大科學裝置“助力”可燃冰生態安全開發

文/韓揚眉

中國南海神狐，86.14萬立方米氣體從海底1225米的深處噴涌而出。海面之上跳躍的藍色火焰正在“喚醒”來自深海的巨大能量。

這個能量就是俗稱“可燃冰”的天然氣水合物。日前，我國海域的天然氣水合物第二輪試采取得了圓滿成功。

可燃冰中蘊含著儲量巨大的天然氣資源，被譽為21世紀具有前景的接替能源。然而，這個大自然賦予人類的“福音”，同時被認為是生態破壞的“惡魔”，成為其時至今日尚未實現大規模開采的重要原因之一。

“天然氣水合物已被列入我國第173個新礦種和戰略新興產業目錄，作為我國重要的新能源戰略，我國提出在2030年實現商業化開采。在此之前，我們必須盡早摸清環境本底、掌握生態規律、預測開采趨勢，回應‘可燃冰開采會造成全球性生態災難’的質疑或炒作。”海洋生態工程專家、中國工程院院士張偲說。

深入研究生態災害

天然氣水合物是由水分子和客體分子（甲烷為主）在合適的溫度壓力環境下形成的類冰狀化合物。它通常在特定的高壓、低溫條件下形成并穩定存在，因其外觀像冰、遇火可燃，被稱為“可燃冰”。

據估算，世界上可燃冰中含碳總量是地球上煤、石油、天然氣等化石燃料中含碳總量的兩倍。而當受到外界擾動，溫度和壓力條件突破天然氣水合物穩定存在的相平衡條件時，天然氣水合物會發生分解產生氣態甲烷，甲烷的溫室效應是同質量二氧化碳的20多倍。

目前，國際社會普遍關注的是，一旦開采不當是否會導致可燃冰分解釋放大量甲烷進入海洋與大氣，進而導致海水氧枯竭、海水酸化、生物死亡，或引發全球性氣候變暖等生態災害。

張偲表示，在可燃冰開采過程中，長效的生態影響是全球最受關注的前沿科學領域，但這樣的基礎研究卻鮮有開展，“目前還主要聚焦于與開采工程直接相關的環境變化的控制研究”。

此外，可燃冰開采還可能會給海洋工程帶來一定影響。研究表明，海底可燃冰存儲層大多由于沒有完整的圈閉構造和致密蓋層，其開發過程可能引發海底滑坡、泥沙倒灌、甲烷泄漏等工程災害，繼而對深海生態帶來負面影響。

“可燃冰開發必須與生態環境保護并重，商業開發前必須采取長期的生態環境監測、實驗、定量評估和生態保護舉措，以確保人類安全、綠色利用這一重要的戰略資源。”張偲說。

認識“冷泉”保障“三元”平衡

解除風險之前，必須先認識它究竟是如何發生的。

“存在深海海底的甲烷之所以能‘平靜無恙’，是因為這里存在著‘三元’生態平衡。”張偲介紹，“三元”即游離態甲烷、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，三者平衡就達到了生態平衡。

他指出，除了開采過程引發的直接相關問題，可燃冰開采過程中溫壓條件等的改變，可能會誘發可燃冰大范圍分解釋放甲烷氣體，會對穩態的自然環境造成人為攪擾，破壞原有的“三元”平衡。如大量甲烷釋放進入海水環境，會導致海水酸化及氧枯竭；過量甲烷突破海水這一屏障，逃逸至大氣，釋放出比二氧化碳更大的溫室效能，造成更嚴重的溫室效應。

因此，“三元”生態平衡，至關重要。監測并防止可能發生的“三元”生態失衡現象，是可燃冰商業化開采前需要解決的重要科學問題。

按照當前的可燃冰產業化規劃和能源規劃，2030年我國將進入可燃冰商業化開發階段。在張偲看來，盡快掌握可燃冰開采的全生命周期過程中的生態環境變化趨勢，迫在眉睫。

“我們要充分研究冷泉活動的動態變化過程，獲取長周期、全方位觀測資料和原位實驗數據，為開發可燃冰提供強力科技支撐，這也是解決生態環境保護‘卡脖子’難題的主要途徑。”張偲說。

他提到的“冷泉活動”，即海底的甲烷、硫化氫和二氧化碳等氣體在地質結構或壓力變化驅動下，溢出海底進入海水的活動。而“冷泉”恰是探尋天然氣水合物的重要標志之一。

事實上，我國兩次海域可燃冰成功試采后，已發現了一系列新的科學問題及可燃冰產業化亟須解決的關鍵技術問題。

“然而，目前的探測手段僅能獲取冷泉系統的片段性數據，不能滿足深層次科學研究需求，因而急需對冷泉開展長周期、原位性觀測和可燃冰環境效應模擬驗證，有針對性地研制一系列專用設備，對新發現的科學技術問題進行攻關。”張偲說。

大科學裝置來助力

為解決高效安全開采及生態模擬和原位載人長周期觀測兩大技術難題，近年來，張偲正帶領團隊建設“冷泉生態系統大科學裝置”。他表示，這是研究“三元”甲烷生態平衡的決定性大裝置，也是摸清環境本底、掌握生態規律、預測未來趨勢的關鍵。

他介紹，冷泉生態系統大科學裝置包括“原位智融研究系統”和“模擬仿真實驗系統”。“原位智融研究系統”包括載人原位實驗系統和原位智能觀測系統。

其中，載人原位實驗系統可載6人下潛至2000米的深海生態樣地，進行長達45天的實時觀測、現場實驗和初步研究。此外，該系統可通過選定的生態樣地，開展海底“三元”甲烷生態平衡的觀測與試驗。它還能進行可燃冰的“五保”取芯采樣，為可燃冰的研究提供原汁原味的研究樣品。

海底世界環境惡劣，難以開展長時間、重復的科學研究。通過“模擬仿真實驗系統”，科研人員把海底實驗搬到了陸地上，他們在冷泉生態系統高壓模擬艙內，把從海洋采集到的相關數據和原位樣本，模擬還原到仿真實驗系統上來，從而開展重復實驗研究。

張偲認為，實現可燃冰的綠色開發，需要認知海底天然氣水合物成藏與分解動力過程、冷泉系統發育動力機制、極端環境生命演化過程與適應機制等前沿科學問題。

“冷泉生態系統大科學裝置，將為可燃冰開發提供全生命周期的實時長期觀測、模擬驗證和預警技術支持，為人類安全、環保、經濟、科學地利用可燃冰資源提供基礎保障，同時，還為人類探索生命起源和認知冷泉生態系統發育過程提供重要的科學支撐和研究平臺。”張偲說。