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  • 海底可燃冰

    谈到能源,人们立即想到的是能燃烧的煤、石油或天然气,而很少想到晶莹剔透的“冰”。然而,自20世纪60年代以来,人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”。这种“可燃冰”在地质上称之为天然气水合物(NaturalGasHydrate,简称GasHydrate),又称“笼形包合物”(Clathrate),分子结构式为:CH4·H2O。

    编辑摘要

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    基本概述/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰海底可燃冰将成下一种代替能源
    天然气水合物是一种白色固体物质,外形像冰,有极强的燃烧力,可作为上等能源。它主要由水分子烃类气体分子(主要是甲烷)组成,所以也称它为甲烷水合物。天然气水合物是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度PH值等)下,由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质。一旦温度升高或压力降低,甲烷气则会逸出,固体水合物便趋于崩解。(1立方米的可燃冰可在常温常压下释放164立方米的天然气及0.8立方米的淡水)所以固体状的天然气水合物往往分布于水深大于300米以上的海底沉积物或寒冷的永久冻土中。海底天然气水合物依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态,其分布可以从海底到海底之下1000米的范围以内,再往深处则由于地温升高其固体状态遭到破坏而难以存在。

    从物理性质来看,天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度,剪切系数、电解常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物,中子孔隙度低于饱和水沉积物,这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。此外,天然气水合物的毛细管孔隙压力较高。

    储量形成/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰可燃冰燃烧图
    可燃冰是天然气分子(烷类)被包进水分子中,在海底低温与压力下结晶形成的。形成可燃冰有三个基本条件:温度、压力和原材料。首先,可燃冰可在0℃以上生成,但超过20℃便会分解。而海底温度一般保持在2~4℃左右;其次,可燃冰在0℃时,只需30个大气压即可生成,而以海洋的深度,30个大气压很容易保证,并且气压越大,水合物就越不容易分解。最后,海底的有机物沉淀,其中丰富的碳经过生物转化,可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质,在温度、压力、气源三者都具备的条件下,可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。

    世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里,据估算,海洋里天然气水合物的资源量是陆地上的100倍以上。据最保守的统计,全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为1.8亿亿立方米(18000×1012m3),约合1.1万亿吨(11×1012t),如此数量巨大的能源是人类未来动力的希望,是21世纪具有良好前景的后续能源。可燃冰被西方学者称为“21世纪能源”或“未来新能源”。迄今为止,在世界各地的海洋及大陆地层中,已探明的“可燃冰”储量已相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上,其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年。

    可贵资源/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰海底可燃冰
    可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物,外形与冰相似。由于含有大量甲烷等可燃气体,因此极易燃烧。同等条件下,可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍,而且燃烧后不产生任何残渣和废气,避免了最让人们头疼的污染问题。科学家们如获至宝,把可燃冰称作“属于未来的能源”。

    可燃冰这种宝贝可是来之不易,它的诞生至少要满足三个条件:第一是温度不能太高,如果温度高于20℃,它就会“烟消云散”,所以,海底的温度最适合可燃冰的形成;第二是压力要足够大,海底越深压力就越大,可燃冰也就越稳定;第三是要有甲烷气源,海底古生物尸体的沉积物,被细菌分解后会产生甲烷。所以,可燃冰在世界各大洋中均有分布。

    天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时,对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷,其温室效应为CO2的20倍,温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍,若有不慎,让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去,将产生无法想象的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物,一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出,还会改变沉积物的物理性质,极大地降低海底沉积物的工程力学特性,使海底软化,出现大规模的海底滑坡,毁坏海底工程设施,如:海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。

    开采危险/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰海底可燃冰分子结构
    根据专家预测,全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大,预计在四五十年之后就会枯竭。能源危机让人们忧心忡忡,而可燃冰就像是上天赐予人类的珍宝,它年复一年地积累,形成延伸数千乃至数万里的矿床。仅仅是现在探明的可燃冰储量,就比全世界煤炭、石油和天然气加起来的储量还要多几百倍。科学家的评价结果表明,仅仅在海底区域,可燃冰的分布面积就达4000万平方公里,占地球海洋总面积的1/4。目前,世界上已发现的可燃冰分布区多达116处,其矿层之厚、规模之大,是常规天然气田无法相比的。科学家估计,海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。

