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福建莆田千亩紫菜喜获丰收
2018-10-26 13:13:56

  近日,福建省莆田市湄洲湾北岸蒋山村的2000多亩种植紫菜进入收割旺季,当地村民抢收头水紫菜。蒋山村现有200多家紫菜种植户,紫菜种植成为当地村民增收致富的主要产业。

  图为10月24日,蒋山村村民在海上收割紫菜。

作者:姜克红   来源:中国海洋报


淡化海水为海岛“解渴” ——探访山东小钦岛海水淡化应用
2018-10-16 09:23:01

  长岛是山东省唯一的海岛县,由151个岛屿组成,其中有居民岛10个,年均降水量504.7毫米,人均淡水资源占有量仅为全国平均水平的1/15,属于严重缺水地区。

  近年来,海岛开发与保护工作全面铺开,淡水资源缺乏成为制约瓶颈。

  2017年,天津海水淡化与综合利用研究所的反渗透海水淡化技术在长岛县小钦岛成功应用,实现了当地居民多年来的夙愿。

  日前,《中国海洋报》记者登上小钦岛,探访反渗透法海水淡化技术带来的新变化。

常年缺水的小钦岛

  这天,记者一大早赶到长岛客运码头,搭乘“寻仙12”船前往小钦岛。该航线在当地被称为“北五岛”,包括砣矶岛、小钦岛、大钦岛、南隍岛、北隍岛,是长山岛列岛除南、北长山岛外,主要的5座有居民海岛。

  经过近3个小时的航行,终于望见小钦岛。岛上渔民的红瓦房,背靠青山,面朝大海,别具意味。

  “一岛一乡一村”,当地人这样形容小钦岛。小钦岛距离长岛县城所在地——南长山岛约21海里,是长岛县最小的乡,面积1.14平方公里,人口不到1000人,下辖小钦岛村。

  小岛位于胶东、辽东半岛之间,扼守渤海海峡,地理位置十分重要。该岛远离大陆,无地下淡水供给,岛上居民用水困难。

  “滴水贵如油。”曾经,岛上居民以屋檐接水、路面集水、渠道拦水、平塘聚水、地窖蓄水和造林涵水等办法收集水源,吃水难题一直困扰着岛上居民。

  如今,岛上的人畜用水主要来自于两大系统——海水淡化和蓄水池。

  船舶停好后,村书记吴吉杰早已等在码头,带领记者来到海边的海水淡化厂。

  吴吉杰是土生土长的小钦岛人,说起喝苦咸水的历史,他感慨万千。“洗澡不起沫、洗衣一身碱。从我小时候,家里一旦弄到稍微好点的水,都不舍得喝,留着招待客人。”

  “虽然现在拧开自来水龙头就有水,但从小就缺水缺怕了,家里还总是接几桶水备着,以防万一。”吴吉杰笑着说。

淡化的海水滋润了小岛

    在海水淡化厂房,54岁的管理员吴世岩认真观察着海水淡化系统控制监测界面,查看淡化系统运行参数,监测各种设备的运行情况。

  茫茫海上,小钦岛居民能够喝到淡化水,全靠这个海水淡化厂。而厂里的设备已经是“第三代”了。

  吴世岩介绍,在上个世纪90年代初,小钦岛安装了第一台淡化设备,用来处理地下的苦咸水,但无法满足岛上居民生活用水的需求。

  2000年,一套每天可以淡化75吨海水的设备投入使用,基本满足了岛上居民日常饮用水的需求。可随着海岛开发对水资源需求的日益增加,加上设备年久失修,岛上水资源供需矛盾再次凸显。

  直到2017年,淡化所自主研发的海水淡化设备在小钦岛安装运行,每天可产淡水100吨,才彻底解决了岛上居民的日常用水需求。

  “这套设备很好操作,我当时学了两天就上手了。”吴世岩指着设备上的海水淡化流程图说,“使用中发现任何问题,淡化所的技术人员会及时回复解答。”

  吴世岩打开操控台,“哗哗”的水声立即传来。小钦岛海水淡化采用的是沙滩井取水方式。从沙滩井里取出的海水,经过了海床和天然海滩的过滤,海水中的颗粒物被截留,浊度低、水质好。

  记者看到,沙滩井水通过潜水泵输送到原水池,再经过砂滤和精密过滤等环节,第二次去除海水中的悬浮物,并通过高压泵打入反渗透系统,进入水箱,随即注入供水管网。

  淡化所海岛中心高级工程师黄鹏飞告诉记者,反渗透法是目前两种主流的海水淡化技术之一(另一种为热法)。反渗透膜是一种半透膜,只能透过水而不能透过盐,海水通过反渗透膜就成为了可以饮用的淡化水。这一技术具有规模灵活、装置紧凑、单一能源等特点。

  小钦岛海水淡化设备已经运行1年多。同时长山列岛多个岛屿海水淡化工程也在陆续推进,车由岛、高山岛、喉叽岛、庙岛已完成设备安装。

一举多得 前景广阔

  海水淡化厂的建成投用,不仅解决了小钦岛供水紧张问题,还能有效遏制地下水位下降趋势,涵养地下水源、改善地下水质,在应对旱情、保护海岛生态环境方面具有重要意义。

  据统计,在我国489个有居民海岛中,已探明有淡水存储或供应的294个(淡水储存和供应指有水库、水井、雨水收集设施和管道引水或船舶运水等供水方式)。截至2015年底,共有75个海岛实施了淡化水工程,形成了日产13.61万吨海水的淡化能力。

  2017年12月,国家发改委和国家海洋局联合印发了《海岛海水淡化工程实施方案》,明确提出,在“十三五”期间,重点推进100个左右海岛的海水淡化工程建设及升级改造,初步规划总规模达到日产60万吨左右的淡化功能。

  淡化所海岛中心研究员王生辉告诉记者,目前我国仍有许多有居民海岛无淡水存储及供应设施,一些边远的无居民海岛,出于特殊用途,也需要布局海水淡化工程。长山列岛海水淡化只是海岛海水淡化的一个缩影,随着海洋强国战略实施,海岛海水淡化技术将迎来更为广阔的应用空间。

记者 郭松峤


金秋秋盐收获丰
2018-10-15 18:22:07

  时下正值秋盐收获的时节,沿海多地近日开始收获秋盐。山东省无棣县共有制盐滩田210万公亩,各盐场的工作人员忙着收获秋盐,今年秋盐有望再获丰收,预计全年原盐产量可达150万吨。


  图为10月9日,山东省无棣县一盐业生产企业员工在收获秋盐。


2018年黄海北部中国对虾产量喜人
2018-09-21 11:52:34

  9月1日伏季休渔结束以后,为准确了解黄海北部中国对虾增殖情况,省水产苗种管理局于9月1日和10日先后两次组织人员赴丹东、庄河、普兰店和金普新区有关渔港、渔船了解对虾生产情况,据调查结果和渔民反映看,今年我省黄海北部中国对虾生产呈现单船产量高,持续时间长的特点,产量是近几年较好的一年。 


  黄海北部海域虽然在开捕前后受到台风“温比亚”和“苏力”的影响,但主要作业渔场中国对虾产量仍好于去年。截止9月14日,流刺网日产量100-300斤,最高日产达1000多斤;拖网兼捕日产量50-300斤,最高日产达1700多斤;坛网兼捕日产量30-100斤,最高日产300多斤。 


  调查结果显示:今年黄海北部中国对虾产量分布西部好于东部,皮口以西海域产量尤为明显,单船日产超过1000斤的情况也是近几年首次出现。9月1日经测定,拖网捕获对虾平均体长12.29cm;平均体重23.89g;流刺网捕获对虾平均体长13.02cm,平均体重30.93g;坛网捕获对虾平均体长13.02cm;平均体重21.97g。测量数据显示,今年的对虾规格略小于去年,分析原因由于今年6-7月份海水水温偏低,影响对虾生长。目前对虾价格在50-70元/斤。


首座海岛抽水蓄能电站全面投产发电
2018-08-02 11:18:21

        随着最后一台机组7月29日凌晨投入商业运行,海南首座抽水蓄能电站—海南琼中抽水蓄能电站全面投产发电。这是海南昌江核电站的配套工程,也是全国首个建在海岛上的抽水蓄能电站。电站总装机容量60万千瓦,设计年发电量10.02亿度,由南方电网公司投建。

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        该电站邻近海南负荷中心及核电送出通道,系统潮流分布合理,网损最小,主要承担海南电力系统调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等任务,有利于配合昌江核电运行,电网运行经济性和安全性优势明显。电站可降低海南电力系统火电机组年均调峰率10.87个百分点,提高系统火电年发电利用小时数374小时。同时,电站每年可节省海南电力系统火电标煤耗16.31万吨,减少二氧化碳排放约42.7万吨。图为抽水蓄能电站的上水库。 


食物价值各有千秋,不可过分“偏爱”
2018-07-24 11:27:26

        中国居民营养健康状况调查曾对江苏太仓市金星村进行过调查,起因是,这里一直被一种怪病侵扰,这里的老百姓出现头晕、乏力、胸闷等情况,严重者甚至只能卧床丧失劳动力。大家却一直无法弄清原因。经过一系列的调查,调查组认定,金星村怪病高发的主要原因就是缺铁性贫血,在太仓,贫血患病率达到61.9%,是全国平均水平的3倍还多。是什么原因导致这种结果呢?


        只吃鱼虾惹来“大祸”


        经过调查发现,村民们由于生活条件好了,又认为鱼虾是非常高档的食材,因此,在饮食上更偏向于它们,猪、牛、羊肉等就吃得较少。但在我们膳食当中,铁的主要来源是猪牛羊等畜肉类,畜肉中的铁主要以血红素铁的形式存在,消化吸收率是植物性食物中的铁的近10倍,所以,不吃畜肉,很容易造成铁元素的缺乏,从而造成缺铁性贫血。


        一味追求高档食材观念“害死人”


        其实很多地方也有相似的观念,觉得吃四条腿的,不如吃两条腿的,吃两条腿的,不如吃一条腿的,现在条件好了,当然要选高档的食材来吃!


