海底碳封存化学监测技术应用：传感器评估、基线测量与自然变异性研究

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Applications of chemical monitoring technologies for sub-sea CCS; Sensor assessment, baseline measurement and natural variability

本研究针对海底CCS（碳捕集与封存）监测需求，系统评估了多种化学传感器在动态近海环境中的性能。研究人员通过海床着陆器、表面浮标、无人水面艇（Saildrone）和载人船舶等多平台部署，获得了高质量实时数据，揭示了吉普斯兰海域生物化学参数的自然变异规律，为CCS泄漏监测提供了关键基线数据和优化监测方案。

　　

随着全球气候变暖问题日益严峻，联合国气候变化框架公约（UNFCCC）提出将全球变暖控制在比工业化前水平高1.5-2°C以内的目标。碳捕集与封存（CCS）技术被视为实现这一目标的关键手段，涉及将捕获的二氧化碳（CO₂）注入深层咸水层或枯竭的油气藏等地质构造中进行长期封存。然而，海底商业规模的CO₂封存面临着一个重要挑战：如何有效监测封存复合体上覆水柱的生物化学信号，以了解注入点的自然变异，并能将其与封存结构可能的泄漏区分开来。

目前的海底CCS项目监测主要聚焦于地下地震方法，包括井内压力和温度测量、储层地震成像以及水柱的测量、监测与验证（MMV）。但在浅海大陆架环境中，由于海流、潮汐和气象影响导致的显著时空变异性，使得区分自然过程与潜在泄漏变得尤为困难。泄漏模型表明，预期泄漏相关异常的通量和空间足迹完全处于海洋环境的自然变异性范围内。因此，需要多种监测技术来提供全面的时空覆盖，降低单一技术失效的风险。

在这项发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》的研究中，研究人员选择澳大利亚巴斯海峡吉普斯兰的近海区域作为研究区，该区域部分覆盖了CarbonNet CCS项目拟议的地下Pelican CO₂封存储层。研究区域代表了具有类似海洋影响的近岸环境，未来可能被考虑用于地下CO₂封存，因此具有重要的代表性意义。

研究人员采用了四种监测平台进行评估：表面系泊（CCS_OA）、海床着陆器（CCS_SF）、无人水面艇（USV）和载人船舶。在2017年至2020年期间，共进行了十次与固定平台相关的航次、一次载人船舶调查和一次无人水面艇调查，以表征研究地点和/或测试与生物化学相关的传感器。

表面系泊平台配备了Battelle Seaology pCO₂监测系统（MApCO2）和Seabird SeapHOx仪器，用于测量表面CO₂、pH、溶解氧（DO）、海面温度（SST）和盐度。海床着陆器则主要搭载SeapHOx仪器进行碳化学监测。Saildrone无人水面艇配备了ASVCO2系统进行CO₂测量，以及测量海水温度和盐度的SBE Prawler CTD传感器。载人船舶（MV Bluefin）上的集装箱化移动碳实验室则配备了最全面的传感器套件，包括用于CO₂测量的General Oceanics 8050系统、溶解甲烷测量用的Contros hydroC CH₄传感器以及测量氡的Durridge RAD-7传感器。

所有传感器均按照全球海洋观测系统（GOOS）制定的基本海洋变量（EOVs）指南进行性能评估，确保达到世界最佳实践测量协议的精度要求。数据通过多种方式传输，包括铱星通信、3G modem和声学调制解调器等，实现了近实时数据返回和自动质量控制。

基线观测和传感器性能

载人船舶平台在2017年12月15-19日的调查显示，研究期间地表水性质变化不大，所有溶解气体的分布表明没有CO₂或CH₄的局部源或汇。fCO₂数据的平均变异仅为4.4 μatm，表明该区域没有明显的局部CO₂源或汇。

Saildrone无人水面艇在2019年8月14-31日的调查获得了高分辨率数据，fCO₂数据在整个站点的变异较低（3.1 μatm），进一步证实了没有局部CO₂源或汇的证据。