    天然可燃冰呈固态,不会像石油开采那样自喷流出。如果把

    海底可燃冰海底可燃冰

    它从海底一块块搬出,在从海底到海面的运送过程中,甲烷就会挥发殆尽,同时还会给大气造成巨大危害。为了获取这种清洁能源,世界许多国家都在研究天然可燃冰的开采方法。科学家们认为,一旦开采技术获得突破性进展,那么可燃冰立刻会成为21世纪的主要能源。相反,如果开采不当,后果绝对是灾难性的。在导致全球气候变暖方面,甲烷所起的作用比二氧化碳要大1020倍;而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏,都足以导致甲烷气体的大量泄漏,从而引起强烈的温室效应。另外,陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难,一旦出了井喷事故,就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。所以,可燃冰的开发利用就像一柄“双刃剑”,需要小心对待。

    分布开发/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰海底可燃冰
    1960年,前苏联在西伯利亚发现了可燃冰,并于1969年投入开发;美国于1969年开始实施可燃冰调查,1998年把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划;日本开始关注可燃冰是在1992年,目前已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价。但最先挖出可燃冰的是德国

    2000年开始,可燃冰的研究与勘探进入高峰期,世界上至少有30多个国家和地区参与其中。其中以美国的计划最为完善——总统科学技术委员会建议研究开发可燃冰,参、众两院有许多人提出议案,支持可燃冰开发研究。美国目前每年用于可燃冰研究的财政拔款达上千万美元。为开发这种新能源,国际上成立了由19个国家参与的地层深处海洋地质取样研究联合机构,有50个科技人员驾驶着一艘装备有先进实验设施的轮船从美国东海岸出发进行海底可燃冰勘探。这艘可燃冰勘探专用轮船的7层船舱都装备着先进的实验设备,是当今世界上唯一的一艘能从深海下岩石中取样的轮船,船上装备有能用于研究沉积层学、古人种学、岩石学、地球化学、地球物理学等的实验设备。这艘专用轮船由得克萨斯州A·M大学主管,英、德、法、日、澳、美科学基金会欧洲联合科学基金会为其提供经济援助。

    海底天然气水合物作为21世纪的重要后续能源,及其对人类生存环境及海底工程设施的灾害影响,正日益引起科学家们和世界各国政府的关注。本世纪六十年代开始的深海钻探计划(DSDP)和随后的大洋钻探计划(ODP)在世界各大洋与海域有计划地进行了大量的深海钻探和海洋地质地球物理勘查,在多处海底直接或间接地发现了天然气水合物。到目前为止,世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等,东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等,印度洋的阿曼海湾,南极的罗斯海和威德尔海,北极的巴伦支海和波弗特海,以及大陆内的黑海与里海等。因此,从20世纪80年代开始,美、英、德、加、日等发达国家纷纷投入巨资相继开展了本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作,同时美、日、加、印度等国已经制定了勘查和开发天然气水合物的国家计划。特别是日本和印度,在勘查和开发天然气水合物的能力方面已处于领先地位。

    中国状况/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰产生可燃冰的海底
    作为世界上最大的发展中的海洋大国,中国能源短缺十分突出。目前中国的油气资源供需差距很大,1993年中国已从油气输出国转变为净进口国,1999年进口石油4000多万吨,2000年进口石油近7000万吨,预计2010石油缺口可达2亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富,其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气,下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此,加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、国务院确定的可持续发展战略的重要措施,也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。中国对海底天然气水合物的研究与勘查已取得一定进展,在南海西沙海槽等海区已相继发现存在天然气水合物的地球物理标志BSR,这表明中国海域也分布有天然气水合物资源,值得开展进一步的工作;同时青岛海洋地质研究所已建立有自主知识产权的天然气水合物实验室并成功点燃天然气水合物。

