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    地球是一个直径为6000多千米的实心球体,从地面到地球中心的距离比从北京到海南岛2倍的距离还要远。地球由地壳、地幔、地核三部分构成,整个结构就犹如一颗半熟的鸡蛋:蛋壳好比地球的地壳,其物质状态为固态;蛋白好比地球的地幔;蛋黄好比地球的地核,物质状态为液态。地表以下平均每100米温度升高约3℃。科学家研究显示:地核与地幔边界的温度大约为3700℃,而地核内部温度可能高达5000℃,几乎与太阳表面一样炽热。因此,地球内部蕴藏着惊人的热量,其中一部分地热资源便以干热岩的形式埋藏于其中。

    一、干热岩是什么?

    早期,干热岩通常是指温度高于200℃,埋藏于距地面2000米以下的无裂隙的岩体,主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。伴随着干热岩勘测和开发的深入,干热岩的概念有了更为广泛的外延。只要岩体温度高,埋藏深度合理,内含流体较少(或不含流体),能用各种技术手段提取其中的热量,均可称为干热岩。

    干热岩属于地热资源的一种,被誉为“来自地球母亲的温暖”。地热资源是一种来自地球内部的热能资源,温泉便是我们日常生活中最熟悉的地热资源。关于地热的来源,有多种假说。一种假说认为,地热主要来源于地球内部放射性元素衰变释放出的热能。还有一种假说认为,地热来源于地球自转产生的旋转能以及化学反应、岩矿结晶释放的热能。而在地球的发展演化过程中,产生的热能总量超过地球散逸的热能,巨大的地热能便储存于地球内部,等待人们去开发。

    相比当前已开发利用的各类能源,干热岩具有无可比拟的优势。与煤炭、石油和天然气等传统化石能源相比,干热岩是一种清洁的可再生能源,不会产生污染环境的有害物质。与太阳能、风能、核能等新能源相比,干热岩的稳定性好,不受季节气候昼夜条件的限制。此外,干热岩的成本低,干热岩发电的成本仅为风力发电的一半,只有太阳能发电的十分之一,和煤炭发电的成本相当。

    干热岩是无处不在的资源,分布几乎遍及全球,从理论上说,随着地球向深部的地热增温,任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩,因此干热岩又被称为是无处不在的资源。但就现阶段来看,由于技术和手段等限制,干热岩资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。因此,当前的干热岩开发更多地着眼于这些地区,它们位于全球板块或构造地体的边缘,构造活动剧烈,是地球释放内部能量的主要区域,地热资源十分丰富。

    我国干热岩分布广泛,特别是东北地区、华北平原、东南沿海地区、西北地区均具有丰富的干热岩资源,具有很大的开发潜力。以高温干热岩体的发现地青海共和盆地为例,其干热岩理论资源量折合标准煤6303.05亿吨,以其2%作为可开采资源量计算,折合的标准煤是中国2016年能源消耗的3倍。

    干热岩不但储量丰富,还可以循环利用。开发干热岩时,加热产生水蒸气的过程会使岩石温度降低,但地心的炽热岩浆会重新加热这些岩石,从而实现干热岩的周期性循环利用。

    二、“石头”也可发出电来?

    目前,人们对干热岩的开发利用,主要集中在干热岩发电。干热岩开发利用的核心是建立增强型地热系统(EGS工程)。首先从地表往干热岩体中打一眼井(注水井),将井口封闭后,注入高压清水,此时井底能够产生非常高的压力,该压力足以将致密的岩石压裂形成复杂缝网,或将岩体中的天然裂隙扩张形成更大的裂缝;随着清水的不断注入,裂缝不断增加、扩大,并相互连通,最终形成一个体积庞大的人工热储(类似一个巨大的鸟窝)。在距注水井合理的位置再钻几眼采出井,通过控制井眼轨迹,使采出井能够贯穿压裂缝网。整个EGS工程,通过注水井(回灌井)将低温水注入到人工产生的、张开且连通的缝网中,低温水与高温岩体接触被加热,然后通过采出井便将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面,取出的水、汽温度可达150~200℃,通过热交换及地面循环装置用于发电,冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

    以法国东部阿尔萨斯地区的一座干热岩发电站为例,工作人员在这里钻了三眼深井,一直钻到地表5000米以下的基岩中。发电时,用水泵以每秒100升的速度从中间的注水井向地下灌冷水,这些冷水被干热岩加热成约200℃高温的水蒸气,从另外两眼生产井抽出地面,送入一个热交换器,并在热交换器中驱动涡轮机发电。整个转换过程消耗的总电量,只相当于发电站发电量的20%。

    增强型地热系统的开发和利用主要是建造两个子系统:地下人工储层和地面发电系统,二者都需要多项技术的运用和集成。其中,创建地下人工储层是目前研究的焦点。

    三、我国干热岩勘查开发现状

    我国干热岩资源潜力巨大,开发前景广阔,是极具潜力的战略能源,但是我国干热岩勘查与开发起步晚,在干热岩形成机制、分布情况、热储特征、评价方法、勘查开发技术等领域仍存在较多尚未解决的问题。

    为推动我国干热岩勘查开发,2013年以来,中国地质调查局先后在东南沿海地区、松辽平原地区、华北地区和青藏高原等重点地区实施了干热岩勘查。2014年,中国地质调查局与原青海省国土资源厅共同组织实施的青海共和盆地干热岩勘查钻获干热岩,填补了我国一直没有勘查发现干热岩资源的空白。2017年5月在共和县恰卜恰镇完井的GR1干热岩勘探孔再获温度新高,取得了一批重要成果,为我国进一步开展干热岩勘查开发研究打下了重要基础。在此基础上,中国地质调查局围绕国家清洁能源需求,加大力度在青海共和推进干热岩资源的试验性开发。

    干热岩开发利用的技术原理虽然简单,但实际应用过程中仍存在大量的技术性难题,例如在干热岩中钻井,对钻杆、钻头的寿命以及具有“钻井血液”之称的泥浆稳定性都是极大的挑战;而地层中含有大量的矿物质,在干热岩开发中,被气化的矿物质会重新在井壁结垢,类似血管中的“血栓”,沉积时间一久很容易将开采通道堵死。面对众多的技术性难题,科研人员唯有加快技术探索的步伐,才能在这场国际能源竞赛中拔得头筹!

    (作者单位:自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所)

    来自地球深部的绿色能源

    编者按:在服务资源、环境及生态等复杂问题的解决过程中,地质科学本身也将向前发展,形成新的学科或体系。近年来,国际上形成了两种不同的发展思路,一种是以美国等为代表的将复杂性问题置于环境或生态系统中加以研究,研究对象涵盖生态系统的生命和非生命成分;另一种是以俄罗斯为代表的将环境或生态问题置于地质范畴内探讨,突出生命组分影响下的地质客体变化等。本报今天刊俄罗斯学者V. T. 特罗费莫夫阐述生态地质学理论及其应用的文章,以飨读者。需要指出的是,尽管该文发表在多年前,但仍对思考生态文明建设下的地质工作具有重要借鉴意义。

    地质学拟解决四类问题:一是为人类提供矿产资源;二是为人类的工程活动作地质论证;三是为人类的教育、文化和美学需求提供地质知识;四是为生态系统的稳定运行作地质论证。前三类问题已被地质学家接受,并已取得了满足人类社会发展需求的成果。第四类问题的意义和开创性,在20~25年前已被地质学家察觉。解决第四类问题的发展过程,引发了地质学一个新分支的形成,称之为“生态地质学”。

    生态地质学及其对象和主题

      

      图1 岩石圈生态作用的分类

    生态地质学是地质学的新分支,致力于岩石圈上层(包括地下水和气体)的勘查,并将它看作是生态系统的主要非生物组元之一,在生态系统的组织层级(从生物群落直到生态圈)中属高层级组元。用地质学家更为熟悉的术语来说,可把生态地质学的内涵定义为地质科学的一个分支,研究的是岩石圈的生态功能,这些功能的形成规律,以及在自然及人为动因影响下这些功能发生空间和时间变化的规律,它们与生物体、首先是人类的生存和活动息息相关。

    必须指出的是,术语“生态地质学”(ecological geology)不同于“地质生态学”(geoecology)。两者存在原则性区别。无论从哪种意义上说,“地质生态学”都是一门复合性科学,研究的是地球的所有非生物壳层(圈层),也研究生物体。“地质生态学”包容“生态地质学”,后者仅触及岩石圈一个组成部分,在相同层级上的还有“生态地理学”和“生态土壤学”等,它们也是地质生态学的组成部分。

    另一方面,“生态地质学”的概念内涵由“岩石圈生态功能(属性)”的概念确定。这个概念于1994年提出,是地质学中一个原理新颖的概念。它的内涵详细解释如下:

    生态地质学的研究对象是地质科学的常规客体:从理论上说,是岩石圈及其所有组成部分;特定地说,是岩石圈的近地表部分,主要是受人为影响的地带。它可被描述为一个多组元的动态系统,包括对生物(biota)的存在和发展产生影响的岩石、地下水和气体。

    生态地质学研究的是:“岩石圈—生物”系统,“受到人为影响的岩石圈—生物区”系统或“岩石圈—工程建设—生物区”系统;生物子系统与非生物子系统之间的直接和间接联系;最终是,“死”物质对“活”物质的影响,或广义地说,是岩石圈与生物之间的相互作用。这样的系统构成,意味着通过考虑岩石圈的人为改变,也把人为影响源纳入了系统之中。

    根据其内涵,所有发生过转换的系统都是生态地质系统。这两种系统之间的主要区别,在于其中存在的是有生命组分还是非生命组分。生物区存在并活动于岩石圈中,或者就在岩石圈表面。据此便可形成“生态地质系统”的定义。生态地质系统是岩石圈的特定部分,是在其内和其上容纳着所有生物区的环境的地质组元。生态地质系统由三个子系统组成:岩石圈(无生命的)、生物区(有生命的)和天然及人为影响源。

    生态地质学的研究主题是有关岩石圈生态功能(属性)的知识(数据系统)。因此,要考虑“岩石圈—生物区”系统中的功能关系,或“岩石工艺系统—生物区”之间的功能关系。

    岩石圈的生态功能

    岩石圈的生态功能多种多样,决定和反映着岩石圈(包括产于其中的地下水、油、气、地球物理场和地质作用)对生物区,主要是对人类的重要价值。人类的独特性在于人类活动对环境的影响比所有其他生物的影响都大。研究岩石圈不能采用生物生态学、生态地理学和生态土壤学研究框架内的那类途径。

    岩石圈生态功能的科学理念,意味着对岩石圈的作用要有多方面的考虑,将之视为一个存在着有机生命(各体生物、植物群、动物群和人类)的环境。从生态观点看,岩石圈主要是给生物体提供资源和能量,并通过它的资源及其地质动力学、地球化学和地球物理功能来实现(图1)。这里不考虑人与自然相互作用功能中的社会-经济、道德和审美方面,因为它们超出了专业地质知识的范畴,事实上它们构成了一个社会生态学的关切。