        实际上,食物没有贵贱之分,过分偏爱某类食材,无论这类食材是高档还是低档,都会造成营养结构的失衡,从而造成营养不良,而且危害不亚于食物短缺造成的营养不良。


        禽畜肉、鱼虾营养价值各有千秋


        畜肉类:包括猪、牛、羊等,富含优质蛋白,且维生素、矿物质含量丰富,尤其是铁元素,不仅含量高,且吸收率好,是膳食中重要的铁的来源,且富含维生素 B12 对预防巨幼红细胞性贫血也有重要的作用。


        有些老年人认为吃畜肉会升高胆固醇。事实上,适量肉类,摄入的胆固醇对健康并没有影响,这是因为,人体约 2/3 以上的胆固醇是自身肝脏合成的,只有不到1/3 来源于食物。


        禽肉类:包括鸡鸭鹅等,同样富含优质蛋白,脂肪含量比较低,更易消化吸收,胆固醇较低,但铁含量并不高。


        水产类:包括鱼、虾、蟹、贝类等,也同样是蛋白质等优质来源,而且鱼类的脂肪为多不饱和脂肪酸构成,主要包含我们比较容易缺乏的 w-3 系列多不饱和脂肪酸,具有降低血脂、防治动脉粥样硬化、提高记忆力等作用。


        实际上,这几种肉类的营养价值各有千秋,并没有高低之分,所以合理的摄入才是最健康的饮食方式。


        这样吃肉才健康


        《中国居民膳食指南(2016)》推荐,成人每天平均摄入水产类 40~75 克,畜禽肉类 40~75 克,各种肉类我们都要摄入,均衡等饮食,才能保证我们的各类营养的需求。


        一般来说,对于身体健康的老年人来讲,每天摄入2-3两的肉类,是合适的比例。


        但是,如果患有高脂血症、糖尿病、肾病、心脑血管等疾病的老年人,应注意控制肉类的摄入量,遵医嘱限制部分肉类的摄入。


        食物没有高低贵贱,禽畜肉、水产都有我们需要的营养,只有均衡的饮食,才能满足我们体内各种营养需求。而一味偏爱某一种食材,后果将不堪设想!以此为鉴。


天津首个海上风电项目首批发电机并网发电
2018-07-24 11:14:57

  坐落在天津滨海新区南港工业区内的南港海上风电场一期首批5台风力发电机,日前正式并网发电。本月底前,剩余13台风机也将全部并网。


  作为华北地区最大、天津首个海上风力发电项目,这18台海上风力发电机将提供1.8亿千瓦时的年发电量,相当于天津8万户居民年用电总和,年节约标准煤6.4万吨,年减排二氧化碳量达19.2万吨。


  记者从国网天津滨海公司获悉,南港海上风电场东临渤海,2015年7月15日取得天津市发展改革委核准批复。


  “这是全球商用最大的风力发电机,风机直径132米,是普通风力发电机功率的2到3倍,具有平均发电占地面积小、单机发电效率高的特点。”国网天津滨海公司调度控制中心副主任殷旺洲介绍,安装风力发电机组18台,总容量达90兆瓦。


  同期在该风电场配套建设有110千伏升压站一座,按照170兆瓦规模设计,留有二期工程扩建空间,已经接于天津电网。


  目前,滨海新区清洁能源并网容量共计922.3兆瓦,占天津市清洁能源总装机的60.18%,清洁能源消纳率实现100%。上半年,新区清洁能源发电6.54亿千瓦时。


向阳红03船今日起航 将执行“蛟龙探海”工程相关重要任务
2018-07-17 14:18:38

        从自然资源部获悉,2018年7月14日,承担中国大洋50航次科考任务的“向阳红03”船从厦门出发,将先后前往西太平洋、东太平洋等区域开展为期约150天的大洋科学考察任务,航程约15000海里,预计2018年12月完成任务返回厦门。本航次任务经自然资源部批准,由国家海洋局第三海洋研究所(以下简称海洋三所)、中国五矿集团公司、国家海洋局第二海洋研究所(以下简称海洋二所)联合组织实施。


        自然资源部党组成员林山青、厦门市副市长张毅恭及中国大洋事务管理局、厦门市海洋与渔业局、中国五矿集团公司等单位有关领导出席起航活动并发表讲话。海洋三所、海洋二所、中国五矿集团公司、长沙矿冶研究院有限责任公司、广州海洋地质调查局、北京厘海科技有限公司、洛阳船舶材料研究所、中国科学院海洋研究所、中国地质大学(北京)、山东科技大学、吉林大学等参航单位领导、代表及参航人员家属参加起航活动。

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        自然资源部中国大洋事务管理局有关领导表示,本航次将执行我国深海战略专项“蛟龙探海”工程之深海资源勘查与开发和深海环境监测与保护的重要任务,分A段和B段,共计150天,A段由海洋三所组织实施,为期50天,主要开展中国大洋协会多金属结核合同区资源和环境调查,B段由中国五矿集团公司组织协调,具体由其内部主责单位长沙矿冶研究院有限责任公司委托海洋二所实施,为期100天,主要开展中国五矿集团公司多金属结核合同区资源和环境调查。


        A段为第一航段,主要在中国大洋协会多金属结核合同区开展资源和环境、生物多样性调查,获取合同区环境基线数据和样品,丰富对于合同区环境基线的认识,为环境参照区选划提供基础资料。B段分为第二、三航段,第二航段主要在东太平洋中国五矿集团公司多金属结核合同区开展资源和环境调查,进一步了解合同区资源概况,并初步获取环境基线;第三航段主要在东太平洋中国五矿合同区和东太平洋中国大洋协会合同区开展资源和环境基线调查。此外,还在航路开展水体放射性、海洋微塑料等海洋环境热点问题的调查。通过大洋50航次任务的执行,将切实履行我国与国际海底管理局签署的合同义务,并开展深海大洋环境保护调查研究,履行国际义务,提升我国在深海区域的话语权。


        执行本航次任务的科考队员来自海洋三所、海洋二所、中国五矿集团公司、长沙矿冶研究院有限责任公司、广州海洋地质调查局、北京厘海科技有限公司、洛阳船舶材料研究所、中国科学院海洋研究所、中国地质大学(北京)、山东科技大学、吉林大学、浙江万里学院、浙江大学、厦门大学、天津科技大学等10余家国内单位,共约160人。


        作为本航次的主要组织实施单位,海洋三所在深远海综合科学考察、深海大洋生物多样性调查与研究、深海微生物资源釆探等领域具有较强的优势,是我国最早从事深海大洋科学考察与研究的单位之一,具备良好的工作基础和历史积淀。中国五矿集团公司是中国最大、国际化程度最高的金属矿业企业,在全球金属矿业领域有着独特的全产业链竞争优势,率先打通了从资源获取、勘查、设计、施工、运营到流通、深加工的全产业链。中国五矿集团全资子企业—长沙矿冶研究院有限责任公司,作为国家综合性科研机构,一直是国家金属矿产资源开发利用科技计划项目的主要承担单位,为行业技术进步做出了突出贡献。


        海洋二所是一座学科齐全、科技力量雄厚、设备先进的综合型公益性海洋研究机构,主要从事中国海、大洋和极地海洋科学研究,海洋环境与资源探测、勘查的高新技术研发与应用。


        海洋三所和中国五矿集团公司、海洋二所领导班子高度重视本航次科考工作,抽调科研骨干成立工作小组,在中国大洋事务管理局的指导下,对航次计划、航次实施方案,进行多次论证研究。7月初,对大洋50航次所需关键设备进行了安全检查,检验并完善设备性能,为“向阳红03”顺利执行大洋50航次任务奠定扎实基础。


        执行本航次任务的科考船为4500吨级的“向阳红03”科考船,该船隶属海洋三所,于2015年底建成并投入海试工作,于2016年3月交付使用并入列国家海洋调查船队。该型科考船为中国自主设计与建造、综合观测技术能力达到国际一流的科学考察船,具备海洋动力、地质与地球物理、生物生态、海洋化学等环境综合科考能力;其总长99.8米、型宽17.2米、吃水6.0米,续航力为15000海里,定员80人;采用电力推进全回转舵桨、一级动力定位等世界先进航行及控制系统,具备轻度冰况航行能力,可以实现在全球无限航区开展海洋综合科学考察工作。


        截至目前,“向阳红03”,安全航行6万多海里。先后圆满完成全球变化与海气相互作用深海底质调查、声学环境调查和西太平洋海洋环境监测预警体系建设、中国大洋45航次等11个航次的科考任务,取得丰硕成果。此次执行的中国大洋50航次科学考察系“向阳红03”船第二次执行。


个人可到海南当“岛主”
2018-07-09 16:01:46

        科技日报 7月4日,海南省海洋与渔业厅公布《海南省无居民海岛开发利用审批办法》,明确单位或个人申请开发利用无居民海岛,应向省级海洋行政主管部门提出申请,并提交无居民海岛开发利用申请书、具体方案和项目论证报告。

        办法称,无居民海岛开发利用项目论证报告应在自然资源和生态系统本底调查基础上编制,重点论证开发利用的必要性,具体方案的合理性,对海岛及其周边海域生态系统的影响,以及对海岛植被、自然岸线、岸滩、珍稀濒危与特有物种及其生境、自然景观和历史、人文遗迹等保护措施的可行性、有效性。

        办法明确,无居民海岛开发利用的最高期限,参照海域使用权的有关规定执行:养殖用岛15年;旅游、娱乐用岛25年;盐业、矿业用岛30年;公益事业用岛40年;港口、修造船厂等建设工程用岛50年。

        值得关注的是,为完善海域、无居民海岛有偿使用制度,保护海域、无居民海岛资源,国家海洋局5日发布《关于海域、无居民海岛有偿使用的意见》,提出要完善用海用岛市场化配置制度。进一步减少非市场化方式出让,逐步提高经营性用海用岛的市场化出让比例。

