这位石油勘探开发研究院的年轻科研人员,近10年来一直在寻找距今大约8亿到14亿年前发育的中元古代可能含有的油气资源。之所以称之为“最乏味”,是因为中元古代有着“地球历史上最沉闷的时期”之称。
王晓梅做的是关于石油资源的“超前基础研究”,用简单的语言描述这项工作的意义,就是:显生宙的油气资源已经基本探明,在当前国际油价低迷的情况下,油气勘探应该向深层古老的地层拓展,为未来油气勘探接替领域的准备提供理论依据。
但问题在于,深层地层和古老地层一向被认为没有产生石油的“物质基础”——没有生物,怎么能形成油气?
王晓梅研究的中元古代,更是被学界视为地球演化史上最安静的一个时代。在这里,“安静”的含义是:氧气含量少、富含硫化氢海洋环境不适合生物生存。
对于苦苦寻找石油的人来说,这不是一个好消息,因为一个死气沉沉的生物世界意味着贫乏的油气资源。但让王晓梅感到欣喜的是,在前辈研究的基础上,课题组研究了数年后终于发现,这个时代远不是如众人想象中的那样贫乏。
他们发现:在中元古代,大气氧气含量已高达现在的4%,而这么高的氧气含量已足以使动物生存,真核生物藻类作为生油母质更可能大量存在。
“通过这个研究,我们论证出古老地层有油气潜力,有可能成为油气勘探一个新的接替领域!”王晓梅说。
言之凿凿的权威观点背后是板上钉钉的矛盾现实
现有油气资源面临告急的情形下,向更深的地层寻找油气资源,是石油基础研究的大势所趋。
王晓梅进石油勘探开发研究院工作十年来,先后开展了塔里木盆地、鄂尔多斯的烃源岩评价和油气成因研究,近年来,从事的元古代烃源岩的研究挑战性更大。她的博士后合作导师,油气地球化学专家张水昌教授与她的一段对话让她下决心开展这项工作,张老师说:你有古生物和古海洋教育背景,你有没有想过中元古代时,氧气含量极低,水体化学环境恶劣,但中元古代下马岭组却发育大套的黑色页岩,这是什么机制在里面起作用?它们的母质是什么?又是怎么在有毒的硫化水体生存的?这种黑色页岩是否跟显生宙的黑色页岩一样有油气资源的潜力?
带着这些问题,她开始了漫长而有趣的探索。
其实在张水昌提出这些疑问的时候,地球化学界关于中元古代的氧含量、海洋情况还是一笔“糊涂账”。
学界普遍认为,中元古代的氧含量很低、不到现在大气氧含量的0.1%,海洋则是硫化的,对生物更是有毒——在中元古代,还没有陆生生物,海洋,就是生物生存和保存的唯一环境。这两个条件下,基本不会发育大量生物,当然也就不可能形成烃源岩。
然而,一面是言之凿凿的权威观点,另一面,却是板上钉钉的矛盾现实。
在上世纪七十年代,中国的地质学家们在华北中元古代发现了300多米厚的黑色页岩。但因种种因素所限,这些岩石的成因和产生年代一直没有很好的标定。后来,随着锆石定年技术的提高,这套地层被确定为13.9亿年,而不是原来的8亿年,属于中元古代。
这些纹层状的黑褐色地层的存在,挑战了国际公认的“中元古代低氧,低生物量,油气资源匮乏”的观点。
这种种疑问和矛盾,也勾起王晓梅的好奇心:“国际上公认的观点跟我们的实际情况为什么差异这么大?” 这些问题让王晓梅觉得这项工作既有挑战性,也有趣味性,她决心跟着老师张水昌再钻研下去。
三人“迷你”项目组“马力”很强大
在起步阶段,研究团队略显“寒碜”——因为还没有专项经费支持,只有张水昌和王晓梅两个人利用下班时间“兼职”做着这项“不务正业”的研究。张宝民教授和边立曾老教授从古生物和地层上做着“编外支援工作”。
刚开始,他们调研发现很多地区在中元古代都有黑色页岩和沥青饼,王铁冠院士也发现了大量沥青砂,但是这些沥青砂和沥青饼到底是哪套地层产生的还是有争议。
经过取样、做模拟实验等,得出的结论是:地层中的沥青饼确实是原位的黑色页岩生成的,这些黑色页岩有资源潜力。潜力问题解决了,更进一步的问题是:这些黑色页岩是如何形成的呢?
