石油勘探与隐伏陨石坑的发现

沈建林

自古以来，月球一直向人类展示着美好的形象。通过现代航天器传回的照片，使人们得以看清月球表面密布环形坑的真实容貌（图1）。这些环形坑绝大部分都是由陨石或小行星撞击而形成的陨石坑，其中最大的陨石坑直径达295千米。

图1 月球背面的照片

月球是地球的卫星，二者形成的时间相近。因此可知地球在漫长的演化过程中，必定也遭受过无数陨石或小行星的撞击而形成众多的陨石坑。 陨石坑在平面上多呈环状结构，坑的周缘堆积有撞击产生的溅射物而高于附近的地面。规模较大的小行星撞击地表后，地下岩石因遭受强烈的撞击挤压会产生一定的反弹。因此一些规模较大的陨石坑呈现双环结构或存在中央隆起（图2）。

图2 陨石坑剖面示意图

小行星撞击地球产生的高温高压，可使小行星本身发生剧烈爆炸，同时也会使陨石坑之下的基岩发生破裂、熔融、变质等作用（图3）。由此在基岩中产生的震裂锥、熔融玻璃、超高压冲击成因的矿物柯石英和斯石英等，是鉴别和确定陨石坑的关键性证据。

图3 正常变质作用和陨石撞击变质作用的物理条件

在美国亚利桑那州的荒原中，存在一个直径1186米、深170米的大坑，人们普遍认为它是一个死火山口。地质学家丹尼尔•莫罗•巴林杰（Daniel Moreau Barringer）从1902年起对这个大坑进行了持续多年的研究，在其附近找到了许多铁陨石碎块。他坚信这是陨石撞击产生的结果，于1906年发表了这个大坑为陨石撞击成因的论文。1960年，尤金•苏梅克（Eugene Shoemaker）在坑内找到了关键性的撞击证据柯石英，由此确凿地证明这个大坑就是由陨石或小行星撞击形成。 这是地球上第一个得到确认的陨石坑，被称为巴林杰陨石坑（Barringer Crater）。进一步的研究表明，这一陨石坑是4.9万年前由一颗直径约45米、重约30万吨的小行星撞击地球而形成。撞击瞬间释放的能量相当于广岛原子弹爆炸能量的150倍。巴林杰陨石坑与月球表面的环形坑非常相似（图4），因此在20世纪60年代被美国航天部门用作登月宇航员的培训场地。

图4 巴林杰陨石坑航拍图

从1960年至今，全球范围内有190多个陨石坑得到确认。其中最古老的是苏阿维亚维陨石坑（Suavjärvi crater），位于俄罗斯西北部的卡累利阿地区，直径约16千米，形成于24亿年前。规模最大的陨石坑是位于南非的弗里德堡陨石坑（Vredefor crater），其直径约160千米，形成于20.23亿年前，2005年被列入世界遗产名录。中国境内已确认2个陨石坑，分别位于辽宁省岫岩县和黑龙江省依兰县（图5、图6）。

图5 岫岩陨石坑

图6 依兰陨石坑

地球的表面积约为月球的14倍，但月球上的陨石坑却远多于地球。主要原因是月球内部没有活动性的板块构造，月球表面也没有大气层和液态水的存在，致使数十亿年以来所形成的陨石坑很少受到破坏而保存至今。 地球岩石圈板块的运动会影响陨石坑的保存。例如大洋板块在海沟处向下俯冲进入地幔，大陆板块发生碰撞挤压形成山脉等（图7），与之有关的地域内已形成的陨石坑必然会受到破坏而消失。

