目前几种能源前景的综合讨论

CampusHR

一. 难以预测的前景--几种能源的比较

主要是要找一种大规模廉价能源很难。

比如，太阳能，不能做到象石油那样大规模，虽说很廉价，但投资很高；

又比如说水力，大规模还是难以做到，修建更多的大坝，把河流的水能
全部挤干，也不能做到目前石油那么大规模，况且河流全部坏死；

风能，不能大规模，且只能在少数地区适用；

地幔热，可以最到大规模，且廉价，但危险性极大，可能引发火山爆发；

受控核裂变，不能象石油那样大规模，较廉价，但危险性很大；

可控热核聚变，可以做到大规模，且廉价，但已经研究五十年了，至今
没有质的突破（苏联的“托卡马克反应堆”较先进），不能保证在未来
20年间突破；

海底甲烷块，吹过头了，产量没有那么大，因此规模没有石油大，且因
涉及深海提取，目前技术还不过关，即使过关，开采费用很大，因此不
廉价；

最后是传统的煤，煤还能维持几十年，是最后的救命草，但开采造成的
污染极大，且若要转化成开汽车的高燃烧值的液体燃料，或者燃料电池
（氢），转化代价高，于是变得不廉价。

还有一些零零碎碎的能源，比如栽种什么油料作物，在近海养殖某种藻
类，转化太阳的光能，但只能是补充，因为太阳一年时间投射到地球表
面上的能能提取出来的并不多。
二. 地热和水电

地热是利用地球自身的热，水电是用太阳的能量。

目前地热能够安全利用的并不多，中国大约最用得好的是西藏羊八井地热发电站，
新西兰大概得天独厚，利用死火山热。许多地方的地热温度并不高，要使用特殊
的低沸点的高分子合成剂的蒸汽推动发电机机组发电，如羊八井地热发电站就是
这样用的。高温地热所产生的温泉不能直接发电，而且往往含有腐蚀轮机的化学
物质。

目前的利用地热主要是利用天然的岩浆露头产生的热，长远讲，是人类主动利用
地壳以下，大约十万米深度以下的地幔所产生的高热。从理论上讲，是取之不竭，
用之不尽的。问题在于，如何达到这个深度取热？现有的钻机最多打到2万米，再
往下打有两个因素限制了目前的技术手段：

一、一般说来，地面以下的温度垂直梯度是按每十二米增加一度的规律变化，?br> 深度过大，钻机的钻头上的钻石和其他材料要受损，所以，达到一定深度时，实
际上打不下去了；

二、目前钻机的动力来自地面站的巨大马力的柴油机（我参观过），钻机通过钻
杆将旋转的能量传导到钻杆顶部的钻头，每前进一根钻杆的距离，就得在上面加
一根钻杆，如此前进。当钻的深度很深以后，上面钻机的力由于损耗，传下去变
得很微弱了，所以越钻得深，越进度缓慢，当达到一定深度时，钻机的传下的力
矩已经不足使钻头有足够的力下钻了。有一个设想，就是用强大的直流电机直接
放在钻头，通过电缆连到地面，然而，马达的绝缘问题难以解决，因为钻杆实际
上是浸泡在水（从地面上通过钻杆内部把高压水泵所注入的水压到钻头，目的是
冷却钻头旋转和岩石接触时产生的高热，否则，钻头要损坏的）和泥浆里（水和
被钻头磨出来的岩石碎屑造成的，经由钻杆外面被压出地面）。反正当时我在地
质队时尚未解决，我还参观过这个科研项目，也许现在已经解决了，却仍然要碰
到一个拦路虎：

因为岩石的材料不是均匀的，使得钻头可能朝较松软的方向前进，即使就用钻杆
联系，都常常发生钻杆钻歪！有个故事讲，某石油队的所在的住处的池塘里，有
一天突然发现池塘水面象是在沸腾一样，还发出了闷声，人们以为又出了一个尼
斯湖怪，结果真相大白，原来是那队在远方的钻机打的钻杆偏离了航线，最后弯
了上来，钻头向湖底打钻！：）经常发生的情况是，钻杆常常偏离了准确的位置，
所以校正钻杆的方向是要花费人们的力气的，尤其在超深钻是如此，这还是在有
钻杆控制和力来自于地面的钻机的时候，倘若力在钻头上，就不知道钻头往哪里
钻了，至于是否可以在下面安装遥测仪器？以便监视钻头的方向的问题，并及时
纠正钻头的方向，恐怕很困难，原因不象地面可以用GPS定位，下面情况极其复
杂，电法、重力法都不能准确给钻头定位！