        2011年4月,国家海洋局向社会公布我国第一批开发利用无居民海岛名录,涉及8省区176个海岛,单位和个人均可有偿申请当“岛主”。


“向阳红01”完成中国首次环球海洋综合科考返回青岛母港 ​
2018-06-27 11:31:58

  5月18日,我国新一代具有无限航区及全天候观测能力的海洋综合科考船“向阳红01”圆满完成中国首次环球海洋综合科学考察,顺利返回青岛母港。自然资源部党组成员林山青、航次组织实施单位国家海洋局第一海洋研究所领导、各参航单位领导等出席航次科考任务总结活动仪式。



  中国首次环球海洋综合科学考察是为贯彻落实海洋强国战略,在“十三五”期间组织的第一个融合资源、环境、气候等多学科交叉的环球综合考察航次,在我国尚属首次,这也是“向阳红01”船交付使用以来首次执行的跨洋区、至极区的综合远洋考察航次。



  中国首次环球海洋综合科学考察航次由大洋46航次(第一、二、三、五、六航段)和南极34航次(第四航段)两个部分组成,参航单位25个,参航船队员183人。向阳红01船于2017年8月28日从青岛出发,跨越印度洋、南大西洋、整个太平洋,历时263天,行程38600海里(71000余公里),航次圆满完成了大洋、极地多项科考任务,实现了资源、环境、气候三位一体的高度融合,取得了多项突破性成果,是“加快海洋强国建设”的一次重大实践,开启了我国深远海科考的历史新篇章。


山东新闻联播重磅报道海洋国家实验室“透明海洋”大科学计划
2018-06-16 10:59:17

  5月23日,山东《新闻联播》重磅报道了海洋国家实验室“透明海洋”大科学计划。


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  习近平总书记强调,要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋,推动我国海洋强国建设不断取得新成就。为更好的认识海洋,山东实施“透明海洋”大科学计划,以国家战略为驱动,以大科学平台为支撑,统筹集聚科研资源,发挥协同创新优势,助推海洋强国战略。


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  最近,海洋国家实验室正在组织实施新一轮的共享航次,这个航次将搭载多个科研单位的观测设备,于6月中旬前往西太平洋开展4500米级深海作业。像这样的共享航次,以海洋国家实验室为平台,已经组织了十多次。

海洋国家实验室学术委员会副主任、中科院院士胡敦欣说:“要通过观测你才能认识海洋。在观测的基础上,你要知道它里面有变化吗?变化这个规律是什么?我们都要预测它一下。‘透明’就是说,一看你就里面什么东西都清楚,这叫‘透明’。”


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  “透明海洋”由海洋国家实验室发起,它对研究海上运输、气候变化、渔业发展意义重大。为此,海洋国家实验室首先在太平洋、印度洋、南海等“两洋一海”区域进行布局,布置多层次的潜标、浮标观测阵。但计划刚一实施就遇到了挑战。


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  胡敦欣院士说:“到目前为止,我们国家比较先进的仪器设备,大概90%到95%以上是从国外进口的,(自主研发仪器设备)不解决,我们要从根本上发展,就有很大的阻力,比如说水下滑翔机,人家不卖给我们,西方不卖给我们,那怎么办呢?”

  围绕“透明海洋”等大科学计划,海洋国家实验室建立起海洋高端仪器设备研发、科学考察共享等多个公共平台,驻青岛的五家海洋院所、天津大学等科研团队先后入驻平台,科研人员实行双聘制。就在前不久,由海洋观测与探测联合实验室(天津大学部分)科研团队自主研发的“海燕—10000”水下滑翔机,在马里亚纳海沟下潜深度达到8213米,在彻底打破国外技术垄断的同时,还刷新了世界纪录。


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  海洋国家实验室成果转化部副部长薛钊说:“引领了我们整个海斗深渊这种学科的发展,我们海洋国家实验室作为一个综合的平台,把不同学科的科学家和技术人员,融合在一起,进行一个协同创新,为深海观测和深海开发作了一个很好的技术支撑。”


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  依托透明海洋工程实施,科研人员先后研制出4000米级、7000米级深海探测观测浮标。看得透明、还得分析明白,为此,海洋国家实验室还建成智能超算与大数据联合实验室,能够对海量的海洋观测大数据进行快速及时地分析处理,为“透明海洋”提供数据支撑。


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  胡敦欣院士说:“这几个功能实验室基本上是由青岛的五个单位(组成),我们国家实验室定位就是(服务)国家战略,要有自己核心的力量,我们从国外吸引一些能够引领海洋科学发展的人才进来,第二,从青岛以外的科学院研究所和大学里面引进一些高层次中青年科技人才和技术骨干,作为我们国家实验室的核心力量。”


热带西太平洋深海动力过程和气候效应
2018-05-15 17:34:17



习近平总书记在2016年全国科技创新大会上提出了深海三部曲:深海进入、深海探测和深海开发。探索深海不仅是实施海洋强国战略和建设海上丝绸之路的必然选择,也是维护国家海洋安全与权益、保障社会发展的战略需求。海洋中超过2000米的深海区域占到海洋总面积的84%,深海蕴藏着全球气候变化、生命起源和地球演化等重大科学前沿问题,但目前对深海的认知甚至远不如我们对浩瀚太空的了解,深海是地球上尚未被认识和开发的最后疆域。近年来深海在全球海洋气候变化中的作用得到越来越多海洋学家的重视,深海对海洋热量的再分配引起了全球变暖的停滞,深刻影响着我国的气候变异,这关乎国家安全、资源、环境、气候等方面的核心利益。

 

热带西太平洋是我国开启全球大洋研究的关键区域,涵盖我国重要战略物资运输的咽喉海峡和岛链及涉及海洋领土争端的关键海区,对我国经济社会平稳发展和国家安全保障至关重要,是我国海洋核心利益的重要组成部分。该海域具有复杂的西边界流系统和强烈的海气耦合过程,也有着全球海洋温度最高和面积最大的暖池区,是厄尔尼诺和台风等极端气候过程的主要发源地,对全球和局部气候具有极为重要的调制作用。热带西太平洋动力环境和气候研究是目前国际关注的前沿科学问题,由我国科学家发起的“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)国际合作计划被誉为“气候变率及其可预报性研究项目”(CLIVAR)计划实施20年来在西太平洋的成功范例,标志着西太平洋新一轮调查研究热潮的兴起。

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以往观测和研究侧重于对西太平洋暖池表层和次表层,对西太平洋全水体的综合环境信息知之甚少,特别是对深层水体在海洋能量和物质平衡中的作用、深海湍流混合、底层水团变异等关键过程缺乏系统观测和科学认识。深层海洋与上层海洋存在着截然不同的动力环境和机制,深海动力过程对全球气候系统年代际和更长时间尺度的变异起着决定性作用,深层环流对海洋热量的输运和再分配决定着全球气候的变化趋势。因此,在“一带一路”倡议和深海战略的实施中,在当前全球变暖的背景下,迫切需要对大洋全水层海洋动力过程进行长期、系统、综合的观测,掌握西太平洋的深层海洋环境、特别是水文和动力过程的变异规律以及其与气候变化的关联,具有毋庸置疑的重要性和紧迫性!

 

一、西太平洋深海环流系统及其动力机制

 

 在二十世纪70年代,海洋学家对赤道太平洋中深层环流结构做了粗略估计,确定了赤道中层流、下层赤道中层流、南中层逆流、北中层逆流等多支海流。近年来,随着声学多普勒海流剖面仪以及Argo浮标在海洋调查中的广泛应用,海洋学家对赤道太平洋地区主温跃层以深的环流结构有了初步的认识。1000-3000米深度间存在着东西流向随深度交替变化的赤道深层急流,在1000米深度上,赤道区域向西的下层赤道中层流夹在向东的南中层逆流和北中层逆流之间;在北半球,向西流动的北赤道中层流核心位于3°N(西太平洋3.5°N),沿4.5°N存在较弱的东向流,向极地方向西太平洋地区的急流比较模糊,而日期变更线以东至110°W,分别沿着5.5°N、7°N、8°N和9.5°N存在东西向交替的急流。赤道中层流和下层赤道中层流常年存在转向现象,属于赤道太平洋次表层年周期变率的组成部分。数值模拟结果显示,这种年周期变化与风应力驱动的赤道Rossby波的垂向传播有关。基于西北太平洋开展的温度、盐度和溶解氧的断面观测,根据水团性质和地转关系可推断得到西太平洋深层环流的一些特点,如南极绕极下层水,在进入中太平洋盆地后分为东西两个分支等。

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大洋环流系统

 

 深层西边界流亦是西太平洋中深层环流的重要组成部分,近期获得的暖池西边界深层水体中存在着平均流速超过50cm/s的强劲海流的观测事实,使得深层海洋动力学机制的研究变得越来越重要。太平洋没有局地的高盐低温深层水形成,因此太平洋的深层水和底层水均由深层西边界流将南极高密水向北输运而来。深层西边界流流量的大小和变化成为理解太平洋深层底层水通风量和深海热量淡水平衡的关键因素,影响着全球和区域气候的年代际和更长时间尺度变异。深层西边界流一旦进入海盆内部将很难测量和估算其流量,而作为其向北输运必经的观测海峡通道成为研究深层西边流流量大小和时间变化的关键点。同时关键海峡通道处于两个海盆的连接处,其流动方向和大小会在两个海盆水柱间产生压强梯度,从而对两个海盆中深层水体流态结构产生决定性影响。最近菲律宾以东的深海潜标观测发现西边界流存在明显的季节变化,夏季与冬季存在流向转向的现象,全水深的海流观测进一步发现不同水深对应不同的流场结构及季节变化规律。

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 大洋中深层环流的形成维持机制尚存在着较大的争议。经典的理论认为在二维旋转涡旋场里大尺度的纬向急流由湍流的逆能量串级产生,然而由于在斜压海洋中涡旋动能随深度的增加而迅速减小,使该理论依赖于特定的区域与水层才能成立。除经典理论之外,关于中深层纬向流形成机制的研究则分别在赤道区以及赤道外两个海域展开。在赤道区域,有研究认为中深层的纬向流是由深层海洋的季节内变化引起的,该季节内变化可能由深层西边界流的不稳定性或者风驱的上层海洋环流激发。在赤道外,中深层纬向流可由年周期的斜压罗斯贝波的不稳定性所导致,而不稳定的东边界流也可激发出中深层纬向流。目前关于中深层环流的形成机制仍然是一个开放课题,各个理论都有其解释的优越性和局限性,因此对于其更加详尽的动力机制仍待深入探究,另一方面,海洋上层的能量如何传递到深海大洋驱动深层环流是目前物理海洋的重要前沿问题,不同水层环流如何相互作用来维系海洋的能量与热量平衡,以及海洋对全球变暖的响应是建立完整海洋环流理论的基础。

