大科学装置“助力”可燃冰生态安全开发

仙仙

中国南海神狐，86.14万立方米气体从海底1225米的深处喷涌而出。海面之上跳跃的蓝色火焰正在“唤醒”来自深海的巨大能量。


这个能量就是俗称“可燃冰”的天然气水合物。日前，我国海域的天然气水合物第二轮试采取得了圆满成功。


可燃冰中蕴含着储量巨大的天然气资源，被誉为21世纪具有前景的接替能源。然而，这个大自然赋予人类的“福音”，同时被认为是生态破坏的“恶魔”，成为其时至今日尚未实现大规模开采的重要原因之一。


“天然气水合物已被列入我国第173个新矿种和战略新兴产业目录，作为我国重要的新能源战略，我国提出在2030年实现商业化开采。在此之前，我们必须尽早摸清环境本底、掌握生态规律、预测开采趋势，回应‘可燃冰开采会造成全球性生态灾难’的质疑或炒作。”海洋生态工程专家、中国工程院院士张偲告诉记者。


深入研究生态灾害


天然气水合物是由水分子和客体分子（甲烷为主）在合适的温度压力环境下形成的类冰状化合物。它通常在特定的高压、低温条件下形成并稳定存在，因其外观像冰、遇火可燃，被称为“可燃冰”。


据估算，世界上可燃冰中含碳总量是地球上煤、石油、天然气等化石燃料中含碳总量的两倍。而当受到外界扰动，温度和压力条件突破天然气水合物稳定存在的相平衡条件时，天然气水合物会发生分解产生气态甲烷，甲烷的温室效应是同质量二氧化碳的20多倍。


目前，国际社会普遍关注的是，一旦开采不当是否会导致可燃冰分解释放大量甲烷进入海洋与大气，进而导致海水氧枯竭、海水酸化、生物死亡，或引发全球性气候变暖等生态灾害。


张偲表示，在可燃冰开采过程中，长效的生态影响是全球最受关注的前沿科学领域，但这样的基础研究却鲜有开展，“目前还主要聚焦于与开采工程直接相关的环境变化的控制研究”。


此外，可燃冰开采还可能会给海洋工程带来一定影响。研究表明，海底可燃冰存储层大多由于没有完整的圈闭构造和致密盖层，其开发过程可能引发海底滑坡、泥沙倒灌、甲烷泄漏等工程灾害，继而对深海生态带来负面影响。


“可燃冰开发必须与生态环境保护并重，商业开发前必须采取长期的生态环境监测、实验、定量评估和生态保护举措，以确保人类安全、绿色利用这一重要的战略资源。”张偲说。


认识“冷泉” 保障“三元”平衡


解除风险之前，必须先认识它究竟是如何发生的。


“存在深海海底的甲烷之所以能‘平静无恙’，是因为这里存在着‘三元’生态平衡。”张偲介绍，“三元”即游离态甲烷、可燃冰固化甲烷和海底嗜甲烷微生物的化能合成作用的甲烷，三者平衡就达到了生态平衡。


他指出，除了开采过程引发的直接相关问题，可燃冰开采过程中温压条件等的改变，可能会诱发可燃冰大范围分解释放甲烷气体，会对稳态的自然环境造成人为搅扰，破坏原有的“三元”平衡。如大量甲烷释放进入海水环境，会导致海水酸化及氧枯竭；过量甲烷突破海水这一屏障，逃逸至大气，释放出比二氧化碳更大的温室效能，造成更严重的温室效应。


因此，“三元”生态平衡，至关重要。监测并防止可能发生的“三元”生态失衡现象，是可燃冰商业化开采前需要解决的重要科学问题。


按照当前的可燃冰产业化规划和能源规划，2030年我国将进入可燃冰商业化开发阶段。在张偲看来，尽快掌握可燃冰开采的全生命周期过程中的生态环境变化趋势，迫在眉睫。


“我们要充分研究冷泉活动的动态变化过程，获取长周期、全方位观测资料和原位实验数据，为开发可燃冰提供强力科技支撑，这也是解决生态环境保护‘卡脖子’难题的主要途径。”张偲说。


他提到的“冷泉活动”，即海底的甲烷、硫化氢和二氧化碳等气体在地质结构或压力变化驱动下，溢出海底进入海水的活动。而“冷泉”恰是探寻天然气水合物的重要标志之一。


事实上，我国两次海域可燃冰成功试采后，已发现了一系列新的科学问题及可燃冰产业化亟须解决的关键技术问题。


“然而，目前的探测手段仅能获取冷泉系统的片段性数据，不能满足深层次科学研究需求，因而急需对冷泉开展长周期、原位性观测和可燃冰环境效应模拟验证，有针对性地研制一系列专用设备，对新发现的科学技术问题进行攻关。”张偲说。


大科学装置来助力


为解决高效安全开采及生态模拟和原位载人长周期观测两大技术难题，近年来，张偲正带领团队建设“冷泉生态系统大科学装置”。他表示，这是研究“三元”甲烷生态平衡的决定性大装置，也是摸清环境本底、掌握生态规律、预测未来趋势的关键。


他介绍，冷泉生态系统大科学装置包括“原位智融研究系统”和“模拟仿真实验系统”。“原位智融研究系统”包括载人原位实验系统和原位智能观测系统。


其中，载人原位实验系统可载6人下潜至2000米的深海生态样地，进行长达45天的实时观测、现场实验和初步研究。此外，该系统可通过选定的生态样地，开展海底“三元”甲烷生态平衡的观测与试验。它还能进行可燃冰的“五保”取芯采样，为可燃冰的研究提供原汁原味的研究样品。


海底世界环境恶劣，难以开展长时间、重复的科学研究。通过“模拟仿真实验系统”，科研人员把海底实验搬到了陆地上，他们在冷泉生态系统高压模拟舱内，把从海洋采集到的相关数据和原位样本，模拟还原到仿真实验系统上来，从而开展重复实验研究。


张偲认为，实现可燃冰的绿色开发，需要认知海底天然气水合物成藏与分解动力过程、冷泉系统发育动力机制、极端环境生命演化过程与适应机制等前沿科学问题。


“冷泉生态系统大科学装置，将为可燃冰开发提供全生命周期的实时长期观测、模拟验证和预警技术支持，为人类安全、环保、经济、科学地利用可燃冰资源提供基础保障，同时，还为人类探索生命起源和认知冷泉生态系统发育过程提供重要的科学支撑和研究平台。”张偲说。