    在天然及被人为改变的岩石圈与有群体结构的生物物种生物区之间,有着多种多样的关系,可把它们归结成4种功能:一是岩石圈的资源生态功能,它对生物体生存和活动所需的矿物质、有机质、有机-矿物质资源有重要意义;二是岩石圈的地球动力学生态功能,它通过自然和人为的过程和现象,决定着岩石圈对生物区状态和人类生活条件的影响;三是岩石圈的地球化学生态功能,它反映着岩石圈的自然和人为地球化学场(不均一性)对整个生物体(包括人类在内)状况的影响;四是岩石圈的地球物理生态功能,它反映着岩石圈的自然和人为地球物理场(不均一性)对生物体(包括人类在内)状况的影响。

    每种功能的内涵、它们的评价标准、信息获取方法和表述方法另有专文论述。

    岩石圈的生态属性

    岩石圈的生态功能靠具体的生态属性来实现。就“岩石圈的生态属性”这一术语而言,指的是岩石圈的特征属性,即具有特定生态重要性的属性。它取决于其物质成分、地球动力学、地球化学和地球物理学的特性,且与生物体存活的供养、生物体生存和进化条件有机关联。

    有关岩石圈生态属性的问题,是一个新问题。这里力图在岩石圈的资源及其地球动力学、地球化学和地球物理的生态功能框架内,给这些属性命名(表1)。它可能不是完整的清单,但堪作举例材料。

      表1 岩石圈的生态功能与属性

      

    生态地质情势及其状态

    用术语“生态地质情势(环境)”来表达岩石圈具体生态属性(功能)的组合,反映作为栖息地的一定岩石圈体积内生物体生存条件的现状或古状态。在一个地块或一个区域范围内,生态地质情势(situation)或许会或许不会因地而变。而且,生态地质情势也会随时间而变,在这种情况下,该情势会随时间从一种状态(state)变换成另一种状态。由于人为工艺因素和灾变性自然过程的发展,这种变换可能进行得很快,从历史观点看,有时就在瞬间。

    必须强调的是,生态地质环境(conditions)或许既取决于所有生态功能同时起作用,也会仅取决于一种生态功能,比如地球动力学功能,它会在瞬间对生物区产生较强烈的影响。在后一种情况下,这种生态地质情势应该说成是“依靠岩石圈地球动力学特征形成的特色生态地质环境”。当地球化学功能在生态地质状况形成中扮演最重要角色的情况下,就说它是依靠岩石圈块段的地球化学特色形成的特色生态地质环境。

    “生态地球动力学环境”、“生态地球化学环境”和“生态地球物理环境”等术语,在地质文献中也常常使用。这些术语是对上段文字特指含义的省略表达。另外,当只分析一种生态功能对生物群或人类的影响时,使用这些术语也是对的。

    正如已经指出的那样,生态地质环境的变化或许是足够快的。人们必须把所研究对象(生态地质系统)的阶段特色称为生态地质情势(环境)的状态(state),地质学家则往往将它称为岩石圈的生态状态。可以把“生态地质情势(环境)的状态”的实质定义为某种暂时状态,并根据当时岩石圈的一种生态属性特征,或者几种生态属性(功能)的组合把这种状态估计出来。这些生态属性决定着生物体生存的有利度(水平)和或然率。

    生态地质情势的状态要根据岩石圈某些属性的暂时状态评估出来,也要描述出这些属性对活体生物产生影响的特征。根据这种定义,当对岩石圈的生态状态做评价时,就不得不一方面评价岩石圈对活体生物的资源和能源影响,另一方面评价有关活体生物响应这些影响时的特定相互作用信息。在所有的生态系统组织层级上,此类评价准则对生物体都是适用的。

    如上所述,生态地质环境的状态可以取决于岩石圈的一种属性(功能)或几种属性(功能)的组合。在地球物理功能强烈影响生物群的特殊情况下,可以说:“生态地质环境的状态取决于地球物理功能(属性)”。地质学家常常用术语“岩石圈的生态地球物理状态”来代替上面的表述。而“岩石圈的生态资源状态”、“岩石圈的生态地球化学状态”之类的术语,常被作为同义语使用。

    生态地质学的基本科学问题和实践问题

    生态地质学有5项主要任务:(1)研究岩石圈的生态功能,它们的形成规律,及其在自然和人为作用影响下发展的动力学;(2)从岩石圈生态功能变化的观点出发,针对人为成因的影响,开发评价岩石圈近地表部分稳定性的理论和方法;(3)针对岩石圈近地表地层环境与属性的控制问题,精心研制理论和方法,以保护和改善它们的生态功能;(4)研制工业废弃物利用和选择其最佳(就地质环境而论)埋置地区和层位的理论、方法和途径,以使对区域生态属性的负面影响最小化;(5)针对国土、目标客体和大型建筑的工程保护问题,精心研制进行地质论证的理论和方法,以免发生削弱其生态功能的自然和人为地质作用。

    总的来说,生态地质学的应用性问题可以通过下述途径形成:(1)论证生态系统正常运转前提下岩石圈资源的合理利用;(2)确定岩石圈近地表部的人为污染对生物群的影响;(3)针对一些生态系统或整体生态系统生物群的管理,为制定和调整解决方案进行地质论证。

    这种一般性生态-地质课题清单,通过参考早先开列的岩石圈生态功能,还可以更详细地提出来。

    生态地质学的逻辑结构

    根据生态地质学是地质学的一个科学分支,而不是一门独立学科,它的逻辑结构应该包括地质科学逻辑结构中用于解决生态问题的既定要素,以及“它自己的逻辑基础”。两者的同化不是机械式的,要遵循相当明确的关系,即生态学方法途径的逻辑。“它自己的逻辑基础”是一种逻辑支点,也能够在其它科学的理论、思想和定律中使用。

       

      图2 生态地质学逻辑结构的全域示意图

      A-生态地质学逻辑结构的逻辑基础;B-被生态地质学利用的地质学科的逻辑结构(B1-工程地质学;B2-冰川学;B3-水文地质学;B4-地球化学;B5-地球物理学;B6-矿山地质学;B7-新构造学;B8-地震大地构造学;B9-地貌学;B10-地史学与古生物学;B11-火成岩石学与沉积岩石学;B12-矿物学);C-生态地质学逻辑结构全域的轮廓线)

     

    对此问题的处理如图2所示。该图说明了生态地质学逻辑结构的镶嵌特性,就致力于解决生态问题的地质科学,以及这些地质科学对生态地质学逻辑结构的贡献,给出了概念图。不难看出,工程地质学、水文地质学、冰川学、地球化学、地球物理学和矿山地质学提供着主要的信息量,以及可用于生态地质学的大部分研究方法。在我们看来,其它地质学科及其逻辑结构可用的较少。以上结论基于一个事实,有关岩石圈生态功能的知识才是生态地质学的基础。

    基于对岩石圈生态功能的上述认识,可以对生态地质学逻辑结构的最重要要素划分出以下几个方面:(1)原理-岩石圈近地表部的结构、空间关系、属性和生态功能,是其地质特征的历史发展及其与自然环境和人为作用圈相互作用的结果;(2)原理-岩石圈的动力学状况(运动速率和特性)和生态功能的组元与变化,皆归因于它们的自然属性,归因于它们与环境(包括人为的工艺成因环境)相互作用的模式和强度;(3)生物体与环境相互作用的一致性定律;(4)社会发展特征与环境状况间的一致性定律(基本生态定律)。

    正是这些原理和定律形成了生态学的支点,把其它地质学科的基础整合起来,构成了生态地质学自身的那部分逻辑基础。

    生态地质学的科学分支及其在地质理论知识体系中的位置

    在生态地质学的结构中,有几个旨在分析所确定的岩石生态功能的科学分支。它们是资源生态科学、生态地球动力学、生态地球化学和生态地球物理学(图3)。

    资源生态科学是生态地质学的科学分支,涉及与维持生物区存续有关的全部问题,按资源利用的观点,其中首要的是通过提供岩石圈的矿产资源和地质空间资源维持人类社会存续,在科学技术活跃发展的新时代满足人类的需求。研究的焦点不是矿产资源的勘查和储量计算,而是评价其目前消费水平与合理使用的一致性。实质上,岩石圈矿产资源消费的管理问题,应该通过关注高层级生态系统的保护和正常运行来解决。地质空间资源也要用生态学的观点来评价。很明显,一些地质科学的方法,主要是矿山地质学、水文地质学的方法(对矿产资源),工程地质学和冰川学的方法(对地质空间资源),应该适用于这些研究和调查。另外,这些研究应该由社会来定向,就是说应该与社会经济学紧密关联,在实践中,生态地质学家应该与经济学家、社会学家及管理机构和设计院所的代表接触。生态地质学这一分支的主要课题是:考虑目前文明发展需要的矿产资源评价,对矿产资源消费的管理建议进行地质论证。

    生态地球动力学是一个大领域,包括所有涉及自然和人为地质过程对生物区影响的课题,以及评估生物群栖息地可能灾变和舒适度的课题。后一点仅关切人类社会。这些研究一直采用工程地质学、冰川学、水文地质学和构造地质学的方法来执行,与项目规划者和设计者联系。在该分支框架内执行的主要任务有:针对在工艺活动影响下的地球动力学参数变更,开发评价岩石圈近表部稳定性的方法;为保护生物区和人类社会免受影响其生存及舒适度的(天然和人为)不利和灾变地质过程的危害,对相应工程保护项目进行生态地质论证。

    生态地球化学是生态地质学的科学分支,研究天然和人为成因地球化学场对生物区的影响。在生物区内有岩石地球化学、气体地球化学和水地球化学异常。调查课题是:岩石圈的物质(矿物)成分,活动态化合物的迁移问题,元素的非正常浓度及其对生物区的影响性质问题。地球化学、矿物学、岩石学和水文地质学的方法被用来解决这些问题,生物区环境的生物医学评估资料具广泛的适用性。实际上,这类研究意味着生态地质学家要与医学专业人员和卫生服务机构建立密切联系,因为这些异常要用医学-卫生的观点来评价。

    生态地球物理学也是生态地质学的科学分支,研究重力、磁、电磁、热和放射性等天然和人为地球物理场对生物区的影响。这些场与背景值的偏差及其对生物区的影响,要借助地球物理学、大地构造学、地震构造学的方法和生物医学的学科资料来研究。与生态地球化学一样,这些问题的解决必须与医疗-卫生服务机构密切联系。要在该分支框架内完成的总体任务有:天然和人为源地球物理场的分析,研制评价其医学-卫生危险的方法和准则(对生物区的影响强度,评价岩石圈对工艺性污染的稳定性)。

    图3示出了生态地质在理论地质知识中的位置。在地质学的结构中包括前5个科学分支已得到承认,无需再予证明。但是,对于后两个分支,即“关于岩石圈生态功能的科学”和“关于地球的工程地质环境的科学”,其纳入地质学的合理性尚存争辩。主要争辩依据是,在科学技术活跃发展的新时代,对于涉及地球和岩石圈问题,需要强调生态理论研究的作用。目前,人为工艺因素对岩石圈外壳的影响程度,已经提高了生态地质学说在地质学中的地位,已经使这个学说可以划分为地学中的独立科学分支,已经把上面所述的后两个分支提升到了与前5个分支相同的水平。

       

      图3 生态地质学的科学分支及其在地质科学体系中的位置

    生态地质学的实用性分支

    图4说明,可以在生态地质学的构成中列出几个实用性子分支。它们是城市、矿床和复垦影响区的生态地质学,以及线状工程、热电站和核电站等影响带的生态地质学。值得特别强调的是,各类经济活动不仅在项目建设中,而且在其运营和维护时期,都应该提供对岩石圈和生物区生态影响的评估。因此,应调查的面积要比官方土地使用许可的范围更宽更广,只要在其内确定了或造成了工程客体对岩石圈生态属性的影响。