 

 

二、西太平洋深层环流年代际变异及气候效应

 

 近年来,中深层海洋和上层海洋的物质能量交换以及在全球气候中的作用成为气候变化研究的一个热点。全球海洋环流实验(WOCE)对深层水文的调查是历史上第一次也是最大规模的深层水文资料调查。由于WOCE断面大部分集中在马里亚纳海沟以东的太平洋海盆,全球海洋船载水文调查计划(GO-SHIP)由IOCCP及CLIVAR于2007年启动,对WOCE断面进行重复观测,获得了时隔十几年的宝贵重复观测数据,对于进一步研究深海的年代际变化提供了数据支持。通过对GO-SHIP水文重复观测与WOCE历史水文资料做对比,最近研究表明全球深层水文结构以及深层环流结构在十几年的跨度内发生着较大变化。

 

 已有观测事实表明上层海洋热含量自本世纪以来呈下降趋势,目前一个重要的科学假设是“失去的热量”被中深层海洋所吸收。其中的一种认识是虽然全球温室气体含量一直在上升,但气温自2001年来基本保持稳定的原因是反常的强烈信风将“丢失的热量”暂时“藏”到西太平洋的中深层海水中,反常的强烈信风减弱后被“藏”在西太平洋中深层海水中的热量将“逃回”表层,然后被释放到大气层中,从而加快全球变暖的进程。全球变暖也会引起降水和蒸发的再分配从而影响海洋盐度分布。通过研究深海的温盐变化可以进而研究经向翻转环流变化以及深层海洋对于受热膨胀和盐收缩影响的海平面变化。许多研究提出北太平洋海盆底层水变暖的观点,虽然我们已经认识到大洋上层与中深层存在着有效的物质和能量交换,中深层海洋对全球和区域气候变化有重要的调控和反馈作用。然而由于西太平洋内部深水数据没有GO-SHIP的支持,对于面积广阔的西太平洋海盆而言,其深水水文变化、深层环流的年代际变异及气候效应有待进一步观测研究。

 

三、西太平洋内波能量传递和混合机制

 

海洋是一个包含多种时空尺度过程的宽谱复杂动力系统,既包含中尺度涡、潮汐、行星波和大尺度环流,也包含小尺度的湍流和重力波。深海中小尺度过程引起的跨等密度面混合是控制热盐环流强度的最重要因素,而海洋内波作为外界输入的机械能与海洋混合之间的纽带,由于不稳定和破碎激发的强烈混合对大洋环流的维持起着极其重要的作用。结合内波与混合动力学的机制研究给出合适的跨等密度面混合的参数化方案,能够有效解决海洋环流模拟中的次网格参数化问题,从而使细致精确地模拟海洋中的大尺度环流成为可能,并为研究ENSO等海气相互作用过程的动力学机制问题提供支撑。因此,内波与混合是目前物理海洋学研究的热点问题之一。

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 自上个世纪90年代以来,国际上开展了一系列海洋内波混合观测科学试验,包括针对内潮生成机制与内潮能量串级研究的HOME试验,围绕大西洋中脊强混合驱动机制研究的BBTRE试验,探明驱动近惯性内波混合路径研究的南极绕极流区的DIMES试验,以及南海内波混合观测计划等。这些试验及研究成果推动了内波混合机理研究,深化了对内波混合对大洋动力环境的调控机制的认识。然而目前对内波时空特征的认识还不完善,并且内波混合的三维空间结构还不清楚,这也导致目前还没有较好的混合参数化方案来解决海洋环流数值模拟中的耗散项问题。因此,需要结合大量最新的内波三维结构及混合的观测,对多尺度内波生消规律和混合机理进行深入研究,明晰内波在不同尺度能量级串中的动力学机制,结合混合动力学的机制研究给出合适的跨等密度面混合的参数化方案,才能解决海洋环流模拟中的次网格参数化问题。

 

 西太平洋丰富多变的海底地形使得其成为重要的内波生成区,其中吕宋海峡和马里亚纳岛弧为全球最强的内波特别是内潮生成源区之一。内波部分能量在源区耗散,而剩余的相当部分内波能量在西太平洋存在长距离传播耗散过程,对局地的能量耗散贡献显著,其在传播过程中受到黑潮等大尺度环流的调制,同时会与涡旋、锋面等中尺度过程相互作用,是海洋能量由大尺度向中小尺度级串的关键一环。内波在其三维传播过程中受到陡峭地形的非线性作用或与多尺度动力过程相互作用会发生破碎混合或形成上升流区,形成复杂的海洋动力环境,能够增强海洋垂向能量传递交换。对西太平洋内波的能量传递过程和混合机制的深入研究,是完善该海域多尺度海洋动力过程的理论框架必不可少的一环,同时能够为研究ENSO等海气相互作用过程的动力学机制、大尺度环流模式参数化改进和多圈层物质能量交换问题奠定坚实的基础。

 

四、西太平洋综合立体观测系统

 

 长期以来,国际海洋科学组织和海洋强国针对与社会经济发展和国防建设密切相关的海洋现象或特定的海洋科学问题,致力于发展海洋观测探测技术,组织实施一系列阶段性或长期的海洋科学观测计划,建设全球或区域的海洋观测探测系统。新时期的海洋观测进一步向立体化、长期化、连续化、自动化、精细化的方向发展,并且表现出从区域走向全球深海大洋、从单一学科走向多学科综合观测的趋势。在维护现有的观测计划的同时,国际上的“海洋持续性跨学科时间序列环境观测系统”和美国的“海洋观测行动”等一批新的观测计划和观测系统也开始实施和应用。

 

 关于西太平洋的观测研究始于上世纪60-70年代,当时黑潮联合调查(CSK)在菲律宾以东海域进行了近10年的调查,取得了大量的海洋水文资料。一些海洋学家,主要是日本科学家,利用CSK数据,对菲律宾以东和新几内亚以北海域的环流,特别是棉兰老海流和新几内亚沿岸流进行了定性描述研究。上世纪80-90年代的国际研究计划,热带海洋与全球大气实验(TOGA)和WOCE,历时10余年,在热带太平洋取得了丰富的海洋数据。在此期间及以后一段时间里,诸多学者对太平洋西边界环流的各分支,如北赤道流/潜流,棉兰老海流/潜流,黑潮/吕宋潜流,新几内亚沿岸流,北赤道逆流和哈马海拉涡旋与棉兰老涡旋等进行了研究。TOGA-WOCE之后,关于西太平洋的调查研究渐渐趋于平静,只有美国和日本联合进行的TAO\TRITON浮标阵列及部分断面仍在维持。

 

 2010年由我国发起,共8个国家19个研究机构参与的“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)国际合作计划正式启动,标志着西太平洋新一轮调查研究热潮的兴起。NPOCE国际合作计划,在西太平洋设计规划了包括潜标、卫星SST、SSH、传统断面等综合观测项目。以此为契机,中国科学院在战略性先导科技专项的资助下,经过统筹安排和周密部署,3年多来先后组织综合考察航次3次,成功收放潜标73套次,建成了由16套深海潜标组成的我国西太平洋科学观测网并实现稳定运行,获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和洋流等数据。

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大洋综合立体观测系统

 

 深海数据的实时传输对海洋与气候预报和海洋环境安全保障意义重大,世界海洋大国纷纷致力于其关键技术和系统集成的攻关。上世纪90年代,海洋卫星技术的发展实现了海洋表层数据的实时传输,例如1992年美法合作发射了TOPEX/Poseidon卫星,科学家实现了实时获取海洋表层流场和海表面高度场等数据。美国于1994年初步建成,而后2000年日本加入建设的TAO/TRITON浮标阵列,提供了实时的海气通量和上层100m海洋温度等数据,为监测、预报和理解厄尔尼诺和拉尼娜海洋气候现象做出了贡献。海表和海气界面的观测数据实现实时传输后,海洋学家亟待解决深海数据的实时传输问题,这对提高气候预报精度具有重要意义。

 

 深海潜标最上面一个浮体距离海平面还有四五百米,这些数据很难穿透海水传输到卫星上。如何实现潜标观测、数据水下采集和传输、卫星通信等多系统集成,并设置好其工作程序,降低功耗实现长时间稳定工作是深海数据实时传输的难点。海上现场作业具有很大的不确定性和工程难度,潜标的布放是一个压力和张力快速变化的过程,如何在这一过程中保证实时传输系统设备的正常工作是另一个难点。针对上述问题,中国科学院海洋研究所联合中国科学院声学研究所组织开展了技术攻关,研发了潜标数据采集、无线水声通信传输、水面实时通讯、潜标布放等一系列技术方案。在2016年航次中,科考队员在其中一套潜标系统安装了水面实时传输浮体,深海观测数据首先进行成功采集后,将通过无线水声通信方式传输给水面浮体,水面浮体再将其发射到卫星上,卫星反馈回陆地实验室。最终,无线实时数据传输的方案获得了试验成功。截至2017年9月,深海数据已成功连续实时回传280余天,创造了国内外有明确文献记录的实时获取深海数据的最长工作时间。实时数据已向国家海洋环境预报中心等用户提供,科学家和业务用户可以通过电脑或手机终端实时掌握深海大洋的动力状况,对深海数据的查看模式从“录像回放”变成了“现场直播”。

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 以此为工程示范,我国西太平洋科学观测网建设与维护实现了批量化、标准化和常态化,总体技术指标已达到国际先进水平,部分关键技术国际领先。深海观测数据的长时间连续积累和实时化传输,将加速我国海洋与气候预报和环境保障业务系统建设步伐,提升我国深海探测和科学研究能力,为保障国家海洋环境安全提供重要基础支撑。

