地球的资源-能源

第二节  能源

能源主要来自煤、石油、天然气和油页岩等不可再生的可燃有机矿产，也包括生物质能、水能、地热能、风能、潮汐能、太阳能以及核能等。目前人类所利用的能源90％以上是煤、石油和天然气，它们是在不同的地质年代里由动植物残骸等有机质转变形成的。

一、煤

（一）煤的概念

煤是一种固态的可燃有机岩，是由植物残骸经过复杂的生物化学、物理化学以及地球化学变化而形成的。煤不是一种矿物，而是主要由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机成分和少量矿物杂质一起构成的复杂混合物。

煤由有机质和无机质两部分构成。有机质主要是C、H、O、N、S、P等元素，其中C和H构成可燃的有机质的主要成分，而S和P在工业利用上属于有害元素。无机质包括水分和矿物杂质，它们构成煤的不可燃部分，其中矿物杂质经燃烧残留下来，称为灰分。灰分超过45％时就不再称为煤，而称炭质页岩或油页岩。

（二）煤的形成

煤是在各种地质因素综合作用的情况下形成的。要形成具有工业价值的煤层，须具备聚煤条件和成煤作用两个基本条件。

1.聚煤条件

植物遗体堆积成煤的首要条件是必须有茂盛的植物，保证成煤物质的充分供给；另一个条件是已死亡的植物应与空气隔绝，以免遭受完全氧化、分解和强烈的微生物作用而被彻底破坏。显然，不是任何地方都具备这样的条件，一般认为沼泽地区是最适宜的环境。因为沼泽地有充足的水分，不仅有利于植物生长，而且为植物遗体的保存创造了条件。水体使植物遗体与空气隔绝，这样就妨碍了喜氧细菌的生存，从而使植物遗体免遭分解破坏，得以不断堆积。

2.成煤作用

从植物遗体的堆积到形成煤层的转化过程称为成煤作用。这是一个漫长而复杂的变化过程，通常分为两个阶段。

（1）泥炭化和腐泥化作用阶段  高等植物的遗体暴露在空气中，或堆积在沼泽浅部的多氧条件下，由于大气、氧和喜氧细菌的作用，会遭受一定的氧化和分解。但随着植物遗体的不断堆积和埋藏深度的增加，则逐渐与空气隔绝，氧化环境转变为还原环境。在厌氧细菌的作用下，使氧化分解产物之间及分解产物与植物残体之间发生复杂的生物化学变化，形成多水和富含腐植酸的腐植质，这就是泥炭。从植物堆积到形成泥炭的作用，叫泥炭化作用。低等植物藻类和浮游生物死亡后沉到水底，在与空气隔绝的还原环境中，在厌氧细菌的作用下，富含脂肪和蛋白质的生物遗体分解，最后转变为含水很多的絮状胶体物质——腐植胶。腐植胶再经脱水、压实即形成富含沥青质的腐泥。从低等植物及其他生物遗体沉积到形成腐泥的作用，称为腐泥化作用。

（2）煤化作用阶段  在泥炭和腐泥形成后，随着地壳不断下降，在温度升高、压力增大的影响下，逐渐转入成煤的第二个阶段，它包括成岩作用和变质作用两个亚阶段。

成岩作用阶段  当泥炭或腐泥被泥砂等沉积物覆盖后，在上覆沉积物的静压力作用下，泥炭、腐泥逐渐失水、压实、固结，挥发分相对减少，含炭量相对增高，泥炭和腐泥分别逐渐转变成褐煤和腐泥褐煤。这一作用过程，称为煤的成岩阶段。

变质作用阶段  当褐煤层沉降到更深处时，受到继续升高的温度和不断增大的压力的作用，褐煤的内部分子结构、物理性质和化学性质发生变化，如颜色加深、光泽增强、挥发分减少、含炭量增高等，结果褐煤就逐渐转变为烟煤、无烟煤。这一变化过程就是煤的变质作用阶段。

（三）煤炭资源的分布、开发与利用

地球上的煤炭资源非常丰富，是能源宝库中十分可贵的物质财富。在80年代初期，据估计全世界煤炭资源量为136093亿t，其中已探明的可采储量超过8000亿t。在80年代初以前的200年间，全世界累计采煤约1500多亿t，这和庞大的可采储量相比，不过是只开采了极小的一部分。按照近十几年来世界煤炭的年产量估算，再考虑到今后陆续探明的新储量，估计全世界煤炭至少还可以开采二三百年。

