。”[Ｐ５４]
“1 8 8 7 年1月2 3日利古里亚地震期间一些漫散的光可以引起人中硫化氢或碳化氢之毒。”[Ｐ４３]
5、石油天然气金刚石地下放电成因说
根据上述的无机物在放电以及紫外线照射作用下，生成氨基酸、碳氢化合物、油性齐聚物等有机化合物和金刚石的事实，并且根据地下存在强放电并能在放电过程中产生包含有紫外光、红外光、可见光的地光的事实，我们可提出如下石油天然气金刚石的地下放电成因说：当地下雪崩放电通过富含碳的化合物的圈层岩层以及含氢的地下水时，则可电离出大量的碳离子和氢离子，与此同时，在雪崩放电的激发下，还能产生包含有紫外线、红外线、可见光线的地光。在这种放电电离以及紫外光的照射作用下，以及在地下高压、高温的条件下，能产生吸收热能、电能、光能、力能等能量的碳离子与氢离子的聚合反应，从而生成碳氢化合物的石油天然气（包括沥青气）。当地下放电仅通过富含碳的化合物的岩层或岩浆时，其电离出的碳离子，在地下高压高温的条件下，与一些自由电子结合，则可生成坚硬的碳物质——金刚石。
6、石油天然气金刚石与伴有地下放电的地震火山具有相关性
根据上述的石油天然气地下放电成因说，并且根据伴随地震出现的放电、地光以及油气味、沥青味等现象。我们可以推想，油气田分布是否会与地震活跃区的分布存在着一定的联系呢？
作者收集到了我国地震分布总图和油气盆地示意图[8][9]。从这两张图中，作者发现如下一些蕴藏有油气的盆地的地震密度较高：渤海湾盆地、陕甘宁盆地、四川盆地、楚雄盆地、兰坪思茅盆地、南襄盆地、江汉盆地、江苏盆地以及部分塔里木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番盆地、三水盆地。对照这两张图，作者发现我国大部分含油气盆地位于或毗邻地震密度较高的地域。
对于我国少数几个尚未发现与地震存在着相关性的含油气地域，作者认为一方面当根据其地质构造等考察年代更为久远的地震情况，另一方面还应考察火山方面的情况。因为火山爆发时也伴有放电现象。笔者现仅根据收集到的我国少数几个火山资料，发现我国的某些油气田与火山也存在着一定的相关性。例如，高昌火山就位于含油气的吐鲁番盆地内。再如，位于地震密度较低的地域的大庆油田与其东北面的在17
1 9 — 1 7 2 1年即曾有过火山爆发的五大连池火山，相距不到 2 6 0公里。另外，在大庆油田西北面约 3 0
0公里处，还有一个诺敏河火山群。在大庆油田及其附近的扶余油田东南面还有镜泊湖火山、长白山火山群。
据《普通地质学》一书介绍，我国至今已发现的火山遗迹有 60 0 余座 [10] 。作者认为，若能收集整理出这 6 0
0余座的火山分布图，将会很有参考价值。我国火山分布与油气田分布之间的关系，也很值得进一步研究。
另外，金刚石矿藏与伴有放电的地震火山之间的关系也值得研究。现在已发现，南非的芬什矿山地区曾是一个火山活跃区，而该地区就蕴藏有丰富的金刚石矿藏[11]。金刚石矿藏与火山存在着一定的相关性。
需要说明的是，虽然在上面作者指出石油天然气金刚石与伴有地下放电的地震火山存在着一定的相关性，但这并不意味着所有地震火山活跃区，都会找到油气田和金刚石矿藏。这是因为，若伴有地下放电的地震火山活跃地区，其地下并不富含碳的化合物，那么则难以在地下放电的作用下，生成丰富的油气资源和金刚石矿藏。
根据以上所述，作者提出一个石油天然气和金刚石勘探的新思路：即多留意那些地下富含碳的化合物和地下水的地震火山活跃区及其附近区域。
7、 电化学沉积成矿说
作者在进行石油天然气金刚石地下放电成因的探讨时，通过查阅有关成矿学的文献资料之后得知：在矿床的成因的理论探讨上，过去的某些流行的说法曾受到了冲击，而新的矿床成因说则是层出不穷。《现代成矿学导论》一书的第7页就指出：“近二三十年来，矿床学中传统的占统治地位的岩浆热液成矿论受到了很大的冲击。”该书还指出：“作为研究成矿作用的最主要学科——矿床学在指导找矿和勘探工作中取得了巨大的成功。不过，既然矿床学研究的是那些人类从未经历过的成矿过程，因此，在估价近代矿床理论的成就时，需要有一个正确的态度。对于它的成就，我们只能把它看作是对成矿机理认识的又一次深化，但决非最后的终极的真理。”[11]
《现代成矿学导论》一书介绍了一些“以许多新的地质事实作为基础不断挣脱传统理论束缚”的新的成矿理论和假说，诸如金属硫化物沉积说喷气沉积说新侧分泌说花岗岩化成矿说等等[11]。
