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什么是可燃冰?
可燃冰,学名天然气水合物,其化学式为CH4·8H2O。“可燃冰”是未来洁净的新能源。它是天然气的固体状态(因海底高压),它的主要成分是甲烷分子与水分子。它的形成与海底石油的形成过程相仿,而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中,厌气性细菌把有机质分解,最后形成石油和天然气(石油气)。其中许多天然气又被包进水分子中,在海底的低温与压力下又形成“可燃冰”。这是因为天然气有个特殊性能,它和水可以在温度2~5摄氏度内结晶,这个结晶就是“可燃冰”。因为主要成分是甲烷,因此也常称为“甲烷水合物”。在常温常压下它会分解成水与甲烷,“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。外表上看它像冰霜,从微观上看其分子结构就像一个一个由若干水分子组成的笼子,每个笼子里“关”一个气体分子。目前,可燃冰主要分布在东、西太平洋和大西洋西部边缘,是一种极具发展潜力的新能源,但由于开采困难,海底可燃冰至今仍原封不动地保存在海底和永久冻土层内。
早在1778年英国化学家普得斯特里就着手研究气体生成的气体水合物温度和压强。1934年,人们在油气管道和加工设备中发现了冰状固体堵塞现象,这些固体不是冰,就是人们现在说的可燃冰。1965年苏联科学家预言,天然气的水合物可能存在海洋底部的地表层中,后来人们终于在北极的海底首次发现了大量的可燃冰。
可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时,较古老的海底地壳会下沉到地球内部,海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下,天然气与海水产生化学作用,就形成水合物。
“可燃冰”的形成有三个基本条件:首先温度不能太高,在零度以上可以生成,0-10℃为宜,最高限是20℃左右,再高就分解了。第二压力要够,但也不能太大,零度时,30个大气压以上它就可能生成。第三,地底要有气源。因为,在陆地只有西伯利亚的永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态,而海洋深层300-500米的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。因此,其分布的陆海比例为1∶100。
有天然气的地方不一定都有“可燃冰”,因为形成“可燃冰”除了压力主要还在于低温,所以一般在冰土带的地方较多。长期以来,有人认为我国的海域纬度较低,不可能存在“可燃冰”;而实际上我国东海、南海都具备生成条件。
东海底下有个东海盆地,面积达25万平方公里。经20年勘测,该盆地已获得1484亿立方米天然气探明加控制储量。尔后,中国工程院院士、海洋专家金翔龙带领的课题组根据天然气水化物存在的必备条件,在东海找出了“可燃冰”存在的温度和压力范围,并根据地温梯度、结合东海地质条件,勾画出“可燃冰”的分布区域,计算出它的稳定带的厚度,对资源量做了初步评估,得出“蕴藏量很可观”结论。这为周边地区在新世纪使用高效新能源开辟了更广阔的前景。
随着研究和勘测调查的深入,世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加,1993年海底发现57处,2001年增加到88处。据探查估算,美国东南海岸外的布莱克海岭,可燃冰资源量多达180亿吨,可满足美国105年的天然气消耗;日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用100年以上。
可燃冰有望取代煤、石油和天然气,成为21世纪的新能源。科学家估计,海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%,相当于4000万平方公里,是迄今为止海底最具价值的矿产资源,足够人类使用1000年。但在繁复的可燃冰开采过程中,一旦出现任何差错,将引发严重的环境灾难,成为环保敌人--首先,收集海水中的气体是十分困难的,海底可燃冰属大面积分布,其分解出来的甲烷很难聚集在某一地区内收集,而且一离开海床便迅速分解,容易发生喷井意外。更重要的是,甲烷的温室效应比二氧化碳厉害10至20倍,若处理不当发生意外,分解出来的甲烷气体由海水释放到大气层,将使全球温室效应问题更趋严重。此外,海底开采还可能会破坏地壳稳定平衡,造成大陆架边缘动荡而引发海底塌方,甚至导致大规模海啸,带来灾难性后果。目前已有证据显示,过去这类气体的大规模自然释放,在某种程度上导致了地球气候急剧变化。8000年前在北欧造成浩劫的大海啸,也极有可能是由于这种气体大量释放所致。
我国作为世界上最大的发展中的海洋大国,我国能源短缺十分突出。我国的油气资源供需差距很大,1993年我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,也是开发我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。
我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化学标志,这表明中国海域也分布有天然气水合物资源,值得我们开展进一步的工作;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,我国在北京举行中国地质博物馆收藏我国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式,宣布我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我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。
2017年5月,中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。5月18日,中共中央、国务院向参加这次任务的全体参研参试单位和人员,表示热烈的祝贺。
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