图7 板块碰撞挤压造山作用示意图

在地球环境中，地表出露的岩石会遭受风化作用而发生破碎和分解，风化作用的产物会被水流、风或冰川搬运至地势较低处沉积下来。在这一过程中，海拔较高处的陨石坑会逐渐缓慢地被侵蚀殆尽而彻底消失，位于沉积区的陨石坑则会被沉积物埋藏而在地表消失不见。根据石油地质学中“隐伏构造”一词的含义，这种被埋藏的陨石坑可称为“隐伏陨击构造”或“隐伏陨石坑”。 深埋在地下的沉积物经过压实、胶结、成岩等作用转变为沉积岩。较大面积的沉积岩分布区一般被称为沉积盆地。石油和天然气矿产绝大部分都储存在沉积盆地内的沉积岩层中。因此在油气勘探过程中，存在着发现隐伏陨石坑的可能性。

在澳大利亚昆士兰州西南部的埃罗曼加盆地中，20世纪80年代发现埋藏在白垩系沉积岩层中的图库努卡陨石坑（Tookoonooka crater），其直径达55千米。在发现这一隐伏陨石坑的过程中，对石油地震勘探数据的分析解读发挥了重要作用。

新疆塔里木盆地的面积约为56万平方千米，接受沉积的时间长达数亿年，现有沉积岩的最大厚度超过1万米。在分析研究石油地震勘探资料的基础上，新疆油田公司高级工程师张传绩于1997年发表论文，认为在塔里木盆地满参1井区存在一个隐伏陨石坑。其直径约15千米，形成于中新世，现埋藏于1000米深度之下（图8）。

图8塔里木盆地满参1井区地震剖面揭示的隐伏陨石坑

地球历史上的白垩纪末期，发生了恐龙突然灭绝事件。在地层剖面上的表现为：白垩系中存在恐龙化石，其上的古近系中则无恐龙化石。二者之间的分界称为K-Pg界线或K-T界线（其中K代表白垩系，Pg代表古近系；T代表第三系，包含古近系和新近系）。对于恐龙突然灭绝的原因，学者们提出了多种假说予以解释。

20世纪70年代中期，美国地质学家沃尔特•阿尔瓦雷斯（Walter Alvarez）在意大利古比奥研究地层剖面时，发现K-Pg界线（图9）上有一层厚约1厘米的不含化石的粘土层，横向分布非常稳定。沃尔特的父亲是一位获得过诺贝尔奖的物理学家，建议对这一粘土层样品的铱元素含量进行测定。结果表明样品中铱含量异常，比正常值高出30倍。之后在丹麦、西班牙、新西兰、北美等地相同层位的样品中也发现铱异常，数值甚至高于正常值上百倍。

图9 阿尔瓦雷斯父子在意大利古比奥K-Pg界线留影

铱属于重金属，密度为22.42克/立方厘米，而铁的密度仅为7.87克/立方厘米。地球形成初期曾一度处于熔融状态，铱因密度大很容易沉入地核中，致使铱在地壳中的含量很低。1980年6月，沃尔特父子俩与同事在《科学》杂志上发表论文，提出K-Pg界线的铱异常由小行星撞击产生，为此在全世界范围内激起了对恐龙灭绝原因的跨学科争论。 如果能找到当时形成的陨石坑，则可成为强有力的证据，证明K-Pg界线铱异常由小行星撞击造成，恐龙的灭绝也就可能与此有关。 1950年，墨西哥石油公司（PEMEX）为勘探石油而在尤卡坦半岛及邻近海域进行重力普查，发现了一个环形重力异常，据此认为地下存在一个环形构造（图10）。1952年针对该构造进行了钻探，在1000米深度之下钻遇坚硬的结晶岩石。墨西哥石油公司的地质学家通过岩心分析认为是安山岩，以为发现了一座被埋藏的火山。

图10 尤卡坦半岛北部环形重力异常（白线为海岸线）

20世纪80年代初，有学者在海地南部及德克萨斯州布拉索斯河畔的K-Pg界线处，发现了海啸成因的砂质岩层，从而将小行星撞击地点的可能位置指向墨西哥湾。显然，小行星在海域中的撞击必然引发海啸。

