——姓甚名谁?
地球上有一种新型的未来能源叫可燃冰。随着全世界对环境与气候问题的日益关注以及人类对清洁能源需求的快速增长,可燃冰越来越受到科学家、能源工作者和社会各界的关注。

可燃冰的学名叫天然气水合物,小名叫有固体瓦斯、笼形包合物,(英文名为Natural Gas Hydrate,缩写为NGH),因为气体成分主要是甲烷,有时也被小伙伴叫做甲烷水合物(英文名为Methane Hydrate,缩写为MH)。它是一种把天然气包裹在神奇的冰状晶格下的固体结晶物质,多为白色、淡黄色、琥珀色和暗褐色。因纯净的天然气水合物呈白色,形似冰雪,能被直接点燃,故形象地称之为“可燃冰”。

可燃冰的能源效率极高,常压下1立方米的可燃冰可以释放出0.8立方米的水和164—172立方米的天然气,其中主要是可燃烧的甲烷。甲烷的燃烧过程要远比一般的天然气更加清洁,故而可燃冰是人类社会对抗雾霾,迈向无碳“零污染”能源时代的过渡低碳能源。

番外:
可燃冰的化学方程式为CH4·8H2O,就是46个水分子包围了8个甲烷分子,如同一个一个的“笼子”,若干个水分子组成一个“笼子”,每个“笼子”里关一个气体分子,这其中的甲烷分子超过99%,因而易被点燃

1.存在条件
可燃冰的形成必须具备四个条件。一是温度,生成可燃冰的温度不能太高,也不能太低,适宜温度是0—10℃之间,最高限是20℃。二是压力,形成可燃冰需要足够的压力,但也不能太大, 在零度时,30个大气压以上就可。三是气源,“巧妇难为无米之炊”,丰富的天然气是可燃冰的重要组成部分。四是适量的水,这也是形成可燃冰不可或缺的成分。四个条件缺一不可。
2.分布
可燃冰在陆域和海域均有分布,而海底可燃冰的分布范围要比陆地大很多,据科学家大致估计,可燃冰分布的陆海比例为1:100。大约27%的陆地,包括极地冰川冻土带和冰雪高山冻结岩,以及90%的大洋水域是可燃冰的潜在区。陆地可燃冰分布较少是因为除了永久冻土层,其他地方很少像海底一样具备可燃冰形成的条件,而在海底300-500米的沉积物中都可能具备。

可燃冰全球分布
已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基和海沟中。主要分布区域如下:
(1)西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海;
(2)东太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亚-俄勒冈滨外、秘鲁海槽;
(3)大西洋海域的美国东海岸外布莱克海脊、墨西哥湾、加勒比海、南美东海岸外陆缘、非洲西海岸海域;
(4)印度洋的阿曼海湾;
(5)深水湖泊,如内陆的里海和黑海;
(6)极地地区,如北极的巴伦支海和波弗特海,南极的罗斯海和威德尔海;
(7)大陆永久冻土带地区,如俄罗斯的西伯利亚,中国青藏高原等。
据最新资料,迄今至少在全球116个地区发现了天然气水合物。其中,陆地38处(永久冻土带)、海洋78处:含美国12处;日本12处;俄罗斯8处;加拿大5处;挪威、中国、墨西哥各3处;秘鲁、智利、巴拿马、阿根廷、印度、澳大利亚、新西兰、哥伦比亚各2处;巴西、巴巴多斯、尼加拉瓜、危地马拉、委内瑞拉、哥斯达黎加、乌克兰、巴基斯坦、阿曼、南非、韩国各1处;南极永冻带5处。这些发现大多数是通过对地球物理资料的解释确定的(如获得地震拟海底反射(BSR)标志),主要是由国际大洋钻探(ODP)和国际深海钻探(DSOP)的成果予以证实的。其中15处通过钻井取样确认;8处通过钻井测井发现;8处应用活塞取心和重力取心器发现。
3.储量
目前在世界海底发现近60种的天然气水合物产地,主要是大西洋东岸,太平洋东岸、西岸。如美国东部的布莱克海台面积2.4万平方公里,其可蕴藏量70万亿立方米,按美国目前年消耗量计算能够满足未来100年的需要,不仅如此,能量密度高得惊人,是常规天然气的2—5倍,是煤的10倍,1个单位体积分解后可释放164个单位体积的甲烷气体。
根据天然气水合物的成矿理论分析,对我国的南海陆坡、东海陆坡均有天然气水合物的地质构造条件。据初步测算,我国仅南海发现的可燃冰带能源总量相当于全国石油总量的一半。
我国是世界上第一个在中低纬度冻土区发现可燃冰的国家,也是可燃冰资源储量最多的国家之一。据专家预测,我国南海西沙海槽、台湾西南陆坡等海底可能存在大量可燃冰资源,储量为803.44亿吨油当量,接近于我国已知的常规石油资源量,约是我国常规天然气资源的两倍,可以满足我国今后数百年的需求。同时据国土资源部专家估计,我国陆域可燃冰远景资源量至少有350亿吨油当量,可供我国使用近90年。
1.发现过程

