冰與火的完美結(jié)合

王晨陽

化石能源的現(xiàn)狀

作為人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，煤炭、石油、天然氣等能源支撐了19世紀(jì)以來人類文明的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。目前，人類對化石能源還情有獨鐘。然而，化石能源的不可再生性和人類對其的巨大消耗，使其正在逐漸走向枯竭。

據(jù)估計，全世界最終可采石油儲量為3萬億桶，世界石油產(chǎn)量的頂峰將在2030年出現(xiàn)。由于剩余儲量開采難度增大，石油產(chǎn)量會快速下降。世界煤炭總可采儲量大約為8475億噸，從長期來看，盡管世界煤炭可采儲量相對穩(wěn)定，但還是出現(xiàn)了下降的趨勢。按當(dāng)前的消費水平，最多也只能維持200年左右的時間。世界天然氣儲量大約為177萬億立方米，如果年開采量維持在2.3萬億立方米，則天然氣將在80年內(nèi)枯竭。

自2007年起，中國已成為世界第二大能源生產(chǎn)國和消費國。2018年，中國全年原油進(jìn)口量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的4.619億噸，連續(xù)兩年成為全球最大原油進(jìn)口國。能源資源的匱乏和日益增長的消費已經(jīng)嚴(yán)重影響到中國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

化石能源的利用，也是造成環(huán)境變化與污染的關(guān)鍵因素。煤炭和石油的使用產(chǎn)生大量的二氧化碳、二氧化硫、氮化物、懸浮顆粒物及多種芳香烴化合物，已對一些國家的城市造成十分嚴(yán)重的污染，同時這也是中國大氣污染的主要來源。大氣污染不僅導(dǎo)致生態(tài)的破壞，而且危害人體健康。歐盟由于大氣污染造成的材料損壞、農(nóng)作物和森林以及人體健康損失費用每年超過100 億美元;中國僅大氣污染造成的損失每年高達(dá)120億元人民幣。由于化石能源在使用過程中會新增大量溫室氣體（CO2），同時可能產(chǎn)生一些有污染的煙氣，威脅全球生態(tài)，因此開發(fā)更清潔的能源是今后發(fā)展的方向。可燃冰就是其中一種。

石油、煤炭等化石能源正在走向枯竭

冰與火的完美結(jié)合

這是一種特殊的冰，雖然溫度很低，但是一遇到火種便會熊熊燃燒，形成“冰火交融”的自然奇觀。真可謂是冰與火的完美結(jié)合。這種冰有自己獨特的形成條件和儲藏位置，或埋藏于陸上永久凍土層中，或深潛于深達(dá)千米的海底。它是什么？它就是天然氣水合物，俗稱“可燃冰”。它的分子結(jié)構(gòu)是以甲烷為主的有機(jī)分子被包在水分子組成的“籠子”里，這是因為當(dāng)甲烷分子在海底低溫高壓環(huán)境下，遇到水分子就會形成一種籠狀化合物。

研究發(fā)現(xiàn)，1立方米的可燃冰可以分解為164立方米的甲烷，它燃燒后只會產(chǎn)生二氧化碳和水，不會留下固態(tài)殘渣，也不會產(chǎn)生有害氣體，是一種燃燒值高、清潔無污染的新型能源，分布廣泛而且儲量巨大。

2017年5月18日，中國在南海北部神狐海域進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功，這個事件具有里程碑的意義。未來如果能夠大規(guī)模開采這種儲量豐富、高能量密度的能源，將有助于緩解能源危機(jī)。

確認(rèn)可燃冰的存在

化石能源的利用是造成環(huán)境變化與污染的關(guān)鍵因素

1934年，美國人哈默·施密特（Hammer Schmidt）在被堵塞的輸氣管道中發(fā)現(xiàn)了可以燃燒的冰塊，這是人類首次發(fā)現(xiàn)“甲烷氣水合物”。自然界中真有像冰一樣的“天然氣水合物”嗎？1946年，蘇聯(lián)學(xué)者斯特里諾夫認(rèn)為：只要有合適的溫度和壓力，自然界必定會有天然氣水合物的形成！不僅能夠形成，而且還能夠聚集成為“天然氣水合物礦藏”！比如，處于極冷的地區(qū)或壓力足夠高的地下，就可能形成“天然氣水合物礦藏”！