 

 我国还建立了国际一流的深海综合探测技术体系,突破自主关键技术开展深海原位探测与实验,推动了我国深海装备研发体系的建立,使我国深海探测与研究能力跨入世界先进国家行列。但是,由于我国海洋科技特别是深海领域起步晚,与发达国家相比,我国在装备和技术体系的建设方面差距还较大,海洋领域科技条件和产业化平台建设规模小且布局分散,尚未形成有效的资源共享机制,还不能有效满足科学研究与技术研发、海上试验和成果推广应用的需求。同时,与建设世界海洋科技强国的要求相比,我国海洋环境尤其是深海环境监测技术与数据获取能力还需要进一步提升,对海洋气候变化的掌控度、海洋环境安全保障能力还需要进一步加强,海洋科技创新对我国海洋经济发展和维护海洋权益、保障国防安全还需要进一步提供有力支撑。

 

五、结语和展望

 

 总体而言,热带西太平洋是我国开启全球大洋研究的关键区域,关乎国家安全、资源、环境、气候等方面的核心利益。NPOCE国际合作计划的实施推动了西太平洋新一轮的调查研究热潮,深层水体在海洋能量和物质平衡中的作用、深海湍流混合、底层水团变异等关键过程等是国际关注的前沿科学问题。在当前全球变暖的背景下,开展西太平洋深海动力过程和气候效应观测研究对于解密全球和我国气候系统长期变化至关重要。中国科学院热带西太平洋海洋环流研究团队从三十年前对西太平洋的第一次探索,到领衔发起NPOCE计划,构建西太平洋国际最大潜标观测网,在《Nature》等国际期刊发表重要影响力文章,团队成员先后荣获“中国科学院杰出科技成就奖”、“山东省科学技术最高奖”等奖项,最终确立了国际热带西太平洋物理海洋和气候前沿研究的引领地位。

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 近年来,在中国科学院战略先导专项和海洋国家实验室深海专项等项目资助下,该团队进一步针对西太平洋深海动力过程和气候效应进行了协同攻关研究,实现了多套潜标多学科融合深海强化观测,突破了深海数据实时化长周期稳定传输难题,基于现场观测数据分析和多尺度数值模式研究,对西太平洋深海多尺度动力过程和机制进行了深入研究和探索,为实施“21世纪海上丝绸之路”倡议、保障国家海洋环境安全提供了重要基础支撑,为我国开启全球深海大洋研究开启了新的篇章,也是推动我国深海战略目标实现的必经之路。

摘自《全球海洋科技发展动态》2017第四期专家观点

 

作者简介

 

王凡,男,1967年出生,海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室科学家,中国科学院海洋研究所所长、研究员、博士生导师,国家“万人计划”科技创新领军人才首批入选者,全国优秀科技工作者,国家973计划和重点研发计划项目首席科学家。国际“西北太平洋海洋环流与气候试验”(NPOCE)主要发起者之一、IPCC第五次气候变化评估报告主要作者,中国海洋湖沼学会常务理事、海洋与气候分会理事长。长期从事热带西太平洋环流动力过程、暖池和环流的气候效应等方面研究,主持建设了该海域国际最大规模的潜标科学观测网并实现数据实时传输,阐释了次表层环流的总体结构和水源关系,发现并命名了一个新的次表层水团,披露了热带—热带外年际变异信号传递的次表层内区通道和南北半球次表层/中层水交换的西边界通道,发现有效突破厄尔尼诺春季预报障碍的表层流场热点区域等。

 

徐振华,男,1980年出生,海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室科学家,中国科学院海洋研究所研究员、博士生导师。主要从事海洋内波、内潮和混合研究。基于理论研究、数值模拟和资料分析,取得了南海西北部海域内波迄今较系统认识,揭示了南海北部内潮复杂的多模态结构和非平稳特性,给出了吕宋海峡内潮在南海和西太平洋长距离传播途径和能量耗散过程。目前担任中科院创新交叉团队负责人,获中科院“拔尖青年科学家”人才项目支持,中国科学院青年创新促进会会员,主持国家自然科学基金项目4项,多次受邀担任我国国家自然科学基金委NSFC)和美国国家自然科学基金委(NSF)内波项目评审专家。

 

汪嘉宁,男,1985年出生,海洋国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室科学家,中国科学院海洋研究所副研究员。现主要从事大洋环流和湍流混合等研究。发现西太平洋上层热点区域流场可突破厄尔尼诺春季预报障碍;基于观测数据突破和丰富了对西太中深层环流的认知和理解;建立了底边界动力和界面通量的普适量化关系。作为核心成员参加了中国科学院西太平洋科学观测网建设,突破性地实现了深海数据长周期稳定实时传输,连续参与组织了4个西太平洋综合考察航次,担任航次调查队长和首席科学家。

 

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原创   王凡等 海洋国家实验室

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中国海洋科学家正在挖掘一个亘古深埋的“碳机密”
2018-04-19 11:09:51


全球碳循环体现在不同时间尺度和空间尺度,人们通常直接关心的是大气中碳的多少。实际上,地表以下存储了地球上绝大部分碳(估计95%以上),地质作用对全球碳循环有重要作用,并在地质历史时期可能起到主导或控制作用。

但是,关于地球内部碳循环,人们目前了解非常少,多局限于火山喷发会有少量碳以CO2形式散出。而今,我们有了新发现。


地学界南海新发现

近日,海洋国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室、中国科学院海洋研究所张国良研究员在国际大洋发现计划(IODP)南海钻孔岩芯进行地球化学、同位素化学和矿物学研究中发现世界首例由碳酸盐质母岩浆向碱性玄武岩连续转化的现象,并在国际著名期刊《自然-地球科学》以长篇论文的形式在线刊登论文:“Evolution of carbonated melt to alkali basalt in the South China Sea”,报道了这一重大发现。


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碱性玄武岩

 

地幔存储了地球上绝大部分的碳,其中的CO2可能对岩浆的最初形成起到关键作用。多年来,经典的室内高温高压实验也推断:在CO2的参与下,地幔中极有可能存在碳酸盐化的熔体(岩浆),这种熔体可能与碱性玄武岩成因有某种关联。然而,长期以来这些高温高压熔融实验结果并未得到自然界样品的支持。

 

该研究首次发现自然界的碳酸盐质岩浆可以连续转化成为碱性玄武岩:碳酸盐质岩浆与岩石圈反应过程中,导致岩石圈吸收了大量稀土元素(磷灰石分离效应,图1),并使岩浆脱CO2,最终碳酸盐质岩浆演化成碱性玄武岩。

2图1. 磷灰石结晶分离效应.png 

(图1. 磷灰石结晶分离效应。磷灰石结晶分离控制了稀土元素和磷元素含量,并构建了火成碳酸岩和碱性洋岛玄武岩之间的成因链条。)

 

该研究意义:

 

1. 确认地球上真实存在碳酸盐质岩浆向碱性岩连续转化的现象,对全球碳循环具有举足轻重的意义;

2. 推断大洋碱性海山下部可能存在大规模稀土富集、矿化带;

3. 热和薄的岩石圈有利于地球深部CO2迁出地表;

 

4. 岩石圈可能是阻止地球深部CO2迁至地表的重要屏障。

 

这一发现打开了揭秘深部碳循环的一扇新的窗户,将大大推动有关深部碳对岩浆活动、地表环境的影响等相关研究。

 

南海深部碳“玩”出新高度

对全球碳循环有举足轻重的意义。南海这次首次发现高度富集碳酸岩母岩浆,并可以转化成碱性玄武岩。这说明高度富碳的岩浆有向地表迁移的趋势,只是在浅部变成了碱性玄武岩。大家知道,碱性玄武岩全球非常多,无论是陆地还是海洋中,只是目前还不知道这些碱性玄武岩中多大比例来自碳酸岩岩浆。对于碳酸岩演化而来的碱性玄武岩而言,岩石圈对组织碳到达地表,控制地表总碳量起到了关键作用。

 

引出一种战略性资源。目前全球发现的主要稀土矿基本都与碳酸岩有关,但碳酸岩全球分布十分稀少,这也是为什么稀土矿十分稀缺的原因。实际上,碳酸岩岩浆中富含稀土,这是大家都公认的。但是,这次研究我们发现,南海出现的这种高度富稀土的岩浆转化成了碱性玄武岩,转化过程中丢失了绝大部分稀土。因为过去我们基本只看到碱性玄武岩(全球90%以上海山都是碱性玄武岩组成的),哪怕其中一少部分是由碳酸岩演化而来的。根据我们在南海的发现,这种海山下部的浅部地幔中就会存在稀土元素富集带。

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稀土

 

这是一项基础研究,但具备的经济潜在价值可能是巨大的,不仅在海洋中,在陆地上也是一样。但就目前而言,了解全球范围内有多大比例的海山是源自这种成因是关键,如果南海碳酸岩不是全球唯一案例,如果能找到另外一个类似南海的例子,相信这项研究的价值会引起轰动。

 

地球深部CO2迁出地表引起国际关注。热和薄的岩石圈有利于地球深部CO2迁出地表;岩石圈可能是阻止地球深部CO2迁至地表的重要屏障(见图2)

 

关于人类排放的CO2对地表环境的影响是否为主导,这在国际科学界是存在争议的。地质历史时期存在地表温度环境的巨大变化,比如冰期全球覆盖着冰雪,这跟人类排放毫无关系。为了搞清楚CO2排放对地表环境的影响,我们更需要弄清楚地质作用及其对地表环境影响的规律,而且这是有资料和记录可用以研究的,人类活动归根结底也是地质作用一部分,也会载入未来的地质记录。目前,一个基本问题是,人类排放的CO2对地质作用的影响而言,哪个是主导,这也是碳总量由“谁”控制的问题。


4图2. 碳酸盐质岩浆—岩石圈反应简化图.png 

(图2. 碳酸盐质岩浆—岩石圈反应简化图。注释:中国南海停止扩张后,深部的碳酸盐化熔体穿透了南海极薄的岩石圈(~20 km),其中一部分转化成了碱性玄武岩;推断碳酸盐化熔体穿过正常厚度的岩石圈后,全部被转化为碱性玄武岩。)

