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论地球能源演化与碳中和战略系列之——
能源演化的前世今生
  新闻来源:石油商报 2022-04-25 15:40  

  宇宙与地球的演化为人类的出现提供了包括能源在内的诸多物质前提和全球环境条件,人类的发展改造了地球演化的进程。

  在地球演化过程中,对于能源的开发利用驱动了人类文明的阶梯式上升,但文明进步反过来又加速了能源利用类型的演化和利用技术的发展,并带来全球化石能源危机和气候变化问题,进而影响人类文明的升级。

地球能源来源示意图。

  地球生物圈是能源演化的物质基础

  在38亿年前,逐渐降温的地球原始大气中还没有氧气,也没有能吸收紫外线的臭氧层,地球上的生命很难存活;但水圈的形成为生命的产生提供了条件,原始生态系统开始逐步形成。

  大约在27亿年前,蓝细菌以“微生物席”的形式进行有氧光合作用,开启了地球大气聚氧过程,早期的氧气基本被生物呼吸作用、还原性物质风化作用、火山喷发气体中的氢气和硫化氢与氧气相互作用消耗掉;直到25亿年前的“大氧化事件”,亚铁离子被氧化后在海底广泛沉淀,在全球范围内发育条带状含铁建造,形成了全世界70%的铁矿,同时造成了早期的海洋“硫化氢化”,延迟了地球生物的大发展;元古宙真核细胞生物逐渐出现,地球的氧气和臭氧浓度逐渐上升,有效的紫外线屏障形成,海底条带状含铁建造结束,板块活动使海底水层彻底摆脱硫化物的困扰。

  在6亿~7.5亿年前,地球再次发生氧化事件后,大量有机碳被埋藏,从而使得无机碳的同位素碳13变重,地幔释放到表层的碳被还原为有机碳,释放出自由氧,形成氧化大气,为约5.4亿年前寒武纪生命大爆发提供了条件;伴随着大陆地壳增厚、氧气含量不断升高、多次大冰期的出现,地球生物圈开启了从微生物、植物、动物到人类的演化,地球系统也开始从原始岩石圈演变为岩石圈、大气圈、水圈、生物圈多圈层协同发展的系统。

  此外,在奥陶纪末、晚泥盆世、二叠纪末、白垩纪末发生了5次生物大灭绝重大生物事件,产生了大量的有机质并为其保存提供了适宜的条件,为化石能源的形成提供了物质基础。

  煤炭的形成主要集中在三大聚煤期:晚石炭世—二叠纪的孢子植物成煤,以烟煤和无烟煤为主;侏罗纪和早白垩世的裸子植物成煤,以褐煤和烟煤为主;晚白垩世—新近纪的被子植物等高等植物成煤,以褐煤为主。

  石油与天然气的形成主要集中在寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪—早石炭世、晚石炭世—中二叠世、侏罗纪、白垩纪、古近纪—新近纪八大时期,早期的烃源岩演化程度较高,以生成天然气为主,中晚期的烃源岩则以生油为主。

  能源演化与人类社会发展相互成就

  能源是人类文明进步的基础和动力,关系人类生存和发展,通过追溯人类社会的发展史和能源的演化史,可以为人类应对地球环境变化的挑战提供借鉴和参考。人类社会发展可划分为生存阶段(人类出现—工业文明之前)、发展阶段(工业革命—21世纪早期)、可持续发展阶段(21世纪中期—未来)。与这3个阶段相对应,能源利用的演化经历了薪柴时代、煤炭时代、油气时代,正在向新能源时代转型发展。

  薪柴时代(170万年前—18世纪中期)。自170万年前元谋猿人开始使用火到1.8万年前山顶洞人掌握人工取火技术,开启了最早也是至今最漫长的一次“技术革命”,推动人类社会从旧石器时代进入农业文明时代,先后历经了3次农业技术革命,薪柴在这一时期成为人类社会发展的主体能源,推动人类的进化和社会技术的发展,使社会生产动力从人力为主向畜力、风力、水力发展。

  煤炭时代(18世纪中期—20世纪中期)。欧洲在历经黑暗时代的发展后,伴随着蒸汽机的发明,蒸汽动力开始大规模代替人力和畜力,人类社会首次真正意义上具有了超越生物圈的内在强大驱动力,相继发生了2次科技革命和1次工业革命,并带动冶金业、制造业、开采业、运输业等工业的快速发展,加快了世界工业化进程。

