可燃冰 沉睡的清潔能源

方念喬 巴黎居里大學(xué)理學(xué)博士，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院院長，中國地質(zhì)大學(xué)海洋地學(xué)研究中心主任，國土資源部巖石圈構(gòu)造和動力學(xué)開放實驗室主任等。多次參加國內(nèi)外組織的海洋科學(xué)調(diào)查，航跡遍及西太平洋、西印度洋、北大西洋、北冰洋以及南中國海、日本海、鄂霍次克海等邊緣海，在東特提斯巖石圈演化、中國東部地區(qū)層序地層學(xué)和海平面變化、印度季風(fēng)區(qū)海陸對比、邊緣海構(gòu)造演化和油氣資源效應(yīng)等領(lǐng)域的研究中取得重要成果。

今年9月25日，中國在青海省祁連山南緣永久凍土帶鉆獲可燃冰樣品;10月18日，我國第一艘天然氣水合物(俗稱“可燃冰”)綜合調(diào)查船——“海洋六號”在廣州正式加入我國海洋地質(zhì)調(diào)查行列。這標(biāo)志著我國海洋地質(zhì)調(diào)查裝備進入國際先進行列。一時間，“可燃冰”這個新鮮的名詞再度成為大家熱議的話題?！翱扇急钡降资且环N什么樣的物質(zhì)?我們可以在哪里找到它?人類未來將如何利用它?為此，記者采訪了中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院院長方念喬，他一一直陳了自己的看法。

可燃燒的“冰”

方念喬院長介紹說，“可燃冰” 學(xué)名叫“天然氣水合物”或者“(甲烷)氣水合物”，是由水和天然氣在高壓、低溫條件下混合而成的類冰的、籠形結(jié)晶化合物。外貌極像冰雪或固體酒精，點火即可燃燒，因此被俗稱為可燃冰。

天然氣水合物中通常含有大量甲烷或其他碳氫氣體，燃燒產(chǎn)生的能量比同等條件下煤、石油、天然氣所產(chǎn)生的更多，而且燃燒后幾乎不產(chǎn)生任何殘渣或廢棄物，僅會生成少量的二氧化碳和水，污染比上述能源要少，因此被業(yè)界認為是“后石油時代”的高效、清潔的優(yōu)質(zhì)能源。高壓、低溫是這種能源形成和保存的必要條件，較深的海底和永久凍土層因滿足上述條件而成為它賴以分布的最佳場所。

青海鉆獲可燃冰

上世紀末中國圍繞可燃冰的研究開始起步，最初的工作屬于跟蹤。其后有關(guān)部門加大投入，捷報頻傳:2007年5月首次在南海北部海域神狐地區(qū)獲得可燃冰樣品;今年9月25日，又宣布在青海省祁連山南緣永久凍土帶鉆獲可燃冰樣品。所謂好事成雙，我國就這樣在短短的一兩年內(nèi)，成為令人歆羨的在海、陸兩大區(qū)域都發(fā)現(xiàn)可燃冰的潛在的勘探開發(fā)遠景區(qū)。

方念喬院長分析，中國雖不像加拿大、俄羅斯和美國的阿拉斯加那樣地處冰天雪地的高緯地帶，然而青藏高原作為地球第三極，同樣為陸上可燃冰的形成與儲藏準備了必要條件。中國凍土區(qū)面積約215萬平方千米，是世界第三大凍土國，除東北漠河盆地外，主要分布在青藏高原。祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)可燃冰的意義，在于它向我們釋放出一個可燃冰存在于我國多種地質(zhì)地理單元的重要信號，啟示我們充分利用自己國家的廣袤疆域和豐富地貌，開展大規(guī)模的野外勘察和深入的基礎(chǔ)研究，為開發(fā)可燃冰這種新型能源找到更多的途徑。

海底“可燃冰”:夠用1000年?

“我是搞海洋的，對海洋的礦產(chǎn)資源問題更加敏感。”方院長笑著說，“在我看來，海底環(huán)境對于可燃冰的形成和儲存，應(yīng)該擁有更優(yōu)越的條件。其一，海底適于可燃冰存儲的區(qū)域面積更大;其二，水深和海底溫度這些基本的溫壓條件相對穩(wěn)定，即使溫室效應(yīng)、全球變暖這類重大的環(huán)境變化也不會對它們短期內(nèi)形成破壞?；蛟S還有第三，”方院長補充，“大陸邊緣海底是世界上最活躍的沉積區(qū)，提供的氣源類型更多，數(shù)量更大?！?/p>

