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宇宙膨胀-原子膨胀：石油生成的分子演化新视角

2026-1-18 13:49

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预用本《Cosmic Expansion-Atomic Expansion: A Novel Molecular Evolution Perspective on Petroleum Generation》已发布，下面是文章的链接：https://www.preprints.org/manuscript/202601.1186

下面是文章的中文版本：

宇宙膨胀-原子膨胀：石油生成的分子演化新视角

作者：王建安（Jian’an Wang）

单位：深圳大学物理系；邮箱：wja@szu.edu.cn发布日期：2026年1月16日

DOI： 10.20944/preprints202601.1186.v1

关键词：宇宙膨胀-原子膨胀，石油成因，沉积有机质，大分子裂解，烃类小分子，分子演化，生物成因说，干酪根，生物标志物，油气勘探

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摘要

长期以来，石油成因的“ 生物成因说” 占据主流地位，该理论认为石油是由古代微生物、植物和动物遗体在沉积环境中经埋藏和热演化形成的。然而，传统理论无法充分解释复杂的生物大分子如何在地质时间尺度上精确裂解为相对简单的烃类小分子，且对裂解过程的能量来源和动力学机制仍存在争

议。整合宇宙膨胀引发原子膨胀这一核心物理原理[1,3]，我们可构建一种全新的石油生成机制：石油是源于微生物、植物和动物遗体的沉积有机质，在数亿年的地质时间里，于宇宙膨胀驱动的原子膨胀持续作用下，经历分子结构的逐步裂解与重组，最终由复杂大分子转化为烃类小分子的产物。

一、核心理论基础：宇宙膨胀驱动的原子与分子演化

根据宇宙膨胀微观效应假说[1]，宇宙膨胀不仅作用于星系尺度，还同步影响原子内部结构⸺随着宇宙标度因子的增大，原子轨道的电子半径持续扩张，原子堆积密度逐渐降低。这一过程带来两个关键影响：

1. 分子内键能减弱，同时范德华力、氢键等分子间相互作用显著降低，为大分子裂解提供热力学基础

[8]；

2. 物质结构的长期演化：在地质时间尺度（数百万至数亿年）内，原子膨胀的累积效应使复杂大分子的空间结构稳定性下降，逐步发生断裂与重组，转化为更稳定的小分子结构[3]。

这一原理得到物理模型的支持[1]：原子半径随宇宙膨胀而增大，且分子键能与原子半径呈负相关⸺即原子膨胀程度越大，分子键越易断裂。狄拉克大数假说（ Dirac's Large Numbers Hypothesis）提出

物理常数可能随宇宙年龄变化，间接证实了原子结构随宇宙演化的动态特性[2]。哈勃通过星系红移观测证实了宇宙膨胀的核心结论，后续COBE卫星对宇宙微波背景辐射的探测进一步验证了这一长期演化过程的连续性[1]。对于埋藏于地下的有机质而言，

这场跨越地质历史的原子膨胀过程，是大分子向小分子转化的核心驱动力[4]。

二、石油生成的三阶段演化过程

基于宇宙膨胀-原子膨胀原理[1,3]，石油生成并非依赖沉积环境的高温高压，而是经历“ 生物遗体沉积→原子膨胀累积→大分子裂解重组” 的长期三阶段过程。

（一）第一阶段：生物遗体沉积与有机质富集

地质历史时期，海洋浮游生物、陆生植物、动物尸体等生物遗体经河流搬运或直接沉积至湖泊、海洋等低洼环境。在缺氧、无光的沉积条件下，这些生物遗体避免了快速分解，与砂、泥等沉积物混合形成沉积有机质[9]。此阶段的有机质以蛋白质、纤维素、脂质等复杂大分子为主，分子量介于数千至数万道尔顿，结构致密且稳定性高，难以直接形成石油。沉积有机质的核心存在形式⸺干酪根

（Kerogen），源于这些动植物和微生物来源的生物大分子经早期成岩作用初步聚合形成的不溶性有机聚合物[9]。

（二）第二阶段：宇宙膨胀驱动的长期原子演化

沉积有机质被后续沉积物覆盖，进入地下数千米的沉积岩层，经历极长的地质年代（通常为数千万至数亿年）。在此期间，宇宙膨胀的微观效应持续作用[1]：

1. 原子膨胀累积：根据原子半径与宇宙时间的关系模型[1]，数亿年的时间尺度足以使沉积有机质中的原子半径发生显著扩张，原子堆积密度降低，分子内部逐步累积空间张力；

2. 分子稳定性下降：复杂大分子（如木质素、蛋白质）中的碳-碳键、碳-氢键因原子膨胀导致键长增加、键能减弱，使原本稳定的环状和链状结构出现“ 薄弱环节” ，为裂解做好准备[8]。原子模拟研究表明，木质纤维素等生物大分子的结构稳定性与原子堆积密度直接相关，原子间距的扩大可显著降低其热解活化能[5]；

