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方念乔 巴黎居里大学理学博士,中国地质大学(北京)教授,博士生导师。现任中国地质大学(北京)海洋学院院长,中国地质大学海洋地学研究中心主任,国土资源部岩石圈构造和动力学开放实验室主任等。多次参加国内外组织的海洋科学调查,航迹遍及西太平洋、西印度洋、北大西洋、北冰洋以及南中国海、日本海、鄂霍次克海等边缘海,在东特提斯岩石圈演化、中国东部地区层序地层学和海平面变化、印度季风区海陆对比、边缘海构造演化和油气资源效应等领域的研究中取得重要成果。
今年9月25日,中国在青海省祁连山南缘永久冻土带钻获可燃冰样品;10月18日,我国第一艘天然气水合物(俗称“可燃冰”)综合调查船——“海洋六号”在广州正式加入我国海洋地质调查行列。这标志着我国海洋地质调查装备进入国际先进行列。一时间,“可燃冰”这个新鲜的名词再度成为大家热议的话题。“可燃冰”到底是一种什么样的物质?我们可以在哪里找到它?人类未来将如何利用它?为此,记者采访了中国地质大学(北京)海洋学院院长方念乔,他一一直陈了自己的看法。
可燃烧的“冰”
方念乔院长介绍说,“可燃冰” 学名叫“天然气水合物”或者“(甲烷)气水合物”,是由水和天然气在高压、低温条件下混合而成的类冰的、笼形结晶化合物。外貌极像冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,因此被俗称为可燃冰。
天然气水合物中通常含有大量甲烷或其他碳氢气体,燃烧产生的能量比同等条件下煤、石油、天然气所产生的更多,而且燃烧后几乎不产生任何残渣或废弃物,仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比上述能源要少,因此被业界认为是“后石油时代”的高效、清洁的优质能源。高压、低温是这种能源形成和保存的必要条件,较深的海底和永久冻土层因满足上述条件而成为它赖以分布的最佳场所。
青海钻获可燃冰
上世纪末中国围绕可燃冰的研究开始起步,最初的工作属于跟踪。其后有关部门加大投入,捷报频传:2007年5月首次在南海北部海域神狐地区获得可燃冰样品;今年9月25日,又宣布在青海省祁连山南缘永久冻土带钻获可燃冰样品。所谓好事成双,我国就这样在短短的一两年内,成为令人歆羡的在海、陆两大区域都发现可燃冰的潜在的勘探开发远景区。
方念乔院长分析,中国虽不像加拿大、俄罗斯和美国的阿拉斯加那样地处冰天雪地的高纬地带,然而青藏高原作为地球第三极,同样为陆上可燃冰的形成与储藏准备了必要条件。中国冻土区面积约215万平方千米,是世界第三大冻土国,除东北漠河盆地外,主要分布在青藏高原。祁连山冻土区发现可燃冰的意义,在于它向我们释放出一个可燃冰存在于我国多种地质地理单元的重要信号,启示我们充分利用自己国家的广袤疆域和丰富地貌,开展大规模的野外勘察和深入的基础研究,为开发可燃冰这种新型能源找到更多的途径。
海底“可燃冰”:够用1000年?
