史上最贵世界杯？ 卡塔尔：谁让老天爷赏饭吃呢……
2022/11/21 17:07:56 中国科普博览
今天凌晨，世界杯开始啦!
图片来源：https://www.fifa.com/卡塔尔花费2290亿美元举办的本届世界杯将会是史上最贵的一次世界杯。从1994年到2018年之间的七届世界杯总花费不过559亿美元，而卡塔尔这一次的花费将会是此前七届世界杯总花费的4倍。如此豪奢，让人们不禁再一次惊叹于卡塔尔的富裕。
当然，卡塔尔以及一大票中东国家的富裕早就不是什么新闻了，如果像某宝、某东、某多多一样给用户打标签的话，网友们给这些国家打的最多的标签可能也就是“有钱”、“大户”了。至于为什么这些坐落于广袤沙漠中的国家这么有钱？大家用脚趾头都能回答：有石油。
沙特阿拉伯首都利雅得的卫星地图和城市天际线，这是一座完全坐落于沙漠中，由“钞能力”建设起来的大都市图片来源：google地图/wikipedia根据最新数据，欧佩克(石油输出国组织，OPEC)拥有全球80.4%的原油储量，这其中67.1%都位于中东，换算下来也就是，中东差不多有全球53%的原油储量。除了石油之外，这里还拥有世界上43%的常规天然气储量。但是，与之形成鲜明对比的是，这些国家(伊朗、伊拉克、叙利亚、科威特、沙特阿拉伯、巴林、卡塔尔、阿拉伯联合酋长国、阿曼和也门)的总面积其实只有约540万平方公里，仅占地球陆地面积的3.6%。
中东十国的大致位置，它们仅占地球的极少部分面积图片来源：Google map这就非常让人羡慕了，为何在面积如此窄小的范围内会集中这么多油气资源？尤其是，这片土地如今看起来压根就是贫瘠荒凉的沙漠戈壁。让我们踏上石油形成之路吧。
Part.1
什么地方才会有大量的石油？
答：拥有巨量有机物
石油是哪儿来的？可能很多人都会脱口而出：石油是生物体埋在地下后形成的。当然，这并不算错，但实际上石油的形成过程要复杂得多。
在目前的理论中，石油分为有机和无机两种成因。有机成因简单理解就是生物(主要是植物)死亡后，其体内的有机物变质形成石油；无机成因则认为，有一小部分石油是由岩浆中的烃类气体变质而成。不过目前，世界上所有的商业开采的石油都是有机成因的。
石油的成因
图片来源：flickr/timmeko
但这并不是说，只要生物死亡后被埋在地下就一定会形成石油——因为大多数死亡的生物都会被分解。所以，如果一个地方要形成大量石油，首先需要有大量生物繁衍；其次，这些生物死亡后还要能迅速沉积并被掩埋起来——否则就容易被水流冲走或是被微生物分解掉。所以总结一下这一步，就是需要很高的有机物产量(高有机物生产率的地方，以及漫长的时间积累)，同时还需要有低的有机物分解率。中东完美满足了这个需求：从大约6亿年前左右的埃迪卡拉纪开始，这里在大部分时间里都处在南北纬30°以内的大陆边缘的海域中，随着海平面的升降而处于海洋-大陆交替的沉积环境下。尤其是到了侏罗纪和白垩纪时期(这一时期形成的石油占了这里石油的大部分)，这里位于新特提斯洋南边缘，当时特提斯洋构成了一个西部封闭，但向东开口的海湾形地貌。其实大致来讲，把它看作是一个超大号的盆地都不过分。
大约1.6亿年前(侏罗纪)时期阿拉伯板块(中东的主体)的位置
图片来源：Scotese，C.R.，2016. PALEOMAP PaleoAtlas for GPlates and the PaleoData Plotter Program，PALEOMAP Project，http://www.earthbyte.org/paleomap- ‐ paleoatlas- ‐for- ‐gplates/中东(以及北非)就位于特提斯洋南侧边缘，来自东部更广阔大洋的洋流沿着海岸流动带来了充沛的营养。同时，随着晚侏罗-早白垩时期，冈瓦纳大陆面临分裂——板块的分裂自然带来剧烈的火山活动，其虽然也带来死亡，但大量火山喷发也带来二氧化碳和大量无机物(尤其是氮磷硫，这对海洋中的微生物来说无异于大补丸)，二氧化碳让全球升温，无机物带来营养，再叠加上这里位于赤道附近的双重buff。Boom!这里成了藻类生物的天堂。