冰生历程
上世纪30年代,为了输送天然气,人们铺设了输气管道,但一些输气管道经常被奇怪的“冰块”堵塞,为了解决这个难题,科学家对这些“冰块”的结构和成份进行了分析,1934年,美国科学家发现这些冰块是天然气和水混合而成的,称天然气水合物,就这样可燃冰被人们意外地发现了。

野外天然气管道1

野外天然气管道2

油气管道里的可燃冰
本来水和气是不相溶的,但在管道里100个左右的大气压和小于10摄氏度的低温把水和天然气生挤在一起。其实早在1810年,英国科学家汉佛莱.戴维(Sir Humphry Davy, 1st Baronet )在实验室合成了气体水合物,但却没引起重视,人类舍近求难,轰轰烈烈地开始了一个世纪寻找和争夺石油的大战。

Sir Humphry Davy, Bt by Thomas Phillips
然而,人类在石油供应逐渐陷入枯竭的时候,1965年,前苏联科学家Makogon等人在西伯利亚的永久冻土带上发现了天然气水合物的矿藏,这次人类是真的重视了,因此这一发现证实了天然气水合物在自然界确有存在。

Now Siberian craters could provide energy of future
2.大事记(详见可燃冰研究重大事件.xlsx)
3.如何寻找可燃冰?
目前,国际上确定天然气水合物的技术手段主要一是通过对地球物理资料的解释确定,如获得地震模拟海底反射(BSR)标志,BSR是一种声反射面,指的是含气水合物的沉积物和其下伏不含气水合物之间的声反射界面,而在海洋环境中气水合物是稳定的,所以分析这种反射界面是判断是否存在天然气水合物的一个重要标志。

地震模拟海底反射
第二种标志是典型的海底甲烷渗漏(即冷泉)反射特征,由于天然气水合物的主要成分就是甲烷,所以在海底监测到大量甲烷气体渗漏也是判断天然气水合物存在的重要标志。

Above: Numerous distinct methane streams emanating from the seafloor at a cold-seep site on the upper slope (water depth less than 500 meters [1,640 feet]) offshore Virginia. Image courtesy of NOAA Okeanos Explorer Program,2013 Northeast U.S. Canyons Expedition.https://soundwaves.usgs.gov/2014/10/
中国的“破冰之旅”
由于天然气水合物的资源意义,其被发现以来,引起了世界各国的重视。1965年,前苏联率先在西西伯利亚发现包含天然气水合物矿藏的麦索雅哈气田(Messovakha),之后美国、加拿大也相继在阿拉斯加、马更些(Mackenzie)三角洲等陆上冻土区中发现了天然气水合物。1974年,前苏联科学家在黑海的沉积物中发现大块的水合物结核。1979年,国际深海钻探计划 (DsDP)第66、67航次先后在中美海槽的钻孔岩心中发现了海底天然气水合物。进入20世纪80年代以来,美国、英国、德国、加拿大、日本、印度、韩国等发达国家相继投入巨资并制定了天然气水合物勘查和开发的国家计划,进行本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作,并取得了一系列重大进展。