3. 环境因素的协同作用：尽管沉积环境中的中温（50-150℃) 并非主要驱动力，但可加速原子膨胀诱导的分子键断裂，形成“ 原子膨胀为主导、温度为辅助” 的协同效应[6]。低成熟度页岩有机质热演化研究显⽰，中温高压条件下的分子结构变化更符合逐步裂解特征，而非剧烈的热裂解反应[6]。

（三）第三阶段：大分子裂解为石油烃类小分子

当原子膨胀诱导的分子键断裂累积达到一定阈值时，复杂大分子开始逐步裂解[3]：

1. 一次裂解：大分子主链断裂⸺例如纤维素（ (C6H10O5)n）裂解为较小的糖类衍生物，蛋白质断裂为氨基酸片段，脂质断裂为长链脂肪酸；

2. 二次裂解与杂原子脱除：一次裂解后的中间产物在原子膨胀持续作用下进一步断裂为更短的碳链，逐步脱除氧、氮、硫等杂原子，形成以碳氢为主的烃类前体[4]。高压含水热解实验表明，干酪根生烃过程伴随显著的杂原子脱除，且该过程可在相对温和的温度条件下长期进行[4]；

3. 重组与稳定化：烃类前体通过分子重排形成结构稳定的烷烃、环烷烃、芳香烃等石油核心组分，分子量集中在100-500道尔顿，与石油的化学组成特征一致[7]。

这一过程的关键在于“ 缓慢且连续”：尽管宇宙膨胀-原子膨胀的速率微弱，但地质时间尺度上的累积效应足以使复杂大分子完成彻底的裂解与重组，避免了传统高温高压条件下可能出现的过度裂解或碳化[1]。宇宙分子演化理论模型表明，小分子结构的形成是大分子长期演化的热力学稳定方向，这与石油烃类的分子特征高度契合[7]。

三、理论支撑与实证依据

（一）分子尺寸与地质年代的相关性

地质勘探发现，地质年代更古老的油田（如前寒武纪、古生代油田），其烃类分子的平均分子量更

小，轻质烃（甲烷、乙烷）含量更高。这与宇宙膨胀-原子膨胀理论相符[1]：古老油田中的沉积有机质经历了更长时间的原子膨胀，大分子裂解更彻底，小分子烃类占比更高。不同地质年代页岩烃类产物的对比研究证实，有机质埋藏时间与烃类分子链长度呈负相关[4]。

（二）生物标志物的残留规律

石油中保留的生物标志物（如植烷、姥鲛烷）均为小分子衍生物，而非原始生物大分子的完整片段。

这表明生物大分子发生了选择性裂解，而原子膨胀诱导的键能减弱可精准解释为何含生物标志物的分子片段得以保留，其余部分则裂解为小分子烃类[6]。原子力显微镜-红外光谱研究显⽰，有机质热演化过程中生物标志物的保留与特定化学键的相对稳定性直接相关[6]。

（三）物质强度演化的间接证据

根据宇宙膨胀理论[1]，远古物质的原子堆积更致密，强度更高。早期（初始沉积阶段）的沉积有机质因原子密度高，大分子结构稳定性极强，难以分解；随着原子膨胀导致物质强度下降，大分子逐步裂解。这与石油多形成于特定地质年代（如中生代、古生代）的现象一致⸺这些年代的沉积有机质经历了充分的原子膨胀，且未因时间过长而完全碳化[3]。分子演化的多尺度研究表明，物质的机械强度与原子堆积密度呈正相关，原子膨胀是驱动该性质长期变化的核心因素[8]。实验证实，原子堆积密度的提高可显著增强物质强度，而原子膨胀导致的密度降低则会削弱物质结构的稳定性[8]。

四、结论：重构石油成因的跨学科认知

传统石油成因理论聚焦于沉积环境的温压条件，却忽视了宇宙膨胀这一跨越地质历史的宏观物理过程对微观分子结构的长期影响[1,3]。基于宇宙膨胀-原子膨胀原理的新视角揭⽰，石油生成的核心驱动力源于原子演化诱导的大分子裂解，完善了“ 生物遗体→ 宇宙膨胀驱动裂解→石油小分子 ” 的完整链

条。

这一认知不仅为石油成因提供了融合物理学、地质学、化学的跨学科综合解释，还能指导油气勘探⸺通过分析沉积有机质的地质年代和原子膨胀累积效应，可预测烃类分子的分布特征，提高油气勘探的准确性[4]。未来，随着原子膨胀效应的实验验证（如利用X射线衍射检测不同地质年代岩石中的原子间距[1]），该理论将进一步完善，为能源科学提供全新的研究方向。