    各种经济活动在对岩石圈影响的强度、深度和性质上是各不相同的。这涉及到岩石圈的矿产资源,地质作用的活跃程度,以及自然和人为成因的地球化学和地球物理致病区的发展。

      

      图4 供人类社会正常发展和运作的生态地质学的实用分支学科

    很明显,大的城市群、采矿工程(矿山、露天矿场等)、集中在数个盆地和油气田带中的油气产业,都会对岩石圈及其生态功能产生重大的影响。对城市群而言,这种影响取决于特定的高密度城市人口;居住区,交通-通讯,大型工业、燃料和能源企业及联合企业的自营交通,均规模巨大;还取决于城市地下的支撑工程。因此,会观测到以下现象:土壤、岩石圈近地表部和水圈被活性有毒化合物强烈污染;由于热、重、电磁和地震声波等地球物理场变化,发育起致病的地球物理异常;车辆废气导致大片土地的高度重金属污染;地下水动力学和水化学机制改变;地下水储量耗竭。矿场附近岩石圈的生态性变化与下述后果关联:矿产资源枯竭,重力场变化,产生异常的地层压力,地下水动力学参数彻底转变,出现密集的人为污染区,地质环境资源减少。对线性工程而言,不利的生态后果与负面的地质作用活跃有关,与线性的人为污染晕和诱发的异常地球物理场有关。

    在不同种类经济活动影响下发生的岩石圈生态环境特性改变的清单还可能扩展,但上述这些已足以支撑得出结论。每种经济活动都与岩石圈生态属性改变的特定复杂性关联,因此要对它们进行分析,就需要运用地质科学的各类理论和方法。城市群影响着岩石圈的所有生态功能,所以要动用地质科学的整套方法,特别要涵盖图2所示的所有学科的方法。对线性建筑而言,要运用的地质科学和方法清单将取决于研究需要,首先是岩石圈地球动力学、地球化学和地球物理学功能的研究。在矿床开采方面,研究重点要集中到岩石圈资源功能的所有方面,地球物理和地球化学异常,以及一组地质作用。 

    生态地质学的任务及其应用

       一、前 言

        气候变化和石油价格大幅上涨是国际社会面临的两大中长期能源问题。当前许多油田正在枯竭,新发现的石油资源在数量上不足以弥补源源不断采出的石油资源,致使全球石油资源总量呈现不断减少的趋势。目前一些大石油公司正在向海洋挺进,为寻找化石能源而加大挖掘的深度。有几家公司甚至开始在北冰洋进行石油勘查活动。在恶劣的地理环境中工作对勘查公司来说似乎已经习以为常,但这无疑会使勘查成本增加,进而导致化石燃料的生产成本提高。在这样严峻的形势下,人们认为开发利用页岩气至少能够暂时缓解能源供不应求的压力。天然气价格在过去10年间攀升到了创纪录的高位,因而重新燃起了企业开发诸如煤层气、致密地层天然气和页岩气等“非常规”天然气资源的兴趣。
        在日益严峻的能源供不应求的形势下,印度与其他国家一样,积极开发所有可能被利用的能源资源。而包括页岩气在内的非常规天然气资源有可能在今后几十年间大大缓解能源供应的紧张局面。页岩是由粘土或泥土层形成的岩石的通称。在周围地质体的作用下,这些粘土或泥土层被压实成细粒的沉积岩。被圈闭在这类岩石建造中的气体被称作“页岩气”。就其化学成分而言,页岩气通常是以甲烷为主要成分的干性气体。
        在许多含有机质页岩储气层中,天然气是储存在裂隙中的游离气体。所有岩石都有可以储存水或天然气的孔隙,而页岩因粒度细且结构致密,水或气体穿过这类岩石运移的空间极小。为释放出气体,尤其是商业用量的气体,页岩中必须有自然裂隙或人工制造的裂隙,才能具有合适的渗透性。
        页岩中存在气体是世界各地早已发现的事实。但由于页岩渗透率低,开采其中的天然气被认为不具经济可行性。低渗透率导致气体不易流动,因此也就难以被开采出来。20世纪,勘查者把很大一部分精力都放在寻找高渗透率的砂岩和石灰岩层上。
        情况在20世纪90年代出现了转机。人们现在可以采用新的开采技术,用高压将水注入致密页岩矿床建造中,使其产生裂隙。水与砂混合在一起可以保持裂隙的开放状态,从而增加了储气层的渗透率,使气体流动。页岩矿床具有深度不大但覆盖面积大的特点,垂直打钻仅能控制20~30米的页岩带,因此每口井的产气量很小。钻进技术在过去20多年间取得了新的进步,今天人们已经可以用水平钻井的方法开采页岩气。水平气井可以控制几百米的页岩带,从而大大增加了每口气井的产气量。技术的进步提高了页岩气的经济开采价值,也完全改变了美国天然气市场的状况。


        二、学习美国经验


        美国发现页岩气资源迄今已有相当长的时日,页岩气开采技术也经多年努力研发出来,但此技术过去不具有经济上的吸引力。由于天然气价格低,投资者不愿意把资金投放在一个尚处于初始阶段的产业上。
        使页岩气产业在近年来具有经济吸引力的三大因素是:一是水平钻进技术取得进步;二是水力压裂技术取得进步;三是天然气价格在过去几年间因需求量增加而大幅上涨。
        Fort Worth Barnett、Fayetteville、Antrim、Arkoma、Woodford、Marcellus和Haynesville是美国的一些页岩盆地,页岩气产业在这些地区已十分兴旺。支持美国页岩气产业取得成功的主要因素是:有利的地质条件,充足的可供使用的资源,以及在美国能源部支持下持续进行的改进页岩气回收技术的研发工作。此外,市场化的天然气价格、发达的管道输送系统、成熟的天然气市场、稳定的财税体制、精简的租约管理制度以及税收抵免政策等,都是推动页岩气产业走向繁荣的因素。
        美国的页岩气产业经历了一系列的变革。今天,美国在技术和经济上都具有页岩气生产的优势。页岩气革命使美国从天然气进口国转变成天然气出口国(向日本出口),目前全球90%的页岩气都是美国生产的。

        三、印度的页岩气勘查工作


        虽然页岩气资源自20世纪50年代就被标示在全球能源地图上,但直至20世纪90年代这种天然气的开发利用才具有技术和经济上的可行性。2000年以来,天然气价格上涨以及水力压裂和水平钻井技术的进步使得页岩气开采项目有利可图。目前纽约商品交易所的天然气价格为4~6美元/mmBTu(百万英热单位)左右,这使得页岩气成为能源公司的重要资产。
        目前的石油价格为每桶70~75美元,并有可能再次上涨到2008年的峰值——每桶150美元。天然气价格目前是4~6美元/mmBTu,但在2008年6月,纽约商品交易所的天然气价格达到了13美元/mmBTu的峰值。近年来,常规化石燃料市场价格变化无常,更凸显出页岩气对于一个国家能源供应安全和实现能源自给自足的重要性。按照印度新勘探许可政策(NELP),产自Krishana Godavari盆地的天然气定价为4.2美元/mmBTu,C-系列天然气的价格则是5.25美元/mmBTu。进口液化天然气(LNG)的价格则是随着国际市场天然气价格波动情况不断变化的,曾经高达16美元/mmBTu。鉴于页岩气价格大大低于国际市场天然气的价格,印度的页岩气资源又很有潜力,可以预计,印度的页岩气开发业将兴旺发达。能源安全对于印度在今后几十年内的经济可持续增长至关重要,这在很大程度上是因为印度是一个石油进口国。为缓解能源供应不足的问题,印度已经把大力发展页岩气开发产业列入规划。
        印度计划于2011年底对外开放页岩气勘查投资项目。最近与美国就页岩气开发签订的谅解备忘录将有助于推动印度某些页岩气盆地的储量评价工作。
        从理论上说,印度的一系列沉积盆地,如位于恒河平原、古吉拉特邦、拉贾斯坦邦、安得拉邦及其他沿海地区的沉积盆地,包括Cambay、Assam-Arkana和Damodar等含油气盆地,都有大型页岩矿床。虽然不能说所有的页岩矿床都适合于页岩气勘查,但总体看来,这些盆地的页岩气勘查潜力不容小觑。技术合作将有助于使用精密的模型筛选出最有潜力的页岩气富集区,并在这些地区进行钻探勘查。
       1. 制定鼓励政策
        印度国内的天然气产量有限,对进口天然气的依存度高,因而制约了印度的天然气消费。
        根据印度现行的能源政策,石油公司只能开采其所持有的勘查区块内发现的常规石油和天然气。开发非常规能源被认为是获取额外之财,因此必须通过单独的招投标程序,申请到新的许可证后才能开采。石油公司在打石油钻井过程中有时会发现厚层的煤和页岩,但他们对此不感兴趣,因为印度政府不允许他们开采这些在现有许可证限定条件以外的能源。
    鉴于此,印度政府应尽快考虑制定以下政策:
     允许石油公司在开发常规石油和天然气的同时,勘查和生产页岩气和煤层气。这一政策可能会使一些被宣布为不具商业可行性的老油井恢复生机,并提高印度的能源产量。
     制定有力的页岩气开发鼓励政策,并进行地震勘查以查明潜力大的页岩气区块。
     制定市场驱动的天然气定价模型。
     政府通过制定优惠政策帮助国营和私营公司引进国外先进的页岩气技术。
      2. 通过国际合作争取他国帮助
        页岩气的开发在美国起到了扭转局面的作用。因为有了页岩气,美国在过去10年间从天然气进口国变成了天然气出口国。世界著名能源经济学家,普利策奖获得者丹尼尔=耶金指出,页岩气开发技术“是近10年来能源领域最重要的创新”。世界各地的石油公司目前都在寻求投资页岩气产业的机会,将其视为有利可图的行业。

    表1  某些拥有丰富页岩气储量的地区

    重要页岩气远景区

    美 国

    Marcellus、New Albany、Barnett和Haynesville的页岩区

    澳大利亚

    Amadeus、Cooper和Georgina的页岩区

    欧 洲

    Alum、Silurian和Mikulov的页岩区

    新西兰

    Whangai的页岩区

    中 国

    四川的页岩区


        为获得可靠的页岩气供应,印度公司已经进入美国和澳大利亚等国从事页岩气开发活动(表1)。与澳大利亚、欧洲、新西兰和中国等国建立的战略合作关系将在近期被证明是有益的。上述国家都拥有页岩气开发方面的先进技术和经过检验的商业模型,可以在技术上帮助印度开发本国的页岩气资源。印度公司与外国公司的战略合作关系也有助于为印度的页岩气产业吸引更多的国内外投资。
       3. 页岩气和碳信用额
        与煤和原油相比,天然气属于清洁能源,开发利用天然气有助于减轻环境退化的压力。目前世界各国都在按照哥本哈根气候变化峰会达成的协议致力于减少碳排放量。以中国和印度为代表的新兴发展中国家的碳排放量被认为在全球碳排放总量中占的份额最大。因此,发达国家投入必要的资金和技术帮助新兴国家快速发展页岩气开发利用产业具有十分重要的意义。开发利用天然气可以抵消原油和煤炭工业的CO2排放量,有助于人类建设清洁和绿色的世界。
      4. 国产和进口页岩气
        根据初步估计,印度的页岩气储量可能大于常规天然气储量。因此页岩气有可能成为重要的新型天然气供应源。印度天然气供应量满足不了日益增长的需求,预计到2015年,印度的天然气需求量将从2010年的620亿立方米增长到1200亿立方米。
    在这样的形势下,印度政府和企业应该携起手来,开发利用比进口天然气更经济实惠的本国天然气资源。
      5. 收集技术情报以赢得竞争优势
        收购海外页岩气勘查项目是帮助印度公司获取经营页岩气开发项目技术诀窍和技能的重要途径。印度在吸引国际大公司投资本国油气项目方面,过去一直不十分成功。因此,在印度无成熟经验可供借鉴。对所有有兴趣开发页岩气的印度公司来说,到海外勘查开发页岩气最符合他们的利益。信实工业公司(印度最大的私营企业)率先采取了行动,他们花几十亿美元收购了美国境内的几处页岩气资源地40%~60%的股权。Bharat石油资源公司也与澳大利亚的Norwest能源公司就购买澳大利亚佩斯盆地两处页岩气区块的股权达成了协议。其他印度公司也在寻求投资收购页岩气开发方面的情报和资产。