  油气时代(20世纪中期—现代)。自1859年,美国人首先在宾夕法尼亚钻探第1口商业油井,开启了近代石油工业,伴随着大功率发电机和内燃机的发明,石油以其更高热值、更易运输的特点,逐渐取代煤炭成为第3代主体能源。人类社会进入了工业和科技快速发展阶段,发生了4次科技革命、3次工业革命、1次农业革命和4次管理革命,推动全球相继进入电气时代、信息时代,并向智能时代发展,社会生产也从蒸汽动力向燃气动力、电动力、风力、水力、核动力等多元供能体系发展。

  新能源时代(21世纪中期—未来)。新能源一般指传统能源之外的利用新技术加以开发利用的可再生能源,人类对于新能源的利用贯穿人类社会发展的生存阶段和发展阶段,在17世纪以前,主要以原始直接利用新能源产生机械力为特点;到了18世纪—20世纪早中期,人类开始了新能源供能机理与利用技术的探索;21世纪早期,受化石能源危机的刺激,新能源利用进入规模化发展阶段;面向未来,伴随着人类社会进入智慧时代和原子时代,人类将逐渐突破新能源高效、低成本、规模利用技术及储能技术,建立起全球智慧能源网络。

  预计在23世纪或之前,人类很可能最终掌握可控核聚变技术,彻底摆脱以利用化学能为主的能源利用模式,开启直接利用核能和生物质能的高级能源利用模式,传统的化石燃料也将回归其物质原料属性。

  人类文明发展造就能源的今生

  人类圈又称人类社会圈、智慧圈,用来标志现代地球系统中人类作用的介入。上述讨论的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈是人类圈的环境,又具全球规模,因此称之为全球环境,现代地球系统是由人类圈和全球环境构成的系统。关于人类圈与生物圈概念的区别、形成的时间(地理大发现时间),以及“人类世”地质学概念的提出,目前有不同的看法。但人类历经漫长的演化,在认识自然的基础上,通过主观能动地开展社会性物质生产和消费过程,显著改造了自然,已经成为地球系统变化的驱动力之一。

  人类活动范围内至地表以下12.5千米的岩石圈深部,外至太阳系空间,可以用人类圈的概念来阐述人类文明的发展对地球系统其他圈层的影响;同时结合1964年俄罗斯天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫基于能源利用率提出的宇宙文明卡尔达舍夫等级设想,从人类对能源的利用方法和效率的角度,阐述了人类圈的演化。在人类出现之前的近45亿年里,地球系统处于原始自然演化阶段,先后形成了岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。

  在约250万年前人类出现后,文字的形成标志着原始文明的开端,按照尼古拉·卡尔达舍夫提出的三级文明构想框架,人类文明历经原始文明、农业文明、工业文明的发展,目前已达到0.73级,人类圈的演化也从早期作为生物圈的物种之一,逐渐演化扩张到目前的全球化圈层,并显著影响到地球系统其他圈层的自然演化,正从依靠自然、适应自然、认识自然、改造自然的低端形式,向共享自然、呵护自然的高端生态文明阶段发展,突出的标志可能是人类掌握可控核聚变技术,建造“人造太阳”,人类也将在一级文明中成为地球的主人,不会因为地球进入下一次冰期,或者气温不断升高等地球环境变化而带来物种灭绝。

  对于二级文明和三级文明,目前仍处于科学假说阶段,虽然人类圈层的影响已经突破了地球系统,发展了空间站和航天技术,但人类利用化学类能源的潜力已达极限,深地和深空探索仍处于初级阶段,可持续发展受材料技术、电池技术、基因技术、可控核聚变技术等限制,尚未突破无限能源、可持续生命、高性能材料、高级人工智能等人类圈实现一级行星文明跨越的关键科学问题。受现代地球系统阶梯式上升演化的控制,工业文明已发展到分岔点,进入阶梯式上升的突变期,转变人类的需求与生存模式,推动能源利用转型发展,将是人类社会发展尺度上,从工业文明发展到生态文明的主要途径。

  资料来源:邹才能院士团队发表在《石油勘探与开发》第49卷第2期的文章——《论地球能源演化与人类发展及碳中和战略》。

 
  【作者: 邹才能 马锋 潘松圻】 关闭窗口
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