世界煤炭资源的地理分布是很广泛的，遍及各大洲的许多地区，但又是不均衡的。总的来说，北半球多于南半球，尤其集中在北半球的中温带和亚寒带地区。

北半球北纬30°～70°之间是世界上最主要的聚煤带，占有世界煤炭资源量的70％以上。各大洲相比，北半球的三大洲都比较丰富，其中亚洲煤炭资源量高达86500多亿t，约占世界的56％以上；北美洲有40600多亿t，约占世界的26％以上；欧洲有15600多亿t，约占世界的10％以上。南半球各大洲的煤炭资源都比较少，其中大洋洲资源量有7800多亿t，约占世界的5.1％；非洲有2100多亿t，约占世界的1.4％；南美洲最少，还占不到世界的0.4％。另外，南极洲的维多利亚地区及其他地区也发现有煤炭资源，但是人们还难以估算出比较确切的资源量。各个国家相比，全世界约有80个国家和地区拥有煤炭资源。原苏联、美国和中国的煤炭资源最丰富，合计约占世界资源量的83％以上。

世界煤炭资源的地理分布，以两条巨大的聚煤带最为突出，一条横亘欧亚大陆，西起英国，向东经德国、波兰、原苏联，直到我国的华北地区；另一条呈东西向绵延于北美洲的中部，包括美国和加拿大的煤田。南半球的煤炭资源也主要分布在温带地区，比较丰富的有澳大利亚、南非和博茨瓦纳。

世界煤炭资源地理分布的特点，直接影响世界煤炭生产的地理分布。一般，煤炭资源比较丰富而经济又比较发达的地区，也是煤炭产量较高的地区。从各大洲来看，欧洲、亚洲和北美洲三洲的煤炭产量，约占世界总量的90％以上，其中仅欧洲就几乎占了一半。

煤炭的形成具有一定的时限性，并不是地质历史的任何时期都有煤炭形成。地球上的煤田虽然分布普遍、储量丰富，但绝大部分只形成于几个地质年代中，其中古生代的石炭纪、二叠纪，中生代的侏罗纪，以及新生代的第三纪，是地史上最主要的聚煤期。

我国煤炭资源十分丰富，产、储量均居世界前列。我国主要成煤期也是石炭纪—二叠纪、侏罗纪和第三纪。截至1983年底，我国已探明的储量为7400多亿t，其中可采储量达1600多亿t。我国煤炭资源主要分布在山西、内蒙古、贵州、宁夏、安徽等省区，其中以山西和内蒙古最多，两者约占全国探明储量的60％。我国最著名的煤炭产地有开滦、大同、本溪、淮南、淮北、抚顺等地。

煤是人类最早使用的能源之一。人类知道使用煤炭，已有2000多年的历史。如今，煤作为工业动力燃料，广泛用于火力发电、交通运输和冶金等方面；在许多地区，煤是最重要的民用生活燃料；煤又是重要的化工原料，通过焦化、加工等过程，可以得到许多重要的化工原料及化工产品，如煤气、煤焦油、氮肥、农药、塑料、合成纤维等上百种产品；氧化煤、褐煤和泥炭可以制造腐植酸类肥料；煤燃烧后的煤渣可制耐火砖或煤渣砖，还可作水泥的配料；有些煤层含有镓、锗、铀等稀有或放射性元素，可供综合利用。可见合理地开发利用煤炭资源是十分重要的。

煤炭作为能源也存在一些不利因素：①煤炭发热量较石油低，运输不便，对其他工业渗透作用不如石油强；②煤的转化技术虽已取得很大进展，但是大规模利用在经济上不合算；③在煤炭的开采、利用和燃烧过程中，容易造成对环境的破坏与污染。

由此可见，极为丰富的煤炭资源是人类的宝贵财富。然而，煤也存在使用的局限性等不利因素。因此，人类正在不断地研究更有效、更合理地利用煤炭资源的方法。其中，解决对环境的破坏和污染等有关问题是一个重要的方面。

