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关于天然气水合物开采引发海底滑坡的思考

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关于 天然气 水合物 开采 引发 海底 滑坡 思考
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关于天然气水合物开采引发海底滑坡的思考 口刘鹏唐佳芝李强 (中国地质大学湖北·武汉430074) 摘要:为了安全地开采天然气水合物,需研究开采前后其赋存地层受力和环境变化。天然气水合物因开采引 起的状态变化使原地层受力减弱,地层环境也变得恶劣,极易引起海洋地质灾害一海底滑坡的发生。 关键词:天然气水合物状态变化海底滑坡 中图分类号:献标识码:A 文章编号:1007.3973(2010)05—106.02 1引言 天然气水合物(由水分子和气体分子组成 的具有笼状结构的似冰状结晶化合物,因其中的气体多以甲 烷为主(90%),故也被称为甲烷水合物。天然气水合物多呈白 色或浅白色晶体,其外貌极像冰雪或固体酒精点火即可燃烧。 因此有人称其为“可燃冰”、“固体瓦斯”。 在标准状态下,单位体积的水合物最多可分解产生位体积的甲烷气体,因而是~种重要的潜在能源。天然气 水合物因其在资源、环境和全球变化中的重要意义引起世界 许多国家的高度重视,成为当代地球科学和能源研究的一大 热点。 截止到目前,天然气水合物已经在世界大陆冻土带及海 洋区域多处直接或间接地探测到天然气水合物 而且,较为 广泛分布于陆架外缘陆坡和陆隆沉积物中,天然气水合物层 主要集中在距海底3002007年4,中国地质调查局首次组织实施南海天然气水合物钻探工 程,在神狐海区(白云凹陷)进行钻探并取得天然气水合物样 品。。2009年6月,在青藏高原海拔4000多米的祁连山南缘, 成功钻获“可燃冰”样品;2010年3月,有关专家对中国科学院 广州天然气水合物研究中心先期完成的“青海省天然气水合 物勘探开发方案研究报告”进行了审查,确定指出青海省多年 冻土区具备较好的“可燃冰”找矿前景。 2天然气水合物的物理特性 天然气水合物一种笼形结构晶体,在低温条件下比冰更 稳定,在大陆边缘冻土带和深海沉积地层中均发现了天然气 水合物。2然气水合物作为天然气工业 管道运输中的一种危害而被发现。从2它才被作为一种新的能源得到系统的研究。目前,研究纯水 合物的物理特性的成果较多,也有较多的岩石物性测量数据 (见表1),普遍认为,纯水合物有诸多性质与冰相似或相近。 研究表明,天然气水合物主要有两种结构:五角 十二面体和十四面体组合,气体分子量较小;五 角十二面体和十六面体的组合,碳氢气体分子量较大。除此 两种主要结构外还有一种体多为大分子,如异 戊烯0。 表1冰与纯水合物物理性质 (据.G..2000) 结构I 结构Ⅱ 性质 冰 水台物 水合物 纵波速度/(m/s) 3 845 3650 369O 横波速度,(m/s) 1 957 l 895 、横波速度比 1.96 1.93 1.95 泊松比 0.325 O.3.32 剪切模量(G),.5 3.2 3.2 等压体积模量(G)/.9 7.7 7.8 等温体积模m(G~a 8.6 7.2 7.5 等压杨氏模量(G)/.3 8.5 8温杨氏模量(G].0 7.9 8.1 天然气水合物的基本形成条件是高压低温环境并保证有 足够的烃类气体及水分在此环境下反应形成气体水合物。通 常水合物存在于松散沉积物中,岩性多为泥质胶结的粉砂岩、 粉细砂岩,成藏深度不大,成岩性差,胶结程度度低,结构十分 疏松。恰是由于再高压低温环境下水合物以结冰的固体形态 赋存于这些沉积物底层的孔隙中起到了有效的胶结作用,改 变了疏松地层的物理特性,尤其是在岩石纵波、横波速度,密 度、泊松比方面的影响显著,反之,地层环境对水合物形成也 有影响:在自然条件下,粗粒沉积物更加有利于水合物的富集。 赵群等。通过模拟天然气水合物的岩石物理特性模型试验研 究发现,沉积物胶结初期只增加体积模量,温度继续降低,剩 余水开始冻结,使颗粒胶结在一起,极大地增加了剪切模量, 从而改变沉积物原有的岩石物理特性。 3天然气水合物引起的海底滑坡 虽然目前国内对水合物做了大量的研究,但水合物在沉积 物中赋存对底层特性的改变和分解渗流特性及力学性质的基础 数据非常缺乏,水合物性质与沉积物地层环境的相互影响研究 仍不够深入。从而极大地限制了水合物勘探、开采的研究进程。 天然气水合物是以结冰的固体状态存在于地层孔隙中, 并对沉积物地层起到了胶结强化的作用。开采天然气水合 物使其分解势必会改变地层现状,而其严重的后果之一就是 ——斛协论坛·2010年第5期(下)—— 中国城市污水资源化研究 口 刘 韬 (枣庄市城市生活垃圾处理中心 山东·枣庄277000) 摘要:当前,我国备大城市都面临着水资源短缺、水污染严重等问题,这严重影响了城市社会经济的可持续发 展,而城市污水资源化是解决水资源短缺的重要措施之一。本文通过论述国内污水资源化技术状况及存在问题, 对新时期城市污水资源化发展趋势进行了探讨。 