“我是搞海洋的,对海洋的矿产资源问题更加敏感。”方院长笑着说,“在我看来,海底环境对于可燃冰的形成和储存,应该拥有更优越的条件。其一,海底适于可燃冰存储的区域面积更大;其二,水深和海底温度这些基本的温压条件相对稳定,即使温室效应、全球变暖这类重大的环境变化也不会对它们短期内形成破坏。或许还有第三,”方院长补充,“大陆边缘海底是世界上最活跃的沉积区,提供的气源类型更多,数量更大。”
科学家估计,海底之下1000米范围内是可燃冰的富集地带,其分布面积达4000万平方千米,较4个中国的陆上面积还大。
通常的说法是,可燃冰全球储量是现有天然气、煤炭、石油等全部化石类能源储量的2倍。有的科学家甚至乐观地预测,海底可燃冰的储量够人类使用1000年,这种新型能源一旦得到开采,将使人类的燃料使用史延长10个世纪以上。“在掌握确切的资料之前,我从来不作这类估价”,方院长说,“但是,客观地说,海底满足可燃冰分布的条件实在太普遍了,我们有理由对利用这类能源的远景持乐观态度。”据方念乔院长说,0°C～10°C和>100MPa的温压封闭区,小于60°C/千米的正常地温梯度,有机碳供应比较丰富,沉积速率大于30cm/千年,再加上有一些断裂之类的输气通道,可以说可燃冰形成与分布的基本条件就具备了。贴近大陆与海岛的半深海区,大多符合上述条件,只要工作到位,发现可燃冰并非难事。问题是,可燃冰形成易、富集难,特别是对外部条件变化的反应异常敏感。渐新世(距今3千万年前)以前的老地层中不大可能保留这种资源。一般情况下对成矿比较有利的长时间的地质作用,对可燃冰的保存与聚集反而构成不利条件,这些都应该引起我们的注意。
可燃冰研究方兴未艾
对于可燃冰的研究历史与现状,方念乔院长做了详细介绍。他说,可燃冰最早于19世纪晚期由英国人在实验室合成,20世纪30年代其天然沉淀物被美国人在输气管道中发现,直到1968年和1972年作为自然条件下的能源物质被苏联人和美国人分别在西伯利亚与阿拉斯加所发现,其间历经近百年的历程,可谓路漫漫兮。然而自上世纪70年代起,科学家发现识别天然气水合物的良好的地球物理标志——BSR,即我们常说的在地震反射剖面上与地层反射波斜交、与海底反射波平行的似海底反射层,为在海洋迅速开展大规模可燃冰调查准备了必要条件。当时,深海钻探计划(DSDP)正在执行过程当中,科学家利用深海钻探技术日益成熟的有利时机,于上世纪80年代在美洲海岸钻到一些可燃冰样品。从那时起,有关可燃冰的勘探与研究进展迅速,在国际上掀起一波又一波的热潮。
最近20年来,可燃冰的调查与研究主要沿着两条并行的轨道前进。一方面是广泛的国际合作,以DSDP的后续计划ODP(大洋钻探计划)和IODP(整合大洋钻探计划)为代表,在世界海域的多个站位取得大量可燃冰实物样品,不仅在其物质组成、形成机理、环境特征、识别标志等方面取得丰硕的研究成果,而且将“气体水合物”列入新世纪大洋钻探的优先研究领域;另一方面则是各国政府与管理部门,从国家层面制订战略,组织力量,为满足国家的能源需求而将可燃冰作为潜在的替代性能源,推进对它的调查工作和勘探开发计划。
目前,世界上调查发现的可燃冰矿点共有100多处。美、俄、荷、德、加、日等众多国家探测可燃冰的目标和范围已覆盖了世界上几乎所有大陆边缘的重要潜在远景地区,以及高纬度-极地永久冻土带等。 虽然从商业开发角度,只有上世纪70年代苏联的麦索亚哈可燃冰矿田的运作比较成功,但是可以预见,随着更多可燃冰矿田的发现和开发技术日臻完善,可燃冰这种清洁、高效的新型能源一定会在不远的将来为人类造福。