可燃冰全球分布
世界发达国家的成绩不断传来,不断刺激着地质学家们的探求之心。天然气水合物资源勘查是一个全新的领域,中国人没有经验。如何科学开展这项工作,成为首先要解决的问题,鉴于对南海北部复合型被动大陆边缘、地质构造复杂,天然气水合物资源埋藏相对较深,难于探测等特殊地质背景的认识,广州海洋局水合物项目团队借鉴了油气勘探工作的步骤和方法,决定先通过区域概查展开,发现异常后,再进一步调查。
尽管当时调查经费颇为拮据,仅够采用常规二维地震方法开展调查。但广州海洋局积极筹措资金,决定采用新的863研究成果——高分辨率地震方法展开调查。1999年,派出“奋斗五号”船实施了首次针对水合物的高分辨多道地震调查中,由此掀开了我国海域水合物调查的序幕。通过调查,在南海北部陆坡西沙海域首次发现了水合物存在的重要标志——似海底反射(BSR)。成果报送国务院后,时任国务院副总理温家宝批示“在南海发现天然气水合物存在的似海底反射波,意味着这类新资源在我国零的突破(2000年)”。

奋斗五号
“奋斗五号"执行某海区天然气水合物调查任务
在广州海洋地质调查局的先行者们获得天然气水合物存在的多信息证据后,我国于2002年正式批准设立天然气水合物资源勘查专项。从此,我国正式踏上了大规模、多学科、多手段开展天然气水合物资源调查的艰辛历程。
南海国土的馈赠
南海,这片富饶美丽的蓝色国土,这片被无数列强觊觎的肥肉,从来都没有辜负国人的期望。

护卫南海
2002-2015年间,我国相继在南海北部陆坡的西沙、东沙、神狐和琼东南海域开展了天然气水合物资源调查及研究工作,并取得了一系列勘探成果和理论突破。

西沙

东沙

西沙永兴岛
2007年4-6月,广州海洋地质调查局首次在南海北部神狐海域成功实施8个站位钻探,其中3个站位获得了天然气水合物实物样品,所获得的样品甲烷含量高达99.7%以上,点火即可燃烧,饱和度20%-48%,矿层厚20-40米,具有甲烷含量高、饱和度高、厚度大、成片均匀分布等特点。这一发现是我国首次在南海海域获取天然气水合物实物样品,证实了南海存在良好的水合物资源前景。

2007年,首席科学家、中国地质调查局张海启博士点燃天然气水合物样品释放的气体

2007年钻获的水合物
消息传来,整个地质行业欢欣鼓舞!所有关注和支持能源战略发展的各级领导为之一振!这是一次战略性的突破,使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探获得天然气水合物实物样品的国家,也意味着我国海域天然气水合物资源调查正式跻身国际水合物勘探的先进行列。
在获得了突破性的进展之后,广州海洋地质调查局的“寻冰人”没有懈怠,而是一鼓作气,继续深化研究,在南海北部开展了天然气水合物地质、地球物理和地球化学综合调查,在对多个重点目标区详查的基础上,圈定评价了一批成矿区块,确定了一批钻探目标和井位实施钻探评价。并于2013年6月1日~9月8日,在珠江口盆地实施了我国第二次天然气水合物钻探。

