19世纪末,俄国科学家索科洛夫提出了另一类石油无机成因说——“宇宙成因”说。他认为,在地球还处于早期火球般熔融状态时,吸收了大量原始大气中的碳氢化合物。随着原始地球不断冷却,这些碳氢化合物逐渐凝结埋藏,并在地壳中形成石油。
1934年,被称为有机地球化学之父的Treibs,首次在石油中发现了卟啉化合物,这是被长期作为石油有机成因假说的重要证据。随后,科学家通过越来越先进的实验技术和油田原油样品的测试分析研究,使石油有机成因理论得到迅速发展。
到20世纪40~50年代,有人提出石油形成的“分子生油说”,即石油中的烃类物质是由沉积岩中的分散有机质在成岩作用早期转变而成的。
1951年,前苏联地质学家提出创立了石油无机成因的“岩浆说”,认为石油是在地球深部的岩浆作用中形成的,这些地下深处的岩浆中不仅含有丰富的碳元素和氢元素,而且含有氧、硫、氮等元素。在岩浆从高温到低温的变化过程中,这些元素进行了一系列化学反应,从而形成甲烷、碳氢化合物等系列石油化合物,进一步伴随着岩浆的侵入和喷发,这些石油化合物在地壳内部迁移、聚集,最终形成石油矿藏。
石油无机成因说曾经在20世纪30年代之前的学术界占据支配的地位;但在今天,科学的实验和实践使得石油有机成因说逐渐发展成为主导的科学学说,因为人类已经认识到:
①世界上90%以上的油气都产自沉积岩。换句话说,全世界绝大多数的油气发现都与沉积岩有关。
②油气在地壳中的出现和富集程度与地质历史上生物的发育和兴衰相关;油气储量的时代分布与地层中分散有机质及煤和油页岩等有机矿产的时代分布有关。
③在油气田中,含油气地层总是与富含有机质的地层依存相关。
④存在于石灰岩孔隙中、生物介壳中以及密闭的砂岩透镜体中的原油只可能来源于沉积的生物有机质。
⑤原油的元素组成包括微量元素组成都与有机物质和有机矿床接近。
⑥石油中检测出的卟啉、类异戊间二烯烷烃、甾萜类化合物等生物标志化合物,它们的碳骨架为生物体所特有。
⑦石油以及绝大多数天然气的碳稳定同位素组成与生物体的碳稳定同位素组成接近。
⑧石油普遍具有旋光性,这主要与含有化学结构不对称的生物标志化合物有关。
⑨模拟实验表明,可从多种有机质中提炼得到油气中的烃类物质。
⑩现代测试分析技术已从现代和古代沉积物中分离出各种原油和天然气中的烃类分子。
在有机成因说的内部也存在两种不同的观点,即早期成因说和晚期成因说。早期成因说认为,石油是由沉积物(岩)中的分散有机质在早期的成岩作用阶段经生物化学和化学作用形成的,是由许多海相生物遗留下来的天然烃的混合物,即它仅仅是生物体中烃类物质的简单分离和聚集。由于此时的有机质埋藏较浅,故也称为“浅成说”。
晚期成因说的基本思想是:进入沉积物中的生物聚合体首先在生物化学和化学的作用下,经分解、聚合、缩聚、不溶等后,随着埋深的进一步增大,在不断升高的热应力作用下,干酪根才逐步发生催化裂解和热裂解形成大量的原石油。在特定的地质条件下,这些原石油从生成它的细粒岩石中运移出来,在储集层中聚集成为油气藏。
§§§第二节能源利用新希望:可燃冰
未来新能源:可燃冰
在变幻莫测的海洋深处蛰伏着一种可以燃烧的白色结晶物质,它就是“可燃冰”。在能源危机日益加重的今天,能源困局已成为人类社会发展的绊脚石。发展探索新能源的任务迫在眉睫,无意间可燃冰进入了人们的视野,为人类未来的新能源之路带来了一线曙光。
20世纪60~90年代,科学家在南极冻土带和海底发现一种可以燃烧的“冰”,这种环保能源一度被看做是替代石油的最佳能源,但由于开采困难,一直难以启用。然而随着近年来科技水平的日新月异,随着人们对可燃冰的全面了解,相信并会取得重大突破。
世界上绝大部分的可燃冰分布在海洋里,据估算,海洋里可燃冰的资源量是陆地上的100倍以上。据最保守的统计,全世界海底可燃冰中储存的甲烷总量约为1.8亿亿立方米,约合1.1万亿吨,如此数量巨大的能源是人类未来的希望,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。科学研究表明,仅在海底区域,可燃冰的分布面积就达4000万平方千米,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。
可燃冰,学名为“天然气水合物”,是在一定条件下,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。可燃冰实际上并不是冰,而是水包含甲烷的结晶体,因为凝固点略高于水,所以呈现为特殊的结构。
由于天然气水合物中通常含有大量甲烷或其他碳氢气体,极易燃烧,外观像冰,所以被人们通俗、形象地称为“可燃烧的冰”。可燃冰的主要成分是甲烷与水分子,又称“笼形包合物”;它燃烧产生的能量比同等条件下煤、石油、天然气产生的能量多得多,而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物,污染比煤、石油、天然气等要小得多。
可燃冰被能源科学家看做是最环保的化石气体。经过燃烧后,它仅会生成少量的二氧化碳和水,并且能量巨大,是普通天然气的2~5倍。
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可燃冰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察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。
喜中有忧:可燃冰的缺点