清潔能源是未來能源的發(fā)展方向

1968年，蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家在一年四季都冷風(fēng)刺骨的西伯利亞麥索雅哈發(fā)現(xiàn)了“天然氣水合物礦藏”;1972年，美國人首次在阿拉斯加冰膠結(jié)的永凍層中采到天然氣水合物的樣品。西伯利亞和阿拉斯加常年凍土，風(fēng)雪嚴(yán)寒，自然具有形成“天然氣水合物”的極冷條件。

1968年，美國“地球深部取樣海洋研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合體（JOIDES）”實施深海鉆探計劃（DSDP），其目的是在世界大洋打大量不太深的鉆井，采集沉積巖心，取得洋底地殼上層的資料。執(zhí)行任務(wù)的挑戰(zhàn)者號鉆探船上的地球物理學(xué)家為此進(jìn)行了大量的地震勘探，卻發(fā)現(xiàn)地震波反射剖面上出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象：原本是一層層有序的、向深部速度呈遞增的波列，現(xiàn)在卻出現(xiàn)了與海底平行的波列、淺部高速度疊置在深部低速度層上的波列，出現(xiàn)了海底某一段沒有反射的“空白”波列—這些被地球物理學(xué)家稱為“似海底反射層”的怪現(xiàn)象，引起了海洋地質(zhì)學(xué)家的懷疑：淺部的高速度層，會不會是被海底低溫的冰凍結(jié)的地層？會不會是成層狀的可燃冰？

看.可燃冰在燃燒

1979年，美國挑戰(zhàn)者號執(zhí)行深海鉆探計劃第66、67航次，開赴中美洲海槽，找到了存在“似海底反射層”這一怪現(xiàn)象的海域，打鉆的結(jié)果是看到了科學(xué)家們期待已久的可燃冰的倩影！這使科學(xué)家們確信，只要有“似海底反射層”這一怪現(xiàn)象存在的海域，就可能存在著可燃冰。1981—1986年間，DSDP第84、96、112航次在秘魯海槽、南墨西哥濱海帶、危地馬拉濱海帶等地發(fā)現(xiàn)了可燃冰的存在;1990—1993年間，又在太平洋西岸、美國西海岸、日本濱海、日本南海海溝等地發(fā)現(xiàn)了可燃冰的存在。

試采成功 意義重大

試開采出的可燃冰正在熊熊燃燒

中國從1999年開始可燃冰的勘察。經(jīng)過近20年的不懈努力，2017年首次海域可燃冰試采成功，突破了深海淺軟地層可燃冰開發(fā)的難題，并連續(xù)試開采60天，累計產(chǎn)氣超過30萬立方米，取得了持續(xù)產(chǎn)氣時間最長、產(chǎn)氣總量最大、氣流穩(wěn)定、環(huán)境安全等多項重大突破性成果，創(chuàng)造了產(chǎn)氣時長和總量的世界紀(jì)錄。中共中央、國務(wù)院對海域天然氣水合物試采成功發(fā)來賀電，賀電稱：“天然氣水合物是資源量豐富的高效清潔能源，是未來全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。經(jīng)過近20年不懈努力，我國取得了天然氣水合物勘察開發(fā)理論、技術(shù)、工程、裝備的自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了歷史性突破。這是我國在掌握深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得的重大成果，是中國人民勇攀世界科技高峰的又一標(biāo)志性成就，對推動能源生產(chǎn)和消費革命具有重要而深遠(yuǎn)的影響。”

美國挑戰(zhàn)者號

可燃冰分布區(qū)

知識鏈接：

可燃冰分布區(qū)

目前世界上已發(fā)現(xiàn)的海底天然氣水合物主要分布區(qū)有大西洋海域的墨西哥灣、加勒比海、南美東部陸緣、非洲西部陸緣和美國東岸外的布萊克海臺等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千島海溝、日本海、四國海槽、日本南海海槽、沖繩海槽、南海、蘇拉威西海和新西蘭北部海域等，東太平洋海域的中美海槽、加州濱外、秘魯海槽等，印度洋的阿曼海灣，南極的羅斯海和威德爾海，北極的巴倫支海和波弗特海，以及大陸內(nèi)的黑海與里海等。全球的可燃冰98%分布在海洋的沉積物當(dāng)中，2%分布在永久凍土帶。

據(jù)統(tǒng)計，全世界海底天然氣水合物中儲存的甲烷總量約為1.8×108億立方米，約合11萬億噸，是當(dāng)前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳含量總和的2倍，其儲量之大，分布面積之廣，是人類未來不可多得的能源，是人類未來動力的希望。

（責(zé)任編輯/岳萌 ?美術(shù)編輯/胡美巖）

中國可燃冰試采平臺藍(lán)鯨1號