二、石油和天然气

（一）石油和天然气的概念

石油和天然气是极为重要的能源资源，具有燃烧完全、发热量高、运输方便等优点。石油还是一种十分重要的化学工业原料。石油化工产品，如橡胶、塑料、农药、化肥、医药、炸药、染料、合成纤维、合成洗涤剂等已达5000种以上。

石油是以液态形成存在于地下岩石空隙中的可燃有机矿产，是一种成分复杂的碳氢化合物的混合物。天然石油（又称原油）一般是黑绿色、棕色、黑色或浅黄色的油脂状液体。石油的相对密度介于0.75～0.98之间。颜色愈深，相对密度愈大，相对密度大于0.9的称为重质油；反之，颜色浅，相对密度小于0.9的称为轻质油。石油粘度较大，不溶于水，但溶于有机溶液中。石油具有荧光性，即在紫外光照射下可产生荧光，据此可作为鉴定岩石是否含油的标志。石油的电阻率极高，在电测井工作中，用作寻找油藏和确定生油层的依据。石油的化学成分很复杂，主要由多种碳氢化合物混合组成。纯粹由碳和氢两种元素组成的化合物，叫碳氢化合物，简称为烃。石油除烃类组成外，还有硫、氯、氧等非烃类物质，它们对石油的质量影响很大。硫在石油中是一种有害成分，它会腐蚀炼油设备，降低石油产品质量。原油中含硫量小于0.5％者为低硫原油，大于0.5％者为高硫原油。

天然气通常是指储集在地下岩石空隙中的以烃类为主的可燃气体。它的基本组成是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷等，还有少量的液态烃类及微量的非烃类组分，如N2、CO2、H2S等。天然气无色无味，但含一定量的H2S时会有臭味，相对密度在0.6～1.5之间。发热量一般在33.49×106～54.33×106J/m3之间。天然气易溶于石油中（在高温、高压下，一吨石油可溶解数十到数百立方米的天然气），从而降低石油的粘度，减小毛细管力，使石油容易在地层中流动。

（二）石油及天然气的成因

石油和天然气的形成有无机成因说和有机成因说，过去虽有一些争论，但目前有机成因说已被广泛承认，即认为石油和天然气是由大量有机质转化而来的。一切有机质均可作为石油的原始物质，包括高等植物在内。有机质中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等都可转化为石油的物质成分。这些生物遗体和泥砂一起沉积在海、湖底部，逐渐形成有机质淤泥。沉积物中的有机质在一定的物理化学因素和地质作用下转化为石油和天然气。

石油与天然气形成的地质条件主要取决于：①具有大量的有机物质来源；②有利的还原环境；③促使有机质向油气转化的因素，主要有温度、压力的影响以及细菌作用等。油气的形成实际上是去氧、加氢、富碳的一种化学过程，因此，温度和压力是重要因素。随着有机物质的埋深加大，当温度、压力升高到一定程度时（50～150℃，30～70MPa或深度1.5km以上），就有大量的烃类物质产生。因而，长期稳定下沉的深坳陷是形成石油的主要有利条件。浅海特别是潟湖、海湾和三角洲地带的集水盆地及潮湿气候区的广阔湖盆是有利的生油环境。

（三）油气藏的形成

油气藏是油气聚集的最基本单位，是油气勘探的对象。石油和天然气在形成初期呈分散状态存在于生油气层中，它们必须经过迁移、聚集才能形成可供开采的工业油气藏。这就需要具备一定的地质条件，这些条件可概括为“生、储、盖、圈、运、保”6个字。

（1）生油气层  生油气层是具备生油条件并且能生成一定数量油气的岩层。它富含有机质，是在还原环境下沉积的，其结构细腻、颜色较深，主要是泥质岩类和碳酸盐岩类两种。生油气层可以是海相的，也可以是陆相的。

（2）储油气层  储油气层是能够储存石油和天然气、又能输出油气的岩石。它是具有良好空隙度和渗透率的岩石，通常由砂岩、石灰岩和白云岩及裂隙发育的页岩、火山岩及变质岩构成储油气层。

（3）盖层  盖层是指覆盖于储油气层之上、渗透性差、油气不易穿过的岩层。它起着遮挡作用，以防止油气外逸。页岩、泥岩和蒸发岩等是常见的盖层。

（4）圈闭  进入到储集层中的油气，在运移过程中，遇到某种遮挡物，使其不能继续向前运动，而在储层的这一局部地区聚集起来，这种聚集油气的场所称为圈闭。如背斜、穹窿圈闭和断层与单斜岩层构成的圈闭等。