NASA拍到的现代藻化，当年的海洋中可能比这犹有过之
图片来源：wikipedia其内部，按照现在的划分，可以划分为裂谷盆地、被动陆缘盆地和前陆盆地等多种类型——虽然听起来很专业，但都是盆地。盆地中风浪小，沉积速率高，且盆地底部为缺氧环境，由于缺氧环境下细菌等微生物的活动并不活跃，所以这里天然分解率就比较低。高生产力加上低分解率，以及埃迪卡拉纪以来长时间处于温暖的浅海环境中，这些都让这里积累下来巨量的有机物。
Part.2
“母质”怎么变成油气？
答：埋起来
有机物在沉淀之后，会经过漫长的厌氧细菌分解和热变质作用。具体来说就是，某些厌氧细菌会将有机物分解为二氧化碳、硫化氢、磷酸盐、氨气、甲烷等气体，并残留下诸如氨基酸、肽、甘油、脂肪酸、酚类、苯醌等物质。
这些物质在被埋藏到更深处后，被地热加热，细菌们消失，于是出现无机反应，变成干酪根，这是形成油气的母质(点这里看更多“干酪根”的知识 )。
从有机物到油气还有漫长的历程
图片来源：RichardC.Selley，StephenA.Sonnenberg著；程远锋译. 石油地质学. 东营：中国石油大学出版社, 2016.06.但问题是，并不是所有的干酪根都能变成油气，它们需要适当的温度、适当的时间来成熟，但要是条件不适宜，就会过成熟或未成熟，这些自然就无法变成油气。
干酪根形成石油和天然气也是有比较严苛的条件的
图片来源：RichardC.Selley，StephenA.Sonnenberg著；程远锋译. 石油地质学. 东营：中国石油大学出版社, 2016.06. 而恰好，中东这一块的干酪根赋存于容易生油的海相干酪根烃源岩中。(烃源岩：形成油气的母质岩；海相：海洋环境，也就是形成于海洋环境中的烃源岩)同时，由于进入新生代(6600万年)以来，在原本侏罗-白垩纪地层之上迅速覆盖了一层沉积物，让干酪根埋藏到了合适的深度，使其成熟起来。
Part.3
大油田如何形成？
答：得有“奥利奥”
在成油之外，油气还需要运移和储存下来才能形成油气田，但这个过程也条件严苛。
生成油气的岩层被称为烃源岩，事实上，现在发现的油田，石油基本上都不是直接从烃源岩中采集的，而是油气经过运移和富集，储存到合适的地点后才形成。所谓的合适地点，指的是一些疏松多孔的岩层，比如砂岩、灰岩等，它们就像海绵一样，吸收来自烃源岩的油气，并将其储存起来，因此也被称为储层。
位于阿拉伯的Tuwaiq Escarpment悬崖，它由生成于侏罗纪的石灰岩形成，这些石灰岩缝隙众多，是良好的储层
图片来源：flickr但是我们都知道，石油和天然气，一个是液体，一个是气体，它们很容易“跑路”——这些储层又疏松多孔，因此必然要有一个密封层(盖层)将其包围起来。所以形成大油田的地层还必须像三明治一样一层夹一层。
