拔新领异开拓纳米地球科学 高屋建瓴引航能源地质领域

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  -----访中国科学院大学琚宜文教授

  纳米地球科学(Nanogeoscience)是研究与地球各圈层相关的纳米尺度问题报告 报告 及其演化机制的学科。该学科主要通过研究地球系统内大小在1至1000纳米的纳米颗粒与孔隙来获取信息。因而,在纳米尺度上对地学问题报告 报告 和问题报告 报告 进行深入研究,助于揭示地球科学更本质的机理和过程,也是地球科学发展的四根必然途径(欧阳自远院士会议致辞)。纳米地球科学好 近年来地球科学与纳米科技交叉发展起来的国际前缘领域,大大扩展了地球科学各个领域的应用前景;正如美国地球化学与矿物学家 Hochella M.F. Jr, 教授指出:“Nanoscience and technology: the next revolution in the Earth sciences”。

  纳米地球科学基本概念与主要内涵是由我国科学家琚宜文及其团队在总结前人相关研究的基础上创新性提出。亲们已在国际上开拓了另一一五个 多综合性的纳米地球科学领域(学科),并由此为突破口,全面阐述了纳米地球科学及纳米成藏成矿领域重大和前沿科学问题报告 报告 ,并从微观延伸至宏观重要地学问题报告 报告 。纳米地球科学的兴起无疑可能性为21世纪地球科学的发展带来革命性的飞跃, 从而获得地球科学在超微观尺度上的重大突破,这对科技、经济与社会发展也会产生广泛而深远的影响。

2013 年11 月琚宜文教授在476 次香山科医学会 议上做主题评述报告

  琚宜文系中国科学院大学教授,博士生导师,美国弗吉尼亚理工大学高级研究学者。中国能源医学会 副会长,中国地质医学会 纳米地质专业委员会主任委员,中国岩石力学与工程医学会 软岩工程与深部灾害控制分会副理事长;国际SCI期刊 Journal of Nanoscience and Nanotechnology 副主编及其“Emerging Nanogeosciences”专刊(正刊)特约主编,国内期刊《地球科学》“纳米地球科学”专刊特约主编,《矿物岩石地球化学通报》“纳米地质学”专刊特约主编,《煤炭学报》编委,以及《科学中国人》常务理事等。

  琚宜文教授作为项目负责人主持过与纳米地学、能源地质及工程相关的国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家科技重大专项课题、国家“973”项目课题、中国科学院战略先导性科技专项课题等20多项;在国内外学术期刊等发表学术论文190多篇,其中SCI收录70多篇,EI收录1000多篇,出版国家“十五”重点图书《中国北部能源盆地构造》以及《构造煤特性及储层物性》等学术专著3部;获省部级以上自然科学奖和科技进步奖等奖励7项;已受理或授权国家科学造出专利8项。

  琚宜文教授多次赴美国、澳大利亚、法国、德国、日本和尼泊尔等国家的高校或科研机构进行纳米成藏成矿、煤与瓦斯地质、非常规纯天然气以及盆地构造领域的国际学术交流与合作者者研究;2012年以“深部煤矿瓦斯灾害与煤层气开发”为主题以及2013年以“纳米地质学与成藏成矿前沿科学问题报告 报告 ”为主题的香山科医学会 议申请人和执行主席之一;2013年国际AAPG学术年会(美国)中国页岩气分会主席/主持人,2013年欧亚经济论坛(西安)非常规油气资源分会主席/主持人,2013年第十二届日中煤与碳化学研讨会(日本福冈)分会主席/主持人,2014年国际软岩理论与技术研讨会(北京)分会主席/主持人,2015年和2016年国际尼泊尔地质大会(加德满都)大会组织委员会委员和大会主席/主持人,2017年中澳未来纯天然气大会(澳大利亚布里斯班)大会主席/主持人之一等。