        四、发展页岩气产业需要做的主要工作


        图1示出了印度页岩气开发的流程及其所涉及的和所需的相关技术和政策等。但在批准页岩气开发项目之前,政府必须对以下问题进行认真研究:
     解释地质条件:应明确解释什么是非常规条件,在考虑所有定义页岩气条件下碳氢化合物参数的基础上给出定义。有时在同一垂直带中可能既有页岩气也有常规碳氢化合物资源。在这样的情况下,政府给出的定义应该成为解决任何争议的明确指导原则。在定义非常规条件时,应考虑在全球范围内被接受的参数。


    图1  页岩气开发流程图


     非常规天然气资源的类别:非常规天然气资源的形式多种多样,比如有致密地层天然气、煤层气和页岩气。但开发所有类型非常规资源所需的基础设施是相似的。因此把所有类型的非常规天然气归入一个单一类别可能有助于在规模化生产的基础上降低成本。
     选择页岩气开发商的标准:页岩气产业在印度尚处在起步阶段,在切实打出几眼气井之前,尚不能肯定页岩气是否具有经济效益。因此要选择经济上实力雄厚,技术上与国外机构有合作关系,有页岩气方面专家或掌握关键技术的公司从事页岩气开发工作。
     租地面积和租约期限:如果页岩气开发区块的面积低于所需面积的最低限度,可能会导致开发工作的草率从事,使开发商无法在资本市场上成为单一业务公司。因此页岩气开发区块的面积必须合理,否则吸引不了主要开发公司的兴趣。租约期限也应合理,使开发者有足够的时间完成区块内的勘查工作。虽然与从常规碳氢化合物储集层开采天然气相比,开采页岩气更易控制,但租约期限也应足够长,使生产商有足够的时间认真完成商业开采工作。
     放宽管制:美国天然气价格放开政策出台是页岩气产业走向成功的转折点。因此,在印度境内完全放开对页岩气的价格控制也将是吸引大公司投资于页岩气开发项目的关键因素。
     财税制度:累进税制和针对投入的税收抵免政策,以及与时间相关联的权利金制度,都是对主要公司有吸引力的财税制度。鉴于租约时间长短和政府税收的需要,理想的情况是不免除所得税。但是,由于页岩气产业的经济效益在印度尚未得到验证,明智的做法是先实行优惠政策,待页岩气产业发展成熟后再把针对此行业的商业和财税制度固定下来。
     水供应和环境问题:由于需要进行水力压裂作业,页岩气生产需要使用大量的水。如果缺乏水源,页岩气项目就会面临很大的困难并需要投入更多的成本。制定防止含水层被污染的相关指导方针,以及采取限制人口密集地区井场和气井密度等措施最大限度地减少环境影响程度。


        五、结 论


        每一个关注页岩气产业动态的人都知道这种资源对于今后发展的重要性。开发页岩气显然是我们面临的机遇,如果这种资源得到有效的利用,国家能源供应的形势就会发生改变。页岩气开发将对国家经济产生深远的影响,因此我们必须充分重视这种资源。然而,只有在排除了某些障碍和研究解决了某些问题后,页岩气的开发利用才能发展成有实际经济效益的产业。为此,企业和政府需要共同工作,制定出不仅能够鼓励外国投资,而且有利于本国经济增长的页岩气勘查开发政策。

