大科学装置“助力”可燃冰生态安全开发

南海神狐从1225米深处喷出86.14万立方米的气体。跃过海面的蓝色火焰正在从深海中“唤醒”巨大的能量。

这种能量就是通常被称为“可燃冰”的天然气水合物。日前，中国海域天然气水合物第二轮测试成功进行。

易燃冰含有巨大的天然气资源。作为未来的战略性清洁能源，美国、韩国和日本等许多国家都将可燃冰开采和基础技术研发纳入了国家能源战略规划。然而，大自然给予的这一“福音”也被视为生态破坏的“恶魔”，这也成为大规模采矿尚未实现的重要原因之一。

“天然气水合物已被列入中国第173个新矿物和战略性新兴产业目录，并已成为中国重要的新能源战略。中国提出在2030年实现商业开发。在此之前，我们必须弄清环境背景，掌握生态规律，尽快预测开采趋势，并对可燃冰开采将造成全球生态灾难的质疑或猜测做出回应。”中国工程院院士、海洋生态工程专家罗章告诉《中国科学日报》。

深入研究生态灾害

天然气水合物是由水分子和客体分子(主要是甲烷)在适当的温度和压力环境下形成的冰状化合物。它通常在特定的高压和低温条件下形成并稳定存在。因为它看起来像冰，暴露在火中是易燃的，所以被称为“可燃冰”。

据估计，世界上可燃冰的总碳含量是地球上煤、石油和天然气等化石燃料的两倍。它被认为是21世纪有前途的替代能源。

然而，当温度和压力条件因外界干扰而突破天然气水合物的稳定相平衡条件时，它会分解生成气态甲烷，甲烷的温室效应是同等质量二氧化碳的20倍以上。

目前，国际社会普遍关注的是，不适当的开采是否会导致可燃冰分解，大量甲烷释放到海洋和大气中，从而导致海水缺氧、海水酸化、生物死亡或全球变暖等生态灾难。

张西表示，在可燃冰开采过程中，长期生态影响是世界上最受关注的前沿科学领域，但此类基础研究很少开展，“目前，主要集中在与开采项目直接相关的环境变化控制方面”。

据有关研究报道，1912年贝加尔湖以南的地震造成三次水下喷发，每次喷发都喷出几丈高的水柱和大量的气体，造成大量贝加尔湖底栖鱼和其他鱼类死亡。后来，在湖底发现了大量可燃冰。科学家推测，地震可能导致了地下压力的释放，导致可燃冰的分解，并释放出大量的流体和喷出的水柱。

此外，可燃冰的开发也可能给海洋工程带来一定的影响。研究表明，海底可燃冰储存层主要是由于缺乏完整的圈闭结构和致密的盖层，其发育过程可能导致海底滑坡、沉积物回流、甲烷泄漏等工程灾害。，这也将对深海生态带来负面影响。

“发展可燃冰必须与生态环境保护并重。商业开发前必须进行长期生态环境监测、实验、定量评估和生态保护措施，以确保人类安全和这一重要战略资源的绿色利用。”张哲说。

理解“冷泉”确保“三元”平衡

在消除风险之前，我们必须首先了解它是如何发生的。

“深海海底的甲烷之所以‘安全’是因为存在‘三元’生态平衡。”张哲介绍说,“三种元素”是游离甲烷、可燃冰固化甲烷和海底嗜甲烷微生物化学合成的甲烷。这三个要素的平衡已经达到了生态平衡。

他指出，除了开采过程中直接相关的问题外，可燃冰开采过程中的温度和压力条件的变化可能会导致可燃冰大规模分解释放甲烷气体，从而对稳定的自然环境造成人为干扰，破坏原有的“三通”平衡。如果大量甲烷释放到海水环境中，将导致海水酸化和氧气耗尽。例如，过量的甲烷会越过海水的屏障，逃逸到大气中，释放出比二氧化碳更多的温室效应，造成更严重的温室效应，从而引发一系列生态环境问题。因此，“三要素”的生态平衡至关重要。

监测和预防可能出现的“三元”生态失衡是可燃冰商业化开发前需要解决的一个重要科学问题。

在这方面，美国、挪威、法国、日本和其他国家早些时候就对可燃冰的生态和环境影响进行了研究。例如，2005年，美国国家海底科学技术研究所在可燃冰海底建立了一个综合观测站，对墨西哥湾深水区可燃冰稳定带(HSZ)的碳氢化合物系统状态进行长期综合监测，以便更好地了解可燃冰和沉积物不稳定性之间的关系。2014年，建立了一个长期的可燃冰化学、生物、地质和物理过程现场综合观测站，以进一步确定可燃冰随时间演变对地震事件等的反应。

根据目前可燃冰的工业和能源规划，2030年中国将进入可燃冰商业化发展阶段。张西认为，尽快掌握可燃冰开采全生命周期的生态环境变化趋势是当务之急。

“要充分研究冷泉活动的动态变化过程，获取长期、全面的观测数据和原位实验数据，为可燃冰的发展提供强有力的科技支撑。这也是解决生态环境保护“瓶颈”问题的主要途径张哲说。

他所说的“冷泉活动”，是指海底甲烷、硫化氢、二氧化碳等气体在地质构造或压力变化的驱动下，溢流到海水中的活动。“冷泉”只是探索天然气水合物的重要标志之一。

事实上，经过两次在中国海域成功的可燃冰试验，已经发现了可燃冰产业化中一系列亟待解决的新的科学问题和关键技术问题。

“然而，目前的检测方法只能获得冷泉系统的零碎数据，不能满足深层次科学研究的需要。因此，迫切需要对可燃冰对冷泉的环境影响进行长期现场观测和模拟验证，并开发一系列专用设备来解决新发现的科学技术问题。”张哲说。

科学仪器帮助

为了解决高效安全开采的两大技术难题——生态模拟和原位载人长期观测，张西近年来正在牵头组建“冷泉生态系统科学仪器”。他说，这是研究“三元”甲烷生态平衡的一个决定性的大装置，也是弄清环境背景、掌握生态规律、预测未来趋势的关键。

他介绍说，冷泉生态系统科学仪器包括“原位智能融合研究系统”和“模拟实验系统”。“原位智能融合研究系统”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搭载6人下到2000米的深海生态样地，进行45天的实时观测、野外实验和初步研究。此外，该系统可以通过选定的生态样地观察和测试海底“三元”甲烷的生态平衡。还可以对可燃冰进行“五保”核心采样，为可燃冰的研究提供真实的研究样本。

海底世界环境恶劣，很难进行长期和反复的科学研究。通过“模拟实验系统”，研究人员将海底实验移到了陆地上。他们将从海上采集的相关数据和原位样品模拟还原到冷泉系统高压模拟室内的模拟实验系统中，进行重复实验研究。

张哲认为，要实现可燃冰的绿色发展，必须认识到海底天然气水合物积累和分解的动力学过程、冷泉系统发展的动力学机制、极端环境生命演化过程和适应机制等前沿科学问题。

“通过冷泉生态系统科学仪器，为可燃冰的整个生命周期的发展提供实时长期观测、模拟验证和预警技术支持，为人类安全、环境保护、可燃冰资源的经济和科学利用提供基本保障。同时，它也为人类探索生命起源和认识冷泉生态系统的发展过程提供了重要的科学支持和研究平台。”张哲说。