在学界,一向认为黑色页岩的成因不外乎两个方面:一是要有足够的生物量,二是要有厌氧的保存环境。
至于其中哪一方面为主导因素,却也是众说纷纭、莫衷一是。但就当人们认为这两方面都是黑色页岩产生的必需条件时,却又发现,即使不是厌氧环境,也有黑色页岩产生。
为了寻找答案,他们阅读了大量的文献。在阅读国外文献时发现,做大气环境的不会关注油气资源,做油气资源的不会关注海洋的氧化还原条件。黑色页岩的发育没有定论,要解决问题,需要学科交叉综合研究。
于是,他们开始了现代海洋的学习,团队新成员王华建博士的适时加入壮大了研究队伍,古代海洋、现代海洋的研究人员都齐了,至此稳定的三人研究小组成立。。
“起步”两年后,张水昌和王晓梅认为已经做了足够的调研、有了充分的立项依据,他们才分别申请了公司和国家的科研项目。不过,这两个项目的目标略有差异——国家的科研项目,主要关注科学问题,而公司的项目偏向于应用,不仅要从理论上论证古老页岩的油气资源潜力,还要确定究竟有多大的潜力。
这个项目组虽然迷你,却也有编外研究成员苏劲博士、何坤博士和王宇博士经常参与课题的探讨和交流中,还引起了国际著名古海洋学家Don Canfield的关注,甚至后来参与到课题组一起开展研究,所以这个研究小组一开动起来,“马力”却不弱。
为了跟上国外的研究进度,王晓梅和同事们每天必做的第一件事就是:追踪文献,找出最新的研究前沿文章。
王晓梅给自己布置的任务是:每天粗读4篇英文文章、精读1篇。阅读文献的时间,被她安排在每天上班前或下班后等安静的时候。晚上在家带孩子时,王晓梅还会在年幼的儿子玩玩具、堆积木的时候读读文献。
穿越中元古代的迷雾 终于迎来学界认可
为研究中元古代的油气潜力这一狭窄的领域,这三个研究者如今已经读了不下500篇国外文献。从学科来说,涉及海洋、生物等领域;从时代来说,又横跨了太古代、元古代、下古生代等数个古老年代。
直到2015年1月,这个团队在《美国科学院院刊》上发表了第一篇研究成果《14亿年前的气候驱动》,这也是中国的石油系统的研究者首次在如此高规格的科学杂志上发表论文。
文章提出,烃源岩的产生,根本上取决于生物繁殖时和埋藏时的古气候、古洋流、古构造及古环境等各要素的良好匹配,而以上因素归根到底又都受控于天文旋回。
这直接回答了黑色页岩是受控于生物量还是保存条件之争,从根本上回答了它们都受控于天文驱动。
2016年1月和3月,研究团队又在《美国科学院院刊》发表了《14亿年前的有足够的氧气使动物生存》,提出:当时的大气氧气含量高达现在的4%,这么高的氧气含量已足以使得动物生存,真核生物更可能大量存在。
文章认为:中元古代不但不是死气沉沉的生物世界,而是地球历史上菌藻类蓬勃发展的时期。
这对旧观念的冲击有多大?
可资比较的是:直到2014年,美国著名学者Lyons还在国际四大自然科学期刊之一《Nature》上发文,认为中元古代氧气含量不到现在氧气含量的的0.1%,而且海洋是有毒的硫化氢海洋,不适合生物生存。
经历了不知多少个“想问题想到睡不着”的夜晚、边陪孩子边看论文的晚上、到处搜集论文的清晨,王晓梅的团队终于迎来了学界的认可。
2015年,美国地球化学协会将该团队的研究成果评为“2015年地球化学十大进展之一”——这在中国地球化学界还是第一次。
这就像是一个有美好结局的故事。
如果你去问王晓梅为什么愿意留在这个不算热门的领域研究,她会干脆又简洁地说一句:“爱好呀!”
野外工作的新发现、国外的研究新进展、阅读文献时的思考,都持续地引起她的好奇和探索的兴趣。
在野外工作时,王晓梅会发现一些让她感觉迷惑不解的现象。看到有些“黑乎乎的东西”,就产生了疑问:这是什么物质?在这么古老的地层,怎么会有如此大的生物量?阅读文献时,也会有疑问:为什么大家都持这种说法?到底有没有道理?
“做科学不能人云亦云,如果没有疑问,科学的下一步往哪里发展?”王晓梅说。