有些科学幻想小说幻想出了地下火箭，这种未来的“土行孙”用火箭产生的高热
在地壳里象土拨鼠似地前进，我不知道那些富于幻想的作家们是怎样解决土拨鼠
把趴出的泥巴往后面的空间挪动的大问题的？：）

总而言之，就算土行孙最后趴到了接近地幔的深度，怎样把地幔热引出来也是个
头痛的问题，弄不好，连自己一起在地幔的高热岩浆里壮烈牺牲都是可能的。

再谈谈水力资源。

河流的水动力的利用不是到处都可以的，要有一定的落差以及稳定的水量。为了
保证它们，就得在河流上修建水坝蓄水，结果如美国的大多数河流一样，被一截
截拦断，于是河流基本上变得流速缓慢，流速缓慢的结果，造成了河流排污能力
降低，而且河流沼泽化，当然还有其他坏处。就算都不怕，其所产生的电力也只
能是目前那些电力，自然不能把他们进一步变成现代国家无处不在的汽车上的燃
料（有几个人驳斥我，说什么将来可以用氢电池，这些人有点笑人，就象晋惠帝
在得知民多饿死的消息时，天真地问：“何不食肉縻？”，他们都不想一下：这
燃料电池或者肉縻的能量是从哪里来的?




三. 石油的形成和勘探前景

三. 石油的形成和勘探前景

关于尘玉姑娘问的：

“除了炙手可热的中东、美陆和国内等地，找不到别的大批石油开发替代地区吗？
其他的热带多丛林、地壳运动频繁的地区呢？”

地壳频繁活动并不是石油生成的先决条件，在某种观点上看，过分的运动将破坏
地下储油构造。这就需要进一步讲讲，到底石油是怎样形成的。

目前国内外绝大多数地质学家认为，石油是远古的微生物变成的。生成石油的古代
应该有一个潮湿温暖的气候，在浅海和湖泊池藻地区，由于气候的湿热，使得微生
物大量繁殖在古代的浅海和湖泊池藻地区之淤泥里，也就是是，在淤泥里含有大量
腐殖质。并不是所有的浅海和湖泊池藻地区具有足够的生化条件造成微生物大量繁
殖的，微生物之大量繁殖还需形成大量生物之间的各种竞争链条，同时一些植物的
残骸能够提供辅助营养。因此，造成石油生成的第一个先决条件是，必须是古代的
海洋的浅海（或称大陆棚）和古代的大型湖泊边缘地区，但这还不够，还需要是在
浅海地区存在大型河流的入海口，即三角洲地区，河流能够带来大量陆地上的营养
以支持微生物的茁壮繁衍，因此，从地质学上讲，找寻石油可能的储藏地尤其应该
注意古代海洋、湖泊的浅海的古河流入海口。

光有上述石油生成的先决条件还不够，因为微生物毕竟不是石油本身，它如果暴露
在空气里，或者能够见到阳光的水里，很快就被氧化了。科学家认为，富含微生物
的腐殖质还应该不断被堆积起来，在一定的堆积厚度里，由于压力和温度的长期作
用而产生化学变化，生成高分子化合物。但是堆积过程是很苛求的地质活动，它要
求河流把腐殖质不断地搬运下来，沉积起来（包括泥沙），如果地壳在河流搬运的
过程里基本不变化，或在海岸一带向上隆起，则很快，沉积（堆积）过程就会终止，
结果沉积层厚度不够，达不到石油生成的必要条件，或产生石油很少。因此，为了
保证有大量石油形成，海岸线一带海床必须不断地下沉，使得河流带来的沉积物老
是填不满“欲壑”，于是沉积越来越厚，带来了大量的腐殖质才造成了必要的石油
生成条件。

