王先彬 妥进才 周晓峰
（中国科学院兰州地质研究所）－、第四代能源的候选成员
人类经历了从"钻木取火"到以薪柴为主的第一代能源时代。煤的发现和利用使人类从以"生物质"为主的能源时代，进人到以"化石燃料"煤为主的第二代能源时代。液体燃料（石油）的发现和利用，使人类的能源结构发生了质的飞跃，迈入第三代能源时代且持续至今。根据对地球石油的估算，在21世纪后期将面临石油资源枯竭的问题（图1）[10]。
研究和发现新的能源资源，寻求可供人类利用的第四代能源，是21世纪我们所面临的严峻挑战。对第四代能源，不仅要求在技术和蕴藏量上能够满足人类日益增长的经济发展需求，更要满足人类与大自然协调发展对环境的要求。对技术和能源资料的综合分析结果表明，目前有核能、煤、天然气和氢气有可能在未来替代石油，成为人类第四代能源。
在人类最终的能源结构中，核能会占有相当重要的地位，但目前只占全球能源结构的6％。在技术上对核泄露和核废料处理末能达到使社会公众感到安全之前，大规模地利用核能似乎还不大可能。更何况迄今所利用的核能是以铀为基础原料的裂变能，而地球上铀资源的短缺将限制裂变能的利用。人类对核能的利用更寄希望于核聚变能。尚需引起关注的是，和平利用核能的过程往往伴随核技术、核原料的扩散和拥有，存在着核武器扩散的潜在威胁和危险。
煤在人类能源供给方面一直扮演着十分重要的角色。即使在以石油为主的第三代能源期间，在世界能源构成中，煤仍占有27％的比例。按世界目前的消费水平和煤的最终储量预计，地球的煤资源至少可供我们用到22世纪末。因此，就资源量而言，煤自然可作为第四代能源的预选目标之一。但是，煤从开采至燃烷带来一系列环境间题，又使得以煤为主要能源的时代难以再现。引起各国政府、科学界和社会各界关注的二氧化碳等"温室效应"问题更制约着煤的利用。"清洁煤技术"的突破或许会为煤的利用展现广阔的前景。当然更寄希望于科学家们更深入地综合研究全球碳的循环和"温室效应"，为客观和定量地评估天然过程和人类活动的作用提供科学依据，也为CO2.限量排放提供决策依据。
天然气是一种以甲烷为主的气体混合物，含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和其他不可燃气体（CO2、N2、稀有气体等）。天然气有多种类型的成因和来源，它的地质分布与煤和石油有一定联系但不完全相同。它既可以与石油、煤有关，形成气藏；又有更广泛的来源和分布。石油往往赋存在年代较新和埋藏较浅的岩层中，其赋存深度一般小于3000ｍ；而天然气的埋藏浅至几米，深则可达万米以上。以甲烷为主要成分的天然气，可能是世界上最丰富的碳氢化合物，其资源量将超过煤和石油的总和。长期以来，很多人将天然气与石油混为一谈，从地质调查到勘探开发、从工程管理到商业贸易均把天然气置于石油副产品的地位。这严重地影响了对天然气资源量的评价和天然气工业的发展。
氢气和天然气、石油、煤不同，燃烷时几乎不产生污染物，仅仅产生水蒸气。但氢气（H2）在地壳中不可能形成大的储量，氢气不是化石燃料。如果依赖于其他资源（电能、太阳能、风能等）大规模生产氢气，近期内尚无可能，从而使得氢气的广泛应用必将受到限制。在人类综禽能量体系中可再生能源资源（太阳能、地热能、生物质、风能、水力等）显示了美好的憧憬，但要作为一代主体能源，在人类能源结构中占到重要位置尚为时过早。图2显示了美国电力工业各种能源资源所占的比例，可再生能源资源仅占12％[19]。
二、天然气一人类第四代能源的首选
世界范围内，常规天然气剩佘和可望发现储量总和为262×1012m3，按目前世界天然气的消费量估算，可供人类使用愈百年。若以天然气取代石油成为第四代能源，在世界总能耗中天然气的比例由现在的26.6％上升到40％，即消费率达到3.8×1012m3／年，则仍可满足人类使用70年左右。非常规天然气（深层气、非生物成因气、天然气水合物和煤层气）的资源量比常规天然气高达一个量级以上，随着非常规天然气理论研究和开发技术的突破，有可能为人类提供更丰富的天然气资源。