 

南海发现的碳酸岩岩浆可能告诉我们,不能小看来自地球内部的CO2排放,这种高度富集CO2的岩浆不仅带来稀土元素,也带来大量CO2,只是CO2可能在演化某个环节被控制了,这个控制作用是值得人类深思和研究的。



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来源:海洋国家实验室

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龙宫探宝—深埋于海底的可燃冰揭秘
2018-03-28 15:21:11

作者:张鑫 杜增丰 王敏

(来源海洋国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室,中国科学院海洋研究所


大家是否还记得数月前刷屏的新闻报道“我国在南海首次试开采可燃冰成功”?可燃冰到底是什么?它的试开采成功何以被国内外媒体争相报道?今天我们试着揭开可燃冰的神秘面纱,去了解它的前世今生。

 

可燃冰基本介绍

 

可燃冰,看起来如晶似玉,美丽不可方物。

 

可燃冰到底是什么?可燃冰,学名甲烷水合物,是气体水合物的一种。在低温高压条件下,低碳数(一般而言碳数≤5)的烷烃、二氧化碳、硫化氢等小分子气体与水会形成类冰状结晶物质,当参与形成过程的气体分子为甲烷时,形成的水合物为甲烷水合物即可燃冰。

 

有个成语叫“买椟还珠”,如果说水分子形成的笼型结构是“椟”的话,那么进入笼型结构内的气体分子就是一粒粒放入“椟”内的“珍珠”了。

 

根据水分子形成的不同的笼型结构,天然气水合物主要分为I型、II型和H型三种水合物(图1):

结构图.png


I型水合物为46个水分子结合形成2个小笼和6个大笼,小笼为正五边形十二面体(512),大笼为两个对置的六边形和在他们中间排列的12个五边形构成的十四面体(51262),笼内分子多为甲烷、二氧化碳等小分子气体;

 

II型水合物为136个水分子形成16个小笼和8个大笼,小笼为稍有变形的五边形十二面体(512),大笼为12个五边形和4个六边形构成的球形六面体(51264),笼内分子多为甲烷乙烷的混合气或者丙烷;

 

H型水合物最初是在实验室内合成的,包含由34个水分子形成的3个小笼,2个中笼和1个大笼,小笼为正五边形十二面体(512),中笼为扁球形的十二面体(435663),大笼为扁球形的二十面体(51268),笼内分子多为戊烷和小分子烷烃的混合物。

 

I型水合物比II型、H型水合物在自然界的分布更广泛,但II型、H型水合物的存在比I型水合物更稳定。

 

由于可燃冰内的气体分子为甲烷,燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比煤、石油等现有主流能源小很多,但储能比远大于煤、石油。此外,可燃冰储量巨大,所含有机碳总数相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍,被国际公认为未来的替代能源。

 

由于水合物的生成需要低温高压条件,到目前为止在自然界发现的水合物多存在于极地、永久冻土区及深海海底沉积物中。我国的水合物分布在祁连山永久冻土带、南海神狐海域等几个区域。

 

国土资源部专家表示,经过长达15年的调查和预测,在我国南海地区预计有680亿吨油当量的可燃冰;在我国青海地区发现350亿吨标准油当量的天然气水合物,在青藏高原尚有相当可观的未探明储量的可燃冰资源。

 

从另一方面讲,甲烷的温室效应是二氧化碳的二十倍,当可燃冰的稳定存在条件变化后,可燃冰会分解并释放大量甲烷,从而引起气候变化。


可燃冰如何形成

 

可燃冰的形成需要稳定的低温高压环境,这正是可燃冰多分布在永久冻土带、海底沉积物区的原因。形成可燃冰另一个条件是需要稳定的气源:只有存在稳定的气源补充,可燃冰才得以生成并存在。

 

天然气水合物的气源成因一般有两种:热成因和生物成因。当沉积物底部存在油气藏时,底部重烃受热裂解成小分子烷烃并向上扩散,为天然气水合物的生成提供气源。当沉积物内部富含有机物时,沉积物内部的生物地球化学反应会生成甲烷,并向上渗漏为天然气水合物的生成提供气源。


大家知道,游离态气体分子的热运动往往都比较强烈,水分子如何捕获气体分子进而形成天然气水合物的呢?关于天然气水合物的生成、分解等动力学机制研究,大多通过实验室内模拟装置进行。到现在为止,已有众多科学家提出了理论模型用以解释天然气水合物的生成及分解过程。大体说来,天然气水合物生成过程分为三个阶段:溶解,诱导,成长

 

溶解阶段是天然气溶解于水形成气-液界面的过程,该阶段为水合物的形成条件;诱导阶段为水合物的凝固形成过程,为水合物的成核阶段;成长阶段为晶核的稳定成长过程,热量和质量在三相(水、水合物和游离气)平衡传递,微小的水合物粉末逐渐生长为结晶状天然气水合物。

 

天然气水合物的动力学机制搞清楚之后,对我们有什么帮助呢?在了解天然气水合物动力学过程之后,我们就可以在一定程度上控制天然气水合物的生成及分解过程,这对可燃冰的开采及之后的运输至关重要。


可燃冰的勘探

 

天然气水合物犹如绝世珍宝埋藏在深海,我国南海同样埋藏着大量的可燃冰。那么现阶段国际上都有哪些可燃冰的勘探开采技术,我国对可燃冰的开采利用技术又处于什么梯队呢?下面笔者将进行详细介绍。

 

对天然气水合物矿藏的识别,现阶段主要依靠地球物理识别标志,地球化学识别标志,海底地质识别标志三方面进行识别。毫无疑问,地球物理技术是水合物识别最核心的技术。似海底反射层(Bottom Simulation Reflector, BSR)是基于地震的识别技术,由于含气水合物的沉积物和下伏不含气水合物的反射率不同,在两者之间会形成声反射界面,再结合其他地球物理探测技术,从而可以大致判断出天然气水合物的埋藏情况。

 

当前识别天然气水合物的另一种重要技术手段就是地球化学方法,这种方法可以有效弥补地球物理方法带来的多解性,还可以进一步分析天然气水合物的成分、物化特性及形成演变机制等。另一种方法是海底地质识别方法,在深海一些特殊的地质结构往往意味着天然气水合物的存赋。

 

在中科院战略性先导科技专项的支持下研发的基于深海ROV的拉曼光谱原位定量探测系统,已经在海底冷泉、热液等极端区域的原位探测及海洋化学分析领域得到广泛应用,并且成为海底天然气水合物原位探测及动力学过程原位研究的一大利器。在以往的海试过程中,已经取得了一些较为理想的成果。


1. 在我国南海首次发现裸露于海底的天然气水合物。如图2所示,在冷泉溢流口附近生物群落下发现了表层天然气水合物,并成功获得了天然气水合物样品的深海原位拉曼光谱,拉曼光谱数据表明其为标准的I型水合物。


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2. 为了研究冷泉溢流口附近环境对天然气水合物生成和分解过程的影响,在我国南海冷泉考察期间,利用冷泉喷口流体中的气体首次原位生成了天然气水合物,并通过深海激光拉曼光谱探测系统对冷泉溢流口附近原位快速生成水合物的过程进行了拉曼光谱探测,如图3所示。在原位拉曼光谱数据基础上,提出了天然气水合物快速形成的初步解释,对天然气水合物的形成机制进行了有效的补充。


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3. 利用冷泉喷口流体中的气体生成的天然气放置在冷泉喷口附近,并通过坐底长期观测系统进行了长达21天的连续观测,全程记录了天然气水合物分解过程,这对研究天然气水合物的稳定存在条件及分解过程具有极为重要的参考价值。


可燃冰的开采

   

随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。

 

可燃冰作为重要的可替代能源,同时作为作为一种重要的碳元素,犹如深海珍珠一般等待着我们前去探索。经过数十年的稳步发展,我国海底天然气水合物勘探及开采技术已经步入国际前列,相信在不久的将来,一定能将深藏海底的明珠采撷归来!



海洋油气开发将引领海洋工程新时代
2018-03-26 11:33:42

  海洋面积占据我们所居住星球表面积的71%,海洋资源开发具有巨大潜力。在陆地资源开发趋近饱和的今天,海洋资源的科学开发将大大造福于人类。也正因如此,包括中国在内的世界许多临海国家纷纷提出相应的海洋强国战略,也拓展了海洋资源开发的外延和内涵,当前最热闹的要数海上油气行业,以及未来前景看好的海上新能源、海上旅游、海洋空间利用、海洋生物科技等相关产业。

  今天的海洋工程产业体量已相当庞大,对社会经济生活的影响日益广泛和深入。但海洋工程产业一被提及,人们首先想到的仍是海上油气开发工程。事实上,海洋工程产业正肇始于海上油气开发工程建设。与海上油气资源开发相关的海洋工程业务,绝对是当今世界海洋工程产业舞台上的第一主角,其从诞生之日起就一直雄霸海洋工程产业。

  依托海上油气开发的海洋工程可分为浅水和深水业务,两者在产品内涵和技术特性等方面有很大不同。上世纪80年代以前,海洋工程基本都是浅水业务。到上世纪90年代,由于深水油气开采的兴起,深水海洋工程迅速发展壮大,目前其市场容量直追浅水工程且大有取而代之之势。

  浅水常规油气开发早已跨过百年,近年来鲜有重大勘探发现。近10年来新发现的油气田60%位于海上,且深海比重逐年增大。有专家预计未来全球油气田储量40%都将集中在深海。对于浅海油气开发,笔者认为,除波斯湾还有数十年的活跃期外,其他浅海油田在未来二十年内将先后走向“暮年”,今天我们看到的一座座灯火辉煌的“海上钢铁城”,二十年后许多都将变成“海上楼兰”,基于浅水常规油气开发的海洋工程业务届时将无奈落幕。所谓“失之东隅,收之桑榆”,在浅水常规油气开发工程“寿终正寝”时,浅水海洋工程产业还有最后一场盛宴——拆除工程。