    页岩气开发:印度一项紧迫的战略任务

        地质工作是经济社会发展重要的先行性、基础性工作,服务于经济社会的各个方面。当前,我国正处于经济快速发展阶段,资源与环境问题日益突出,国民经济与社会发展对地质工作的需求不断增长。加强地质工作,充分挖掘资源潜力,加大地质和矿产资源勘查力度,提高资源供给能力和保障程度,对于全面建成小康社会、加快推进社会主义现代化具有重要意义。
        当前,我国工业化、城镇化进程加快,经济社会发展与资源环境的矛盾日益突出。加强地质工作,是缓解资源约束、保障经济发展的重要举措,是推进城乡建设、开展国土整治的重要基础,是防治地质灾害、改善人居环境的重要手段。必须从全面建成小康社会、加快推进社会主义现代化的战略高度,进一步提高对地质工作重要性的认识,增强责任意识和紧迫感,切实加强地质调查、矿产勘查和地质灾害监测预警等工作,以满足现代化建设的需要。
        一、地质调查工作的成果是准公共产品
        地质工作是调查研究地球的物质组成及其形成演变过程,从认识自然进而利用自然,为国民经济和社会发展服务的一项探索性很强的科学技术工作。公益性地质调查工作是地质工作的重要组成部分。
        美国经济学家萨缪尔森在《公共支出的纯粹理论》一文中给出了公共产品的经典定义:即一个人对这种产品的消费,并不能减少任何他人也对该产品的消费。它具有两个本质特征,一是消费的非排他性,二是消费的非竞争性。由此,区分公共产品和私人产品就有两个基本标准:一是排他性和非排他性,二是竞争性和非竞争性。私人产品具有竞争性和排他性,公共产品具有非竞争性和非排他性。排他性是指个人可以被排除在消费某种物品的利益之外,当消费者为私人产品付钱购买之后,他人就不能享用此种商品或服务所带来的利益。非竞争性是指消费者的增加,不引起生产成本的增加,即一定量的公共产品,按零边际成本为消费者提供利益或服务。
        依据需要主体和供给渠道的不同,各种产品和服务可分为两类。主要由以政府为代表的国家机构公共部门供给,用来满足公共需要的产品和服务,称之为公共产品(public goods);主要由市场供给,用来满足个别人需要的商品和服务,称之为私人产品 (private goods) 。这就是公共产品的实践标准。
        布坎南在《俱乐部的经济理论》一文中明确指出, 根据萨缪尔森的定义所导出的公共产品是“纯公共产品”,而完全由市场决定的产品是“纯私人产品”。公共产品和私人产品是社会产品中典型的两极。现实经济生活中还有些物品兼备公共产品与私人产品的特征,称之为混合产品或准公共产品。其中,有些产品具有非竞争性,但不具有非排他性;有些产品具有不充分的非竞争性和非排他性。
        准公共产品是指不完全同时具备非排他性和非竞争性两个特征的公共产品。准公共产品一般具有“拥挤性”的特点,即消费者增加到一定数值后,就会出现边际成本为正,不像公共产品那样边际成本为零。准公共产品达到“拥挤点”后,每增加一个消费者,原消费者的效用就要减少。准公共产品“拥挤性”的特点决定其消费要遵循“选择性进入”的规则,即满足一定约束条件后(例如付费后) ,才能消费。
        因此,公共产品基本可以分为三类:第一类是纯公共产品,即同时具有非排他性和非竞争性,如国防、公平的收入分配、有效率的政府或制度、环境保护、基础科学等;第二类公共产品的特点,是消费上具有非竞争性,但是却可以较轻易的做到排他,如公共桥梁、公共游泳池以及公共电影院等,这种物品也被形象地称为俱乐部产品(club goods);第三类公共产品与俱乐部产品刚好相反,即在消费上具有竞争性,但是却无法做到有效地排他,如公共渔场、牧场等,有的学者将这类物品称为共同资源(common resources)。俱乐部产品和共同资源通称为“准公共产品” (quasi2public goods),即不同时具备非排他性和非竞争性。随着私人对公共产品生产与提供的参与,公共产品的提供有了公共提供、市场提供和混合提供三种基本方式。公共产品一般由政府提供,提供公共产品是政府的重要职责。
        运用上述观点分析可知,地质调查工作成果不是公共产品。首先,它不完全具备非排他性的经济本质。地质调查工作成果表现形式是信息产品,可以通过简单设置规则——收费,就可轻易实现排他。其次,它不具备非竞争性的表现形式。地质调查工作成果具有地域性,只能说明本地区的地质状况,不能说明其它地区的地质状况,不能复制,一旦有人使用,并通过后续工作取得效益,他人就无重复使用的动力,更谈不上边际成本不变。由此看来,地质调查工作成果具有潜在的排他性和明显的竞争性。
    实践上,地质调查工作成果是公共产品,地质调查工作成果不能直接产生经济效益,需要通过一系列后续工作才能产生经济效益或社会效益。这种地质调查工作成果效益的间接性、滞后性及较长产生链的特点,形成资金的技术壁垒,预期经济效益不清,机会成本增大,资本效率降低,决定了市场不会提供这种产品。但社会经济发展又需要这种产品,因此,就只能由政府来提供。从世界各国的地质调查工作来看,绝大多数地质调查工作都是由政府出资进行。由此看来,按实践标准地质调查工作成果则属于公共产品。
        地质调查工作成果特征前面已有论述,你使用不影响他使用,基本具备非排他性;但你使用后,他再使用效用就会降低、甚至为零,不具备非竞争性。而且地质调查工作成果的实际使用也是遵循“选择性进入”的规则的,所有产生效益的后续工作的投入,可视为进入限制,典型的是矿产资源探矿权的取得是要付费的。也就是说,地质调查工作成果不同时具备非排他性和非竞争性两个特征,具有“拥挤性”的特点,使用要遵循“选择性进入”规则,所以说,地质调查工作成果是准公共产品。实践标准之所以把地质调查工作成果判为公共产品,源于地质调查工作的投入来自国家财政的公共支出。在市场经济的国家里,公共支出的目的就是生产公共产品。实践标准的结果是动态的,不是一成不变的,他依据供给主体的不同,把准公共产品或纳入公共产品或纳入私人产品。
        要从理论上判断是否是公共产品,就必须从表现形式和经济本质两方面把握公共产品的特征。单从公共产品的定义和特征来看,地质调查工作成果不属于公共产品,单从市场能否提供的标准来看,地质调查工作成果则是公共产品,而进一步深入分析则会发现,地质调查工作成果又是准公共产品。
        运用公共产品理论,结合地质工作的产品特点,可以将地质工作产品分为公共地质产品、准公共地质产品和非公共地质产品。这种产品性质的差异决定了不同类型的产品需要不同的供给方式:公共地质产品需要政府提供,非公共地质产品需要市场提供。这也是公益性地质工作和商业性地质工作分开运行的重要理论依据。以区域性地质调查成果和矿产资源调查成果为例做深入分析:区域性地质调查目的是提供满足公共需要的基础地质信息,产品具有非竞争性和非排他性, 属于纯公共地质产品;区域性矿产资源调查目的是提供后备勘查基地,部分地具有竞争性或排他性,具有准公共产品的性质;一般面上的,为提供后备勘查基地的地质产品具有准公共产品的特点。一旦设置了探矿权,地质产品就具有完全的排他性和竞争性,属于非公共地质产品。由此可见,是否设置矿业权是区别公共地质产品和非公共地质产品的一个重要标志。
        二、公益性地质工作的性质及特点
        公益性地质调查队伍及其所从事的公益性地质工作,就是要为国民经济和社会发展提供地质基础信息资料,并向社会提供公益性服务,不仅提供公共地质产品或准公共地质产品,而且提供公益性服务,满足公共需要。公益性地质工作是由各级政府出资为社会服务的基础性、战略性、前瞻性地质工作。基本内容包含:以保障资源安全和实施可持续发展战略为宗旨的地质工作;为重大工程建设和政府宏观决策服务的地质工作;为满足社会日益增长的地学知识与信息需求而开展的地质工作;为推进地质科技不断发展而开展的地质工作。
        政府财政投入开展地质工作有两方面依据:一是提供公共地质产品和准公共地质产品的目的,由于公共地质产品和准公共地质产品的提供存在市场失灵,采用政府供给的方式具有高效率;二是为了实现国家战略目标,如快速缓解资源紧张局面,保障资源安全,扶持勘查和矿业发展等战略目标,国家财政可以投入非公共地质产品。
        经过多年改革探索,我国现行地质工作管理体制和运行机制主要特点和发展趋势:一是公益性地质工作和商业性地质工作分开运行,其本质是公共地质产品和非公共地质产品在供给机制上的分开。政府提供公共地质产品;市场提供非公共地质产品;二是为了实现战略目标,政府资金可以介入非公共地质产品的生产,但要遵循市场规律,作为一种宏观调控手段,引导和促进市场提供非公共地质产品。
    目前我国政府公益性地质工作体系框架是:国家根据经济社会发展的需要,开展公益性地质工作。中央政府主要负责全国能源和其他重要矿产资源远景调查与潜力评价,全国性、跨区域、海域基础地质和环境地质的综合调查与重大地质问题专项调查。省级政府主要负责为本地区经济社会发展服务的基础地质、矿产地质和环境地质调查。
        中央公益性地质工作要服从国家需求,服务国家目标。其基本内涵主要有三个方面:一是中央政府主要负责全国能源和其他重要矿产资源远景调查与潜力评价,全国性、跨区域、海域基础地质和环境地质的综合调查与重大地质问题专项调查。二是技术标准研究制定、地质矿产理论研究、技术方法研究、引进和推广、地球科学和地质勘查领域的国际交流与合作等。三是示范类地质工作。包括为地方公益性地质工作和商业性矿产勘查作示范的地质工作。其目标主要是为全社会提供地质公共产品和服务,为公共决策提供地质科学论证和决策支撑,这是公益性地质工作存在价值的体现。也是中央政府公益性地质工作的职责。
        公益性地质调查工作是认识地球、了解地球,服务于经济社会发展的基础性、超前性工作,向社会提供地学信息,是经济社会发展的永久性支撑,是集科学与技术、理论与实践、科研与调查为一体的多学科联合攻关的工程,具有基础性、探索性、地域性、继承性等特点,需要长期的资料、经验与人才积累,充满了活劳动,需要一支稳定的专业队伍长期进行成果资料的积累。公益性地质工作的特点和内在要求决定必须有一支专门从事公益性地质工作的队伍。这也是成熟的市场经济国家地质工作发展的经验。
        党中央、国务院从全面建成小康社会,实现经济社会全面、协调、可持续发展的高度对公益性地质工作给予了高度重视和关心。提出要加强地质工作,加强公益性地质调查队伍建设。温家宝总理曾明确指出,必须建设好一支人员精干并相对稳定、装备精良,以高新技术为支撑、调查与科研相结合,能担当重大战略任务、善于攻坚打硬仗的高素质、专业化的国家公益性地质调查队伍。这项改革,目标不能动摇,步伐必须加快。
        《中央机构编制委员会关于印发〈中国地质调查局主要职责内设机构和人员编制规定〉的通知》(中编发〔2004 〕2号文件和《国务院关于加强地质工作的决定》(国发[2006]4号)均明确:中国地质调查局负责统一部署和组织实施国家基础性、公益性、战略性地质和矿产勘查工作,为国民经济和社会发展提供地质基础信息资料,并向社会提供公益性服务。统一管理国家公益性地质调查队伍,对地方公益性地质调查队伍承担的国家地质调查任务实行项目联系、业务指导, 并对项目执行情况开展监督检查和成果管理。
        国土资源部在《关于国家公益性地质调查队伍建设的意见》(国土资发[2005]13号)中提出的建设公益性地质调查队伍思路和目标是:“根据我国国土面积、人口总量和国家对公益性地质工作的需求,与国家财政管理体制,地勘队伍管理体制相适应,逐步建成一支结构合理、专业齐全、高素质的公益性地质调查队伍。公益性地质调查队伍由国家和地方公益性地质调查队伍两部分组成,总体规模2.5-3万人,其中,国家公益性地质调查队伍在中国地质调查局现有直属单位1万人规模基础上逐步达到1.5万人(控制规模)。今后3年的建设目标为:基本建成一支由中国地质调查局直接管理,成建制,统一高效,人员精干并相对稳定,装备精良,以高新技术为支撑,调查与科研相结合,能担当重大战略任务,善于攻坚打硬仗的高素质、专业化的地质调查队伍”。
        “国家公益性地质调查队伍建设主要以中国地质调查局直属单位为基础,依托重大地质调查项目和国家专项的组织实施,通过专业结构调整和队伍能力建设,充实、加强一线技术力量,建实建强区域性地质调查机构、专业地质调查机构、科技创新与技术支撑机构和公益性服务机构,使之真正成为能够承担国家基础性、公益性地质调查和战略性矿产勘查工作任务及提供地质信息资料社会化服务的骨干力量”。
        做好公益性地质工作的关键在队伍。建设好一支人员精干并相对稳定、装备精良,以高新技术为支撑的高素质、专业化的国家公益性地质调查队伍,关系到我国地质事业的长远发展,是实现公益性地质工作国家战略目标的关键。当前,中央和地方两级公益性地质调查队伍的组织结构框架已初步形成,职责基本明确。经过十多年的建设,国家公益性地质调查队伍已初具规模,但仍存在一些问题。由于中央公益性地质调查队伍基本上是由管理体制、任务性质不同事业单位成建制地合并形成的,不同程度地存在事业单位的一些共性问题:如事业费不足,人员结构不合理,业务骨干和管理人才缺乏,缺乏有效的激励机制,队伍活力不足,创新能力不强,装备落后,社会保障体系未建立,离退休人员包袱沉重等等。上述问题可归结为两个,一个是这支队伍尚未建强,另一个是保证队伍稳定发展所必需的经常性经费不足问题。这是当前制约国家公益性地质调查队伍建精建强的关键问题,这两个问题较为严重,直接制约着公益性地质队伍的稳定与发展,解决不好这两个问题又直接影响公益性地质工作顺利开展,也势必影响和制约经济社会发展,而经常性经费投入不足又是制约队伍建设的主要瓶颈因素。
        三、国家公益性地质调查队伍建设存在的主要问题
       (一)队伍尚未建强
        1.人才队伍总量严重不足
        截至 2005 年底,全局共有职工12028人。其中,在岗职工6523人,占54%;离退休5369人,占45%;待岗136人,占1%。在岗职工队伍中,共有各类人才4924人(初级以上职称,含技师16人),占75%。从事野外一线工作的地质专业技术人才 1512 人,占在岗职工23%。
        目前国家公益性地质调查队伍人才队伍规模与新时期基础性、公益性地质调查和战略性矿产勘查工作任务相比,现有人才队伍总量不足,特别是野外一线地质人才总量较少。队伍规模距离中央公益性地质调查队伍建设控制规模1-1.5万人相差近一半。
        2.人才队伍结构不尽合理
        截至2005年底,全局在职职工中具有初级专业技术职务以上的4908人中 , 在岗专业技术人才3788人,占人才队伍总数的77%。人才队伍结构不够合理(见图1-4)





    图1年龄结构                                图2学历结构 


        在具有初级以上专业技术职称4908人中,30岁以下的占16%;30-39岁占22%;40-49 岁占41%;50-55岁占16%;56 岁以上占5%;高级职称2193人,占45%;中级职称1523人,占31%。有博士研究生学历的,占9%,有硕士研究生学历的占13%;本科学历的占42%。


    图3职称结构                                  图4优秀人才情况


      
        全局共有“两院”院士18人、领军人才(主持过重大项目,在本专业有较深造诣的人才) 162人、 重大项目负责人(承担过省部级及以上项目的第一负责人)672 人。
        主要问题一是领军人才,优秀、复合型人才和有较丰富实践经验的野外一线骨干人才短缺问题比较严重。二是年富力强、可以承担野外一线工作重任的31-40 岁年龄段的人才偏少,业务骨干断档的问题十分突出。三是人才余缺并存。地质类专业技术人员相对较少,管理、经营、后勤服务人员相对较多。从事方法技术研究的比例较大,从事野外地质调查人才比例小。四是人才队伍能力与当前工作任务不相适应,在目前野外一线的地质专业技术人才中,新接收的大学毕业生占了较大比重。这部分人员缺乏生产实习和实践锻炼,野外一线地调能力较差。按照高质量完成地质调查任务的要求而言,野外地质调查人才队伍整体能力有待提高。
        3.人才队伍后备力量不足。
        从地质人才供给方面看, 未来几年内实际供给不足,形势较为严峻。由于前些年地质工作的经费投入不足, 地质工作新的运行体制还没有形成,从业人员的社会保障体系与激励机制没有建立, 地质工作的远景规划和个人的长远发展比较模糊, 就业出口因此受堵。致使近15 年来地质技术人才的培养和教育已出现问题:多数学生不愿意报考地质类专业, 学校大幅度削减了招生计划,致使地质技术人供应从源头上大大减少。此外, 一些成熟的地质专业技术人才有部分已改行或离开地质工作岗位。地质工作的后备人才和可以提供的有相关工作积累的成熟专业技术人才非常有限。而且地质调查从业人员的地区分布、部门分布与地质工作投入的地区和部门相关, 可以从市场上聘用提供的地质工作项目服务和满足地质工作需要的地质专业技术人员有限。地质人才断层、青黄不接的现象非常严重。
        由于近几年经济社会发展对地质工作需求的不断增大,特别是商业性地质工作的逐渐兴起,全社会对地质科技人才需求达到空前旺盛,地质科技人才供应绝对不足,各高等院校的地质类本科以上毕业生就业率达到100%就是明证。因此,国家公益性地质调查队伍与地方和原工业部门、油气公司、外资公司对地质人才资源的争夺较为激烈。由于目前地调局系统职工收入与原工业部门、油气公司、外资公司及地方相关行业和单位相比,处于中下游水平,专业技术人才已有外流趋势。2001-2005年间全局共有 270 名专业技术人员调出局系统,其中地质类专业技术人才231人,占调离总数的85%。而目前,地质类专业技术人才流向地调局系统的趋势已大大减弱,在部分地区或个别单位向前些年那样批量引进有经验的地质类专业技术人才的情形几乎已不可能再现,如沈阳地调中心,2006年到目前拟引进十余名地质类专业技术人才,至今未果,主要原因就是很多地区、部门及单位通过提高待遇挽留技术骨干,用优厚的待遇招揽人才,采取非常规措施控制技术人员外流等办法稳定、发展壮大队伍。与此同时,大批引进技术骨干,还要面对配套设施建设、配偶安置和解决住房等方面的问题困扰,单位自身也是力不从心。
        总之,中央公益性地质调查队伍还比较薄弱,难以满足公益性地质工作的需要。
        (二)国家财政对公益性地质工作有效投入不足
        国家对公益性地质工作投入与新形势下经济社会发展对公益性地质工作的要求相比明显不足。
        1.保证队伍正常运转的经常性经费投入不足  
        近年来,国家的投入有一定增加,但与成本的增加和实际需求相比,其投入总量仍远远不足。基本支出预算长期不足,正常工作费用缺乏保障,是各单位普遍的问题(见表1-4)。

