大科學(xué)裝置“助力”可燃冰生態(tài)安全開發(fā)

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(lán)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(yùn)含著儲量巨大的天然氣資源，被譽(yù)為21世紀(jì)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(rèn)為是生態(tài)破壞的“惡魔”，成為其時至今日尚未實現(xiàn)大規(guī)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(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)目錄，作為我國重要的新能源戰(zhàn)略，我國提出在2030年實現(xiàn)商業(yè)化開采。在此之前，我們必須盡早摸清環(huán)境本底、掌握生態(tài)規(guī)律、預(yù)測開采趨勢，回應(yīng)‘可燃冰開采會造成全球性生態(tài)災(zāi)難的質(zhì)疑或炒作。”海洋生態(tài)工程專家、中國工程院院士張偲說。

深入研究生態(tài)災(zāi)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(huán)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(wěn)定存在，因其外觀像冰、遇火可燃，被稱為“可燃冰”。

據(jù)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(dāng)受到外界擾動，溫度和壓力條件突破天然氣水合物穩(wěn)定存在的相平衡條件時，天然氣水合物會發(fā)生分解產(chǎn)生氣態(tài)甲烷，甲烷的溫室效應(yīng)是同質(zhì)量二氧化碳的20多倍。

目前，國際社會普遍關(guān)注的是，一旦開采不當(dāng)是否會導(dǎo)致可燃冰分解釋放大量甲烷進(jìn)入海洋與大氣，進(jìn)而導(dǎo)致海水氧枯竭、海水酸化、生物死亡，或引發(fā)全球性氣候變暖等生態(tài)災(zāi)害。

張偲表示，在可燃冰開采過程中，長效的生態(tài)影響是全球最受關(guān)注的前沿科學(xué)領(lǐng)域，但這樣的基礎(chǔ)研究卻鮮有開展，“目前還主要聚焦于與開采工程直接相關(guān)的環(huán)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(gòu)造和致密蓋層，其開發(fā)過程可能引發(fā)海底滑坡、泥沙倒灌、甲烷泄漏等工程災(zāi)害，繼而對深海生態(tài)帶來負(fù)面影響。

“可燃冰開發(fā)必須與生態(tài)環(huán)境保護(hù)并重，商業(yè)開發(fā)前必須采取長期的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、實驗、定量評估和生態(tài)保護(hù)舉措，以確保人類安全、綠色利用這一重要的戰(zhàn)略資源。”張偲說。

認(rèn)識“冷泉”保障“三元”平衡

解除風(fēng)險之前，必須先認(rèn)識它究竟是如何發(fā)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(tài)平衡。”張偲介紹，“三元”即游離態(tài)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(dá)到了生態(tài)平衡。

他指出，除了開采過程引發(fā)的直接相關(guān)問題，可燃冰開采過程中溫壓條件等的改變，可能會誘發(fā)可燃冰大范圍分解釋放甲烷氣體，會對穩(wěn)態(tài)的自然環(huán)境造成人為攪擾，破壞原有的“三元”平衡。如大量甲烷釋放進(jìn)入海水環(huán)境，會導(dǎo)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(yán)重的溫室效應(yīng)。

因此，“三元”生態(tài)平衡，至關(guān)重要。監(jiān)測并防止可能發(fā)生的“三元”生態(tài)失衡現(xiàn)象，是可燃冰商業(yè)化開采前需要解決的重要科學(xué)問題。

按照當(dāng)前的可燃冰產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃和能源規(guī)劃，2030年我國將進(jìn)入可燃冰商業(yè)化開發(fā)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(tài)環(huán)境變化趨勢，迫在眉睫。

“我們要充分研究冷泉活動的動態(tài)變化過程，獲取長周期、全方位觀測資料和原位實驗數(shù)據(jù)，為開發(fā)可燃冰提供強(qiáng)力科技支撐，這也是解決生態(tài)環(huán)境保護(hù)‘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(zhì)結(jié)構(gòu)或壓力變化驅(qū)動下，溢出海底進(jìn)入海水的活動。而“冷泉”恰是探尋天然氣水合物的重要標(biāo)志之一。

事實上，我國兩次海域可燃冰成功試采后，已發(fā)現(xiàn)了一系列新的科學(xué)問題及可燃冰產(chǎn)業(yè)化亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

“然而，目前的探測手段僅能獲取冷泉系統(tǒng)的片段性數(shù)據(jù)，不能滿足深層次科學(xué)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(huán)境效應(yīng)模擬驗證，有針對性地研制一系列專用設(shè)備，對新發(fā)現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行攻關(guān)。”張偲說。

大科學(xué)裝置來助力

為解決高效安全開采及生態(tài)模擬和原位載人長周期觀測兩大技術(shù)難題，近年來，張偲正帶領(lǐng)團(tuán)隊建設(shè)“冷泉生態(tài)系統(tǒng)大科學(xué)裝置”。他表示，這是研究“三元”甲烷生態(tài)平衡的決定性大裝置，也是摸清環(huán)境本底、掌握生態(tài)規(guī)律、預(yù)測未來趨勢的關(guān)鍵。

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

其中，載人原位實驗系統(tǒng)可載6人下潛至2000米的深海生態(tài)樣地，進(jìn)行長達(dá)45天的實時觀測、現(xiàn)場實驗和初步研究。此外，該系統(tǒng)可通過選定的生態(tài)樣地，開展海底“三元”甲烷生態(tài)平衡的觀測與試驗。它還能進(jìn)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(huán)境惡劣，難以開展長時間、重復(fù)的科學(xué)研究。通過“模擬仿真實驗系統(tǒng)”，科研人員把海底實驗搬到了陸地上，他們在冷泉生態(tài)系統(tǒng)高壓模擬艙內(nèi)，把從海洋采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)和原位樣本，模擬還原到仿真實驗系統(tǒng)上來，從而開展重復(fù)實驗研究。

張偲認(rèn)為，實現(xiàn)可燃冰的綠色開發(fā)，需要認(rèn)知海底天然氣水合物成藏與分解動力過程、冷泉系統(tǒng)發(fā)育動力機(jī)制、極端環(huán)境生命演化過程與適應(yīng)機(jī)制等前沿科學(xué)問題。

“冷泉生態(tài)系統(tǒng)大科學(xué)裝置，將為可燃冰開發(fā)提供全生命周期的實時長期觀測、模擬驗證和預(yù)警技術(shù)支持，為人類安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地利用可燃冰資源提供基礎(chǔ)保障，同時，還為人類探索生命起源和認(rèn)知冷泉生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育過程提供重要的科學(xué)支撐和研究平臺。”張偲說。