关键词:污水资源化污水回用 污水资源化战略 中图分类号:献标识码:A 文章编号:1007—3973(2010)05市污水资源化又称污水回用,是将污水进行净化处理 后,进行直接或间接地回用,使之成为城市水资源的一个组成 部分,这样既可消除水环境污染,又可促进生态的良性循环。 (翁焕新,城市污水回用作为缓解水资源紧缺,保护生态环境实现 污水资源化的有效途径,根据目前城市污水回用技术的发展 情况,城市污水回用的途径主要包括农业回用、工业回用、市 政回川、娱乐景观水体回用等。 2中国城市污水资源化概况 中国是世界上严重缺水的国家之一,人均水资源量仅为 ●●●●●●■●●●●●●● 海底滑坡…一大量含水的碎屑体,在水层压力和重力驱动下向 斜坡下方的整体运移,其形成过程就是海底应力对土体一个复 杂的触发裂离和运动的过程 。海底滑坡除其本身的危害外, 另一重大隐患就是极易引发海啸。陈自生 研究认为, 使发 生强烈地震,如果没有引起地壳中半径数十米以上的大范围快 速变化,也同样不会发生大的地震海啸。这就是为什么海底滑 坡有这么大的危害。海底滑坡体的坡度平缓,只要存在平缓的 临空面,即满足了其对地形条件的需求,一般在5度以下甚至 不到1度的平缓斜坡都可能发生海底滑坡。而天然气水合物 分解所引发的海底滑坡还需考虑更多方面的因素。 在天然气水合物赋存的地层中,水合物由原来的固体状态 分解成为气体和水,改变了原地层的结构和组成。水合物以固 体状态存在时,将沉积物颗粒胶结在一起,使原来较为疏松的 结构变得致密,增强了地层的内聚力和摩擦角:当水合物再次 分解,气体和水在孑地层抵 抗破坏的能力下降。鲁晓兵等。实验合成四氢呋哺及不同材料 作为骨架的水合物沉积物,并进行系列力学实验证实,在围压 0.5古沙为骨架的水合物沉积物在水合物分 解后的强度只有之前的1/7,而且骨架初始强度越小,颗粒间 的联接越差,水合物分解造成的破坏就越大。 所以,水合物开采可能引发海底滑坡需从以下几个方面分析: 首先,水合物分解产生的气体将增大孔隙压力,降低有效 应力,水合物沉积地层受力大大减弱,不能够承受原地层的地 应力(包括地壳相对活动和海流的应力和上覆地层及海水的静 应力),使其极有可能成为海底滑坡的诱发因素。 其次,天然气水合物通常分布于大陆架外缘陆坡和陆隆沉 积物中,大陆坡的平均坡度在3~6度左右,也有lO~其坡度都达到或超过海底滑坡的一般坡度。水合物分解以后 世界人均水量的四分之一。同时,各大城市还面临水环境污 染的形势。水资源紧缺已成为制约城市社会经济发展的关键 因素。城市污水资源化是解决水资源短缺的重要措施之一。 据统计,我国的600余座城市,有300余座缺水量达到 60*108m /年,因缺水而减少的工业产值估计为1200亿元/年。 由于我国污水处理工作起步较晚,污水资源化也是在近几年 才受到广泛重视,经验较少。目前我国再生水的用途主要为 市政杂用、工业、农业、环境娱乐和补充水源水等。虽然污水 资源化单项处理技术己趋于成熟化,但如何根据我国国情,运 用随着科技进步不断出现的新技术、新工艺,合理地组合单项 处理技术,在最为经济的条件下达到回用水水质要求,使污水 ●●●●●●●●●● ●●●●●●●●●●●●●●●●●●■● 生成的气体和水在地层高压环境下向周围地层渗透,达到或接 近饱和,形成易于滑动的解离面,为海底滑坡创造条件。 另外,我国已经广泛开始探测的东海、南海区域属于太平洋 西部的岛弧.海沟壳活动强烈,地震火山等构造运 动频繁,对于水合物分解后的地层而言,非常容易引起海底滑坡。 4结论与建议 目前,我国在天然气水合物勘探、开发方面的研究还不成 熟,没能充分了解水合物地层的原位力学性质和掌握勘探开发 的核心技术,贸然开采海域天然气水合物势必会引发一些问题 或危害。刘广志院士。篁曾向中国工程院提出建议,可乘修青藏 铁路之机首先开采铁路沿线永冻层的天然气水合物,进而进行 海岸边水合物的勘探开发,积累经验后再下海钻采海域天然气 水合物矿藏。 注释: ①喻西崇等.海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研 究进展【J】.中国海上油气,2006.2. ②吴时国等.南海北部陆坡细粒沉积物天然气水合物系统的 形成模式初探….地球物理学报,2009.7. ③周怀阳等.天然气水合物【M】.北京:海洋出版社,2000. ④赵群等.模拟天然气水合物的岩石物理特性模型试验[J】.地 球物理学报,2005.5. ⑤寇养琦.南海北部大陆边缘海底滑坡的初步研究【G】.南海地 质研究,1993.7. ⑥海底滑坡问题初议[C】.陈自生.滑坡文集(六)[M】.北京:中国 铁道出版社,1988 ⑦鲁晓兵等.四氢呋喃水合物沉积物的力学性质研究[C】.第十 三届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集. ⑧刘广志士.关于勘探、开发我国永冻层一滨海一近海天然 气水合物的建议. ——斛协0)—— 旦2
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