表面系泊的长时间序列数据显示，fCO₂从冬季的332 μatm变化到夏季的442 μatm，pH在7.94-8.13之间变化。两个相距约7公里的系泊站点显示出相似的水体性质。

海床着陆器数据与表面系泊数据高度一致，符合预期，因为所有平台都部署在可以假设具有相似水体性质的<1 km²区域内。

仪器性能

载人船舶集装箱实验室和Saildrone平台的仪器返回了超过99%的良好数据。传感器间比较显示，除大气CO₂数据因湿度传感器不准确导致MApCO2系统估值偏高外，其余参数均符合设定的基准。

表面系泊的数据返回率总体较高，但第一轮部署中CCS_OA_07站点的数据因机械问题受到影响。SeapHOx仪器的pH传感器因安装在泵歧管下游，更容易受到沉积物和生物污损问题的影响，特别是在海床着陆器上。通过改进设计，将SeaFET和SBE37安装成T形配置并连接铜防污护套，显著提高了后续部署的数据返回率。

数据分析和讨论

对CCS_OA_08系泊站点fCO₂数据的分析表明，海水温度变化是信号变异的主要驱动因素，叠加了沿海岸线的潮汐驱动水体变化以及夏季沿东海岸南下的涡旋引起的强烈水体变化。这导致春季和夏季fCO₂的日变化高达20 μatm，而冬季通常为1.5-10 μatm。

上升流事件可能产生与泄漏信号相似的特征。分析发现了几个CO₂信号显著增加同时伴随海面温度下降的事件，卫星海面温度数据也证实了这些持续数天的上升流事件的存在。

分层现象

温度数据表明，研究区域水体在大部分时间内混合良好，表面和近底层测量值之间的温差较小（92.4%的数据温差小于0.5°C）。冬季与波浪事件相关的快速混合以及夏季较平静条件下的轻微分层表明，该体系实际上可简化为二维系统。表面升温会导致系泊测量的fCO₂增加，但可以通过使用经验性的CO₂-温度关系将其校正到恒定温度，从而提高检测可能由CO₂泄漏引起的溶解二氧化碳浓度变化的置信度。

研究结论与意义

仪器和平台性能

传感器数据的保真度对于可靠泄漏检测和防止误报至关重要。研究表明，Battelle MApCO2和ASVCO2传感器性能可靠，符合制造商规格，满足基本海洋变量（EOV）设定的基准。载人船舶上的移动集装箱配备了最通用、最精确的传感器套件，但成本较高。Saildrone的操作成本估计为载人船舶的1/10，其机动性和站位保持能力允许进行大规模调查和局部异常检测。

在浅水环境中，表面测量可能提供有用的环境背景，但在较深水域（>50米），由于泄漏信号的分散性，这些不是海底封存泄漏检测的工具。Seabird SeapHOx仪器的优势在于外形紧凑且可水下部署，但数据传输的复杂性以及部署和回收操作的风险增加了数据丢失的可能性。

CCS监测与信号预测

研究表明，在相对较浅的研究地点，每天10吨CO₂的泄漏可以基于这些生物化学表面传感器相对于基线信号被检测到。通过利用由潮汐变化引起的泄漏信号的周期性特性，可以改进泄漏检测，但这需要至少4次/小时的采样频率。

长时间序列测量有助于理解环境系统并检测如上升流等信号异常的可能性。将实时现场数据作为（近）实时模型的输入可以进一步提高此类模型的准确性及其对化学信号的预测能力。此外，实施机器学习算法有助于预测和区分自然变异与海底CO₂释放引起的变异。

这项研究为海底碳封存项目的环境监测提供了重要的技术参考和基线数据，特别是在具有挑战性的近岸动态海洋环境中。通过多平台传感器部署和全面数据分析，研究人员不仅验证了现有监测技术的可靠性，还为未来商业化CCS操作的测量、监测和验证（MMV）计划优化提供了科学依据，对推动碳捕集与封存技术的安全应用和气候变化减缓具有重要意义。