    表1  全局几年来中央公益性地质调查队伍财政预算拨款的经常性费用    单位:万元



    表2  六大区中心几年来财政投入经常性费用情况  单位:万元

        从表1和表2可以看出:几年来,包括人员经费在内,六大区中心平均始终徘徊在每年人均2万元多一点,离退休经费始终徘徊在每年人均1.6万元左右,扣除物价上涨和社会负担成本增加,近几年事业单位调整工资标准而相应增加的投入,实际上的经常性投入是相对下降的。各单位经常性地质事业费严重不足,基本支出预算中,人员经费(含离退休)预算年平均不足1.5万/人,只相当于实际支出的40%多。
        社会保障政策不配套, 投入结构不合理。由于改革政策不配套,使地质事业单位改革难以向更深层次发展,比如由于养老、医疗等社会保障体系没有建立,分流人员没有出口,人员难以流动,全员聘用制也无法真正实现。目前, 在国家公益性地质队伍中, 离退休人员占整个队伍的45% 左右。由于社会保障体系没有建立, 按照目前人员经费优先保证离退休人员费用支出的情况,沉重的离退休

    表3  全局劳动报酬及补贴、离退休费用实际支出情况   单位:万元     

    表4  六大区中心历年劳动报酬及补贴、离退休费用实际支出情况 单位:万元

        人员费用支出(退休金、医疗费等)占用了财政投入事业费的近60%, 扣除单位日常工作正常运转所必需水、电、暖、基础设施日常维护等刚性支出,在职人员的人员经费已所剩很少。近年来,随着经济的发展,国家几次上调职工工资标准、增加离退休人员离退休费、在职职工工资正常调资,差旅费开支标准提高,社会各类服务价格提高,都加大了各单位的经常性支出成本,地方纷纷出台了增加地方工资性补贴政策,对中央直属的单位也造成巨大压力,由于缺乏财政资金支持,各单位靠自身收入难以足额兑现地方的各种补贴政策,致使离退休老同志有意见,在职职工队伍不稳定,同时难以吸引人才,建设发展队伍。
        经常性经费不足,日常的工作就难有经费保障。必然导致本应由事业费开支的项目不得挤占其它经费,特别是挤占、挪用工作项目经费的现象。造成列支渠道不合理,财务预算执行困难。大量挤占、挪用项目、课题经费,直接影响了项目的质量和成果水平。 
        公共服务机构基本运转费用难以维持。实物资料中心因为缺钱,生产科研设备短缺,资料库运行费不足。图书馆的文献资源建设经费缺口较大,有些专业期刊资料只能忍疼割爱、砍掉不订。
        即使是进入非营利科研机构编制的人员新增的改革经费也仅能满足部分弥补基本运转费用 (水电费、供暖费)和管理人员工资的不足。2005年地科院全院事业费总额为11218万元,扣除“非营利”追加部分后为7762万元,当年离退休费用支出总额为4841万元,占事业费总额的63% 。
        总之,公益性地质调查队伍缺乏经常性工作经费,缺乏经常性的更新机制,直接影响了地质调查工作的正常运行和地质调查成果对社会公开服务的动力机制”。制约了国家公益性地质队伍建设的健康发展。 
        2.公益性地质工作投入缺乏长效机制
        主要问题一是经常性地质工作经费不足。二是承担的任务不稳定。以地质大调查专项为例:“自1999 年我国开始实施地质大调查以来到2005 年七年间,中央预算投入的地质大调查经费56.79 亿元,其中1999~ 2005 年每年投入经费分别为5.37 亿元、8. 57 亿元、8.58 亿元、8.58 亿元、8.58 亿元、8.59 亿元、8.52 亿元”。作为国家公益性地质调查队伍的地调局的直属单位承担的任务平均不足大调查总任务的40% (见表5)。
        由于历史的原因,地质勘查经费主要投资于四个专业地质调查机构,而六个大区中心几乎没有这方面的投入,只有财政投资的国土资源大调查和矿产资源补偿费等专项项目,科技项目费主要投向地科院所属的七个非营利机构和五个转制所。

    表5   全局几年来财政预算拨款的地质调查工作经费情况    单位:万元

        由此表看出,几年来国家财政(财政调查专项)对国家公益性地质队伍的工作经费投入处于低水平徘徊。表中,科技项目经费增长主要由于地质科学院所属几个研究所有部分队伍(700人)进入国家科技创新体系,划为非营利机构而政府投资的科研类项目经费增加。
        从年度投资的总额看似基本保持稳定,但扣除物价上涨和社会负担的增加而产生的成本增大因素后,实际直接用于工作的费用逐年减少。2003-2005年间全局财政投入的工作经费为年人均9.5万元,2006年全局财政投入的工作经费为人均9.1万元,
        六大区地调中心2004~2006年间,财政投入的工作经费从额度上处于徘徊状态,实际直接用于工作的财政投入是下降的。由于工作任务不饱满,为了事业的发展、队伍稳定与发展,各单位都承担了市场项目,以弥补经费不足。从上面的表2可以看出,近三年来,财政对六大区中心投入的经常性费用徘徊在人均1.6~1.8万元/人年。在目前人员工资、离退休费用大幅增加的情况下,为保证人员工资、离退休费用支出,各单位普遍存在挤占工作经费现象,实际用于工作的经费势必大大缩水,工作的成果质量和成果水平也难有保证。
        公益性地质调查工作主要依靠申请国家专项工作经费支撑,没有长期而稳定的经常性工作经费保障。国家公益性地质调查队伍依托国家专项生存发展,存在大起大落的风险。地质大调查、矿产资源补偿费项目均属于国家专项经费,投入本身就不稳定。地质勘查费原本属于财政投入给地勘单位(主要为四个专业地调机构)的经常性工作经费,基数较低,近几年以财政专项增加了投入,但也一直处于不稳定的状态中。
        以六个大区地调中心为例,“十五”期间,六大区中心承担地质大调查专项281项,经费37560万元,占此间承担各类项目总经费的70.0%,其它国家专项153项,经费10510万元,占项目总经费的19.6%(见表7)。

    表6 六大区中心近年地质调查工作经费财政投入情况表  单位:万元 

     图5 六大区中心“十五”承担的地调、科研项目总经费情况(单位:万元)
     