加拿大宇宙化学家艾伦•希尔德布兰德（Alan Hildebrand）通过与墨西哥石油公司的地质学家合作，研究分析已有的相关资料，认为尤卡坦半岛北部环形重力异常区之下存在一个隐伏陨石坑，埋藏深度在500米之下。根据当地一个村庄的名称，这一陨石坑被命名为希克苏鲁伯陨石坑（Chicxulub crater）。1991年，希尔德布兰德与合作者发表论文将这一成果公之于世。

与此同时，墨西哥石油公司的地质学家找到了1952年的钻井岩心。进一步的分析表明，当年被认为是安山岩的坚硬结晶岩石，实际上是小行星撞击时产生高温而形成的熔融岩。放射性年代测定表明，钻井岩心中的熔融岩石形成于K-Pg界线产生的时间。同位素研究表明，该熔融岩石的同位素特征，与墨西哥湾沿岸海啸成因岩层中的微玻璃陨石的同位素特征相同。这些微玻璃陨石是由小行星撞击产生的熔融玻璃微滴，被溅射到大气层以外快速冷凝后再回落到地球表面的。 形成于6600万年前的希克苏鲁伯陨石坑（图11、图12），尽管隐伏于地下深处，但通过分析石油勘探资料而将其位置锁定，又通过多学科合作获得关键证据而被最终确认。这一陨石坑的直径达150千米，在全世界已发现的陨石坑中排名第二位。

图11 希克苏鲁伯陨石坑位置

图12 表示希克苏鲁伯陨石坑最初形象（双环结构）的美术作品

目前有多种版本的科普影视片重现了当时的场景：白垩纪的最后一天，一颗直径超过10千米、质量约3000亿吨的小行星以30千米/秒的速度撞击地球，形成直径约150千米、深度超过20千米的希克苏鲁伯陨石坑。撞击释放的能量相当于 100亿颗广岛原子弹爆炸的能量。产生的高温使这颗小行星及撞击坑内数十亿吨的岩石蒸发，在大气层以外凝结成小球粒落回地球表面。撞击溅射物也以高速落下，就像数以万亿计的陨石从天而降，覆盖了广大的面积。撞击引发数百米高的海啸以及地震、滑坡、大火、暴风、酸雨等灾害。遮天蔽日的尘埃和有毒气体笼罩地球，黑暗持续了数个月甚至更长的时间。植物的光合作用因此被阻断，从底部终止了食物链，使包括恐龙在内的大量生物灭绝。这一悲惨景象被称为地球历史上的第五次生物大灭绝（图13）。

图13 地球历史上五次生物大灭绝发生的时间节点

在白垩纪末期，印度德干高原发生了玄武岩岩浆大规模喷溢，持续时间长达数十万年，喷出的熔岩覆盖面积估计达到上百万平方千米。经过6600多万年的风化和流水侵蚀等作用，目前德干高原上残留的玄武岩分布面积仍有51.2万平方千米，最大厚度超过2000米。 德干玄武岩岩浆喷溢时产生的大量有毒气体和烟尘也被认为是导致恐龙等生物灭绝的重要因素。但无论如何，创造出希克苏鲁伯陨石坑的小行星撞击事件，对第五次生物大灭绝无疑起到了最终一击定局的作用。曾经十分弱小的哺乳动物和被子植物从此获得了广阔的发展演化空间，地球历史也从中生代进入新生代。

参考文献

[1] 刘强.地球上的陨石坑. 微信公众号：中国科学院地质地球所，2017-10-16.
[2] 陈鸣.岫岩陨石坑星球撞击遗迹.北京：科学出版社，2016.
[3] 沃尔特•阿尔瓦雷斯.霸王龙和陨星坑---天体撞击如何导致物种灭绝.
马星垣，车宝印，译.上海：科技教育出版社，2001.
[4] 张传绩.塔里木盆地的古陨石坑.新疆石油地质, 1997,18（1）:38-39.
[5] 杨弦章，大河.陨石坑-地球上的宇宙礼物盒.中国国家地理, 2013,5:40-65.

沈建林 2021年12月1日于成都