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山西万年冰洞与地表自燃的冰火共生机理

已有 3101 次阅读 2017-6-27 21:56 |系统分类:海外观察|关键词:万年冰洞、地表自燃、甲烷,山西| 山西

山西万年冰洞与地表自燃的

冰火共生机理

岳中琦

2017年5月22日,发表了博文“可燃冰的地震成因与机理” http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-1056466.html。立即有朋友微信给我了“万年冰洞”情况,希望我能够给与它的地质成因解释。之后,我查阅了相关信息和资料。知道了它位于山西忻州市宁武县涔山乡麻地沟村等情况。例如,百度百科网对它进行了详细的介绍http://baike.baidu.com/item/%E4%B8%87%E5%B9%B4%E5%86%B0%E6%B4%9E。特别是,它的多种成因假说。


特别地,中国科学院计算地球动力学重点实验室石耀霖院士等进行的一系列数值模拟文章。拜读了他们在2013年发表于《科技导报》的论文“山西省宁武县万年冰洞持续存在机制数值模拟”(3113期,第23-2731页)。又拜读了中国地质大学(武汉)和山西省地质调查院方世明等人,2010年在《地球科学》发表的论文:“山西宁武冰洞国家地质公园典型地质遗迹资源及科学意义”(第31卷第4期,605-610页)。在2017616日,又拜读了中国科学报新闻“万年冰洞:形成于新生代第四纪冰川期”http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/6/379568.shtm

通过阅读相关文献资料,我知道了“万能冰洞”的确神奇。更进一步地,它附近山坡出现的煤层自燃现象也引起了我的关注。人们在研究万年冰洞成因与机理时,一般都没有将这附近的煤层自燃现象作为第二种相关现象来纳入研究工作,给出能够包括它们两者的、某种统一的成因与机理。

因此,我认为,万年冰洞和煤层自燃,可能是一种能够让我们更加接近真实地认识地球的珍贵地质现象与资料。我决定要去现场进行实地考察。感谢太原理工大学矿业工程学院院长冯国瑞教授的邀请。在赵教授和牛博士的带领下,我们在2017620日进行了实地考察。具体情况在以下作简要介绍。

1-4是从Google地图的截图。如这四幅图所示,万年冰洞和地表自燃,位于山西忻州市宁武县涔山乡麻地沟村的山顶山脊线部位,海拔高度在2100米到2300米之间。它们距北京、宁武、东沟的水平直线距离分别为380 km14 km5.5 km


从图4可见,冰洞位于山脊线的西边的一个松树植被茂盛的沟谷北面山坡。地表自燃位于在冰洞南面和东面山坡,在山脊分水岭附近。共有ABCDE五处地表山坡见到自燃。


5到图7分别是,我们在万年冰洞口、内部和底部所照的照片。冰洞宽约20米,洞深约100米。洞内有各种冰体,冰看上去相当结实和致密。夏天洞内的温度不很低(零下5摄氏度?)。不少人仅穿单衣短裤在冰洞内参观。洞底可见到从砂岩裂缝中生长出来的冰体和冰挂。


8到图12分别给出了,AE五处山坡地表自燃的范围和状况。


13到图16分别给出了,AE两处山坡地表自燃的细照片。


17到图18分别给出了,我们考察小组在AE两处山坡地表自燃前的合照。


冰火同处共生,蔚为神奇!

19是横贯冰洞和自燃地表山脉的地形剖面示意图。地下到底有什么地质与物质导致了这两种冰火奇观呢?


写道这里,也应该介绍一下我自己对这冰火两种现象共生的统一解释。它就是甲烷。

地下深部存在极高压甲烷气体。它们通过地震,沿断裂和地层和煤层等不弱破碎带(面)上升到冰洞所在的山体下部。因快速降压强,甲烷气需要膨胀而大量吸热。这造成了地下岩体的一种制冷机制,导致了岩层裂隙中的地下水结冰,且永久不断保持洞内冰体。从而,冰体在山顶部位的山洞聚集,形成了万年冰洞。这就如同上述博文讲述的可燃冰形成机理。这个结冰机理在于甲烷气的压强、温度和体积关系,是个物理行为。

同时,甲烷气体再通过煤层或砂岩地层,运移到地表,在地表不断自燃。这个燃烧机理在于甲烷气与氧进行化学反应变化、生热量的关系,是个化学行为。

山西属断陷裂谷带,地震频繁。地下煤层多。煤层气也多。在20163月,山西省煤炭地质局,估算有利区页岩气资源量4.44万亿立方米,它们则赋存于含煤地层中。在2016333日,同煤集团同生安平煤业公司面发生井下安全事故,有暴风。参见博文“又是暴风:山西同煤矿难事故原因”http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-964988.html。图1给出了这个发生事故的煤田位置。它位于万年冰洞东北部,直线距离95km

再根据山西省煤炭资源分布图,可知武宁县所在山谷地区是武宁煤田所在地(图20http://www.360doc.com/content/11/1119/23/806336_165865895.shtml。武宁煤田是属于气煤、肥煤和焦煤,煤田面积3087 km2。万年冰洞和地表自燃所在地就是武宁煤田的气煤区。因此,山区地下深部煤田和岩体空隙存在大量甲烷等气体。

目前,山西省煤层气开发或许还没有在武宁煤田大力开展。再等到人们在武宁煤田大力大量抽取煤田甲烷气时候,可以预测,涔山顶部的万年冰洞和地表自燃两个共生神奇现象将会很快消失。

201762721:50写成于香港大学602办公室




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