  基于海洋石油开发的海洋工程产业与石油价格的关系犹如船与水的关系,“水涨则船高,水落则船低”。从2014年6月至2015年1月短短半年时间,布伦特原油价格从110多美元/桶一路狂跌至50多美元/桶,经历短暂反弹之后,在2016年1月20日跌至27.11美元/桶的冰点,至今徘徊在60美元/桶上下。

  海洋工程曾作为新兴产业被中国、巴西、韩国、新加坡、挪威等许多国家的政府寄予厚望。然而,在海洋油气资源开发从浅水挺进深水的关键时刻,持续低迷的油价引起的蝴蝶效应,致使基于油气开发的海洋工程产业一夜间从“热火朝天的盛夏”跨入“冰天雪地的寒冬”。最近美国人又奏出稠油革命成功的凯歌,更令世界海洋石油企业心惊胆战。甚至连海洋工程巨头如韩国三星、现代和大宇等都因过度沮丧而失去了方向感。

  笔者认为,当前海洋工程的危机实际上是海洋石油工程的危机。那么,基于油气开发的海洋工程是否还有再次火热的机会?答案应该是肯定的。

  那么,海洋油气的出路在哪里?笔者认为,无论是面对页岩气还是新能源的挑战,海洋油气的有效战略都是降低成本。科技创新是降低成本的根本手段,海洋油气与页岩气、新能源的竞争归根到底是科技的竞赛,因此海洋工程开启未来模式的钥匙就是科技创新。重点就是通过科技创新助力石油公司解决海洋油气开发的高成本问题。

  海洋油气工业将何去何从?浅水海洋油气因资源趋于枯竭而由盛转衰,但处于少年期的深水油气让人充满期待。当前深水油气开发的技术方向呈多元化,墨西哥湾的主流模式是TLP(张力腿平台)和SPAR(单圆柱形平台),北海和巴西海域以FPSO(浮式生产储卸油装置)和Semi(半潜式平台)为主,西非海域则偏爱FPSO。水下生产系统具有成本低、建造周期短等优点,在油价低迷期更有脱颖而出之势,深水油气开发的未来方向应该是水下生产系统+FPSO的开发模式。

  对海洋工程企业的战略决策者而言,相比于对开发模式从水面向水下发展的认识,更重要的认识是海洋油气开发的智能化。笔者坚信海洋石油工程产业为人类创造价值最有潜力的增长点,就是帮助石油公司实现海洋油气的智能化生产,以大幅降低海洋油气开发成本并提高安全性。因此如何打造智能化工程设计和建造能力,是海洋工程企业当前必须谋划的重要战略,攻克如何实现海上油气生产的智能化,开创智慧海上油田时代,是海洋工程企业科技创新的主攻方向。

  无论是采用浮式平台还是水下生产系统,海洋石油开发都将向智能化方向迈进。笔者大胆预测,未来海上油田生产的场景是:在波涛汹涌的海面上空无一物,油气生产在海底下静悄悄地进行,在油田群处理中心的FPSO上仅有几名看守工人,主要的监控和作业都在数百公里外的陆上通过远程操作完成。

  海洋石油开发的智能化将重构海洋工程产业生态系统,对海洋工程的产业结构造成颠覆性影响。在智能化时代,智能化能力将取代工程能力成为海洋工程企业的核心竞争力,自动化设备生产企业、软件开发企业等IT或AI类企业将会比传统海洋工程企业具有更多的话语权。

  在GE、华为等自动化企业和IT企业通过并购、合资等方式染指海洋工程核心主业之时,传统海洋工程企业可以通过收购自动化设备和软件开发企业补强智能化方面的短板,主动向智能化方向转型。

  在浅水油气工程风光不再之后,海洋工程产业的主角可能由深水油气工程、海上风能工程、海上可燃冰工程和海洋空间利用工程等先后担纲,如果油价能维持在70美元/桶以上,数年后深水油气工程将自然接力浅水油气工程,成为海洋工程行业的下一代主力。海上可燃冰资源丰富且是清洁化石能源,当技术取得重大突破时,海上可燃冰开发必将开启海洋工程的新时代。

  而随着环境保护意识的进一步加强,在政府大力推动和扶持下,海洋清洁能源如风能、太阳能、潮汐能、海浪能、温差能等可再生能源走向全球能源的舞台中央是必然事件。其中海上风能工程很有可能在未来20年内超越海洋油气工程,成为海洋工程最大的子产业。而随着陆上矿产开发接近需求的临界,海洋矿产资源的开发势必提上日程。此外,海洋空间利用、海上旅游也完全可能在合适的时机登上历史舞台。

  海洋经济时代的开启必将使海洋工程产业呈现齐头并举的多元化局面,但人类在不同时代对海洋资源利用的转变,将使海洋工程产业的核心业务不断转移。无论海洋工程的核心业务向何处转移,海洋工程的智能化都毋庸置疑,海洋工程企业必须深刻认识和预测这些变化以保持战略前瞻,以便未雨绸缪主动出击,化挑战为机遇,打造基业长青的百年老店。

我国首座移动式试采平台实现持续稳产
2018-03-26 11:25:55

  2018年1月3日,我国首座移动式试采平台“海洋石油162”在渤海边际油田试采作业实现连续69天稳定产油,为油田制订最优开发方案和经济评估提供了大量的可靠数据。此次实现海上边际油田原油试采成功,是海油理论、海油技术、海油装备凝结而成的历史性突破,对大幅降低边际油田油气开发生产成本和风险具有重要意义。

我国首座移动式试采平台实现持续稳产

  1月1日,随着穿梭油轮“滨海607”缓缓驶离,“海洋石油162”试采以来已经外输原油22船次,累计28505立方米。目前,“海洋石油162”日产原油稳定在500多立方米。

  “海洋石油162”是国内首个集试采、油气处理、原油存储、修井功能于一体的小型采油平台,突破了传统钻井船在功能和经济上的局限性,为边、低、稠油田提供了新的开发模式,能够满足渤海海域75%油田不同工况的工艺处理要求。其建造成本低、租金低,所提供的“先期试采+整体开发”策略能有效降低开发风险,帮助油田快速回收投资成本,有利于实现油田经济效益最大化,是边际油田“勘探开发生产一体化”的利器。当试采完工后,可将其降至海面,拖至其他油田作业,推广性很强。

新能源产业追“风”逐“日”领跑全球
2018-03-26 11:20:43

  追“风”逐“日”,中国新能源产业的发展速度早已让一众发达国家望尘莫及。2017年,我国光伏、风电等新能源继续保持快速增长,装机量不断攀升的同时,增长动能持续转换,产业化技术水平逐渐提高,光伏发电成本不断下降,弃风弃光问题明显好转。专家表示,我国新能源产业已经走出了单纯追求装机规模的阶段,正从新能源大国向新能源强国快速转型。

  装机规模不断攀升

  “2017年,我国发电装机总量累计达17.7亿千瓦,其中非化石能源发电装机占比达到38.1%,比2012年提高9.6个百分点,是历史上增长最快的时期。”国家能源局局长努尔·白克力透露,2017年,我国可再生能源发电装机容量约6.56亿千瓦,新增装机规模占全球增量40%左右。风电、太阳能发电装机在建规模稳居世界第一,成为全球非化石能源发展的引领者。

  值得注意的是,可再生能源已成我国新增电力主力,光伏、风电等新能源的增长尤为突出。国家能源局数据显示,2017年前三季度,光伏装机量大幅超预期,新增光伏发电装机4300万千瓦,同比增长65.4%。截至2017年9月底,全国光伏发电装机达到1.20亿千瓦,其中,光伏电站9480万千瓦,分布式光伏2562万千瓦。

  风电方面,2017年前三季度,全国新增风电并网容量970万千瓦,到9月底累计风电并网容量达到1.57亿千瓦,累计容量同比增长13%;2017年前9个月,全国风电发电量2128亿千瓦时,同比增长26%;平均利用小时数1386小时,同比增加135小时。

  规模扩大的同时,新能源利用水平不断提高。2017年前三季度,可再生能源发电量达1.17万亿千瓦时,约占规模以上全部发电量的25%,其中风电、光伏发电、生物质能发电量同比分别增长26%、70%和25%。

  此外,新能源产业发展质量不断进步。中国光伏行业协会秘书长王勃华表示,受益于半导体产业的发展,光伏生产设备在泛半导体领域国产化程度相对较高,目前我国已基本实现光伏生产装备国产化。同时,对发展光伏产业,国内政策环境日渐完善,光伏应用获得创新。

  在此带动下,新能源发电成本不断下降。数据显示,2017年我国风电和光伏发电建设成本同比分别下降20%和60%。国家能源局新能源和可再生能源司司长朱明透露,一类资源区风电价格已从每千瓦时0.51元下降到0.47元,在解决限电后局部地区已具备平价上网的条件。

  弃风弃光率同比下降

  大规模消纳新能源是世界性难题,与国外相比,我国资源禀赋、能源结构、市场条件等有很大不同,新能源消纳问题更为突出。不过,随着一系列促进新能源消纳的政策出台和支撑新能源大规模友好并网的技术被攻克,新能源消纳难题得到明显缓解。努尔·白克力表示,预计2017年全国弃风率、弃光率同比分别下降6.7和3.8个百分点。

  “弃风弃光是可再生能源发展过程中出现的阶段性问题,因为这个问题涉及能源结构调整、能源优化布局、电力调度运行、电力体制改革和市场化建设,以及绿色能源发展的落实等诸多方面。”朱明表示,国家能源局将解决该问题作为能源工作的重要任务之一,会同相关地区能源主管部门、电网企业采取了一系列有针对性的措施,弃风弃光问题得到了明显好转。

  2017年以来,国家能源局不断优化新能源开发建设布局,严格控制弃光严重地区光伏发电新增建设规模,尤其是在新疆、甘肃等地区。同时,适当把发展的重心转移到不弃光的中东部和南方地区。