非常规油气资源已显示了巨大资源前景，非常规天然气加上常规天然气将成为人类第四代能源的首选。采用常规油气地质知识、理论和勘探技术，尚不可能对非常规天然气进行大规模的经济勘探和开发，因此耍发展新的理论和技术[5]。
1.突破现行油气勘探的"经济死亡线"，寻找深层石油、天然气
深层石油和天然气（有机成因）主要是指4000ｍ或4500ｍ以下，地温高于135-150℃，热演化程度高（Ｒ。①＞1.35％）的油气资源，特别是深层天然气资源。深层石油和天然气研究着眼于突破传统的"干酪根晚期热降解生烃"理论，在现衍油气勘探的"经济死亡线"以下，寻找新的油气资源。
Tissot等人20世纪70年代建立的"干酪根晚期热降解生?quot;理论，揭示了常规油气生成的阶段性，为指导常规油气勘探实践起了巨大作用。该理论指出Ｒ。大于4.0％时，进入变质作用阶段，有机质转化成石墨。但新的研究表明，在深部高温（＞125℃）条件下，石油和天然气能稳定存在。温度超过300℃时，有液态烃存在。在Ｒ。为2.0％～5.0％的范围内，Ｃ15+烃类仍保持中等浓度至较高浓度。当Ｒ。为7.0％～８.0％时，仍有微量液态烃，且可检测出Ｃ15+烃类，至此才达到Ｃ15+液态烃类的死亡界线。
长期以来，油气勘探目标集中在盆地的中浅层，所发现的油气藏的埋深大多数处于4000ｍ以内。近20佘年来，随盆地内勘探程度的不断提高，油气勘探目标转向盆地的更深层位。勘探实践表明，深层油气有巨大的资源前景。当今世界上最深的油气勘探井深达9583ｍ，其所在盆地沉积厚度高达15 240ｍ。
我国深层石油和天然气的研究和勘探起步较晚，但已在诸多含油气盆地取得进展和成效，理论方面揭示了沉积有机质演化的基本特征和规律，阐述了常规石油和天然气、深层石油天然气和非生物成因天然气理论的基础论点[1~8]。超深盆地的深部层位将是天然气勘探的重耍方向和领域。研究这类盆地深部环境对天然气的化学组成及其产出位置的控制作用并加以顶测，有着重耍理论意义和实践意义。甚至对某些现今埋深相对浅，但在过去地质历史时期却埋藏较深的盆地，也有重耍意义。它们的天然气的气体丰度和化学组成均可能受前埋藏史的制约。
深层石油和天然气理论指出，传统的石油、天然气在"经济死亡线"以下的深部环境，仍有很高的热力学稳定性，深部高压环境抑制了有机质的热成熟作用和热破坏作用，有利于油气的保存；深部介质环境、外源氢的加入和过渡金属元素的催化作用将促进烃类生成和提高产烃率；随埋藏深度增加，气／油比例增大，最终将形成以甲烷占优势的天然气气藏；深部沉积层和结晶层的欠压实带、地层裂缝和微裂缝带，提供了形成大型油气藏（特别是天然气气藏）的条件。盆地浅层的生烃作用受动力学过程的控制，时间和温度是主耍制约因素；处于热力学平衡体系的油气化学组成的演化与时间无关，受温度、压力和储层岩石、矿物组合的控制。现行勘探深度以下，有丰富的深层高演化油气资源，特别是天然气资源[9]。
2.拓展观念，研究和寻找非生物成因天然气
通常认为石油和天然气是沉积物中的生命有机质被埋藏在地下，经过长期的熟演化过程转化而成。这些有机质中的碳主要来源于大气中的CO2绿色植物通过光合作用，从大气中吸收CO2，转化成为含碳有机质。这些有机质被埋藏在地下，成为石油、天然气的初始物质来源。经过不同的生物和热演化阶段，形成不同类型的石油和天然气。可以说迄今所发现并开采利用的石油和天然气，均与这一生物作用过程有关。所形成的石油和天然气，在科学上称为有机成因（或生物成因）的石油和天然气。天然气的有机成因理论，无疑得到大多数地质学家和地球化学家的赞同，也是当今指导油气勘探，寻找天然气资源的理论基础和科学依据。
非生物成因天然气主要是指来源于地球深部的原始烃类气体（甲烷为主），或在地球深部由无机反应形成的烃类气体。无机（非生物）过程能否形成石油和天然气这是科学界争论上百年却至今末获解决的难题。对非生物成因天然气的研究，大体可归并为两种观点，即地外成因假说和地球深部成因假说。前者与太阳系的形成、演化和前生命有机质有关，后者则与地球深部可能发生的无机化学过程形成烃类有关。待解决的关键问题是，
.非生物成因天然气理论的依据是什么？
.非生物成因天然气的资源前景如何？
.非生物成因天然气的地质、地球化学特征及判识标志是什么？.