然而，光是有大量沉积还不够，假如地壳后来剧烈（！请注意，这是解释你不清楚
的概念），将沉积的石油构造破坏掉，结果原来生成的石油被泄露，也就不复存在
储油的构造。这就提出了油田出现的第三个条件：需要存在一个形成储藏石油的构
造，或称“穹隆”构造，形象地说，就是一个储油气罐。这个储油气罐一般情况下
是这样构造的：它的外面是一层不透油水气的岩石，比方致密的变质岩，它的内部
是具有一定孔隙度的砂岩，油气和水都浸在砂岩的孔隙里，宛如南方人爱吃的“泡
饭”。总的说来，这个罐子的顶部含的是天然气，中部是含有原油和沥青的岩层，
底部是水。只要能够发现这个罐子，就可以通过打钻试探罐子里是否装有油气？

形成“罐子”的地质条件并不多，它们一般是在地壳运动里，一种特殊情况下，即
存在水平方向上一对方向相反的力偶，造成地壳局部地区的旋转运动，而形成窟窿。
在地球历史上的几次大型造山运动中，这样的力偶的出现是不少的。我国著名地质
学家李四光先生曾经提出过他的地质力学理论，解释了力偶可能出现在我国那些地
方，例如松辽平原，即大庆油田所在地区，还有其他地区。换句话说，形成石油的
沉积层需要在以后的地壳运动里被装进罐子，将其中储藏的石油密封起来，否则，
这些石油终将在进一步的地壳变动里被泄露掉！

也因此，罐子不能被打碎，打碎了的罐子里的液体将漏光，石油也就没有了！这就
是说，罐子形成以后，倘若出现剧烈的地壳运动，讲罐子碰破，就会出现这样的情
况。我国四川地区曾经在远古是一片海洋，被称为“上扬子海”，岷江注入其间。
应该是一个理想的石油生成区域。而且后来四川盆地形成的过程里，大量的复杂的
水平力偶出现，形成罐子的条件是充足的。可是，按照李四光先生的看法，再后来，
破坏罐子的地壳运动太多，结果不可能有太多的满载石油的好罐子出现。李先生的
这一看法后来证明是正确的，在四川的勘探石油的活动四十年间，几乎没有出现突
破性的进展。四川有全国最丰富的天然气储藏，却发现石油很少。这些天然气可以
解释成在许多罐子被破坏的情况下，油气在地层之间长距离运移，有些钻进了岩层
的“挡板”之间，后来再次被地壳运动密封起来。长距离运移下的石油，经过岩层
砂岩（只有砂岩才能通过油气）的过滤，使得沥青被过滤掉了，结果我们见到：四
川采出来的石油很纯洁（1972年在江油中坝附近一口油井喷出的原油呈透明的，天
青色，可以直接发动引擎，我曾经被赠送一瓶，我用火柴能把它点燃）。

并不是所有的罐子里都有油的，这就象瓶子里未必装满水，但是，只有在罐子里才
可能有大量的油气储藏。因此，找寻石油就必须首先遵循上面说的条件：

1。在古代海洋（海相）和湖泊（陆相）的古河流入海口地方圈定大范围；

2。利用地球物理方法（主要是地震波法）找寻地下的窟窿，因为浅层石油早已被
人们开发完了（如北宋延安的石油开发），或者易于破坏，所以只能找寻深层的构
造，而这，目前只有地震波能够穿透深达千米到万米的厚岩，至于怎么找？限于篇
幅，恕我从略。

3。在确定了罐子的方位和深度以后，为了确切知道里面是否装有酱油，还得在准确
地点，打钻试探。在打钻过程里，需要不断提取岩心，测量岩石的孔隙度，以确定
继续打钻的必要，因为打钻是非常耗费财力的，也很浪费时间（超深井一般用一年
到两年）。而且还要对岩心的取样切片，在显微镜下观察微生物化石的发育状态，
这也是确定继续打钻的依据之一。

有些窟窿的形状很奇怪，呈现一种“透镜”状，这样的透镜构造竟然是高压高量油气
储藏的好地方，这些构造多在中东地区发现。

中东利比亚地区的构造呈现出另一种特殊情况，即构造的壳是由石灰岩形成，而罐子
里确实是空的！换句话说，这样的罐子的确象是瓶子那样装的是酱油！不过，这样的
罐子发现得很少。有些地质学家认为，利比亚储油构造说明了石油可能有另外的成因，
可能来自地下岩浆释放的气体的凝集，但大多数科学家不同意这样的解释。