（5）运移指油气在生油气层中形成后，由于压力作用、毛细管作用、扩散作用等使其进入到有孔隙的储油气层中。一般认为由生油气层运移到储油气层的油气呈分散状态或胶状。由于重力作用，使油气质点上浮到储油气层的顶面，但还不能形成大量的集中。要使油气大量集中，就要求储油气层具有一定的倾角以及构造运动形成的圈闭。这样储油气层中的油、气、水就会在压力、重力以及水力等因素的作用下继续向岩层上倾方向运移，直至遇到圈闭时，才能形成各种类型的工业油气藏。

（6）保存  已形成的油气藏，在适宜的条件下才能保存至今。构造运动不剧烈、岩浆活动不频繁、变质程度不深等条件，有利于油、气的保存。相反，断裂（尤其是张性断裂）大量发育、剥蚀深度大、岩浆活动等则是不利于油、气保存的条件。

（四）油气资源的分布、储量、产量形势和前景

世界油气资源分布具有一定的规律性。从地形看，油、气田大都分布在比较低洼的地区，如山脉两侧的山前盆地、滨海和近海大陆架以及大陆内盆地等。世界油气资源分布的一个明显特点是地区上的极不均匀性。石油最丰富的是沙特阿拉伯、科威特、伊朗、伊拉克等海湾国家。天然气最丰富的是原苏联、伊朗和美国。目前世界上已有70多个国家产油气。

油气储量一般是指探明的剩余可采储量，即探明可采储量减去采出量，它决定较近时期的生产能力和增产的限度；而待探明的储量则为油气工业发展前景提供依据。因此，研究油气储、产形势和资源前景对制定能源政策有重要意义。自1950年以来，无论是石油的探明剩余可采储量，还是石油产量都有很大增长，储、产形势如表10.1所示。

表10.1  1950～1990年石油储、产形势简表*

从表10.1可知，1950～1970年石油产量每10年倍增有余，而储量的增加略低于产量增长速度，储/产比值由35.8降到30.8；1970～1979年探明储量增加甚少，而产量仍以较快速度增长，在不到10年的时间内储/产比值降低了5.7；80年代以来，供大于求，产量有所下降，而探明储量增长较快，使储/产比值达到前所未有的高值，一扫80年代初期对石油生产前景的悲观气氛。

到1990年为止，石油累积产量已超过900×108t，探明可采储量也增到1274.5×108t，还有多少石油待发现呢？大多数研究者估计最终可采储量在2778×108t左右，最高可达5555×108t。近几年的油气勘探实践表明，随累积产量增加，探明可采储量也在增长，估算的待发现的石油储量也在增长。因此，按目前开采的速度，在未来的21世纪内，石油供给是有充分保证的。

表10.2    1960～1990年天然气储、产形势简表*

天然气勘探和生产都比石油晚。1960年以来的储、产形势如表10.2所示。对于天然气最终可采储量的估算，也比石油研究程度低。由于天然气勘探仍在高速发展中，目前对其最终可采储量的估算，一般偏低。如果按石油和天然气的最终可采储量的比值为1∶1计算，石油储量以3×1011t计，天然气储量可达360×1012m3（按1t油=1200m3气热当量计），剩余天然气按每年3×1012m3开采，还可生产100余年。另有学者估计，天然气最终可采储量可达660×1012m3以上，则还可以开采200多年。

我国是世界上油气资源较丰富的国家之一。我国的油、气田主要分布在华北、鄂尔多斯、松辽、四川、新疆等地。著名的有大庆油田、胜利油田等。近年来，在广大海域及许多大盆地都开展了油气勘探工作，已在渤海、南海等海域发现了海相油气田；在西部塔里木等大盆地中也取得了良好效果。

三、其他能源

其他能源主要包括核能、地热能、生物质能、水能、风能、潮汐能和太阳能等。

（一）核能

核能是指核燃料经过核反应所释放出来的能量。铀是目前利用最广的核资源。核能的利用主要是通过铀等放射性元素的裂变来建立核电站。核能已成为地壳中除石油、天然气和煤以外最成熟、最重要的能源。核能最显著的优越性表现为：能量巨大，非常集中；资源丰富，取之不尽；运输量小，地区适应性强；运转安全可靠，环境整齐清洁等等。