    2005年4月14日,中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。
    宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区,其面积约为430平方公里。该分布区为中德双方联合在中国南海北部陆坡执行“太阳号”科学考察船合作开展的南中国海天然气水合物调查中首次发现。冷泉碳酸盐岩的形成被认为与海底天然气水合物系统和生活在冷泉喷口附近的化能生物群落的活动有关。此次科考期间,在南海北部陆坡东沙群岛以东海域发现了大量的自生碳酸盐岩,其水深范围分别为550米~650米和750米~800米,海底电视观察和电视抓斗取样发现海底有大量的管状、烟囱状、面包圈状、板状和块状的自生碳酸盐岩产出,它们或孤立地躺在海底上,或从沉积物里突兀地伸出来,来自喷口的双壳类生物壳体呈斑状散布其间,巨大碳酸盐岩建造体在海底屹立,其特征与哥斯达黎加边缘海和美国俄勒岗外海所发现的“化学礁”类似,而规模却更大。

    “可燃冰”是由天然气与水分子结合形成的外观似冰的白色或浅灰色固态结晶物质,因其成分的80%%~99.9%%为甲烷,这些碳酸盐岩的形成和分布记录了富含甲烷流体的类型、性质、来源、强度变化及其与海底可能存在的水合物系统的关系等情况。中德科学家一致建议,借距工作区最近的中国香港九龙的名谓,将该自生碳酸盐岩区中最典型的一个构造体命名为“九龙甲烷礁”,其中“龙”字代表了中国,“九”代表了多个研究团体的合作。

    日本开采/海底可燃冰 编辑

    海底可燃冰海底可燃冰
    迫于发展需求、急于改变能源依赖他人局面的日本把目光投向了海底沉睡的“能源水晶”——天然气水合物,也称“可燃冰”。(它是水和天然气在中高压和低温条件下混合时产生的晶体物质,外貌极似冰雪,点火即可燃烧。)在日本附近平静的太平洋海面下3000英尺,数以亿吨的可燃冰正等待被人们利用。日本认为,如果这些资源能为日本所用,将大大改善它依赖从中东和印尼进口能源的困境。据初步估算,这些“可燃烧的冰块”可供日本全国14年之用。但开发这些未明资源的同时,有一个关键问题必须应对:环境保护。

    日加合作开采“可燃冰”

    在本州岛海岸线30英里外,科学家们发现了一条蕴藏量惊人的海沟:在海沟里的甲烷呈水晶状,大约有500米厚,总量达40万亿立方米。这个储量尽管还不能与沙特或者俄罗斯的石油资源相比,但也足够日本用上一阵了。日本科学家们对这一结果很是兴奋,他们表示将尽快拿出合适的方案开采这些被遗忘的资源。

    相比日本,拥有广袤海洋资源的加拿大可谓在这方面先行一步。他们通常采用“降压”的方法开采此类冰冻资源,即先在冰层中打许多很深的孔,然后借助大量抽水机降低打孔带来的重压,从而让有用的甲烷气体从海水中分离出来,慢慢浮至人力便于提取的深度。日加两国科学家决定合作,采用这个最有效的办法开采本州岛附近海域发现的资源。日本政府很快同意了这个开采方法,先期的演练工作已在今年4月完成,其余各项测试将在2008年初完成。

    开采面临许多未知威胁

    向日本招手的除了巨大能源,还有很多看不见的危险。比如,在“降压”方法的第三个步骤,降压让大量的甲烷气体慢慢浮上海面,这些温室气体的出现会对全球气温造成什么样的影响还不得而知。日本政府也对此表示,他们一直高度重视环境的保护问题,绝不会为了能源牺牲环境,他们已安排许多先期测试以防万一。这还是开采成功后的顾虑,在开采过程中依然有许多未知威胁。科学家们提醒日本政府在开采中必须警惕海底的海沟崩塌。表面平静的海洋底下究竟在进行着哪些变化,人们还没有完全搞清楚。如果开采中一个不小心造成目标海沟坍塌或是类似于泥石流的灾难,不仅会给开采国带来巨大人力、财力损失,由此泄露的大量温室气体更会让世界担忧。此外,大规模地在海底钻孔、安置各种设备无疑会让鱼类远离海岸,生活在海边的渔民们的收入自然会受到不小的影响。日本的渔民已经表达了这样的担忧。

    参考资料/海底可燃冰 编辑

    1、http://www.china5e.com/news/newpower/200511/200511170042.html
    2、http://www.xian.cgs.gov.cn/wenhuaziyuan/2007/0423/content_607.html

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