“其实,开展水合物研究,”方院长补充,“我们还不能把眼光仅仅局限在它的资源意义上。根据地质记录,大约5500万年前,整个地球发生了一次大的增温事件,给当时的生物圈造成巨大创痛,据有些专家研究,就是海底失稳造成大量可燃冰释放所引起的。所以,水合物开发是件大事,需要慎重对待,以免破坏环境。我们前面说过,可燃冰的存在可能比我们预想的更要广泛,同时它们的存在条件又比较的严苛和脆弱,一旦状态发生变化,可能严重毁坏原有环境。事实上,现在一些石油企业和海洋工程建设单位,在构建生产和施工规划时,已把对水合物的调查列入安全规范。对此,我们应该给以足够的重视。”
中国可燃冰研究起步晚,动力足
方念乔院长介绍,我国对可燃冰资源的调查研究较之西方国家虽然起步较晚,但是由于政府和学界的高度重视,并没有被甩下太远的距离。目前,国家专项、“973”、“863”等众多国家级项目构成我国可燃冰资源调查与研究的支撑点,中国地调局、中科院、教育部、国家海洋局等部门及其下属单位和能源领域的大型企业积极参与,取得许多优秀成果。前面提到的南海和青海可燃冰的发现就是这些成果的集中体现。
南海作为我国最大的边缘海盆,是在大西洋型被动陆缘背景下破裂生成并在欧亚板块、太平洋板块、菲律宾板块、印度-澳大利亚板块联合作用下发育而来的。南海内部构造条件复杂,盆地类型多样,无疑属于可燃冰资源的有利远景区。当前,在浅海陆架区勘查与研究可燃冰是IODP的新计划,加拿大、印度等国对此也进行过有益探索,依此类推,我国东海、黄海等水域也有进一步开展工作的必要。我们面临着更大挑战。
最近,承担国家天然气水合物重大调查任务的广州海洋地质调查局与海洋学院共建天然气水合物勘探开发技术研究中心,国土资源部总工程师张洪涛教授参加和指导揭牌仪式,这为我们今后的工作增添了新的动力。中国地质大学(北京)可以凭藉在地学基础方面的综合优势,在地震剖面弹性参数识别、微生物标志、沉积特征、快速地球化学勘查等方面对可燃冰的研究作出重要贡献。
可燃冰:我国未来的替代能源
说起我国的能源结构,方念乔院长说出了一串数字。自1993年开始,我国成为石油净进口国;2003年起至今,我国已连续多年成为继美国之后的世界第二大石油消费国。2006年,我国石油进口量为1.45亿吨,对进口石油的依存度已达47%左右,随着我国经济规模的日益扩大,石油消费量、进口量还将持续攀升,对进口石油的依赖程度还会逐年增加,据中国社科院等机构预测,到2010年我国每年的石油缺口将超过2亿吨,对进口石油的依存度将超过50%。这种局面如果得不到改变,不仅会极大地提高我国经济发展的成本,还会在战略层面影响国家的能源安全。从我国现有的能源结构来看,在一次性能源消费结构中,75%来自煤炭,油气仅占19.3%(其他5.7%),而相比之下,美国煤炭仅占24.3%,油气占66.1%(其他9.6%)。相对煤及石油而言,可燃冰是一种更为清洁高效的替代能源,开发可燃冰,增加天然气产量,将可能从根本上改善我国的能源供应形势,对于改变我国能源结构不合理的现状,减少大量燃煤造成的严重环境污染,也有着极为重要的经济和现实意义。此外,从环保及预防海底地质灾害的角度考虑,避免水合物泄漏造成的温室效应加剧及海底滑坡,也要求必须预先探明海底赋存的水合物资源情况以采取必要的防范措施。