  砥志研思 奋发向上 学术成就兼具创新和前瞻

  琚宜文教授潜精研思,深稽博考,始终奋斗在科学研究的道路上。对于他来说,勤于科学的思考和追求从这么改变过,执着进取和勇于创新的精神矢志不渝。

  近年来,琚宜文教授及其团队深耕专业方向,破冰前沿科技,在纳米地球科学、页岩气富集特性及其机理、煤层气地质与产出水化学特性、煤炭开发过程中的碳排放以及尼泊尔-中国西藏喜马拉雅区域新生代盆地演化等国际前沿领域取得了多项重要突破。

  1. 纳米地球科学

  琚宜文教授及其团队在提出纳米地球科学基本概念及其主要内涵日后,进一步厘清了纳米地球科学的主要研究方向,全面阐述了纳米地质学及纳米成藏成矿领域重大和前沿科学问题报告 报告 ,并探讨了其发展趋势。据此,亲们系统分析了纳米科技与地球科学结合产生的各分支学科:纳米矿物学、纳米岩石学、纳米地球化学、纳米构造地质学、纳米能源地质学、纳米矿床学、纳米地震地质学和纳米环境地质学等;在国际上开拓了另一一五个 多综合性的纳米地球科学领域(学科)。由此指出,纳米地球科学的兴起和发展必将带来地学领域革命性的挑战。

  在此基础上琚宜文教授及其团队深入阐明了煤岩与页岩及其变形的微纳米尺度特性,首次揭示了煤岩与页岩及其变形的微纳米特性演化机理。通过对煤岩及其变形的微纳米尺度的深入研究,发现不同变形机制构造煤(脆性变形煤和韧性变形煤)的大分子特性参数有着其每所一群人的发展趋势;探索了不同变形机制的构造变形作用引起的构造煤大分子特性的变化及次生特性不足的产生机理,并认识到构造煤大分子特性的改变还助于原因分析分析纳米级孔隙特性随之居于变化;讨论了构造煤大分子-纳米级孔隙特性的耦合关系,认为大分子特性的改变是原因分析分析纳米级孔隙特性变化的原因分析分析;构造应力是引起煤变形的基本因素,原因分析分析并助于了大分子-纳米级孔隙特性之间的相互转换。

  以华北陆块南部两淮地区为研究区域,深入研究了煤系中有 机质页岩的岩石组成特性;利用液氮吸附等测试数据,阐明了页岩的微纳米孔隙特性特性;结合分形理论,认识到煤系地层页岩以纳米级孔隙为主,并具有分形特性,由此计算出了两类分形维数:亲们分别反映孔隙皮层和孔隙体积分形。

  关于煤系页岩储层的研究,在优化液氮吸附实验参数、改善其解释模型、分析比较氦气孔隙度、压汞、液氮等流体压入法的优缺点的基础上,改进了微纳米孔隙分析模型,提高了页岩孔隙定量表征的效果;建立了一套综合解释页岩全尺度孔隙特性的依据;并阐明了孔隙特性与渗透率以及甲烷气体吸附能力的关系。

  2. 页岩气富集特性及其机理

  宽裕机质页岩储层评价是页岩气勘探和开发过程中另一一五个 多十分有意义的、重要的研究内容。琚宜文教授及其团队采用页岩岩相识别与三维建模,对美国阿巴拉契亚盆地Marcellus海相页岩储层岩相进行了研究,划分了其类型。基于岩心分析测试结果和测井解释,将支持向量机应用于页岩岩相识别,相对于神经网络,预测精度显著提高;同时针对页岩岩相识别你你是什么多类模式识别问题报告 报告 ,建立了层次分解算法,将专业知识与数学算法有机的结合在同时,进一步改善了页岩岩相预测结果。亲们在对阿巴拉契亚盆地Marcellus海相页岩储层岩相分析的基础上,结合微纳米尺度研究,阐明了我国四川盆地龙马溪组海相页岩储层岩相特性,并已应用于储层评价与对比。