作者在看了现有的一些成矿理论和假说之后，觉得它们都还不能十分令人信服地解释一些成矿的现象，如矿物质的迁移、沉积、富集、伴生等现象。通过思考，作者在石油天然气金刚石地下放电成因说的基础上进一步衍生出圈层板块电化学沉积成矿说。
在圈层板块电化学沉积成矿说之前，先介绍一点电化学或离子融体化学方面的常识。
《电化学原理》一书的第一节“电解池回路”中介绍道：在某种电解质溶液中，放入一对极性不同的带电极板，则可使各极板上有气体析出或使金属沉积。例如电化学中的的镀锌镀锡镀镉镀钨等就属于在电解池回路中实现的金属沉积。电化学中的某些方法如电解法，现在还被运用到冶金上，通过这种电解法，在工业上已经制取出大量的铜锌镉镍铋等金属。用这种电解法，还可制取非金属的碳和硅等。近代工业中还开始用电解法合成某些有机物，如尼龙的基本原料已二晴就是通过丙烯晴在阴极的还原反应物的聚合而生产出来的[13][14]。
作者认为，在沉积成矿研究中，将电化学或离子融体化学方面的知识引入进来，是一项很值得做的工作。
作者认为,在宏观上,可将地球内部的某些区域看成是带电极板和电解质溶液构成的地质电解池回路。
根据地球内部存在有放电等事实[2]，我们可以将相邻的携带有不同电荷的圈层和地块，看成是一对庞大的带电地质极板，且称为地质极板。根据地下水海水和岩浆一般都是含有各种离子的溶液[10]，我们可以将带电地质极板之间或当中的溶液，看成是电解质溶液，且称位地质电解质溶液。
地球内的一对庞大的地质带电极板之间的导电和放电，除了上面说的那种强烈的急剧的如同空中雷电的雪崩放电之外，还有一种普通的缓慢的放电或电荷的传递；这种放电或电荷的传递，可以通过地下水海水以及岩浆中的各类正负矿离子的定向运动和迁移来实现。当大量的含有某种金属的离子迁移到某一圈层或地块，并在那里完成某些化学还原反应之后，则在那里沉积富集下来，从而形成某种矿床。
我们不仅可将地球内部的某些区域看成是一对地质极板，还可以更宏观地将整个地球看成一个地质极板，而将覆盖地球的大气看成是另一带电的空间大气极板。
《现代成矿学导论》一书中有这样的介绍：“有愈来愈多的人承认这样的论点：现在开发和开采的许多矿床，原是在当时的地表或接近地表的条件下沉积和富集的。”
[11]但是对于为什么矿床会在地表或接近地表的地方沉积和富集，作者目前尚没见到令人信服的解释。若以电化学沉积成矿的道理，来解释地表或接近地表成矿的现象，则比较好理解了。我们将大气圈层和地球的接近地表的圈层，看成是一对庞大的阳极和阴极极板，而将有着地下水溶液浸润的地壳或地表，则可看成是一个“电解池”。当空间大气极板相对于地球表面极板呈阳性时，那么在这个地壳或地表电解池里，而带负电的矿物离子则向着地表迁移。由于空气的隔绝，矿物离子一般迁移到地表，即停止其迁移，这样地表或接近地表的区域就成了地球电化学沉积的一个边界富集沉积区。现已发现矿藏常具有伴生的现象，即在一种矿床旁，常有另外一种矿床[11]。对此现象，若以电化学沉积成矿的原理来看，则比较好理解和解释：由于正矿离子向着阴极圈层或地块迁移，并在那里还原沉积，而负矿离子向着阳极圈层或地块迁移，并在那里还原沉积，因此，那种曾经是阴极和阳极性的圈层地块可沉积富集相对不同的矿藏。
《现代成矿学导论》一书的235页介绍道：“近年来发现许多金属硫化物矿床附近常有天然气的聚集，在金属矿床内矿物的气液包裹体中也见有石油和甲烷。因此，许多研究者提出，某些金属矿床的生成与油气田之间似乎存在着空间和时间上的联系。”[11]另外，有人曾在海底扩散中心（强烈地震和火山活动地带）附近的广阔海底地区，发现大片地球化学活动的异常区，富集了大量的金属物质[11]。对于这类有趣现象，作者认为可以从宏观上运用电化学沉积成矿的基本道理来进行解释并开展进一步的考察和研究工作。
8、结 语
上述石油天然气金刚石地下放电成因说和电化学沉积成矿说，都是将“电”引入进来进行矿藏成因的探讨，这是这两个说法的共同点。这两个说法也有不同点：即一个是探讨强烈放电情况下的石油天然气金刚石的形成机理，一个则是探讨缓慢放电情况下的电化学成矿机理。这两个方面的探讨，作者认为都可以归到一个新兴学科——地球电化学。
作者预计，地球电化学作为一门新兴学科，在未来将会展现出生机。
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[14] 捷里马尔斯基著，沈时英.离子融体化学[M]，北京：冶金工业出版社，1986:269-302.
（刘先志修改整理于2005年5月28日）
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