可燃冰:
21世纪最有希望的战略能源
到目前为止,由于可燃冰的开发技术还不够成熟,开发成本相对较高,对环境的影响及运输、储存问题也没有完全解决,可燃冰的商业性开采尚未进行。总体上看,短期内也难以见到从可燃冰中有重大的世界范围的天然气生产,但在世界能源资源日益枯竭的形势下,受近几年石油价格居高不下的刺激,各国政府对新型替代能源高度重视,对可燃冰的科研经费投入持续增加,可燃冰开发的一系列技术问题有望很快取得突破,在不久的将来,有可能实现商业性开采,使之真正成为本世纪的新型能源。对特定的国家,如能源极度匮乏的日本和经济高速发展的中国、印度而言,天然气水合物对满足日益增长的国内能源需求是至关重要的。在这些国家实现商业化开采的进程可能更快,在可以预见的未来,甚至在5-10 年内就会变成一种关键的天然气供给源,因而具有广阔的市场前景。
今年9月25日,中国在青海省祁连山南缘永久冻土带钻获可燃冰样品;10月18日,我国第一艘天然气水合物(俗称“可燃冰”)综合调查船——“海洋六号”在广州正式加入我国海洋地质调查行列。这标志着我国海洋地质调查装备进入国际先进行列。一时间,“可燃冰”这个新鲜的名词再度成为大家热议的话题。“可燃冰”到底是一种什么样的物质?我们可以在哪里找到它?人类未来将如何利用它?为此,记者采访了中国地质大学(北京)海洋学院院长方念乔,他一一直陈了自己的看法。
可燃烧的“冰”
方念乔院长介绍说,“可燃冰” 学名叫“天然气水合物”或者“(甲烷)气水合物”,是由水和天然气在高压、低温条件下混合而成的类冰的、笼形结晶化合物。外貌极像冰雪或固体酒精,点火即可燃烧,因此被俗称为可燃冰。
天然气水合物中通常含有大量甲烷或其他碳氢气体,燃烧产生的能量比同等条件下煤、石油、天然气所产生的更多,而且燃烧后几乎不产生任何残渣或废弃物,仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比上述能源要少,因此被业界认为是“后石油时代”的高效、清洁的优质能源。高压、低温是这种能源形成和保存的必要条件,较深的海底和永久冻土层因满足上述条件而成为它赖以分布的最佳场所。
青海钻获可燃冰
上世纪末中国围绕可燃冰的研究开始起步,最初的工作属于跟踪。其后有关部门加大投入,捷报频传:2007年5月首次在南海北部海域神狐地区获得可燃冰样品;今年9月25日,又宣布在青海省祁连山南缘永久冻土带钻获可燃冰样品。所谓好事成双,我国就这样在短短的一两年内,成为令人歆羡的在海、陆两大区域都发现可燃冰的潜在的勘探开发远景区。
方念乔院长分析,中国虽不像加拿大、俄罗斯和美国的阿拉斯加那样地处冰天雪地的高纬地带,然而青藏高原作为地球第三极,同样为陆上可燃冰的形成与储藏准备了必要条件。中国冻土区面积约215万平方千米,是世界第三大冻土国,除东北漠河盆地外,主要分布在青藏高原。祁连山冻土区发现可燃冰的意义,在于它向我们释放出一个可燃冰存在于我国多种地质地理单元的重要信号,启示我们充分利用自己国家的广袤疆域和丰富地貌,开展大规模的野外勘察和深入的基础研究,为开发可燃冰这种新型能源找到更多的途径。
海底“可燃冰”:够用1000年?