核能的能量之大，是十分惊人的。据计算，1kg235U在裂变后可以释放出相当于2500t优质煤或1000t石油完全燃烧时放出的能量；如果把1kg235U的能量转变为电能，则可发出2500万kW·h的电力。世界核能资源丰富，广泛分布在陆地和海洋。世界陆地上的铀矿总资源量，据估计，大约在990～2410万t之间，其中以北美洲最多，其次是非洲。铀矿具有放射性，开采条件要求较高，在现有经济技术条件下，已被探明并可以开采的铀资源约有400万t。人类已利用的铀资源只占铀总量极小的一部分。

近十几年来，世界的核能开发和利用日益深入。由于核电站在技术上成熟、运行上安全可靠、经济效益高，目前世界上已有近40个国家和地区建立了核电站。核能已广泛用作火箭、飞机、汽车、轮船、潜艇、破冰船等的动力。我国核能利用起步晚，但发展较快，目前已建成江阴、秦山、大亚湾等核电站。

（二）地热能

地热能是指能够为人类所利用的地球内部的热资源。地热资源比较丰富的地热异常区，称为地热区。地热资源可分为3种基本类型，即热水型、蒸汽型和热岩型。有的地热区储有丰富的地下水，它们从周围储热岩体中获取热量，变成热水，这就是热水型的地热能。地下热水是最常见的地热能，也是当前技术条件下最容易利用的地热资源。温泉就是天然出露的地下热水，也就是热水型的地热能。有的地热区岩石中有较大的空隙度，岩石空隙中的水分在高温作用下呈气体状态，蒸汽温度一般在150℃以上。这种蒸汽型地热能比较罕见，但利用价值较高，可以直接作为能源，推动汽轮发电机发电。有的地区地下水贫乏，而岩石温度很高（在100℃以上），为热岩型地热能。利用这种地热能，需要凿井注水，使水同灼热岩体接触，形成热水或蒸汽，然后引到地面使用。世界上已经开发的地热资源基本上产自现代和近代火山区及年轻的造山带地区，开采深度小于2～3km。

地热能是一种可再生的能源，又是一种清洁的能源。它的开发利用，对于发展生产、改变能源结构、减少公害等都有重要的意义。地热能的开发和利用从世界上第一座地热电厂建成距今已有近一个世纪，但是直到近三四十年来，才引起世界各国的广泛关注。据统计，目前世界上已有120多个国家发现和打出地热泉和地热井7300处。地热能的利用领域也在逐步扩大，其中主要有采暖、发电、育种、温室、水产养殖和医疗卫生等方面。我国位于亚洲的东部，与环太平洋地热带和地中海-喜马拉雅地热带都有密切的关系，所以地热资源十分丰富，最主要分布在云南、西藏、台湾和东南沿海地区。

（三）生物质能、水能、风能、潮汐能和太阳能

生物质能是指用植物或动物的能量作为能源。人类最早利用的能源就是生物质能，包括燃烧柴草、用牲畜耕地等等。由于世界经济发展和能源生产、消费的不平衡，至今世界上仍有大约占世界总数1/4以上的人口以生物质能为主要生活能源。对生物质能的利用，一方面必须做到在可再生循环的状态下加以利用，另一方面要尽量做到综合利用，以便使生物质能发挥更大的效益。

水能、风能、潮汐能和太阳能也是重要的能源类型，但它们受到一定的自然地理条件的限制，因而分布有局限性。但是，由于这些能源具有清洁性、可再生性等优点，因而日益受到人们的广泛关注。对它们的利用，有的已经有较悠久的历史和可靠的技术性，有的还处于需要进一步研究开发的过程中。

综上所述，人类目前所利用的能源主要是不可再生的可燃有机矿产，从长远来看，这些矿产最终将趋于枯竭。因此，人们要尽可能地开发利用核能以及可再生的能源。要真正做到广泛地利用核能以及用可再生能源代替不可再生能源，还需要解决许多经济技术上的问题，还有待于科学技术的进一步发展。

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