石油、天然气等通常被认为是不可再生能源，由死亡生物经深埋后、通过复杂化学反应而形成，其中的多种碳氢化合物是关键组分。以往实验研究表明，无机反应可以形成某种简单碳氢化合物，如甲烷（CH4）。最近，北京大学高温高压实验室在人工合成“多种、非生物成因复杂碳氢化合物”领域取得重要进展，即利用国产六面顶大压机成功无机合成了多种、非生物成因复杂碳氢化合物。该研究表明，石油、天然气等能源可能不是“不可再生能源”，地球内部具备无机生成大量、多种、复杂碳氢化合物的条件。

地表与地球内部都含有大量的碳、氢元素，具备无机合成碳氢化合物的基本原料。另一方面，地表与地球内部物质通过岩浆/流体活动、板块俯冲等地质过程而发生物质交换，从而有可能产生有利于无机合成碳氢化合物的物理－化学条件，形成非生物成因的碳氢化合物。确实，北京大学地球与空间科学学院宋述光教授课题组、张立飞教授课题组近年来分别在中国北祁连造山带的方辉橄榄岩、西天山碳酸盐化榴辉岩中发现了含有CH4的气相碳氢化合物包裹体，提出了富碳流体与富铁硅酸盐矿物、富铁碳酸盐矿物与水在高温高压条件下发生歧化反应，从而生成非生物成因碳氢化合物CH4的机制。这一无机形成碳氢化合物CH4的机制无疑与美国印第安纳大学Scott教授、上海大学陈晋阳教授等的高压实验研究结果一致。

图1 代表性高温高压实验产物及其表征：元素分布（a）、BSE照片（b）、光学照片（c）、Raman数据（d）

图2 高温高压实验中通过无机反应而形成的多种气体（烷烃、烯烃、氢气）：气相色谱数据

为进一步研究地球系统中无机合成大量、多种、复杂非生物成因碳氢化合物的可能性，北京大学地球与空间科学学院张立飞教授课题组博士生陶仁彪与刘曦教授及费英伟教授等合作，充分利用北京大学高温高压实验室的六面顶大腔体压机样品大、稳定性好的特点，将含铁碳酸盐矿物（菱铁矿）与水在黄金样品仓内混合，在压力高达6 GPa（约6万个大气压）、温度为600～1200℃的条件下反应。样品冷却卸压后，提取气相物质分析其成分，气相色谱数据表明这些高温高压实验合成了甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）以及乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、丁烯（C4H8）等多种、复杂碳氢化合物。实验产物中的固相物质主要有石墨、磁铁矿等。这充分表明，在高温高压条件下，碳氢化合物可以由碳酸盐矿物与水发生氧化还原反应而无机生成。这是世界上首次通过高温高压实验的方式同时无机合成种类多而复杂的烷烃与烯烃，对于进一步探索石油－天然气的无机成因理论以及深部油气资源勘察具有重要意义。

以上研究成果已于近日正式发表在国际地质学著名期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上，并被国际深部碳观测计划（DeepCarbon Observatory）选入最新一期的News Letter、以“Under right conditions subduction zone factories may manufacture abiotic hydrocarbons”进行了深入报道，这是自DCO成立（2009年）以来首次报道来自中国的深部碳方面的研究成果。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划“深地资源勘查开采”专项“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”（2016YFC0600408）等项目资助。

论文信息：

Renbiao Tao, Lifei Zhang, Meng Tian,Jianjiang Zhu, Xi Liu, et al., 2018. Formation of abiotic hydrocarbon from reduction of carbonate in subduction zones: Constraints from petrological observation and experimental simulation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 239:390-408.