“我是搞海洋的,对海洋的矿产资源问题更加敏感。”方院长笑着说,“在我看来,海底环境对于可燃冰的形成和储存,应该拥有更优越的条件。其一,海底适于可燃冰存储的区域面积更大;其二,水深和海底温度这些基本的温压条件相对稳定,即使温室效应、全球变暖这类重大的环境变化也不会对它们短期内形成破坏。或许还有第三,”方院长补充,“大陆边缘海底是世界上最活跃的沉积区,提供的气源类型更多,数量更大。”
科学家估计,海底之下1000米范围内是可燃冰的富集地带,其分布面积达4000万平方千米,较4个中国的陆上面积还大。
通常的说法是,可燃冰全球储量是现有天然气、煤炭、石油等全部化石类能源储量的2倍。有的科学家甚至乐观地预测,海底可燃冰的储量够人类使用1000年,这种新型能源一旦得到开采,将使人类的燃料使用史延长10个世纪以上。“在掌握确切的资料之前,我从来不作这类估价”,方院长说,“但是,客观地说,海底满足可燃冰分布的条件实在太普遍了,我们有理由对利用这类能源的远景持乐观态度。”据方念乔院长说,0°C～10°C和>100MPa的温压封闭区,小于60°C/千米的正常地温梯度,有机碳供应比较丰富,沉积速率大于30cm/千年,再加上有一些断裂之类的输气通道,可以说可燃冰形成与分布的基本条件就具备了。贴近大陆与海岛的半深海区,大多符合上述条件,只要工作到位,发现可燃冰并非难事。问题是,可燃冰形成易、富集难,特别是对外部条件变化的反应异常敏感。渐新世(距今3千万年前)以前的老地层中不大可能保留这种资源。一般情况下对成矿比较有利的长时间的地质作用,对可燃冰的保存与聚集反而构成不利条件,这些都应该引起我们的注意。
可燃冰研究方兴未艾
对于可燃冰的研究历史与现状,方念乔院长做了详细介绍。他说,可燃冰最早于19世纪晚期由英国人在实验室合成,20世纪30年代其天然沉淀物被美国人在输气管道中发现,直到1968年和1972年作为自然条件下的能源物质被苏联人和美国人分别在西伯利亚与阿拉斯加所发现,其间历经近百年的历程,可谓路漫漫兮。然而自上世纪70年代起,科学家发现识别天然气水合物的良好的地球物理标志——BSR,即我们常说的在地震反射剖面上与地层反射波斜交、与海底反射波平行的似海底反射层,为在海洋迅速开展大规模可燃冰调查准备了必要条件。当时,深海钻探计划(DSDP)正在执行过程当中,科学家利用深海钻探技术日益成熟的有利时机,于上世纪80年代在美洲海岸钻到一些可燃冰样品。从那时起,有关可燃冰的勘探与研究进展迅速,在国际上掀起一波又一波的热潮。
最近20年来,可燃冰的调查与研究主要沿着两条并行的轨道前进。一方面是广泛的国际合作,以DSDP的后续计划ODP(大洋钻探计划)和IODP(整合大洋钻探计划)为代表,在世界海域的多个站位取得大量可燃冰实物样品,不仅在其物质组成、形成机理、环境特征、识别标志等方面取得丰硕的研究成果,而且将“气体水合物”列入新世纪大洋钻探的优先研究领域;另一方面则是各国政府与管理部门,从国家层面制订战略,组织力量,为满足国家的能源需求而将可燃冰作为潜在的替代性能源,推进对它的调查工作和勘探开发计划。
目前,世界上调查发现的可燃冰矿点共有100多处。美、俄、荷、德、加、日等众多国家探测可燃冰的目标和范围已覆盖了世界上几乎所有大陆边缘的重要潜在远景地区,以及高纬度-极地永久冻土带等。 虽然从商业开发角度,只有上世纪70年代苏联的麦索亚哈可燃冰矿田的运作比较成功,但是可以预见,随着更多可燃冰矿田的发现和开发技术日臻完善,可燃冰这种清洁、高效的新型能源一定会在不远的将来为人类造福。