  为促进新能源消纳,在实施全网统一调度上,国家电网打破过去分省备用模式,西北全网统一安排备用,尽可能压减火电开机,增加新能源消纳空间。通过跨区直流,华中抽蓄电站低谷时购买西北风电抽水运行,增加新能源交易电量。同时,实施新能源在全网范围强制消纳。将新能源外送优先提到跨区直流配套火电之前,发生弃风弃光时,强制压减配套火电出力,优先输送新能源。

  新动能不断形成

  中国新能源产业之所以能够持续保持快速增长,和不断形成的新动能密切相关。近两年,当光伏集中式电站装机增长趋缓时,分布式光伏异军突起,支撑了整个光伏行业的快速增长;而当陆上集中式风电建设装机增速下滑时,海上风电和分散式风电则成为市场新的焦点。

  国家能源局新能源和可再生能源司副司长李创军表示,新能源开发正在从资源集中地区向负荷集中地区推进,2017年前三季度新增风电装机中约一半位于中东部和南方地区;新能源集中与分散发展并举的格局正逐渐形成,新增光伏发电装机中分布式光伏发电超过三分之一。

  “分布式光伏装机快速增长,是光伏行业发展的一大亮点,分布式光伏新增装机有望突破10吉瓦。”国家能源局新能源和可再生能源司副处长邢翼腾说。数据显示,2017年前三季度,光伏电站装机2770万千瓦,同比增加3%;分布式光伏装机1530万千瓦,同比增长4倍。

  《能源发展“十三五”规划》显示,2020年,太阳能发电规模达到1.1亿千瓦以上,其中分布式光伏6000万千瓦、光伏电站4500万千瓦。未来几年的发展重心都将集中于分布式。

  风电方面,海上风电、分散式风电加快发展。2017年9月,福建福清兴化湾海上风电项目一期首批机组正式并网发电。这意味着从福建海上风电基地开始,中国海上风电进入集中连片规模开发的快速发展新阶段。

  三峡集团福建能投公司执行董事孙强表示,我国拥有发展海上风电的天然优势,海岸线长达1.8万公里,可利用海域面积300多万平方公里,海上风能资源丰富。根据中国气象局风能资源详查初步成果,我国5米至25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高度范围内,风电可装机容量约2亿千瓦。海上风电是我国发电行业的未来发展方向。

龙宫探宝—深埋于海底的可燃冰揭秘
2018-03-21 15:56:42

大家是否还记得数月前刷屏的新闻报道“我国在南海首次试开采可燃冰成功”?可燃冰到底是什么?它的试开采成功何以被国内外媒体争相报道?今天我们试着揭开可燃冰的神秘面纱,去了解它的前世今生。

一、可燃冰基本介绍

可燃冰,看起来如晶似玉,美丽不可方物。

可燃冰到底是什么?可燃冰,学名甲烷水合物,是气体水合物的一种。在低温高压条件下,低碳数(一般而言碳数≤5)的烷烃、二氧化碳、硫化氢等小分子气体与水会形成类冰状结晶物质,当参与形成过程的气体分子为甲烷时,形成的水合物为甲烷水合物即可燃冰。

有个成语叫“买椟还珠”,如果说水分子形成的笼型结构是“椟”的话,那么进入笼型结构内的气体分子就是一粒粒放入“椟”内的“珍珠”了。

根据水分子形成的不同的笼型结构,天然气水合物主要分为I型、II型和H型三种水合物(图1):

天然气水合物的笼型结构示意图

图1 天然气水合物的笼型结构示意图

(参考文献:Hester, K. C., & Brewer, P. G. (2009). Clathrate hydrates in nature. Annual review of marine science, 1, 303-327.)

I型水合物为46个水分子结合形成2个小笼和6个大笼,小笼为正五边形十二面体(512),大笼为两个对置的六边形和在他们中间排列的12个五边形构成的十四面体(51262),笼内分子多为甲烷、二氧化碳等小分子气体;

II型水合物为136个水分子形成16个小笼和8个大笼,小笼为稍有变形的五边形十二面体(512),大笼为12个五边形和4个六边形构成的球形六面体(51264),笼内分子多为甲烷乙烷的混合气或者丙烷;

H型水合物最初是在实验室内合成的,包含由34个水分子形成的3个小笼,2个中笼和1个大笼,小笼为正五边形十二面体(512),中笼为扁球形的十二面体(435663),大笼为扁球形的二十面体(51268),笼内分子多为戊烷和小分子烷烃的混合物。

I型水合物比II型、H型水合物在自然界的分布更广泛,但II型、H型水合物的存在比I型水合物更稳定。

由于可燃冰内的气体分子为甲烷,燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比煤、石油等现有主流能源小很多,但储能比远大于煤、石油。此外,可燃冰储量巨大,所含有机碳总数相当于全球已知煤、石油和天然气总量的两倍,被国际公认为未来的替代能源。

由于水合物的生成需要低温高压条件,到目前为止在自然界发现的水合物多存在于极地、永久冻土区及深海海底沉积物中。我国的水合物分布在祁连山永久冻土带、南海神狐海域等几个区域。

国土资源部专家表示,经过长达15年的调查和预测,在我国南海地区预计有680亿吨油当量的可燃冰;在我国青海地区发现350亿吨标准油当量的天然气水合物,在青藏高原尚有相当可观的未探明储量的可燃冰资源。

从另一方面讲,甲烷的温室效应是二氧化碳的二十倍,当可燃冰的稳定存在条件变化后,可燃冰会分解并释放大量甲烷,从而引起气候变化。

二、可燃冰如何形成

可燃冰的形成需要稳定的低温高压环境,这正是可燃冰多分布在永久冻土带、海底沉积物区的原因。形成可燃冰另一个条件是需要稳定的气源:只有存在稳定的气源补充,可燃冰才得以生成并存在。

天然气水合物的气源成因一般有两种:热成因和生物成因。当沉积物底部存在油气藏时,底部重烃受热裂解成小分子烷烃并向上扩散,为天然气水合物的生成提供气源。当沉积物内部富含有机物时,沉积物内部的生物地球化学反应会生成甲烷,并向上渗漏为天然气水合物的生成提供气源。

大家知道,游离态气体分子的热运动往往都比较强烈,水分子如何捕获气体分子进而形成天然气水合物的呢?关于天然气水合物的生成、分解等动力学机制研究,大多通过实验室内模拟装置进行。到现在为止,已有众多科学家提出了理论模型用以解释天然气水合物的生成及分解过程。大体说来,天然气水合物生成过程分为三个阶段:溶解,诱导,成长。

溶解阶段是天然气溶解于水形成气-液界面的过程,该阶段为水合物的形成条件;诱导阶段为水合物的凝固形成过程,为水合物的成核阶段;成长阶段为晶核的稳定成长过程,热量和质量在三相(水、水合物和游离气)平衡传递,微小的水合物粉末逐渐生长为结晶状天然气水合物。

天然气水合物的动力学机制搞清楚之后,对我们有什么帮助呢?在了解天然气水合物动力学过程之后,我们就可以在一定程度上控制天然气水合物的生成及分解过程,这对可燃冰的开采及之后的运输至关重要。

三、可燃冰的勘探

天然气水合物犹如绝世珍宝埋藏在深海,我国南海同样埋藏着大量的可燃冰。那么现阶段国际上都有哪些可燃冰的勘探开采技术,我国对可燃冰的开采利用技术又处于什么梯队呢?下面笔者将进行详细介绍。

对天然气水合物矿藏的识别,现阶段主要依靠地球物理识别标志,地球化学识别标志,海底地质识别标志三方面进行识别。毫无疑问,地球物理技术是水合物识别最核心的技术。似海底反射层(Bottom Simulation Reflector, BSR)是基于地震的识别技术,由于含气水合物的沉积物和下伏不含气水合物的反射率不同,在两者之间会形成声反射界面,再结合其他地球物理探测技术,从而可以大致判断出天然气水合物的埋藏情况。

当前识别天然气水合物的另一种重要技术手段就是地球化学方法,这种方法可以有效弥补地球物理方法带来的多解性,还可以进一步分析天然气水合物的成分、物化特性及形成演变机制等。另一种方法是海底地质识别方法,在深海一些特殊的地质结构往往意味着天然气水合物的存赋。

在中科院战略性先导科技专项的支持下研发的基于深海ROV的拉曼光谱原位定量探测系统,已经在海底冷泉、热液等极端区域的原位探测及海洋化学分析领域得到广泛应用,并且成为海底天然气水合物原位探测及动力学过程原位研究的一大利器。在以往的海试过程中,已经取得了一些较为理想的成果。

1. 在我国南海首次发现裸露于海底的天然气水合物。如图2所示,在冷泉溢流口附近生物群落下发现了表层天然气水合物,并成功获得了天然气水合物样品的深海原位拉曼光谱,拉曼光谱数据表明其为标准的I型水合物。

冷泉溢流口附近的表层水合物

图2 冷泉溢流口附近的表层水合物

2. 为了研究冷泉溢流口附近环境对天然气水合物生成和分解过程的影响,在我国南海冷泉考察期间,利用冷泉喷口流体中的气体首次原位生成了天然气水合物,并通过深海激光拉曼光谱探测系统对冷泉溢流口附近原位快速生成水合物的过程进行了拉曼光谱探测,如图3所示。在原位拉曼光谱数据基础上,提出了天然气水合物快速形成的初步解释,对天然气水合物的形成机制进行了有效的补充。

冷泉溢流口附近的溢流气体快速生成天然气水合物及拉曼光谱原位探测

图3 冷泉溢流口附近的溢流气体快速生成天然气水合物及拉曼光谱原位探测

3. 利用冷泉喷口流体中的气体生成的天然气放置在冷泉喷口附近,并通过坐底长期观测系统进行了长达21天的连续观测,全程记录了天然气水合物分解过程,这对研究天然气水合物的稳定存在条件及分解过程具有极为重要的参考价值。

四、可燃冰的开采

随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。

可燃冰作为重要的可替代能源,同时作为一种重要的碳元素,犹如深海珍珠一般等待着我们前去探索。经过数十年的稳步发展,我国海底天然气水合物勘探及开采技术已经步入国际前列,相信在不久的将来,一定能将深藏海底的明珠采撷归来!

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