能否形成具商业价值的天然气藏，其成藏特征、条件和机制是什么？
.非生物成因天然气的分布规律是什么？
我国科学工作者，经过近20年的不懈努力，在国家一系列重要科研任务支持下，在非生物成因天然气研究领域取得了一系列重耍成果和突破。首先系统论述了非生物成因天然气理论的字宙化学依据。其次，在中国松辽盆地发现了非生物成因天然气商业气藏。通过地质、地球化学和地球物理的综合研究确证松辽盆地昌德、肇州西气藏为非生物成因气藏，松辽盆地三肇地区是研究和寻求非生物气的重要场所。通过费托反应模拟实验研究太阳星云条件下甲烷等烃类的形成机理，确证了在松辽盆地的重要发现。再次，通过热力学计算和高温高压模拟实验，探讨了地球深部甲烷的热力学稳定性，指出甲烷可在地球深部稳定存在[2~4,11~15]。
我国非生物成因天然气研究取得的进展和突破，为寻找非生物成因天然气藏提供了一个成功实例。但要对非生物成因天然气理论及资源前景这一争论上百年的重大地学前沿论题做出客观、公正的评价尚为时过早，还有许多地学基础问题有待深人研究，更需要在勘探实践中得到证实。
3.大力开发天然气水合物
天然气水合物又称气体水合物或甲烷水合物，是一种超分子笼型化合物。1ｍ3水合物中可含164ｍ3的甲烷（STP）和0.８ｍ3的水。天然气水合物在世界各地广泛分布，受压力-温度和气体来源的限制，大陆斜坡和海岛边缘沉积物的底部海水温度较低，水深超过300～500ｍ的海域可以形成甲烷水合物。
全球常规天然气的资源量为2.2×1014ｍ3，而全球天然气水合物的资源量估计可高达（1~50）×10％1016 ｍ3。就地球有机碳的分布而言，天然气水合物的有机碳含量占53.3％，超过煤、石油、天然气、陆地生物、海洋生物和土壤等的有机碳的含量总和，为全球石油、天然气和煤等化石燃料的含碳总量的2倍[18]。
天然气水合物是地壳物质中的重要组成部分，其脆弱、敏感的赋存状态会对全球气候、生态环境形成严重威胁。对全球水合物的调查和研究旨在解释气体水合物对地球气候和环境的影响及对其他地壳过程的影响机制，了解水合物的数量、分布区域和储藏结构，了解水合物的形成条件、稳定性和所依赖的温度、压力、化学成分、存在环境，建立气体水合物形成、分解的地球化学、化学物理和数学模型，以及对地球陆圈和生物圈产生的影响和后果。
四、煤资源与环境
1.煤资源
全球煤的储量高达566*109tce（吨准煤），可供人类使用185年。煤主要分布在世界79个国家，其中美国195*109tce（占35％）﹑中国76*109tce（占13％）﹑澳大利亚58*109tce（占10％）。这一巨大的资源潜力表明煤作为能源的重要经济意义，长期以来煤在人类能源结构中起着重要作用。
在今后若干年内，煤在中国能源结构中还将占很大比例。关键问题是大量用煤带来严重的环境污染问题。据估计，污染每牢造成的攒夭禹达1000亿美元，而且在末来的10年内，仅仅用以防止环境恶化的费用就高达200亿美元。图4为我国1990-2020年间二氧化疏与二氧化碳排放水平预测。颈计到2010年，二氧化疏水乎将增长60％，二氧化碳水平将增长80％。用煤引起的酸雨的污染物、疏氧化物和氮氧化物的排放量的增加，将导致严重的环境污染[16,17]。除了这些公认的污染，还有关于"温室气体"的争论。
2.＂湿室气体＂问题
大气CO2浓度持续增加可能导致末来几十年全球气候显著变化的见解，引起了各国科学界和政府的极大关注。人类活动造成大气中温室气体浓度的急剧增加以及由此而引起的全球气候变化，已成为全球变化中最主要和最直接的变化。为保护全球气候和环境，1992年全世界116个国家签署了《联合国气候变化框架公约（UNFCCC）》。