科學(xué)家估計，海底之下1000米范圍內(nèi)是可燃冰的富集地帶，其分布面積達4000萬平方千米，較4個中國的陸上面積還大。

通常的說法是，可燃冰全球儲量是現(xiàn)有天然氣、煤炭、石油等全部化石類能源儲量的2倍。有的科學(xué)家甚至樂觀地預(yù)測，海底可燃冰的儲量夠人類使用1000年，這種新型能源一旦得到開采，將使人類的燃料使用史延長10個世紀以上?！霸谡莆沾_切的資料之前，我從來不作這類估價”，方院長說，“但是，客觀地說，海底滿足可燃冰分布的條件實在太普遍了，我們有理由對利用這類能源的遠景持樂觀態(tài)度?！睋?jù)方念喬院長說，0°C～10°C和>100MPa的溫壓封閉區(qū)，小于60°C/千米的正常地溫梯度，有機碳供應(yīng)比較豐富，沉積速率大于30cm/千年，再加上有一些斷裂之類的輸氣通道，可以說可燃冰形成與分布的基本條件就具備了。貼近大陸與海島的半深海區(qū)，大多符合上述條件，只要工作到位，發(fā)現(xiàn)可燃冰并非難事。問題是，可燃冰形成易、富集難，特別是對外部條件變化的反應(yīng)異常敏感。漸新世(距今3千萬年前)以前的老地層中不大可能保留這種資源。一般情況下對成礦比較有利的長時間的地質(zhì)作用，對可燃冰的保存與聚集反而構(gòu)成不利條件，這些都應(yīng)該引起我們的注意。

可燃冰研究方興未艾

對于可燃冰的研究歷史與現(xiàn)狀，方念喬院長做了詳細介紹。他說，可燃冰最早于19世紀晚期由英國人在實驗室合成，20世紀30年代其天然沉淀物被美國人在輸氣管道中發(fā)現(xiàn)，直到1968年和1972年作為自然條件下的能源物質(zhì)被蘇聯(lián)人和美國人分別在西伯利亞與阿拉斯加所發(fā)現(xiàn)，其間歷經(jīng)近百年的歷程，可謂路漫漫兮。然而自上世紀70年代起，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)識別天然氣水合物的良好的地球物理標(biāo)志——BSR，即我們常說的在地震反射剖面上與地層反射波斜交、與海底反射波平行的似海底反射層，為在海洋迅速開展大規(guī)?？扇急{(diào)查準備了必要條件。當(dāng)時，深海鉆探計劃(DSDP)正在執(zhí)行過程當(dāng)中，科學(xué)家利用深海鉆探技術(shù)日益成熟的有利時機，于上世紀80年代在美洲海岸鉆到一些可燃冰樣品。從那時起，有關(guān)可燃冰的勘探與研究進展迅速，在國際上掀起一波又一波的熱潮。

最近20年來，可燃冰的調(diào)查與研究主要沿著兩條并行的軌道前進。一方面是廣泛的國際合作，以DSDP的后續(xù)計劃ODP(大洋鉆探計劃)和IODP(整合大洋鉆探計劃)為代表，在世界海域的多個站位取得大量可燃冰實物樣品，不僅在其物質(zhì)組成、形成機理、環(huán)境特征、識別標(biāo)志等方面取得豐碩的研究成果，而且將“氣體水合物”列入新世紀大洋鉆探的優(yōu)先研究領(lǐng)域;另一方面則是各國政府與管理部門，從國家層面制訂戰(zhàn)略，組織力量，為滿足國家的能源需求而將可燃冰作為潛在的替代性能源，推進對它的調(diào)查工作和勘探開發(fā)計劃。

目前，世界上調(diào)查發(fā)現(xiàn)的可燃冰礦點共有100多處。美、俄、荷、德、加、日等眾多國家探測可燃冰的目標(biāo)和范圍已覆蓋了世界上幾乎所有大陸邊緣的重要潛在遠景地區(qū)，以及高緯度-極地永久凍土帶等。 雖然從商業(yè)開發(fā)角度，只有上世紀70年代蘇聯(lián)的麥索亞哈可燃冰礦田的運作比較成功，但是可以預(yù)見，隨著更多可燃冰礦田的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)技術(shù)日臻完善，可燃冰這種清潔、高效的新型能源一定會在不遠的將來為人類造福。

“其實，開展水合物研究，”方院長補充，“我們還不能把眼光僅僅局限在它的資源意義上。根據(jù)地質(zhì)記錄，大約5500萬年前，整個地球發(fā)生了一次大的增溫事件，給當(dāng)時的生物圈造成巨大創(chuàng)痛，據(jù)有些專家研究，就是海底失穩(wěn)造成大量可燃冰釋放所引起的。所以，水合物開發(fā)是件大事，需要慎重對待，以免破壞環(huán)境。我們前面說過，可燃冰的存在可能比我們預(yù)想的更要廣泛，同時它們的存在條件又比較的嚴苛和脆弱，一旦狀態(tài)發(fā)生變化，可能嚴重毀壞原有環(huán)境。事實上，現(xiàn)在一些石油企業(yè)和海洋工程建設(shè)單位，在構(gòu)建生產(chǎn)和施工規(guī)劃時，已把對水合物的調(diào)查列入安全規(guī)范。對此，我們應(yīng)該給以足夠的重視?！?/p>