2016 年5 月在美国阿巴拉契亚盆地北部进行页岩地质调查与采样

  页岩中的孔隙是另一一五个 多非常简化的系统。表征页岩孔隙特性主要的困难来源于:(1)孔隙大小覆盖范围巨大;(2)居于小量的纳米尺度孔隙;(3)页岩的组成简化。其中,表征微孔(小于2 nm)和介孔(2 nm~1000 nm)是关键。琚宜文教授及其团队首次阐明了不同于国内外海相页岩的中国东部海陆交互相页岩物质组成与孔裂隙特性,并与海相页岩进行对比;同时,建立了定量解释孔隙特性的综合依据:在氦气孔隙度和密度参数的帮助下,利用液氮吸附法取舍0.5 nm至1000 nm间孔径分布,用压汞法取舍1000 nm至1000μm间孔径分布。该流体压入综合法用于系统的、定量表征华北板块南部的两淮煤田煤系页岩和下扬子地块修武盆地海相页岩的孔隙特性,系统评价了两淮煤田煤系页岩和修武盆地海相页岩的页岩气潜力,为后期页岩气勘探开发提供了重要地质基础。

  琚宜文教授及其团队将中美页岩储层地质条件进行了综合性对比,进一步查明了中国不同页岩储层类型的页岩气保存条件以及页岩气富集的主控因素。美国页岩气盆地主要居于阿巴拉契亚早古生代逆冲褶皱带、马拉松—沃希托晚古生代逆冲褶皱带和科迪勒拉中生代逆冲褶皱带前缘的前陆盆地及其相邻板块之上的克拉通盆地;其古生代页岩气储层以遭受逆冲推覆、抬升沉降等构造作用为主,纯天然孔裂隙比较发育,总体构造变形相对简单,这么经太多期地质改造和破坏。而与美国相比,我国沉积盆地多数经历了不同期次(印支期、燕山期和喜山期等)、不同方向和不同性质(包括多次挤压、多次伸展、抬升剥蚀等)的构造演化,构造变形简化而强烈。古生代以来形成的海相、海陆交互相及陆相页岩层层滑作用和构造变形作用普遍发育,这已成为页岩气赋存和富集的重要制约因素,进而影响页岩气的有效勘探与开发。

  3. 煤层气地质与产出水化学特性

  琚宜文教授及其团队结合微纳米尺度研究,系统阐明了中国东部典型矿区煤层气的形成过程和机制、不同成因煤层气的分布和富集特性。根据能源盆地构造-热-埋藏史,煤层气的形成过程经历了物理作用(沉降抬升)、化学作用(有机质转化)和阳物作用(生物生烃),大致经历了另一一五个 多阶段:(1)含煤地层快速沉降过程中热成因气形成阶段;(2)地层抬升过程中煤层气逃逸散失阶段;(3)次生生物气的形成阶段。根据煤层气地球化学特性研究表明,哪此矿区从沉积中心到边缘和从深到浅依次赋存热成因气、混合成因气、生物成因气和瓦斯风化带。进一步研究表明,产甲烷菌是由古大气降水携带接种到煤层,你你是什么甲烷气体还原作用是次生生物气的主要生成途径。查明煤层气的成因、演化和分布特性对简化地质条件下煤层气的勘探开发具有重要指导意义。

2014 年5 月在沁水盆地煤层气开发基地收集煤层气数据

  与此同时,琚宜文教授及其团队还阐明了中国华北地区煤系简化的水文地球化学演化过程及水化学特性:华北地区煤系含水层中额外补充的HCO3−−可能性来源于煤有机质热演化、微生物降解可能性有机质矿化形成的甲烷气体析出。三类含水层的水化学组成均受硅酸岩和析出岩的析出控制,你你是什么居于明显的离子交换等水岩交换反应。煤系地层水和煤层气井产出水中[Na++K+]/[Ca2++Mg2+]比值不足,类似水体直接排放都是对地表土壤和水体等产生不利影响。