    表7            六大区中心 “十五”期间承担的各类地质项目及经费情况

        由表7看出,各单位项目来源一是主要依靠承担地质大调查专项,而这类项目投入并不稳定,并且在低水平徘徊。“十五”期间财政投入的六个大区地调中心年人均地调、科研项目经费为7.1万元,年人均地质大调查经费为5. 5万元,仅相当于全局平均水平的60% 。相对于维持队伍稳定和发展所需要的人员劳务支出等要求来说,严重不足。
        按计划,地质大调查专项到2010年全部结束。届时,如果没有新的专项投入,国家对公益性地质工作的投资每年将净减少9亿元,国家公益性地质调查队伍承担的工作量每年将减少3-4亿元,相应地六个大区中心每年将减少70%的工作量(以现在的投资规模测算),队伍将处于半失业状态。正因为这个原因,各单位对扩大队伍规模就有后顾之忧。
        由上述分析看出,作为国家公益性地质调查队伍承担的工作任务是不稳定的,经费投入是严重不足的。因此,经常性经费不足问题,是严重制约国家公益性地质调查队伍建精建强和稳定发展的最大瓶颈因素。 
        3.缺乏长期稳定的科技投入,地质工作是科学探索性的社会实践活动,地质调查行业是技术密集型行业,地质科学院所属的社会公益类科研机构是国家地质科技创新的主体,也是国家公益性地质工作的科学技术支撑。由于科研经费的不足,科研人员要花很大精力到处争取课题,无法考虑争取到的课题是否符合单位的学科建设、发展方向以及服务领域等,这样在很大程度上阻碍和限制了学科的发展,传统优势学科也有逐步丧失国际学术地位之虞;由于科技投入的不足,使实验室得不到稳定支持,难以形成对科技创新的有力支撑,大大削弱了科技创新的基础性工作。
        4.基地建设保障不足
        按照国家提出的中央公益性地质调查队伍"十一五"建设目标,现有生活工作基地将不适应要求。部分单位科研用房紧张,新购置的科研仪器设备无处安装,许多珍贵的古生物化石、岩矿石标本、大量的野外样品堆积在楼道,影响科研工作的正常开展。随着队伍规模的逐渐扩大和任务量的增加,此类问题将更加突出。
        四、结论及若干建议
        (一)、明确政府投入公益性地质工作的职责,完善工作机制
        公益性地质工作特点,决定了必须有一支专门从事公益性地质工作的队伍。要明确政府公益性地质工作的职责,主要是为全社会提供地质公共产品和服务,为公共决策提供地质科学论证,要建立并不断完善中央和地方共同投资开展公益性地质工作的新机制, 合理划分确中央与地方职责及投资范围,建立统一协调相互促进的工作机制。相应加大财政对公益性地质工作的资金投入力度。
        (二)、加大地质人才开发力度 进一步完善队伍结构调整
        要按照人员精干、结构合理、装备精良、能承担重大任务的要求,加强领导,统一筹划,科学组织,稳步推进,在尊重市场经济规律基础上,通过增强人才吸引力,增强队伍地质调查核心能力, 把公益性地质工作的国家队建精建强,实现建设公益性地质工作队伍建设目标。
        科学制定中央公益性地质调查队伍“十一五”建设规划,根据 “十一五”和今后一个时期我国基础性、公益性地质调查和战略性矿产勘查工作的任务需求,把握人才队伍建设的主客观环境,抓紧研究制定国家公益性地质调查队伍“十一五”人才队伍建设规划及配套措施,以落实中国地质调查局中长期发展规划要求为目标,把地质人才队伍建设纳入到规范化、制度化、科学化的轨道。
        进一步加快人才队伍结构调整, 加强野外一线技术力量。开展大规模全方位职工岗位培训。通过举办政治理论、业务知识培训班和业务专题讲座,开展业务练兵活动,加强青年人才野外实习锻炼、选送骨干人才到国内高等院校、国际地质调查机构培养,加强与国内、国际人才互访、讲学交流与合作开展项目研究等方式,形成上下联动、分散培养与集中培训相结合的在职人才教育培训体系。
        加快地质人才开发。要把人才开发放到重要位置。建立健全鼓励创新的地质人才开发机制和管理体制。充分发挥现有人才的作用。研究制定以重大地质调查、科研项目和重点实验室为依托的人才培养办法。地质调查和科研项目向重点人才倾斜,每年优选一批地质调查、科研项目支持领军人才、复合型人才、中青年人才和学科带头人,逐步实现完成项目工作任务与人才培养相结合,造就一大批品德优良、基础厚实、知识广博、专业精深的地学新人。
        加大引进地质人才引进工作力度,紧密围绕地质调查中心工作,结合工作任务和专业需要,采取切实而有效的措施,有计划、分步骤地引进适量的本领域、本区域野外地质调查领军人才、重大项目负责人,充实野外一线技术力量。
        通过五至十年的建设,基本建成一支人员精干、结构合理、素质优良、能全面承担国家公益性、基础性地质调查和国家战略性矿产勘查工作的中央地质调查人才队伍。
        (三)中央财政要保证国家公益性地质队伍的经常性经费投入。
        1.按照事业单位改革的有关规定,尽快落实队伍社会保障政策。
    公益性地质调查队伍应定位为纯公益性事业单位,要按照部门预算管理要求,将公益性地质调查队伍经常性支出等有关经费列为本级财政公共支出的重点内容,增加离退休人员的财政预算拨款,解决全额拨款和离退休经费严重不足问题。提高基本预算基数,给足必要的工资、基本建设费用以及正常的稳定的运行经费(如地质成果社会化服务费用等),切实保障公益性地质调查队伍的正常运行和工作的开展。建立公益性地质调查队伍和公益性地质工作稳定发展的长效机制。
        积极创造条件,改善环境,尽快将队伍建设的配套设施如办公、生活基地的规划与建设纳入议事日程,增加基础设施投入。
        2.完善人才激励、保障体制和机制。
        应增加相关预算标准,改善地质人员工作和生活条件,提高野外地质工作人员待遇,对野外地质工作人员继续实行工资倾斜政策,完善津贴补贴政策,探索和建立符合公益性地质工作实际、体现岗位绩效和分级分类管理的人才薪酬制度。研究制定中央公益性地质调查功勋奖励制度。建立鼓励创业创新的收益分配和人才使用机制,为稳定地质人才队伍创造良好环境。增加专项经费投入,支持国家公益性地质调查队伍以重大地质调查、科技攻关项目和重点实验室为依托,培养创新型人才、复合型人才和科技领军人才。要结合地质工作实际,制定吸引地质人才的有效办法,增强对高素质人才的吸引力和凝聚力。
        (四)加大财政对地质类教育的投入,加强后备队伍建设。
        以发展地质教育为基础,加快地质人才队伍建设。加强地质类院校办学条件建设,积极支持发展地质高等教育和中等职业教育。根据地质工作的实际需要,保持合理的地质类学生招生规模。国家奖学金和资助贫困学生政策进一步向地质类学生倾斜,鼓励学生报考地质类专业。鼓励学生毕业后到地质一线就业。在实践中培养杰出的地质人才,为提高地质工作水平提供有力的人才支撑。
        (五)中央财政要加大对公益性地质工作的资金投入。
        1.建立多渠道的地质科技投入体系。国家应逐步增加地质科技投入,并在相关地质专项中合理安排重大科技问题研究和新技术推广的经费。突出研究重点矿种和重点成矿区带的地质问题,大力推进成矿理论、找矿方法和勘探开发关键技术的自主创新。加快高薪技术在地质勘查中的应用,加强信息化、网络化、数字化建设,不断提高地质队伍的装备水平,推进地质工作现代化。
        要加强科技创新基地建设。积极创造条件,引导和支持公益性地质单位以重点实验室、研究中心等形式,组建特色突出、装备精良的科技创新基地。通过对重大项目长期稳定的扶持,支持重点实验室的建设和发展。要加快改善科技基础条件,加强重点实验室、工程技术研究中心、野外长期观测站网等科技平台建设。支持一批国土资源数据中心的建设。
        扩大地质科技对外交流与合作,加强国际地质信息收集和分析,共同开展研究地质课题, 更好地解决我国特殊的地质问题。
        2.建立中央财政对公益性地质工作投入合理增长机制。要设立中长期发展项目,从国家层面规划设立一些重大专项工程,如矿产资源保障工程、地壳探测工程、地质环境保护工程等。通过重大地质专项资金的投入,加强公益性地质工作。提高预算标准,合理增加地质调查项目经费投入,按实际工作量核定项目经费。加大矿产勘查前期投入,适当增加前期地质工作程度,为商业性矿产勘查降低自然风险。

    曹贵斌:国家公益性地质队伍建设投入分析及对策

    说起氦气,人们对它的认识大多来源于中学的化学课。殊不知,氦,作为熔点和沸点最低的已知元素,在军工、航天、核工业、深海潜水及民用高科技等领域具有广泛用途,是关系国家安全和高新技术产业发展的一种重要战略性稀有气体资源。

    据统计,全球的氦气资源长期供不应求,年需求量约为2亿立方米,但年产量仅有1.7亿立方米。我国目前氦气年需求量约为2200万立方米,但勘查开发程度极低,资源情况不明,仅四川自贡威远气田进行了小规模提氦利用。我国氦气供应长期依赖进口,资源安全形势十分严峻。

    可喜的是,自然资源部中国地质调查局在渭河盆地组织开展的氦气资源调查工作发现,渭河盆地不仅有水溶氦,还存在便于利用的游离态富氦天然气藏,有望构建我国氦气资源基地。

    我国对氦气资源的研究程度低,资源家底不清

    氦气开始进入人们的视线,始于1868年。那一年,法国天文学家彼埃尔·让桑(Pierre Janssen)和英国天文学家约瑟夫·洛基尔(Joseph Lockyer)几乎同时分别独立发现太阳光谱里有一条陌生的明亮黄线,其后,洛基尔将其命名为氦。

    氦是一种无色、无味、不燃烧也不助燃的稀有惰性气体。由于其特殊的物理、化学性质,尤其是其化学惰性和沸点极低的特征,使得氦气成为低温学领域的无价之宝。比如:氦的低溶解度、低沸点以及化学惰性,使其清洗和密封火箭和宇宙飞船的液体氢燃料系统十分有效。在电子工业中,氦气在半导体、液晶面板和光纤线制造中起着重要作用,可实现零部件的快速冷却,也可在电焊、硅晶片生产中用作保护气。在现代分析测试检测仪器中,氦气在气—液和气—固色谱分析中是最常用的载体气。在超低温冷却方面,氦广泛应用于核反应堆的冷却介质和清洗剂,在超导冷却方面,应用于核磁共振设备、超导量子干涉器、粒子加速器、磁悬浮列车、电能的存储等,其中最大的消费群体是医院的核磁共振设备。

    地球上的氦气含量极为稀少,最主要的来源不是空气而是天然气。富氦烃类天然气中最高可含7.5%的氦,是空气中的1.5万倍。可是,这种含高氦的天然气矿藏并不多,这是因为天然气中的氦气是铀之类的放射元素衰变的产物。一般而言,只有在天然气矿附近有铀富集时,氦气才能在天然气中汇集。

    根据美国地质调查局的数据,目前全球的氦气资源量估计达519×108立方米,储量仅74.25×108立方米。美国是世界上氦资源最丰富的国家,虽然已大规模开采60多年,但氦气资源量仍占世界总资源量的40%以上。根据美国地质调查局2016年的调查报告,美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯共计拥有世界88%的氦资源,中国的资源量仅为11×108立方米。中国西部大型叠合盆地及东部郯庐断裂带已发现广泛的含氦天然气显示,但研究程度低,资源家底不清。到目前为止,只有四川省自贡的威远气田曾提到氦利用,其中的氦含量为0.2%左右,而且现在已经基本枯竭。

    提出氦气弱源成藏理念,论证了渭河盆地富氦天然气成藏条件

    近年来,中国地质调查局组织开展了《渭河盆地氦气资源远景调查》项目,由中国地质调查局西安地调中心牵头,渭河能源公司(陕西金奥能源公司)、陕西省地质调查院、陕西地矿总公司第二综合物探大队、西北大学、长安大学、西安石油大学、中石油东方地球物理公司等单位参加完成。项目组在广泛调研国内外氦气资源研究进展的基础上,系统研究了渭河盆地基础地质、氦气成藏机理、成藏条件及资源前景,取得了一系列新进展、新成果。

    渭河盆地位于秦岭造山带与鄂尔多斯盆地之间。在渭河地区广泛分布燕山期富铀花岗岩,其分布面积达近万平方千米。在现今渭河盆地基底的深部10千米~20千米,沿深大断裂带分布有10个隐伏(花岗岩)岩体。这些富铀花岗岩是盆地壳源氦气的主要源岩,通过铀、钍衰变源源不断地向盆地输送壳源氦气。

    地壳中铀、钍元素的丰度低、半衰期长,因此壳源氦生气强度极低,为典型的弱源气。按照油气地质理论,壳源氦不存在集中的生气高峰,生气速率极低,难以发生突破“压力封存箱”的大规模集中排气。但现实是,确有富氦天然气藏存在,并被工业利用。而常规的油气理论难以解释氦气成藏机制。项目组通过在渭河盆地开展氦气调查工作,认为“有效氦源岩、高效运移通道(断裂、不整合)、载体气藏(适度,“载体气”又是“稀释气”)是氦气成藏的基本条件”;提出了“成岩温压与变质温压下氦行为差异与氦气成藏及古老克拉通基底蕴藏的巨量氦因克拉通破坏的构造作用而释放、运移到浅层聚集成藏”的理念”;初步建立了氦气成藏模式。

    项目组认为,壳源氦气相对于常规油气为典型的弱源气,但由于地质体的巨大和地质时间的漫长,壳源氦气生成总量是巨大的。氦气常以甲烷或二氧化碳气藏中的伴生气产出,因其稀有性,工业品位0.1%即可成为矿藏,且成藏与地下水关系密切。综合分析认为,氦气在深部氦源岩处能溶解于水而运出,运移至浅部遇到天然气藏时脱溶成藏,并在气藏附近水体形成溶解氦低浓度漏斗,使水溶氦不断向气藏附近迁移而进入气藏,大大提高了氦气的运聚系数。而气藏在盖层处又因低分压难溶于水、不易扩散,而有利于保存。这一分析,从理论上认识了氦气弱源成藏机理,明确了氦气在氦源岩处“运得出”、遇到气藏“脱得出”,在气藏中“保得住”的高运聚系数富集机制,解答了氦气为何能克服溶解与消耗、提高运聚系数形成富氦天然气藏的疑惑,为氦气资源勘查提供了理论依据。

    渭河盆地是否具有天然气前景一直是众多学者关注的问题之一,核心是是否存在烃源岩。前人认为,盆地深部不存在晚古生代煤系地层。但项目组根据区域地质背景、地热井气样分析及地球物质测量成果,特别是地震测量成果,论证了渭河盆地前新生代基底局部残留晚古生代煤系地层,为渭河盆地天然气勘探带来了希望。由于氦气不能单独成藏,只有在甲烷等载体气藏中聚集、积累,才能形成富氦天然气藏,从而为氦载体气成藏提供物质基础。

    渭河盆地不仅存在水溶气资源,也存在富氦天然气藏

    自然界气体赋存状态有游离态、溶解态、吸附态及水合态,不同赋存状态氦气资源的工业利用前景和经济性具有天壤之别。项目组对已有资料进行分析研究发现,渭河盆地不仅存在水溶气资源,也存在游离态氦及伴生气资源,即富氦天然气藏。