中国有丰富的煤资源，煤在能源消费中的比例近70％，在相当长的时期内还得以煤作能源。防止煤造成的环境污染问题已引起强烈关注，今后更会如此。我国科学家们应该结合我国国情，在研究、寻找、开发、利用新的优质能源的同时，致力于合理、高效、清洁用煤，保护好自己的环境。同时还应关注和研究"温室效应"对未来气候和环境的影响及结果，对排放CO2问题科学客观地作出我们的准确判断。
五、中国的能源现状与下一代能源
截止到1997年底，中国电力的装机容量达到2.5亿KW，是世界第二大发电国。但对比发展中国家和地区的人均装机容量[16]（图5），就会发现中国只不过是处于起步阶段。为保持其令人瞩目的经济增长速度，中国还需要以更快的速度增加装机容量。但新增加的容量以什么为能源？煤、水能、核能、天然气、原油等均可用作能源，迄今中国电力主要依赖于煤，但严重的环境污染问题引起了高度关注。中国能源消费将急剧增加，能源结构不合理带来的问题又加剧了对石油和天然气的依赖程度。20世纪90年代初期，煤在中国能源消费结构中约占76％，石油占17％。1999年煤下降到67％，石油上升到23％，天然气占2％。预计在未来15年中国的能源结构将会有较大改变，天然气的比例将会上升到8％左右，煤所占的比例将下降到49％。
我国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。改变不合理的能源结构，握高人均能源占有量，改善和保护环境，均需要优质能源资源（石油和天然气等）。但就中国油气勘探现状而言，东部陆上石油资源濒临枯竭，大幅度增产困难重重。中国近70％的原油产自东部，西部油气资源由于运输和恶劣的开发条件，耍大规模开发又十分困难。预计今后10年内进口石油和天然气还会增加，到2010年约需进口1亿ｔ石油。着眼末来，从全球发展的角度，结合我国国情，研究、发现和开发非常规石油和天然气资源，特别是深层天然气和非生物成因天然气资源，对"稳定东部，发展西部"有重要战略意义。
如上所述，中国能源资源的现状是人均能源占有量极低，优质能源资源（石油、天然气等）严重短缺，能源结构不合理。相当长的时间内还得以煤为主，将给环境和交通运输带来巨大压力。从世界能源发展趋势看，人类最理想的能源应是清洁、高效能源，由低热值的固体燃料向高热值气、液燃料过渡，寻求能源效率、经济效益和环境效益的和谐。面对现实和未来发展，中国下一代能源的发展和选择是什么？
（1）开拓发展高效、清洁的"清洁煤技术"。煤气化（CO、CH4、H2）和液化技术（CO:H2的费-托合成技术或C＋H2技术），减少和控制污染，保护环境，科学合理地用煤。
（2）加强石油天然气基础理论研究，扩大常规石油和天然气资源，特别是我国海域和西北诸含油气盆地的油气资源。
（3）研究和开发新油气资源一非常规石油和天然气，建立和发展新的油气地质基础观念和理论体系以及勘探开发新领域、新技术、新工艺，实现向第四代能源一天然气的转变。
（4）为21世纪"氢气燃料"时代的到来开展前瞻性的基础和应用基础研究。
（5）为人类利用"持久"的清洁、高效核聚变能，研究D-D、D-T和D- 3He受控热核聚变，为利用地球氚资源和月球3He资源开展超前研究。
环境与发展是当前国际社会关注的重大问题。保护生态环境，实现可恃续发展，已成为全世界紧迫而艰巨的任务，经济-能源-环境已成为一个不可分割的整体。我国科学家应关注和研究"温室效应"对未来气候和环境的影响及结果。对排放CO2问题科学客观地做出我们的准确判断。尽力保护好我国的环境，控制污染。
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