石油大约是从二亿年以来形成的，应该说形成的机会还是不少的，但地球上还存在着
亘古以来地壳就没有变动或很少变动的地区。综上所述，它的形成既要地壳变动，又
要变动不大。它是地球上在太阳能驱动下，复杂的水动力和生化长期复杂作用下的结
果。它是太阳能在上亿年来的储藏，这是不可多得的财产。

也许，未来还有惊人的发现，但就目前所掌握的资料看，所没有经过详细的小比例地
质普查和石油地球物理普查的地方在陆上已经不多了，有些已经反复多次淘过沙金。
至于海上考察，可以确定，大洋的很大地区是地壳基本未曾发生变动的地区，那些地
区一直就不曾有过显著的沉积过程，发现石油储藏构造的机会是很少很少的，且即使
有奇迹出现，也是很难打钻勘探与开采的。

四. 再谈石油的地震波法勘探和石油的继续勘探前景

刚回到家里,就看见小蚂蚁博士赐我一篇关于石油储藏前景的乐观主义文章.文章
里也谈到了石油的地球物理勘探方法,对于这个方法,鄙人还算不陌生,早在二十
多年前,就从事这方面的工作,包括研究工作,虽然以后,我已经改行,对这个方法
的基础还算没有丢,毕竟,青年时期共有八年时间从野外实践到办公室计算机模型
设计上都花了一番气力.(如果现在美国有公司雇我继续这个老工作,相信我会乐
于重操旧业的,:))

我在前面的帖子里介绍过石油的生成和储藏,也介绍了钻探,同时结合这些介绍,
我简略地介绍了寻找石油的传统地质学与石油地球化学的方法,此处不再罗嗦,希
望有兴趣的朋友可结合上篇帖子再找有关的书籍进一步深钻.下面谈谈石油的地球
物理勘探方法.

石油不同于现存可开采的其他矿物的储藏,它在浅层(几百米深度)的埋藏极容易挥
发掉,也在最近千年来的人类开采中早已用磬(例如我国宋代延安地区对浅层暴露
出来的石油的使用,这是人类最早发现和使用石油的记录,首次被沈括的<梦溪笔
谈>记载下来,至于天然气,则记录得更早,四川的天然气开采和使用在两汉时已经
开始,也是世界上最早使用天然气的记录,常璩<华阳国志>就记载过).现在开采的
石油一般都埋藏得很深,一般在一千米以下,两千米以下埋藏的油田是常事,甚至更
深,深达五千米,而固体矿藏最深的只有南非东德雷风泰因金矿。该矿井深达两英
里(约3.2公里)).由于石油埋藏的深度决定了寻找它的困难性.

传统地质学方法和地球化学方法只能大致圈定一个大范围的石油埋藏的地区,而
且这样的圈定是很不准确的,石油钻井需要非常精确的地点和深度才能正确地打
出原油,有些人以为地下埋藏的石油以一遍"油海"的形式存在,既然是海,那么,
只要把钻井安置在大致不差的地点,油总是能够被抽出来的.这个想法是天真的,
实际上,与其说石油是以地下海的形式存在,不如更形象地说,油田是由大大小小
的"葡萄串"组成,它们是被隔离开的,不仅在水平方向上,也在垂直方向上.因此,
所谓钻井,就是要准确地将井口放在一粒葡萄的顶部,如果放歪了,或者打歪了,
不仅打不到需要的油量,甚至完全打不到油.有个故事讲到大庆油田的诞生,先是
测量出了差错,徒劳无功的打了井,以至负责打井的队伍完全丧失了信心,后来另
一个单位的人继续打,他们仅仅把井口挪动了几十米,大庆第一口高产油井就诞生
了!这个故事的后面还包含了地质部和石油部关于谁先找到大庆油田的几十年的
争论.上述说明也隐含地告诉人们,即使一个油田算是发现了,以后,为了把葡萄
串吃光,还要持之不懈的继续为不断增多的油井寻找准确的井位.

所谓地球物理方法,是使用现代物理方法和新成果进行地质勘探的方法,它包括了
电法,磁法,重力法,放射性法,地震波法等等,对石油勘探来说,尤以地震波法最为
重要,地震波法勘探石油储藏是现代石油勘探最基本的方法,因为,只有地震波
才能穿透厚达几千米的岩层.提供石油可能埋藏的信息和数据.