2013年首席科学家张光学教授点燃块状天然气水合物

2013年,胜利完成钻探航次合影
这一次,又是一场有备而来的胜利。
我们钻获了大量高纯度的新类型天然气水合物实物样品,样品中甲烷含量最高达到99%,呈块状、脉状、分散状等多种类型,主要赋存于水深600-1100米的海底以下220米以内的两个矿层中,具有埋藏浅、厚度大、类型多、含矿率高、甲烷纯度高等五大特点,在国际上罕见。钻探圈定矿藏面积55平方千米,控制资源量超过1200亿立方米(折算成天然气)。该发现首次在我国南海获取了可视的块状天然气水合物实物样品。这一新发现,填补了我国海域可视水合物的空白,极大地丰富了我国海域水合物的赋存类型,是继2007年钻探航次后发现的新的水合物赋存类型,具有重大勘探实践意义和重要的科学研究价值,是我国海域水合物资源调查勘探一个里程碑式的重大突破。

(块状) (瘤状) (脉状)
钻获的天然气水合物实物样品类型
芝麻开花节节高,势如破竹声声振。在多次成功实践的情况下,广州海洋地质调查局的“寻冰人”有了更坚定的信心。
2015年6月~9月,他们再次在神狐海域实施23口天然气水合物钻探井,这次的命中率达到了100%,23口井全部发现天然气水合物,水合物矿体厚度大、储量大,呈高饱和度特征。钻井控制矿藏面积128平方千米,控制资源量超过1500亿立方米(折算成天然气),圈出10个规模较大的矿体,其中通过钻探取芯落实的2个大型矿体,此次钻探还首次发现Ⅱ型天然气水合物,与深部油气密切相关,对指导油气勘探具有重要意义。这次钻探为海域天然气水合物实验性开采提供了重要参考靶区,标志着我国海域天然气水合物资源调查已达到世界先进水平。

神狐海域
同年,广州海洋地质调查局利用地球物理资料在神狐邻近海域发现了典型的海底甲烷渗漏(即冷泉)反射特征,继而利用我国自主研发的“海马号”水下机器人(ROV)进行海底观测和实时甲烷测定,发现了大量化能自养的冷泉生物——菌席、贻贝类、管状蠕虫、蟹等组成的大型冷泉生态系统和大量沉淀于高碱度环境的冷泉碳酸盐岩,证实了巨型冷泉群——海马冷泉区的存在。

多波束测深图及冷泉羽流泄漏点分布区(黑色圆点代表冷泉羽流)
同时,在海马冷泉区进行了目标精准的大型重力活塞取样,直接在海底浅表层采获渗漏型天然气水合物实物样品。海底观测和取样的结果验证了前期勘查研究中对海底渗漏型水合物分布预测的正确性,在南海海域水合物资源富集规律及与冷泉有关的海底生态系统认识上取得新突破,对后续钻探部署具有重要的指导意义。