  研究区各类含水层分别受古大气降水或现代大气降水的补给。古大气降水的注入后,协同原有煤系地层水为煤层气的保存提供了另一一五个 多有利的封闭环境。煤系含水层中较高的甲烷浓度、较高的析出无机碳含量和明显偏重的无机碳碳同位素组成等都是产甲烷菌等强烈新陈代谢活动和通过甲烷气体还原作用生成生物成因甲烷的有力证据。产甲烷菌等微生物由古大气降水携带接种到煤系含水层日后,沿着煤体裂隙特性在煤层中迁移和繁衍,并生成小量生物成因甲烷。在原有热成因煤层气基础上,形成生物成因和热成因煤层气的混合富集区,其规模取决于微生物的迁移能力和原有热成因气的赋存情况汇报。此外,亲们首次阐明了中国华北地区煤系气源岩生物标志物组成和阳物降解特性,建立了不同生物标志物的生物降解程度判别依据,明确了有机质生物降解对煤层气资源量的贡献。

  4. 煤炭开发过程中的碳排放

  在国际上,煤炭开发过程中的碳排量主你你是什么你你是什么以政府间气候变化专门委员会(IPCC)推荐的估算依据。你你是什么可能性我国煤矿分布广泛,且煤层赋存情况汇报和构造条件十分简化,IPCC的计算依据暂且全版适合中国国情,其计算结果一般要偏大于我国实际碳排放量,你你是什么你你是什么琚宜文教授及其团队通过煤炭开发过程中碳排放研究,首次建立了具有创新意义的关于井工开采过程中甲烷和甲烷气体新排放因子的瓦斯含量算法,以更好的适应中国煤炭地质与开发的实际情况汇报。

  琚宜文教授及其团队结合微纳米尺度研究,进一步提出了“新排放因子”的概念及相关算法,重点考虑了采动影响系数、 原煤瓦斯含量、残存瓦斯含量和煤炭产量;利用哪此因素计算得出新排放因子,进而获得各区域的碳排放量。煤矿的瓦斯含量主要反映了煤层的赋存条件、埋藏角度、变质-变形程度和煤的种类;煤的残存瓦斯含量反映煤的变质-变形、埋深、煤的灰分等工业指标;采动影响系数反映了邻近层位置、煤层倾角、层间距、岩层性质等情况汇报及矿井回采率取舍。在结合煤矿的单煤层或多煤层的开采顺序、开采依据和围岩性质、构造等地质条件取舍煤矿的采动影响系数和井巷残存瓦斯含量;从而助于获得适合煤层特点的新排放因子。煤矿开发过程中碳排放的瓦斯含量算法结合并考虑了煤矿的地质条件、构造特性和煤层的性质以及煤相关的各类分析等,因而该算法对于煤矿的因素考虑较为全面,符合中国的煤层赋存特性和构造简化的实际情况汇报,并由此计算了全国各区域以及全国2010年至2014年煤炭开发过程中的碳排放总量。

  风排瓦斯含量算法主要考虑了矿井瓦斯相对涌出量和煤炭产量,然而矿井的相对瓦斯涌出量的取值是取自于某矿井的年生产中最大值的月份,助于够客观的反映实际煤矿年涌出量,在根据公式计算出的甲烷排放量是大于矿井的真实的甲烷排放量,你你是什么你你是什么风排瓦斯含量的计算结果会大于矿井的实际甲烷排放量。

  IPCC全球平均排放因子算法是根据IPCC提供的排放因子和煤炭产量进行估算的,井工开采过程中的甲烷排放因子是10-25 m3/t,此依据可能性是另一一五个 多范围值,估算出的甲烷排放量的结果具有较大的不取舍性。

  5. 尼泊尔-中国西藏喜马拉雅区域新生代盆地演化

  琚宜文教授及其团队结合微纳米尺度研究,阐明了尼泊尔-中国西藏喜马拉雅区域新生代盆地沉积物的可能性来源与物源过程,取舍了新生代盆地沉积和构造演化对印度和亚洲板块的可能性碰撞事件的年代学约束条件。

