能源与自然资源

人类崛起与地球资源 (The Rise of Homo Sapiens and Earth Resources)

定义: 化石燃料是储存在地质时期形成的有机物中的能量。燃烧化石燃料会释放储存的能量和碳。
化学反应:
- 甲烷 (Methane, CH₄) 燃烧: CH₄ + 2O₂ → 2H₂O + CO₂ + Energy
- 辛烷 (Octane, C₈H₁₈) 燃烧: C₈H₁₈ + 12.5O₂ → 9H₂O + 8CO₂ + Energy
- 生命体的氧化过程与化石燃料燃烧涉及的化学分子式不完全相同。

形成过程 (Formation):
1. 烃源岩 (Source rock): 富含有机质（主要是海洋浮游生物）的沉积物在缺氧环境中沉积。
2. 熟化 (Maturation): 随着温度升高（油窗 80-175°C，气窗 175-235°C），干酪根 (Kerogen) 转化为石油和天然气。
3. 运移 (Migration): 石油和天然气从烃源岩排出并向上运移（浮力作用）。
4. 储层岩石 (Reservoir Rocks): 具有高孔隙度 (Porous) 和渗透率 (Permeable) 的岩石（如砂岩、石灰岩）储存油气。
5. 圈闭 (Traps) 和盖层 (Caprocks): 不渗透的盖层阻止油气进一步运移，形成圈闭（构造圈闭 Structural trap 或岩性圈闭 Stratigraphic trap）。
6. 保存时间 (Timing): 圈闭必须在油气运移之前或期间形成。
勘探 (Exploration): 常规方法包括地震勘探 (Seismology) 等。
天然气 (Natural Gas): 主要成分是甲烷 (CH₄)。相比其他化石燃料，成本较低，温室气体排放和污染物较少，发电效率较高。可通过管道运输或液化为液化天然气 (LNG)。
经济影响: 石油和天然气产业是全球规模最大的产业之一，对一些国家（如卡塔尔）的经济至关重要。
储量 (Reserve): 尽管存在关于石油耗尽的预测，但新的勘探和技术（如非常规油气开采）不断发现和开采新的储量。

定义: 指储存在低孔隙度、低渗透率岩层中的油气资源，无法通过常规垂直井经济开采，需要水平井和多级水力压裂 (Hydraulic fracturing, "fracking") 技术。
类型: 包括页岩气 (Shale gas)、致密气 (Tight gas)、页岩油 (Shale oil)、可燃冰等。
特点: 开采难度大，但储量巨大。页岩油产量衰减快，需要提高石油采收率 (Enhanced oil recovery, EOR) 技术。

空气污染物 (Air pollutants): 包括 CO₂、SO₂、CO、多环芳烃 (PAHs)、颗粒物 (PM) 和氮氧化物 (NOₓ)。天然气相对而言是清洁的能源。

地球元素分布: 元素在地球不同圈层（地核、地幔、地壳）的分布不同。亲铁元素 (siderophile elements) 主要在地核，亲石元素 (lithophile elements) 在硅酸盐层，亲岩浆元素 (magmaphile elements) 富集在大陆地壳。
矿产类型:
- 能源矿产: 煤炭、油页岩等。
- 金属矿产 (Metals):
  - 黑色金属 (Ferrous): 铁 (Iron)。铁矿石形成于超过18亿年前的带状铁建造 (banded iron formation)。
  - 有色金属/基本金属 (Base metals): 铜 (Copper) 等。斑岩型铜矿 (porphyry Cu deposits) 是重要的铜矿类型。
  - 贵金属 (Precious metals): 金 (Gold)、银 (Silver)、铂 (Platinum)、钯 (Palladium)。
  - 锂 (Lithium, Li): 重要的战略商品，与能源和科技紧密相关，主要用于电池。从侵入岩（伟晶岩）或盐湖卤水中提取。
- 非金属矿产 (Non-metals):
  - 建筑和工业用: 砂石、建筑石材、盐、石膏等。
  - 宝石 (Precious): 钻石、欧泊、红宝石、蓝宝石、祖母绿等。
- 稀土元素 (Rare Earth Elements, REE): 被认为是碳基经济向电能经济转型的“维生素”。生产历史与技术和成本相关。