地震波法的原理并不困难,基本办法是用高爆炸力的TNT炸药在地面激起人工地震
波,震波沿着与地面垂直的方向传播,在碰到质地相对致密的岩层以后,一部分波
被反射回地面,预先,在地面上安置起许多呈现点阵的检波器,这些检波器能够把
地面微弱的震动变成电子信号,通过连接线传输到接收机里,接收机的功能是分道
记录不同位置的检波器的电信号,早期是用把经过自动增益控制的放大的电流随
时间的进程记录在照相纸上,最近三十年来已经使用模拟和数字法把信号记录在
磁带上.

记录在载体上的地震波信号是一道道衰减的波浪,他们相互之间随位置的移动,
其波峰和波谷逐渐变化,一个特征是,当出现了某一岩层的明显反射时,相邻的波
峰或波谷会形象地叠合在一起.这样,如果沿着几条线逐渐放炮(激励地震波),并
逐渐布置检波器阵列.则在拼合起来的记录上,可以看见这些波峰形成了一道墙,
有时墙呈现出下凸的弧形,甚至在这条弧形线的下面还有一根上凹的弧形线,这
就意味着两条组成如"眼睛"状的弧形线之间的岩层可能是封闭的!这个时候,地震
工作者需要在与刚才那根地面侧线的垂直方向上再布置几条平行的侧线,看一看
在同样的深度附近,会不会出现类似的两条眼状弧形线?如果证实确实也有,那么,
在这个地区的地下深层,存在一个穹隆形的构造,它有可能是储藏石油的地方.

为了精确测定深度,还需要对记录上的墙出现的位置(它的横坐标是按时间,即毫
秒作计量单位的,其原点表示爆炸发生时那一瞬间),这就需要把时间量度转换为
距离量度,办法是一,使用纵波传播的速度和时间的乘积;二,按照时间差一定的
传播轨迹应满足双曲线的规律,这样的转换被称为"归位",经过归位运算以后的
的地震反射波各点就是实际深度了.这样,我们只消精确地计下眼睛状曲线的各点,
就能较为准确地圈定地下可能的储藏石油构造的位置和深度了.

实际情况远比上述简单原理复杂,首先,爆炸一瞬间并不纯粹产生纵向传播的,对
确定岩层位置有益的好波,它同时可能产生强烈的声波和沿地面方向传播的水平
波,它们对反射回来较弱的纵波进行干扰,常常使得对可能出现的构造模糊不清的
现象,这就需要人们去掉这些害波.

去掉害波的方法之一是,不在赤裸的地面放炮,因为这既产生极大的,尖锐的声波
(爆炸声),又会出现伤人的危险,办法是在地下打爆炸井,井深一般在5米左右,
炸药放在井里,上面加上坳土,使之成为"闷井".但是,此法不能避免地面波.在计
算技术发展的今天,科学家已经采用快速计算机来进行滤波,可以通过速度滤波,
把速度很大的地面波从有用的波里过滤掉,或者采用频率进行设现,滤掉高频率的
声波(有效的地震波频率在28周至56周之间),最近二十多年来,地球物理科学工作
者更采用了卡尔曼滤波法滤波,滤波的技术已经非常成熟.

除了上述的两类危害地震波勘探的坏波以外,还存在着在层间反复多次反射的无
用的波,这种波也可以根据规律被滤掉.另外,还有一种诡异的波,它产生在地下可
能出现的岩石的尖锐面上,仿佛在某个尖锐的点上,又出现了另一个爆炸源!,这个
虚假的爆炸源很无聊地反向(向地面方向)传播波,又反向碰到下面的岩石被反射
到仪器记录里,和有用的波混淆在一起,十分难以区别.

总之,现代地震波法勘探的任务就是要把有用的波收集起来,去掉干扰,换句话说,
就是要提高信噪比.同时,地震信号也要作到准确的归位(实际上,纵波传输并不一
定准确按照人们预先测定的速度在复杂的地下传播的),最后,加密检波器点阵以
获得更细致的分析也很重要,而这,又加重了勘探的成本.在海上,还会出现波在海
底与海面之间多次反射的干扰.最后,新型,高灵敏度的检波器群设置能够向着3D
和全息的描绘地下构造的实现.另外,还要考虑地震波穿透岩层时的折射影响(我
曾经发表过这样的计算论文).