图片来源：wikipedia事实上，除了石油储存存在这个问题外，石油的运移也存在这个问题。因为生成石油的烃源岩基本上都是泥岩和页岩，所谓的页岩，就是黏土沉积形成的岩石，而我们都知道黏土非常细腻，不透水(不理解的话去玩玩泥巴就明白了，泥岩和页岩成岩之前都是淤泥)。然而石油和天然气还得从页岩层中跑出来，怎么办？有人认为需要超高的压力才能从岩层中挤出来，有人认为石油可以借助二氧化碳等气体溶剂逃离(所以二氧化碳还能这样再就业？)，有些人认为它们是与水融合在一起逃离出来的，还有人认为是从岩层微裂缝中逃离的。但不管真实情况如何，油气从烃源岩跑出来就需要特殊的环境。在油气从烃源岩跑出来后，它们要运移到储层中也不容易。在有些地方是通过地下形成的断裂运移的。不过在中东这一片就很简单，因为这里烃源岩与储层是互层的，也就是说，是一层烃源岩，一层储层，再加上一层烃源岩。这种环境一方面让烃源岩中的油气极易跑路到储层中(别的地方通过断层运移的，就好像用一根水管运，这里直接接触了，超大的接触面运移效率自然大大增加)；另一方面，烃源岩就天然是一个封闭层，能很好保存夹在中间的储层中的油气。
札格罗斯盆地的地层柱状图，可以看到储层与盖层是交错叠加的
图片来源：刘小兵, 温志新, 贺正军,等. 中东扎格罗斯盆地:沿走向变化的构造及油气特征[J]. 岩石学报, 2019.这种奥利奥夹心饼干模式，也与这里的环境有关。在海洋中，岩石种类与海洋深度有密切关系，深度变深就容易形成页岩和泥岩，深度变浅，加上这里气候炎热，所以容易形成灰岩(海水蒸发后，溶解的过量碳酸钙沉淀下来就形成了灰岩)。由于这里位于大陆边缘，随着气候波动，其海平面深度自然也会波动，因此就会出现泥岩/页岩-灰岩的互层。
这就是一个典型的灰岩-页岩互层的情况，黑色为页岩图片来源：wikipedia同时，在这些岩层之外，当地还有许多蒸发岩。这些蒸发岩，简单理解就是海水继续变浅，海洋中的其他元素沉淀，形成如石膏之类的岩层，这些岩层也是极好的密闭层。另外，在有些地方虽然出现了烃源岩和封闭层的互层，或者是有了断裂作为运移通道，但构造活动却过于激烈，以至于地层破碎不堪——这很好理解，有一条断层的时候，油气可以跑到合适的地方储存起来，但要有一百条、一千条断层，有些断层还直接联通到地表的时候，油气就都跑路了，压根存不下来。但在这里，非洲-阿拉伯板块一直比较稳定，中东这里的地层并没有出现严重到让地层支离破碎的构造变形，而且更妙的是，这里在寒武纪的地层之下，还有一层蒸发岩岩层，将寒武纪以来的富含碳的沉积物与更古老的火成岩地层分开了。所以整体上，这里富含有机物的地层就像是一个薄皮大馅的饺子一样，被完整地包裹在盖层中了。除了储存之外，石油还必须从储层跑到更利于富集的圈闭结构中，才能形成那种我们常见的打一个孔就有大量石油喷出地表的大油田。在这种结构中，构造挤压形成的大型褶皱就成了最佳油田所在地。在褶皱顶端会因为地层的拉扯和变形而滑脱形成一个比较大的空间，而由于挤压作用力，储层中压力也比较大，一旦形成断层或是储层与盖层之间相对滑动，油气沿着这些薄弱带聚集到褶皱顶端，于是一个充满石油的大型油田就形成了。
这是在一个小型褶皱顶部，由于岩层之间的滑脱而形成的小型空隙，在大褶皱中亦然
图片来源：Wikipedia
典型的油田结构，可以看到天然气和石油都在背斜顶部
图片来源：Wikipedia
从晚白垩纪开始，阿拉伯板块(中东的主体)开始向欧亚大陆运动，这里的海洋盆地逐渐变成浅海、滨海，最终从变成了陆地。在这个过程中，这里的地层开始受到极大的挤压，并形成了非常多的褶皱构造，油气随之在褶皱形成的空间中聚集，由此形成了中东的各大油田。
伊朗某油田构造剖面图图片来源：刘小兵, 温志新, 贺正军,等. 中东扎格罗斯盆地:沿走向变化的构造及油气特征[J]. 岩石学报, 2019.
Part.4
(简单粗暴的)结论
所以为什么中东的油气资源这么多？总结起来就是一句话，老天爷赏饭吃。来源：科学大院本文已获转载授权，如需转载请联系原作者文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场
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