    资料显示,渭河盆地地下水资源丰富,有渭北岩溶溶隙裂隙水、秦岭山前构造裂隙水和盆地中部新生界孔隙裂隙水。其中,渭北岩溶溶隙裂隙水中未见氦气显示,秦岭山前构造裂隙水和盆地中部新生界孔隙裂隙水均有氦气显示。除渭北岩溶溶隙裂隙水外,盆地4000米以浅地热水总静储量达14781.2×108立方米。剔除固市断凹(渭南生物气区)张家坡组的储量数据后的总静储量达14200.57×108立方米。根据气水比1∶10和氦气含量1.5%计算,盆地内4000米以浅的水溶氦气资源量达21.3×108立方米。若按供热季单井日产水1000立方米,年生产100天计,250口地热井每年就可提供2.5×104立方米伴生氦气资源综合利用,就量而言已经达到半个威远气田。但水溶气的性质决定了其处于量大却难用的处境。

    众所周知,目前还没有发现独立的氦气藏,而工业利用的氦,是与载体气(烃类或二氧化碳、氮气)一起以游离态赋存于地层圈闭中,形成富氦天然气。那么,渭河盆地是否存在富氦天然气藏或游离态氦,成为目前氦气资源前景评价的关键。可喜的是,现有调查资料初步表明,渭河盆地氦源岩和高效运移通道(断裂)发育,具有载体气成藏形成条件,特别是伴生于甲烷气中的富氦天然气,是目前勘探工作的重点。

    通过近年的研究,项目组探索提出了“地质指方向,地震、重力、电法探结构、识断裂(高效运移通道)、找圈闭,磁法识别磁性岩体(氦源岩),化探异常圈定目标区,气测录井标定富集层段”的氦气调查技术方法。应用这一调查方法,通过物探、化探工作,项目组基本查明了富氦气区地层层序和构造格架,重点刻画了隐伏花岗岩体(氦源岩)、断裂发育特征。渭河盆地(鄂尔多斯周缘盆地)与目前广受关注的坦桑尼亚富氦区具有相似的地质背景,均为古老克拉通上的新生代裂谷盆地。渭河盆地不仅有长期稳定的古老基底可作为氦源,同时具有大量富铀花岗岩作为氦源岩,较坦桑尼亚富氦区具有更好的氦源条件。同时,花岗岩即是重要的氦源岩,也可以成为储集岩。

    根据调查成果,项目组初步圈定了华州—潼关、户县—蓝田和武功—咸阳等3处远景区。

    我国具有氦气资源前景,亟需加大工作力度

    研究认为,我国(特别是西北地区含油气盆地)氦气资源成藏基本条件良好,分布广泛,层位众多,具有资源潜力,但研究程度低(作为资源研究更少),家底不清。渭河、塔里木、柴达木、银额等盆地局部地区具有资源前景。在柴达木盆地北缘检测出壳源氦气含量为0.21%~0.72%;发现马北、东坪(花岗岩基岩气藏)等气田氦气资源前景良好。认识到塔里木盆地巴麦隆起及周缘具有良好氦气前景。

    尽管渭河盆地地热井发现了氦气资源赋存的良好信息,但项目组指出,由于缺乏专门的氦气评价钻探工作,目前还无法评价其工业价值,无法对深部可能含气层进行验证和产能测试,急需在远景区开展网度地震勘探,寻找有利圈闭,为钻探提供目标;通过钻探工作发现或验证目标层段的含气性;开展地热井氦资源专项调查,探索现有地热井条件下伴生气资源的有效利用;针对氦气资源的勘查技术手段基本空白,探索有针对性的地球物理探测方法、有效的测井解释模型、钻探和气藏测试工艺等。此外,由于氦气多以伴生资源形式产出,氦气的提取、提浓、提纯工艺需要继续探索完善,急需形成多种资源综合开发利用技术,以提高多种低丰度伴生矿产的经济价值。

    同时,加强国家公益性队伍对氦气资源调查工作的组织引领,联合油气企业开展主要天然气田氦气资源调查评价,是全国氦气资源调查尽快取得突破的快捷有效途径;建议修订石油天然气储量规范,在氦气成藏远景区开展的油气勘探中进行氦气兼探工作,具有综合利用价值时,氦气需与天然气同时提交储量。

    氦的应用

    ①核潜艇气冷核反应堆与深潜呼吸气

    ②火箭及航天飞机燃料加压剂

    ③核电站气冷核反应堆

    ④航空合金弧焊保护气

    ⑤半导体硅晶片制造保护气

    ⑥光纤制造保护气

    ⑦核磁共振成像仪超导冷却剂

    ⑧潜水呼吸混合气

    点亮新希望

    近日,随着国土资源部一则关于我国非常规能源发展前景的新闻向外界发布,一种名为“干热岩”的新型地热资源又一次进入人们的视野。

    很多社会公众可能对这一名词颇感陌生,对这一新型资源更是不甚了解。干热岩究竟是一种什么样的地热资源?与常规能源和其他类型地热资源相比,它有什么特点?其在世界和中国的储藏量和开发前景如何?在中国,何时能实现商业化运作,进入寻常百姓家?这些无疑是人们普遍关注的问题。

    绿色 稳定 高效

    干热岩对很多人来说是个新鲜词,但是对其的试验研究和开发利用已经有了40多年的历史。中国地质大学地球科学学院教授李德威介绍说,干热岩作为一个概念,有不同的界定,目前比较认同的定义是“一种不含水或蒸气、埋深为3-10公里、温度为150-650℃的致密热岩体。”

    干热岩的形成与地球的结构有关。我们知道,地球是由地壳、地幔和地核组成的,地核的半径大概在3500公里左右,而地核是由铁和镍这样一些金属,在7000多摄氏度形成的炽热的熔浆,其热量向上传导,穿过地幔会接近到地壳,而地壳不含水等流体或者流体极少的岩石层就会获得高温能量,就形成了干热岩。李德威指出,干热岩有广义和狭义之分,前者着眼于其形成的科学原理,后者则强调其作为地热能发电的经济性和可行性,将其范围进一步缩小,定位为相对容易开发的地下8公里深以内、温度为200-350℃等类型的岩石。中国地质科学院水文地质环境地质研究所研究员王贵玲持有类似看法,他指出,从理论上说,随着地球向深部的地热增温,任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩,因此干热岩又被称为是无处不在的资源。但就现阶段来看,由于技术和手段等限制,干热岩资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。

    干热岩形成原理决定了它是一种丰富的可再生清洁能源。其开发过程不仅可以做到安全、环保,而且高效节能。就发电而言,只需在初期钻井时投入,之后就可靠自身能量运转。

    储量丰富 开发挑战大

    关于干热岩能源的储量,王贵玲介绍说,保守估计地壳中干热岩(3-10 公里深处)所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。他援引据麻省理工学院2006年报告的数据,只要开发3500-7500米深度2%的干热岩资源储量,能量就将达到美国2005年全年能源消耗总量的2600倍。中国地质调查局以同样的方法评价了我国陆区干热岩资源潜力,3-10公里深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标准煤,按2%的可开采资源量计算,相当于我国2010年能源消耗总量的5300倍。从事矿产勘查及评价研究工作的河北省煤田地质局田兰兰曾撰文分析了中国高温岩体干热岩地热资源储量的地区分布。该文指出,中国东部地区地壳薄,有利于开发传导型地热,东部沿海地区如广东、福建等省区位于太平洋板块边缘,是地热利用的有利地区。西藏南、滇西、川西属喜马拉雅地热带,有资料介绍钻2000米即可获得 200℃的高温热水,是地热最有利地区。钻探勘查表明其他地区如松辽盆地与渤海湾盆地等干热岩资源储量也很丰富。

    人类对干热岩资源的开发利用试验始于上世纪70年代。王贵玲介绍说,1974年,美国在新墨西哥州启动了世界上第一次利用干热岩资源的项目,随后在国际能源署协调下,英国、法国、德国和日本相继加入该计划,进行了开创性的工程研究,取得了相当有价值的成果。英国、日本、瑞典、德国等之后也启动了本国的干热岩项目。

    中国干热岩研究启动较晚,但发展很快。“十二五”期间,国土资源部、中国地质调查局安排开展了全国地热资源调查评价工作,同时启动了我国干热岩资源的研究寻找工作。之后,分别在福建、广东、海南、湖南等省份开展了区域地质调查与深部地球物理勘查。2015年5月,设计深度4000米的干热岩资源勘查深井在福建漳州市清泉林场开钻,这是中国地质调查局实施的中国第一个干热岩资源勘查深井。勘查表明,漳州干热岩地热能源储藏量丰富,开发地热发电前景广阔。今年9月,勘查人员在青海共和盆地3705米深处钻获236℃的高温干热岩体,这是中国首次钻获温度最高的干热岩体,以该地区2%作为可开采资源量计算,折合的标准煤为2016年全国能源消耗的3倍。

    能源转型新机遇

    今年7月底,国家863计划“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”项目顺利通过验收,这表明,经过3年攻关,中国在干热岩靶区定位技术与工程测试技术研究、开发实验模拟平台和相关材料等方面获得了关键技术支撑。对此,王贵玲指出,在肯定相关科技领域取得突破性进展的同时,也要看到,随着对干热岩研究的开展和实验性开发,很多相关科学和工程问题也逐渐凸显出来。他认为目前面临的最关键问题包括资源靶区定位技术、水力压裂储层改造等。

    所谓资源靶区定位就是如何高效找准优质干热岩资源。王贵玲指出,这需要依托大地热流图,但目前相关数据不全,特别是缺少地温随深度变化的数据。水力储层改造技术是干热岩开发的最核心技术,包括高温高压条件下的深钻技术、水力压裂技术、裂隙系统监测等方面。王贵玲认为要在新型前沿钻的研发和降低成本方面继续下功夫。干热岩开发水力压裂方面,王贵玲认为,必须解决目前压裂的效果和裂隙系统发展难以预测的问题。

    11月下旬召开的全国地热资源调查评价研讨会上传递的信息表明,我国干热岩勘查与开发力度将进一步加大。特别值得注意的是,会议提出“要坚决打好京津冀地热资源调查评价科技攻坚战”,重点在“雄安新区”等地区,探明深部地热储层地质结构,为京津冀地区地热规模化、可持续高效利用提供支撑。而在近期召开的雄安新区地热勘查开发学术研讨会上,多名专家认为,雄安新区中深层和浅层地热资源十分丰富,加强资源调查评价、理论与技术创新,有望建成地热能开发利用的全球样板。王贵玲在会上对雄安新区优质地热资源给予高度评价,认为具有埋藏浅、温度高、水质好、易回灌等特点。

    雄安新区是继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一具有全国意义的新区,其设立被称为“千年大计、国家大事”。今天,支撑其发展的绿色能源路线已经初步显现出来,而“建成地热能开发利用的全球样板”则彰显了地热资源将在其中扮演的重要角色。可以预见,将会有越来越多的中国城市借鉴雄安地热经验,加速向绿色转型。而干热岩作为一种新型地热资源,其勘查开发技术的进步将会推动其商业化进程,进而有望助力能源结构变革,为建设天蓝、水绿的美丽中国作出贡献。

     

    人民日报:让干热岩上绽放美丽中国(“瞄准世界科技...