海马号1

海马号2

海马冷泉多样的海底生物

ROV2站位沉积物中的块状水合物
寻找可燃冰的汗血宝马
寻找可燃冰,无论是在高原冻土,还是在深海探测,我国的设备一直都有严重的对外依赖性,可以说是一个没有自主知识产权技术设备的领域,但是,随着“海马”号的问世,这一局面被打破了!“海马”号4500米无人遥控潜水器的出现,实现了我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域“零的突破”。2015年3月-5月,“海马”号在我国南海北部陆坡西部海域首次发现了活动性“冷泉”,并利用大型重力活塞取样器获取了天然气水合物实物样品,名副其实地成为了进行海底天然气水合物探测的国之利器。
第一次见到“海马”号,是在北京展览馆主办的国家“十二五”科技创新成就展主展区内,这台身长4米、宽2.1米、高2.6米、重5吨的大型机器吸引了众多观众。此次来京参展,“海马”号可谓长途跋涉、全副武装、满载荣耀,让人们一睹他的风采。他屹立在北京展览馆的主展区内,如一个硬汉,用伟岸的身姿讲述着自己的光辉事迹。
从无到有:我们自己的汗血宝马
海洋,一个人类一直在追寻的梦,一个中国人已落后太久的战场!
从乘风破浪、扬帆远航,到海底遨游、探寻宝藏,我们经受了太多的“人为刀俎,我为鱼肉”。归根结底,在于海洋科技的落后。具体到无人遥控潜水器领域,从20世纪50年代几个美国人把摄像机密封起来送到海底开始,世界上对其研发使用已有了半个多世纪的历程,而我国才刚刚起步,为了打破这一海洋探查和资源开发关键技术装备被少数发达国家垄断的局面,国家863计划海洋技术领域于2008年启动了“4500米级深海作业系统”重点项目,主要任务就是研发实用化的作业型4500米无人遥控潜水器。
于是,2014年我们如约看到了“海马”号的海试成功。
于是,我们中国人终于有了第一套属于自己的4500米深海无人遥控潜水器系统。
这套系统的国产化率超过了90%,突破了4500米作业级无人遥控潜水器控制系统、重型升沉补偿器、4500米级浮力材料、4500米级升降装置和系列化作业工具等核心技术,不仅打破了国外的垄断,达到了国际同类产品的先进水平,还有多项技术解决了国外同类技术的难题,如:
“海马”号项目团队在国内首次突破4500米级作业型七功能和五功能机械手研制的关键技术,研制出作业型七功能和五功能机械手,并形成水下液压机械手综合制造、试验测试、工程应用和谱系化能力,达到与国外机械手基本相当的负载能力/重量比,解决了国外机械手中肘关节、腕关节回转摆线马达输出功率较弱的问题。
他们还发明了无人遥控潜水器专用的低刚度高精度的三通电液比例减压/溢流阀,解决了常规压力阀直接控制速度而引发阀—桨共振的问题,研制出液压推进关键元件。达到与国外液压推进器基本相当的推力/重量比,解决国外液压推进控制系统在额定工况下不能兼顾效率与响应速度的问题。
因此,我们可以毫不逊色地说:“海马”号是我国迄今为止系统规模和下潜深度最大、国产化率最高的深海无人潜水器系统,标志着我国全面掌握了大深度无人遥控潜水器的关键技术,填补了这一领域的空白。
而且,“海马”号具有国际上所有无人遥控潜水器的常规功能,能够应用于海洋工程、救助、打捞、考古和海洋观测、科学考察作业这两大领域。通俗来说,如果我国海域发生了类似2010年墨西哥湾海上钻井平台爆炸导致的严重海上漏油事故,“海马”号能够像当时起到关键作用的无人遥控潜水器那样潜入水下执行艰巨复杂的长时间排险作业任务,制止原油泄漏。如果要打捞某个沉到海底的飞行器,“海马”号有能力执行1999年7月在大西洋海底打捞自由钟7号同样的任务。同样,“海马”号也能够进行海底拍摄,拍摄Discovery探索频道或《泰坦尼克号》那样的记录影片。
从立项到计划,从模型到设备,六年艰辛,六年努力,我们的“海马”号一举成功,达到世界同类深海无人潜水器的技术水平。这是我们自己研制的,驰骋在我国大洋深处的宝马。