中國可燃冰研究起步晚，動力足

方念喬院長介紹，我國對可燃冰資源的調(diào)查研究較之西方國家雖然起步較晚，但是由于政府和學(xué)界的高度重視，并沒有被甩下太遠的距離。目前，國家專項、“973”、“863”等眾多國家級項目構(gòu)成我國可燃冰資源調(diào)查與研究的支撐點，中國地調(diào)局、中科院、教育部、國家海洋局等部門及其下屬單位和能源領(lǐng)域的大型企業(yè)積極參與，取得許多優(yōu)秀成果。前面提到的南海和青?？扇急陌l(fā)現(xiàn)就是這些成果的集中體現(xiàn)。

南海作為我國最大的邊緣海盆，是在大西洋型被動陸緣背景下破裂生成并在歐亞板塊、太平洋板塊、菲律賓板塊、印度-澳大利亞板塊聯(lián)合作用下發(fā)育而來的。南海內(nèi)部構(gòu)造條件復(fù)雜，盆地類型多樣，無疑屬于可燃冰資源的有利遠景區(qū)。當(dāng)前，在淺海陸架區(qū)勘查與研究可燃冰是IODP的新計劃，加拿大、印度等國對此也進行過有益探索，依此類推，我國東海、黃海等水域也有進一步開展工作的必要。我們面臨著更大挑戰(zhàn)。

最近，承擔(dān)國家天然氣水合物重大調(diào)查任務(wù)的廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局與海洋學(xué)院共建天然氣水合物勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，國土資源部總工程師張洪濤教授參加和指導(dǎo)揭牌儀式，這為我們今后的工作增添了新的動力。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)可以憑藉在地學(xué)基礎(chǔ)方面的綜合優(yōu)勢，在地震剖面彈性參數(shù)識別、微生物標(biāo)志、沉積特征、快速地球化學(xué)勘查等方面對可燃冰的研究作出重要貢獻。

可燃冰:我國未來的替代能源

說起我國的能源結(jié)構(gòu)，方念喬院長說出了一串?dāng)?shù)字。自1993年開始，我國成為石油凈進口國;2003年起至今，我國已連續(xù)多年成為繼美國之后的世界第二大石油消費國。2006年，我國石油進口量為1.45億噸，對進口石油的依存度已達47%左右，隨著我國經(jīng)濟規(guī)模的日益擴大，石油消費量、進口量還將持續(xù)攀升，對進口石油的依賴程度還會逐年增加，據(jù)中國社科院等機構(gòu)預(yù)測，到2010年我國每年的石油缺口將超過2億噸，對進口石油的依存度將超過50%。這種局面如果得不到改變，不僅會極大地提高我國經(jīng)濟發(fā)展的成本，還會在戰(zhàn)略層面影響國家的能源安全。從我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)來看，在一次性能源消費結(jié)構(gòu)中，75%來自煤炭，油氣僅占19.3%(其他5.7%)，而相比之下，美國煤炭僅占24.3%，油氣占66.1%(其他9.6%)。相對煤及石油而言，可燃冰是一種更為清潔高效的替代能源，開發(fā)可燃冰，增加天然氣產(chǎn)量，將可能從根本上改善我國的能源供應(yīng)形勢，對于改變我國能源結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀，減少大量燃煤造成的嚴重環(huán)境污染，也有著極為重要的經(jīng)濟和現(xiàn)實意義。此外，從環(huán)保及預(yù)防海底地質(zhì)災(zāi)害的角度考慮，避免水合物泄漏造成的溫室效應(yīng)加劇及海底滑坡，也要求必須預(yù)先探明海底賦存的水合物資源情況以采取必要的防范措施。

可燃冰:

21世紀最有希望的戰(zhàn)略能源

到目前為止，由于可燃冰的開發(fā)技術(shù)還不夠成熟，開發(fā)成本相對較高，對環(huán)境的影響及運輸、儲存問題也沒有完全解決，可燃冰的商業(yè)性開采尚未進行。總體上看，短期內(nèi)也難以見到從可燃冰中有重大的世界范圍的天然氣生產(chǎn)，但在世界能源資源日益枯竭的形勢下，受近幾年石油價格居高不下的刺激，各國政府對新型替代能源高度重視，對可燃冰的科研經(jīng)費投入持續(xù)增加，可燃冰開發(fā)的一系列技術(shù)問題有望很快取得突破，在不久的將來，有可能實現(xiàn)商業(yè)性開采，使之真正成為本世紀的新型能源。對特定的國家，如能源極度匱乏的日本和經(jīng)濟高速發(fā)展的中國、印度而言，天然氣水合物對滿足日益增長的國內(nèi)能源需求是至關(guān)重要的。在這些國家實現(xiàn)商業(yè)化開采的進程可能更快，在可以預(yù)見的未來，甚至在5-10 年內(nèi)就會變成一種關(guān)鍵的天然氣供給源，因而具有廣闊的市場前景。