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南海海域发现冷泉系统(水合物远景区)-多学科联合攻关与集体智慧的结晶
2010-11-29 | 编辑:颜 文(海洋环境地球化学学科组) | 【  】【打印】【关闭

水合物研究团队 于2003年中科院广州天然气水合物研究中心成立之际组建的。该团队的主要骨干成员有颜文、阎贫、陈忠、刘海龄、王淑红等,全部具有博士学位,平均年龄38岁,研究领域涉及地球物理、地球化学、矿物学、海洋构造、海洋环境等多个专业。近几年来在南海天然气水合物的野外调查和研究中做了大量工作,取得了一系列重要创新性成果,如南海东沙西南海域冷泉系统的发现、琼东南水合物远景区的进一步确认、南海天然气水合物储库变化及其环境效应思想的提出和应用等。在短短3年时间内发表有关水合物方面的SCI(EI)论文10多篇,有关成果还获得过2006年度中国石油化工协会科学技术二等奖。其中东沙西南海域冷泉碳酸盐结核的发现被《科学通报》和《天然气地球科学》作为封面论文进行了详细报道,《科学时报》、《羊城晚报》和《中国海洋报》等国内媒体也在显要位置做了报道和评述。

天然气水合物是二十一世纪的新型洁净能源。中科院南海海洋所海洋地质研究室水合物研究团队于2005年和2006年的南海北部开放航次中,在东沙群岛西南部海域首次发现并在30平方公里范围海域的多个站位采集到天然气水合物的重要标志产物—冷泉碳酸盐结核以及伴随的自养生物,同时还发现与天然气水合物密切相关的现代甲烷冷泉活动,初步证实并圈定了该海域是一个典型的冷泉系统,也即是潜在的渗漏型天然气水合物远景区,这是我国天然气水合物调查和研究的重要新进展。可喜的是,时隔仅仅一年,中国地质调查局自豪地向新闻界和全社会宣布:在该海域附近成功采获天然气水合物实物样品!这是中国水合物调查和研究的里程碑,也使我们的上述发现和水合物调查成果得到检验和证实,并为今后在南海开展水合物成藏理论和冷泉极端环境效应研究提供了试验场所。

一、天然气水合物调查和研究的重要性和紧迫性

随着我国经济的快速发展,对油气资源的需求正在急剧增加,油气产量已远远不能满足经济发展的需求。1993年我国已成为石油纯进口国,近几年的原油年进口量已过亿吨,并呈加速增长的趋势。按目前的发展趋势,2010年石油进口约占需求的50%,2020年达到58%,到2015年天然气供需缺口约达23%,供给与需求之间存在一个巨大的缺口,且越来越大,能源形势相当严峻,并严重影响到我国国民经济的健康平稳发展,威胁国家安全。因此,解决我国的能源短缺、寻找新的替代能源不仅是当务之急、而且是一项长期的国家能源战略任务。

天然气水合物又称为“可燃冰”,目前在世界多处海域已采到天然气水合物实物样品,其潜在资源量最乐观地估计是目前石油、煤等化石资源量的两倍,具有巨大的能源开发前景,被认为是本世纪的新型能源资源,引起了世界各国尤其是发达国家及能源短缺国家的高度重视,如美国、日本、德国、印度、加拿大等都制定了各自的天然气水合物研究开发计划,正在加紧调查、开发和利用研究。美国政府顾问马克斯预言:“天然气水合物将可能改变现在的地缘政治模式,美国、日本、印度等国家可能实现能源自给,这一事件强烈影响着国际事务及对外政策,……,一旦天然气水合物被开发利用,现存的世界能源市场将彻底改变”。

同时,天然气水合物与地球环境密切相关。一方面,天然气水合物是一种洁净能源,其主要气体组成是甲烷,合理开发和利用水合物天然气资源,将会极大减轻当前传统能源消费所带来的环境污染等负面影响;另一方面,已有研究表明,在地质历史时期曾发生过多次海底天然气水合物的突然分解释放所导致的全球性气候、环境的突变和灾害。因此,天然气水合物的研究不仅具有重要的能源战略意义、也具有重要的环境意义。