“海马”号无人遥控潜水器本体


安装在“海马”号顶部的浮力材料
从无到有:我们自己的汗血宝马
潜水器是人类进军海洋必须借助的装备,潜水器分无人和载人两种,目前,国际上绝大多数现役潜水器是无人潜水器,但是载人潜水器数量很少,原因何在?
一个显而易见的原因是载人潜水器首先要保证人的生命安全,因为人的存在,潜水器就要多一个“生命保障系统”的附加要求,比如,要维持水下工作人员在狭小密闭空间里的正常呼吸和体温,要具有紧急情况下的“脱身”功能。同时,载人潜水器的电能是由自身携带的电池供电,电能有限,要在电能耗尽之前停止作业,浮升至海面,在水下潜行作业的时间因此受到了很大的限制。上述这些问题决定了载人潜水器必然存在的致命弱点。
与载人潜水器相比,无人遥控潜水器就具有了无可替代的优势:一是适应性强、功能强大,几乎可以应用于所有海洋开发活动,受海况和海底环境影响小,推进系统和机械手功率大,覆盖海底作业链各个环节,在海洋地质调查中应用前景广阔,可大幅提升调查能力。二是作业灵活、经济高效,可根据不同的海底作业任务进行功能扩展配置,收放便捷,不需要专门支持母船,占用甲板空间和作业人力等资源少,建造、运行和维护成本低。三是无载人风险,可在母船实时遥控操作,不需水面工作艇支持。四是能够长时间驻留海底,母船通过脐带缆提供电能,可无限时地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。所以,“海马”号的研制目标是灵活、高效的实用化深海作业设备。

“海马”号水面控制系统
4500米,一个优化的深度
据文献报道:人类自由潜水的世界纪录是2000年1月,由古巴人弗朗西斯科•费里拉在墨西哥湾创下的162米。而在常规潜水中,60米水深下,潜水员只能工作半个小时。“饱和深潜”,这一世界各国正在攻克的尖端难关,目前的最大深度是美国的723米。一般的常规潜艇都是200到300米,核潜艇可以在400米以下,最深的核潜艇记录最深潜到了1200米。
与此相较,“海马”号的优势显而易见。但是,目前美、日、俄、法等国家已经拥有从先进的水面支持母船到可下潜3000—11000的潜水器系列装备。与同类相比,我们的“海马”号是不是还很落后?
答案绝非如此简单。
首先,海底4500米的深度可以覆盖我国98%的海域,以及绝大部分国际海域多种资源富集区。研制这一深度级别的深海作业系统,能够满足目前我国深海探查和作业的需求。可见,“海马”号研制任务的定位是为了我国突破和掌握深海无人遥控潜水器的核心技术,为深海作业提供急需的实用化国产化装备,打破国外的技术垄断和禁运,而并非一味追逐潜深记录。
第二,在对潜水器下潜深度的通常级别分类中,1000米以内为浅海级,1000米—3000米属于中深海级,超过3000米为深海级。“海马”号4500米的深海作业能力,不仅实用性、适应性强,而且已经是目前我国自主研制的下潜深度和系统规模最大,国产化率最高的无人遥控潜水器,为我国研制更大深度潜水器积累了技术储备,使得我们完全有能力向更深处潜行。
当然,与具有40多年产业化基础的世界先进国家相比,我国在潜水器方面尚存在着诸多技术差距。但是我们已经实现了从无到有,这匹属于我们自己的深海宝马,升级改造均由我们自己做主,通过不懈的努力,我们日后一定能彻底打破受制于人的局面,在未来的海洋竞争中获取更多的话语权。