可燃冰虽然给人类带来了广阔的新能源前景,但是它对人类生存环境也带来了严峻的挑战。天然气水合物中甲烷的温室效应远远高于二氧化碳。如果温室效应过于严重必然造成异常气候和海面上升,它们将对人类生存带来很大的威胁。另外,全球海底可燃冰中的甲烷总量远远高于地球大气中甲烷总量,如果一不小心就可能让海底可燃冰中的甲烷气逃逸到大气中,其后果真的是不堪设想。另外,固结在海底沉积物中的水合物,如果条件发生了变化就会使甲烷气从水合物中释出,同时还会导致沉积物物理性质的改变,这必将极大地降低海底沉积物所开采出来的可燃冰学特性,最终导致海底软化,出现海底滑坡,毁坏海底工程设施,如果严重的话还会危害海底输电或通信电缆和海洋石油钻井平台等设施的安全,危害非常严重。
一般情况下,可燃冰呈固态,它不会自喷流出。如果把它从海底一块块搬出,在搬运的过程中甲烷就会挥发殆尽,同时也会带来严重的大气污染。为了获取这种清洁能源,世界许多国家和地区都在研究天然可燃冰的开采方法,既保证开采的质量,更保证开采的安全。
其实,可燃冰的开发利用属于世界性的难题。通过研究,科学家发现,开发可燃冰具有非常高的危险性。如果开采不当,必然会导致严重的灾难性后果。不仅造成严重的温室效应,而且还可能导致一系列的开采事故,严重威胁人类的生命财产安全。所以,在开采过程中一定要谨慎行事。
演化更迭:可燃冰的形成
形成可燃冰的主要气体为甲烷,对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。
可燃冰是自然形成的,它们最初来源于海底下的细菌。海底有很多动植物的残骸,这些残骸腐烂时产生细菌,细菌排出甲烷;当正好具备高压和低温的条件时,细菌产生的甲烷气体就被锁进水合物中。
可燃冰大多分布在深海底和沿海的冻土区域,这样才能保持稳定的状态。然而可燃冰的形成必须具备三个基本条件,缺一不可:一是温度不能太高;二是压力要足够大,但不需太大,0℃时,30个大气压以上就可生成;三是地底要有气源。
可燃冰受它的特殊性质和形成时所需条件的限制,只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。一般来说,除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的可燃冰之外,在海底发现的可燃冰通常存在于水深300米以下,主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中,也可以散布于洋底以颗粒状出现。
从地球构造角度来说,可燃冰主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。据估计,陆地上20.7%和大洋底90%的地区,具有形成可燃冰的有利条件。绝大部分的可燃冰分布在海洋里,资源量是陆地上的100倍以上。在标准状况下,1单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,因而可燃冰是一种重要的潜在未来资源。
从化学结构来看,可燃冰是这样构成的:由水分子搭成像笼子一样的多面体格架,以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件,具有不同的多面体格架。
从物理性质来看,可燃冰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。可燃冰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,这些差别是以物探方法识别可燃冰的理论基础。
可燃冰在哪儿分布最多
可燃冰广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带,活动和被动大陆边缘的隆起处,极地大陆架及海洋和一些内陆湖的深水环境。
在能源严重短缺的今天,气水合物的地位尤为突出。这是因为:一是地壳浅部2000米以内存在着大量甲烷;二是气水合物的分布是全球性的,在地壳内有一个气水合物形成稳定带。这些稳定带是:
1.麦索雅哈河—普拉德霍湾—马更歇三角洲—青藏高原全球陆地气水合物形成带
陆地上,适合可燃冰形成的温度和压力条件的地理环境是高纬度永久冻结层(包括永冻区浅海地带)。永久冻土区包括格陵兰和南极冰川覆盖层下部,俄罗斯北部、西伯利亚和远东,加拿大马更歇三角洲,美国阿拉斯加北部斜坡,中国青藏高原。冻结层的最大厚度可达1800~2000米,最常见的是700~1000米;在永久冻土区,气水合物可以在地面以下130~2000米的深度存在。陆地地温剖面表明气水合物可能存在的深度是200米,全球陆地可燃冰存在的可能性区域:从麦索雅哈河流域到俄罗斯北部和东北部;从普拉德霍湾到整个阿拉斯加北部斜坡;从马更歇三角洲到北美北极圈;青藏高原永久冻土区域。
2.北冰洋—大西洋—太平洋—印度洋全球海洋气水合物形成带
海洋底下是可燃冰形成的最佳场所,海洋总面积的90%,具有形成气水合物的温压条件。海底沉积物和成岩作用所形成的天然气,几乎全部以水合物形式保存在沉积物中,而不是主要分散在海水中。全球海洋可燃冰存在的可能性形成带:北极海底永冻区的气水合物形成带;大西洋气水合物形成带;太平洋气水合物形成带;内海气水合物形成带。
过去对海洋气水合物中甲烷资源量的估计,因不同推测者的估算差异很大,资源量估计值的区间很宽。气水合物中的天然气量主要取决于以下5个条件:气水合物分布面积、储层厚度、孔隙度、水合指数、气水合物饱和度。