二、克服困难,多学科会诊,确定重点攻关目标

基于天然气水合物的能源、环境和战略意义,我国政府和科技界也非常重视天然气水合物的勘探开发和相关的科学研究。自20世纪90年代末以来,国家有关部门陆续立项开展相关的研究,并于2002年开始实施国家专项进行海洋天然气水合物资源调查评价。中国科学院作为科学研究的国家队,也启动了多个有关天然气水合物的知识创新重要方向项目,并于2003年在广州成立了中国科学院天然气水合物研究中心,重点围绕我国海域特别是南海天然气水合物的成藏理论、找矿识别方法、开采模拟技术等重要问题进行多学科综合研究和重点攻关。

海洋科学研究具有其自身的复杂性,尽管国内有关单位经过多年的调查和研究,许多科学家也认为,南海北部大陆边缘受欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块运动相互制约,形成了断裂地块和沉积了丰富的有机质,具有天然气水合物聚集、储藏的有利场所和充足物源,实际也是我国近年来天然气水合物调查和研究的重点海域,但由于几年的努力下来一直没有采集到天然气水合物实物样品,曾一度也引起了一些人的疑惑:南海到底有没有水合物?如果有,究竟具体什么地方最有可能?即最有利远景区在哪里?南海海洋研究所水合物团队作为中国科学院广州天然气水合物研究中心的主要成员单位之一,主要肩负着水合物海上调查取样和找矿识别的任务,当时在整个国内水合物调查研究遇到困惑和压力,并出现不同观点和声音情况下,加上科学院的海上调查经费又十分有限,我们的水合物工作同样遇到了前所未有的难题。当时我们想得最多的是,如何走出困境,并根据我们科学院的特点和定位,在国家水合物调查和研究任务中做出我们科学院自己的贡献。首先面临的一个主要问题就是缺乏出海经费,这意味着,未能获取第一手实际资料一切等于纸上谈兵。所幸的是,就在我们最困难的时候,南海海洋研究所的领导作出了一大英明举措:从2004年开始所里自筹经费面向国内海洋科研工作者每年执行一次南海北部开放航次。这为我们水合物研究的野外调查和第一手资料的获取带来了一线希望。为了充分利用好这一机会,争取在有限的时间里获取尽可能多的资料和信息,接下来选定重点工作区域和目标是成功的关键,也是现实之举。为此,在出海前的两个月时间里,团队科研人员发挥各自的专业优势,对国外已采获天然气水合物实物的海区的地质背景资料以及南海北部已有的大量地质、构造和地球物理资料进行了重新分析、比对和讨论,经过多学科的综合判识,大家一致认为,南海北部东沙西南部海域的地温梯度不高,海底热流值低,构造断裂和泥底辟发育,气源供应快速和广泛,有利于深部的热解成因气和浅部的生物成因气在适宜场所聚集成天然气水合物,有望成为南海北部天然气水合物的最有利远景区。为此,最后我们选定了该区作为南海天然气水合物调查和研究的主要目标区域,也从此拉开了我们的发现之旅。