  以喜马拉雅中部和青藏高原盆地中北部(亲印度板块)和南部(亲亚洲板块)沉积物为研究对象,琚宜文教授及其团队通过岩石学和锆石U-Pb测年、煤岩组成与特性分析等实验,讨论了可能性的物源区,阐明了印度和欧亚板块的陆陆碰撞对研究区盆地沉积和构造演化的影响。亲们的研究成果表明,尼泊尔-中国西藏喜马拉雅地区前陆冲断带是山脉折返、盆地的不对称沉降及前陆盆地沉积量增强的关键区域。不同的沉积相和岩浆活动反映了尼泊尔-中国西藏喜马拉雅区域的沉积演化趋势。

  亲们还结合沉积地层年代学研究,论证了沉积物的可能性来源以及物源过程的变化:青藏高原前陆盆地(即拉萨地块)的沉积物来自羌塘、特提斯喜马拉雅和澳大利亚板块西南部;青藏高原中部盆地的沉积物来自祁连山、昆仑-奇曼塔和阿尔金山;青藏高原前陆盆地北侧的沉积物来自祁连山。

  由此琚宜文教授及其团队也取舍了新生代盆地沉积和构造演化对印度和亚洲板块的可能性碰撞事件的年代学约束条件,首次对尼泊尔-中国西藏喜马拉雅区域的前陆盆地进行了锆石 (U-Th)/He年代学研究。并从居于 Bhainskati Khola (尼泊尔中部喜马拉雅) 的Dumri组下部1000米厚剖面上的17点获得了Dumri组底部的磁性地层学数据。古地磁年龄和锆石 (U-Th)/He年龄已指示前陆盆地Dumri组形成于约17.5-14.0 Ma。

  专心致志 博闻多识 影响领域横跨能源与地质

  琚宜文教授学术成就非凡,倍受关注。近年来他频频参与和组织大型的学术交流与合作者者研究,并多次在国内外重要学术论坛和大会上进行学术报告与交流,在世界同行面前展现了卓越的风采。

  琚宜文教授作为香山科医学会 议申请人以及执行主席之一,与都是为院士等专家同时于2013年11月5-7日在北京举办了以“纳米地质学及纳米成藏成矿前沿科学问题报告 报告 ”为主题的香山科医学会 议第476次学术讨论会。会议期间,申请人在题为“纳米地质学与纳米成藏成矿重大科学问题报告 报告 ”的主题评述报告中,全版阐述了纳米地质学的基本概念和研究依据,总结了纳米地质学及各个分支学科的研究进展,并对该领域的重大和前沿科学问题报告 报告 进行了归纳和凝练,由此深入探讨了纳米地质学未来的发展趋势。香山科医学会 议的筹办与召开在国内外科技界引起了强烈反响,揭开了中国纳米地球科学的新篇章。

  在此日后, 2012年11月6日-8日琚宜文教授作为香山科医学会 议申请人以及执行主席之一,在北京举办了以“深部煤矿瓦斯灾害与煤层气开发”为主题的香山科医学会 议第443次学术讨论会,并做中心议题评述报告。

  针对纳米地球科学领域,尚未形成国际性的研究队伍,更无国际化的学术组织。你你是什么,琚宜文教授积极推进,在中国成立了该领域第另一一五个 多国际性的学术组织——中国地质医学会 纳米地质专业委员会。你你是什么,该组织的成立对于探索纳米地球科学显得尤为重要,它助于集中优势科研力量,凝练一支高水平的学术团队,防止我国纳米地球科学及其成藏成矿中面临的重大科技问题报告 报告 。据此,琚宜文教授以其学术建树荣任纳米地质专业委员会主任委员。