“海马”号投入海上应用
从有到有用:大洋深处显身手
古语云:千锤方可成利器。“海马”号于2014年4月顺利通过科技部海上验收后,名声大震,但他和他的设计者们并没有陶醉于这些鲜花和掌声中,他们心头压着的那块石头依然沉重——应用!要将“海马”号迅速投入实际应用!不仅要能用,还要好用!他们要在半年时间里,把“海马”号从科研成果转化为实用化设备,实际上就是要实现“一步正样”,这在中国大型海洋装备研制项目中是不多见的。
“海马”号及其团队马不停蹄,先后于2015年3月、6月和2016年3月执行了南海北部陆坡水合物资源调查、大洋第36航次、水合物资源详查和冷泉生态环境调查工作,累计作业下潜24次,水下作业时间累积超过180小时。
首次发现“海马冷泉” 旗开得胜慰军心
针对南海水合物有利区详查任务的实际需要,“海马”号进行了针对性的改造。2015年3月,“海马”号随母船海洋六号开赴南海,受命搜寻海底“冷泉”活动和与水合物赋存相关的微地貌特征。
肩负重任的“海马”号不负众望,第一次下潜就在我国南海北部陆坡西部海底首次发现了双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志(该“冷泉”被命名为“海马冷泉”),获取了高清视频记录和实物样品,同时记录了海底低温异常和超高甲烷含量异常。
这些颇为专业的词汇理解起来有些晦涩,那么究竟何谓“冷泉”?“海马”号的这一发现有什么重大意义?
通俗来讲,海底冷泉就像荒漠海底中的一片绿洲,在这片绿洲里生存着大量海底生物,看上去很像我们常见的海鲜产品——贻贝,而且这些生物深处海底生存,依靠的不是光合作用,而是依靠海底不断渗出的甲烷、硫化氢等还原性化学物质自养,这完全是不同于平常的另一套生命体系,这就具有了生命科学的价值,是开展地球生命起源和冷泉生态环境等前沿科学研究的重要窗口。同时,在冷泉所在的海底极有可能存在天然气水合物,这一点,被该海区后续调查获取的海底样品中含有天然气水合物所证实,并成为2015年度我国南海天然气水合物资源调查的一个重大突破性进展。
事实胜于雄辩,“海马冷泉”的发现是在我国管辖海域内第一个由我国自主研发的深海高科技探查装备发现的海底活动性“冷泉”,这不仅证明了“海马”号的总体运行状态良好,各项性能满足“冷泉”探查的技术要求,而且取得了国产化深海技术设备应用和地勘调查成果双丰收。首战告捷,对于六年攻坚克难的“海马人”来说,足慰平生!
2016年2月27日~3月23日,“海马”号及其作业母船“海洋六号”再次开赴“海马冷泉”区域,执行以水合物资源详查和冷泉生态环境调查研究为目的的海底作业任务。
这次出征,为了达到“冷泉”区资源和环境的调查研究要求,“海马”人对“海马”号进行了多项适应性改造,提高了精细观测和样品获取能力。同时,开展了与国内“冷泉”研究科学家之间的合作,加强了对“海马”号的现场科学作业指导,使本次调查作业工作同样取得了丰硕的成果。

“海马”号在“海马冷泉”区调查作业

“海马”号在“海马冷泉”进行取样(碳酸盐结壳)

海马”号在“海马冷泉”进行取样(贻贝)

“海马”号拍摄的“冷泉”区海底生物群落
投身大洋矿产调查 于无声处立国威
2015年6月,“海马”号转战西太平洋,投入大洋第36航次的应用作业,在采薇海山复杂陡坡的地形环境中圆满完成了6个站位富钴结壳资源探查任务,拍摄并记录了近百分钟海底高清视频,利用机械手抓取了数十公斤结壳样品和钙质沉积物样品,获取了全程物理海洋测量数据和海底原位水样,首次对自主研制的小型钻机和切割机进行了实际应用试验。
本次实战,近10天的紧张工作,不仅考验了“海马”号针对结壳资源调查任务的作业功能,而且考验了“海马”号的航行动力性能及其技术团队在复杂而危险的海山陡坡环境中的操控和作业能力。事实证明,“海马”号及其技术团队经受住了考验,圆满完成各项任务,达到了预期的科学目标。这同时意味着“海马”号的应用环境已经由安全性较高的平坦泥质海底拓展到危险性较高的复杂海山环境;由较为简单、无须考虑海底障碍物的定向/定高航行与任选着陆点进行定点的作业运行方式,改变为需要时刻注意规避危险因素并需要在险峻的海山地形中谨慎选择着陆作业点的运行方式。
更值得骄傲的是,“海马”号在采薇海山的成功作业实践,是我国自1997年起,在开展了近20年海山区结壳资源调查工作中的一个质的飞跃,填补了我国在该领域技术手段的一项空白。而且还在西太平洋采薇海山结壳资源分布区放置了带有中华人民共和国科技部、中国地质调查局、广州海洋地质调查局、中国大洋矿产资源研究开发协会等参研单位徽标的金属锥体物。这一永久标志物,象征着中国海洋技术发展的足迹!这一永久标志物,在茫茫大洋深处闪耀着中国智慧!在波涛汹涌的国际海洋竞争领域,彰显着中国力量!