三、总结经验、团队协作、终有所获

任何事情都不可能总是一帆风顺,科学研究和发现更是如此。尽管我们做了充分的准备,但2004年的水合物野外调查结果却让我们深感失望,不仅没有发现水合物存在的任何蛛丝马迹,还把我们的重力采样管给折曲了。常言道,失败是成功之母,回来后经过认真总结和思考,并再次对工作区的地质背景资料进行重复研判,我们仍然认定该区域是南海北部最有可能形成水合物的远景区之一。至于这次失败的主要原因,一是受海上工作时间的限制,只在小范围内设计了少数几个站位,而且当时的出发点是急于想采集到水合物实物样品,因此只进行重力柱样的采集试验,后来由于采样设备的受损,没有多想一下就放弃了。实际上,采样管的折曲后来给了我们一个重要启示:即海底下可能存在有质硬的冷泉碳酸岩结壳或结核,因为这是世界许多已采集到水合物区的共同特征。于是在2005年的南海北部开放航次过程中,我们在同样的区域改用抓式泥斗进行采样试验。事实证明我们的分析和方法是对的,结果终于在其中的两个站位采集到相当数量的大块碳酸盐类岩石,后来经过实验室的一系列岩石、矿物和地球化学分析证明,这些岩石确实是形成于不同时代的冷泉碳酸盐结核。结核颜色多为灰黄色、灰黑色,最长达22cm,最小仅数毫米。成岩状结核分为(1)角砾状结核,(2)球状、椭球状结核和(3)烟囱状结核。半固结结核表面分布有管状蠕虫、蜂状排溢孔等现代甲烷冷泉活动的证据。碳酸盐结核的矿物组成、碳氧同位素、管状蠕虫遗迹和蜂状喷溢孔等证据,表明碳酸盐结核的成岩环境与甲烷冷泉系统直接相关,具有喷溢多期性和甲烷通量多变等特点,目前是甲烷冷泉活动期,冷泉系统正以200~600μm的孔径在喷溢。这至少说明该海区是一个目前仍在活动的冷泉系统,预示碳酸盐结核海底可能发育有浅埋藏的天然气水合物。接下来大家最关心的是冷泉区的面积到底有多大?因为仅凭2005年两个站位的结果远不足以得出结论。为此,我们把2006年开放航次的主要任务放在对冷泉区面积范围的搜索和现代指标的采集上,并再次获得可喜成果:在多个站位再次采集到冷泉碳酸盐结核样品和贝壳类生物碎片,收集到大块体结核表面的管状蠕虫,并采集了极端环境下功能基因多样性研究样品,根据结核样品的站位分布数据将冷泉区的海域面积扩大到至少30平方公里;与此同时,还与兄弟单位广州地化所的科研人员合作,在900米水深某站位现场测试发现近海底水体中的甲烷浓度强烈增高,进一步表明该区确实存在正在喷溢的甲烷冷泉活动,是指示海底下可能存在天然气水合物的又一重要证据。

在东沙西南部海域新发现的碳酸盐结核,是继在南海北部发现碳酸盐结壳、碳酸盐烟囱后,新发现的另一种类型碳酸盐岩沉积。冷泉碳酸盐结核区地温梯度不高,海底热流值低,构造断裂和泥底辟发育,气源供应快速和广泛,有利于深部的热解成因气和浅部的生物成因气在适宜场所聚集成天然气水合物,表现出构造型聚集水合物的地质特点。这种类型的天然气水合物往往具有产出集中、埋藏浅,在海底和水体中形成一系列特殊的地质、地球物理、地球化学和特异生物群落标志,但在海底一般不具有明显的似海底反射(BSR)标志,应用常规的BSR探测技术不容易发现等特征。构造型聚集水合物含量高、资源量大和采收率高、经济潜力可观,有可能成为未来天然气水合物开采的首选区。

冷泉碳酸盐结核和冷泉区的发现,是中科院南海所多年来南海北部开放航次科学考察取得的重要成果之一,也是中科院南海所和中科院广州天然气水合物研究中心在南海天然气水合物调查取样中的重要突破。碳酸盐结核区充足的气源条件和有利的构造沉积场所,以及目前正在喷溢的甲烷冷泉系统等证据表明,东沙西南部海域是潜在的天然气水合物发育区。该成果将扩大南海北部天然气水合物调查和研究的范围,加快南海北部天然气水合物调查和获取天然气水合物实物样品的进程。当时,我们就预言,通过进一步的深入工作,不久的将来,有望在该海域取得新的突破。科学的探索永无止境,虽然通过众多水合物科学工作者的共同努力,今天终于在南海采获到天然气水合物实物样品,但要把它变成服务于我们现实生活的路还很长,它的形成理论、资源量、环境效应、开采技术等一系列问题还有待我们去长期探索。2007年南海北部开放航次又即将启动,在中国科学院三期知识创新重要方向项目的及时支持下,我们将满怀更大的信心和期望继续奔赴大海、奔赴东沙西南。

 




























 
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