一项最有兴趣的地震波勘探就是直接从波的相对衰减和波形因素上获取直接找油
的信息,因为假如地下存在有石油,它将对地震波进行一定规律的吸收,从而造成
波形上的不同,这项研究在二十多年前已经开始了,想来现在应该有了一定的成果,
如果这个成果已经获得,则寻找石油的方法将节省主要用于钻井的昂贵费用,更快
地加速石油储藏的发现.

由于地震波法所得到的数据量非常庞大,使得用于计算的计算机必须是大型,高速
的,现今三大大型计算用的领域就包括了石油物理勘探(另外两个是原*子DAN爆炸计
算和气象方程式计算).

我看了下面乐观派对石油前景的看法,他们的乐观主要建筑在有新的石油勘探技术
上,因此就能够发现更多的石油,使石油开采的高峰继续推迟.这个说法依然假定了
大量石油埋藏在地下,只是人们无法用现在的方法发现而已.不管怎么说,地下埋藏
的石油和天然气的数量是有限的,而人们消耗它们的速度是越来越加快的,穷尽的
一天总会到来.而且,现在的情况显示,发现大油田的速度已经减慢下来,这是需要
人们警惕的.

五. 受控核聚变原理及其数学模型

五. 受控核聚变原理及其数学模型

受控核聚变的一个方法（排除八十年代末期，犹他大学两个教授的冷核聚变法）就是
采用高温磁瓶（就是磁场“瓶”）包住参与聚合变化的氘等离子蒸汽，在温度足够高
的时候，使之原子核聚合，释放出能量。

由此可知，要想聚变能量产生成功，先得用能量把原子压来聚在一起，而且必须使用
来产生聚合成功的能量少于聚合以后放出的能量。到目前为止，聚合本身的时间只能
持续到千分之一秒的量级，所花在使之聚合的能量远远多余在这么短暂时间里由聚合
而释放的能量。

研究磁瓶的形状涉及到现代数学偏微分方程里的一个重要的，也是相当深奥的分支，
即自由边界问题。

所谓自由边界问题，就是不象一般的偏微分方程问题，在这些问题里，给定一个固定
的边界和边界条件，方程所代表的物理量在边界里反映，由此预测在某个时候，在现
在这些条件，包括初始条件的给定下，未来某个时候，或近乎稳定以后，物理量在边
界所包围的区域内部的分布值。大学除了数学系偏微分方程专业的学生，一般能够掌
握的偏微分方程的知识大约都是固定边界问题。

而自由边界问题则是，它预先给出的条件里，边界形状不能被确定，要靠方程里的物
理量的反应来决定其最终边界形状和大小！这个问题解决之困难也就在这里，换句话
说，方程的解和边界的确定习习相关。这个问题目前只能解决最简单的问题，最简单
的自由边界问题被称为“斯特凡问题”，它是匈牙利数学家斯特凡在二十世纪初，当
研究一个有趣的问题时提出来的：

一只细冰棍的一固定端受到热作用，则冰棍的接触热端（给定大于零度的恒温）将融
化，问：这只有限长度的冰棍将终止融化到何处？

如果不考虑是冰棍，把它仅仅理解成一根有限长度的直铜丝，让其一端受热，另一端
保持和铜丝开始（初始温度）一致的温度，则这个物理问题的数学模型就是这个坛上
许多同学们学过的有限长一维热传导方程，它的解是明确的（简单说来，就是按照铜
丝长度L展开的富里埃级数乘上一个按照时间作指数衰减的因子）。但是，当把铜丝
换成冰棍时，问题变得复杂起来了，盖因为在一端有大于零度的温度后所代表的热源，
使冰棍一边融化，结果冰棍的长度L将减少！问题是L到底减少到多长？显然，这个问

题已经不能用常规的处理一维热传导方程的方法来解决了。

采用磁箍方法来套住温度需要极高的等离子体的方法（核聚合需要极高的温度才能发
生），磁瓶本身的形状不能确定，而要通过等离子体的反应来决定。这个问题之困难
就在它是三维的，而且等离子反应所遵从的数学模型不是简单的，相当复杂，目前这
个问题只能对简化的模型进行解决。