“其实,开展水合物研究,”方院长补充,“我们还不能把眼光仅仅局限在它的资源意义上。根据地质记录,大约5500万年前,整个地球发生了一次大的增温事件,给当时的生物圈造成巨大创痛,据有些专家研究,就是海底失稳造成大量可燃冰释放所引起的。所以,水合物开发是件大事,需要慎重对待,以免破坏环境。我们前面说过,可燃冰的存在可能比我们预想的更要广泛,同时它们的存在条件又比较的严苛和脆弱,一旦状态发生变化,可能严重毁坏原有环境。事实上,现在一些石油企业和海洋工程建设单位,在构建生产和施工规划时,已把对水合物的调查列入安全规范。对此,我们应该给以足够的重视。”
中国可燃冰研究起步晚,动力足
方念乔院长介绍,我国对可燃冰资源的调查研究较之西方国家虽然起步较晚,但是由于政府和学界的高度重视,并没有被甩下太远的距离。目前,国家专项、“973”、“863”等众多国家级项目构成我国可燃冰资源调查与研究的支撑点,中国地调局、中科院、教育部、国家海洋局等部门及其下属单位和能源领域的大型企业积极参与,取得许多优秀成果。前面提到的南海和青海可燃冰的发现就是这些成果的集中体现。
南海作为我国最大的边缘海盆,是在大西洋型被动陆缘背景下破裂生成并在欧亚板块、太平洋板块、菲律宾板块、印度-澳大利亚板块联合作用下发育而来的。南海内部构造条件复杂,盆地类型多样,无疑属于可燃冰资源的有利远景区。当前,在浅海陆架区勘查与研究可燃冰是IODP的新计划,加拿大、印度等国对此也进行过有益探索,依此类推,我国东海、黄海等水域也有进一步开展工作的必要。我们面临着更大挑战。
最近,承担国家天然气水合物重大调查任务的广州海洋地质调查局与海洋学院共建天然气水合物勘探开发技术研究中心,国土资源部总工程师张洪涛教授参加和指导揭牌仪式,这为我们今后的工作增添了新的动力。中国地质大学(北京)可以凭藉在地学基础方面的综合优势,在地震剖面弹性参数识别、微生物标志、沉积特征、快速地球化学勘查等方面对可燃冰的研究作出重要贡献。
可燃冰:我国未来的替代能源
说起我国的能源结构,方念乔院长说出了一串数字。自1993年开始,我国成为石油净进口国;2003年起至今,我国已连续多年成为继美国之后的世界第二大石油消费国。2006年,我国石油进口量为1.45亿吨,对进口石油的依存度已达47%左右,随着我国经济规模的日益扩大,石油消费量、进口量还将持续攀升,对进口石油的依赖程度还会逐年增加,据中国社科院等机构预测,到2010年我国每年的石油缺口将超过2亿吨,对进口石油的依存度将超过50%。这种局面如果得不到改变,不仅会极大地提高我国经济发展的成本,还会在战略层面影响国家的能源安全。从我国现有的能源结构来看,在一次性能源消费结构中,75%来自煤炭,油气仅占19.3%(其他5.7%),而相比之下,美国煤炭仅占24.3%,油气占66.1%(其他9.6%)。相对煤及石油而言,可燃冰是一种更为清洁高效的替代能源,开发可燃冰,增加天然气产量,将可能从根本上改善我国的能源供应形势,对于改变我国能源结构不合理的现状,减少大量燃煤造成的严重环境污染,也有着极为重要的经济和现实意义。此外,从环保及预防海底地质灾害的角度考虑,避免水合物泄漏造成的温室效应加剧及海底滑坡,也要求必须预先探明海底赋存的水合物资源情况以采取必要的防范措施。
可燃冰:
21世纪最有希望的战略能源
到目前为止,由于可燃冰的开发技术还不够成熟,开发成本相对较高,对环境的影响及运输、储存问题也没有完全解决,可燃冰的商业性开采尚未进行。总体上看,短期内也难以见到从可燃冰中有重大的世界范围的天然气生产,但在世界能源资源日益枯竭的形势下,受近几年石油价格居高不下的刺激,各国政府对新型替代能源高度重视,对可燃冰的科研经费投入持续增加,可燃冰开发的一系列技术问题有望很快取得突破,在不久的将来,有可能实现商业性开采,使之真正成为本世纪的新型能源。对特定的国家,如能源极度匮乏的日本和经济高速发展的中国、印度而言,天然气水合物对满足日益增长的国内能源需求是至关重要的。在这些国家实现商业化开采的进程可能更快,在可以预见的未来,甚至在5-10 年内就会变成一种关键的天然气供给源,因而具有广阔的市场前景。