  琚宜文还作为大会学术委员会主席组织过两次纳米地球科学国内外重要学术会议:2015年12月11-13日,以“纳米地球科学:地学领域革命性挑战”为主题的第一届中国纳米地球科学好 术研讨会暨中国地质医学会 纳米地质专业委员会成立大会在北京成功召开,会议内容中有 纳米地球科学研究的诸多方面,主要包括纳米矿物与岩石、纳米构造地质与地球化学、纳米能源地质与矿床、纳米矿物与碳基和新型复合材料、纳米地质与灾害和环境问题报告 报告 、纳米科技应用于地球各圈层及其相互作用的研究和纳米地球科学的研究技术与依据等;2016年11月4-6日在青岛举行了第一次国际综合性的“2016年国际纳米地球科学好 术研讨会”,来自中国、美国、加拿大、澳大利亚、日本等国家的专家参加了会议并做了大会学术报告,由此推进了纳米地球科学发展的国际化多线程 池池。

  此外,琚宜文教授在《矿物岩石地球化学通报》2016年第一期,作为特约主编第一次出版了“纳米地质学”专刊(正刊)。专刊旨在借助纳米科技和地质学的研究手段、经验和成果,充分依靠已取得的国际学术前沿优势,进一步加强基础与应用研究,推动纳米地质学领域的自主创新能力,为矿物与碳基新型材料利用、能源与矿产资源勘探开发以及环境保护和灾害预测等提供理论基础。

2015 年4 月在尼泊尔喜马拉雅进行盆地地质调查与采样

  为了展示近年来纳米地球科学及其相关领域的最新进展,琚宜文教授作为特约主编在国际SCI期刊《Journal of Nanoscience & Nanotechnology》组织了 “Emerging Nanogeosciences”专刊(正刊),目的在于让世界同行更好地了解和认同纳米地球科学的研究历史、当前进展及发展趋势、潜力和方向。本专刊是国际上第一部综合性地反映纳米地球科学领域前沿进展的专刊。琚宜文作为第一作者牵头撰写并发表了题为Nanogeosciences: Research History, Current Status and Development Trends的综合性学术论文,在国际上引起了强烈反响。本专刊发表的11000篇学术论文,代表了近些年来纳米地球科学及其10来个分支领域(研究方向)取得的综合性成果。

  在近几年时间里,琚宜文教授先后主持了国家自然科学基金重点与面上项目、国家科技重大专项课题、国家973项目课题等多个项目,仅国家自然科学基金项目都是4项。此外,他作为主持人/主席在国际重要学术会议上多次主持会议,并做特邀报告,其卓越的学术影响力积厚流广。

  除科研工作以外,琚宜文教授还将大累积精力奉献给了自己的研究生与博士后。他在对研究生的教学依据依据上大胆创新、言传身教,善于引导学生的独立思考和钻研精神,深受学生们的好评。10009年,他分别获得华东地区高等学校出版社优秀教材与著作一等奖和二等奖;同年,研究生专业基础课程,获中国科学院研究生院优秀课程。近年来,随着中国科学院大学课程改革,琚宜文作为首席教授主讲研究生核心课程《能源地质学》,每一年学生课程评估均为优秀。与此同时琚宜文多次邀请国外知名大学教授为学生们讲授《非常规纯天然气资源》,还组织国内外多位知名专家讲授《盆地与能源研究新进展》,受到了学生的好评,并邀请国际知名专家来学校进行学术报告与学术交流,提高了中国科学院大学相关课程教学的国际影响力。

  迄今为止,作为导师已指导博士研究生12名,硕士研究生21名,博士后12名。他的多个学生已在每所一群人领域出类拔萃,成为了青年科技工作者的翘楚。

  “问渠那得清如许,为有源头活水来。”这是对琚宜文教授的科研与教学工作所取得的骄人业绩的最好诠释。作为一名鸿儒硕学的科学家,琚宜文教授正带领他的团队大展宏图,他将以严谨的学风和刻苦的精神在科研与教学的道路上继续砥砺奋进。我要们预祝琚宜文教授在不久的将来取得更辉煌的成绩!