“海马”号在海山区进行结壳调查作业

海马”号机械手进行富钴结壳取样
从研制成功至今,短短两年的时间,“海马”号已经顺利执行了多次深海作业任务,并以出色的表现取得了多项骄人的成绩,充分证明了“我不是一个摆设”!正如他设计者们给他的命名一样,做一匹踏实肯干的骏马,驰骋在祖国的大洋深处,为国计民生默默地奉献自己的力量。而由中国地质调查局广州海洋地质调查局牵头实施,联合上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位组成的精英团队,更是一群真正具有“工匠精神”的创新者,是一群真正为国奉献的实干者!
我们期待着,“海马”号不断完善与升级,不断服务于国家海洋战略,将我们的强国梦植根深海
未来
可燃冰根据赋存的状态和储层不同,而呈现金字塔式分布而显示不同资源的相对数量和生产情况,最具开采价值的资源位于顶部,最具挑战性的位于底部。北极砂岩位于金字塔顶端,而海洋天然气水合物一般分成四种类型。第一类是深水砂岩,可燃冰为中高浓度,但开采成本较高。第二类是非砂岩,包括细粒度泥岩和页岩。现阶段这种类型仍存在技术问题。第三类是分散在区域天然气水合物稳定区(RGHSZ),这个类型占大多数,但由于细粒沉积物的低渗透性和低饱和度(~10%或更低)而位于资源金字塔的最底端。最后一类较为特殊,是接近海底表层区域的局部性聚集。最近,世界各地持续不断地发现这种类型,精确数量尚未可知。特别有名的是,Cascadia大陆边缘水合物海岭南端的“Horizon A”和韩国近海郁陵盆地的地震烟囱以及墨西哥湾、南海海槽、Cascadia陆缘和郁陵盆地的冷泉。
纵观历史,展望未来。水合物不再只是实验室的合成产物(Humphry Davy,1810年)和堵塞油气管道(Hammerschmidt,1934年)或者油气钻探中的安全隐患,而是在不远的将来可以造福于人类的“清洁、高效、低污染、系统化”(丹尼尔·尤金,《探寻:能源、安全与重塑现代世界》)的新型能源。2013年3月,日本在南海海槽实地进行天然气水合物的海上开采试验,2015年4月,韩国在日本海(韩国称之为东海)的郁陵盆地也进行了海上试采工作。虽然,目前尚面临着许多技术问题,然而,或许海上商业化开采水合物真的不太遥远。最近发布的《全球能源评估报告(GEA 2012)》探索了未来全球能源系统可能的转型途径,并将天然气水合物作为一种非常规资源囊入了该评估报告中。
甲烷是一种温室效应极强的温室气体,甲烷的气候增温效应是二氧化碳的10倍。通常大气中甲烷只占温室气体的15%,对全球温室效应的影响排在二氧化碳之后,但是全球可燃冰中甲烷量是如此巨大,占地球甲烷总量的99%以上,大约大气中甲烷量的3000倍,天然气水合物也带来了负面影响,产生海底滑坡、海底的地质灾害,进入大气层,增强温室效应,气候变暖,海平面上升等问题。
人类开发海洋资源不应以牺牲生存环境为代价,要想很好地利用可燃冰前提条件是安全开发。目前还没有一项成熟的开发技术,可燃冰开采首先是分解、释放天然气并回收,已有3种开发方法:一是热力开采,二是化学剂注入开采,三是降压开采。作为理想的后续能源,一些发达国家决定在2015年对可燃冰商业性试开采,以便缓解能源紧张、枯竭的状况。人类将期待的目光聚集在无边深邃的蓝色海洋。