澳大利亚昆士兰废弃煤矿勘探孔甲烷逃逸排放的量子气体激光雷达定量研究及其气候影响

本研究利用量子气体激光雷达(Quantum Gas LiDAR)对澳大利亚昆士兰废弃煤矿勘探孔进行为期7天的连续监测，首次量化了该"超级排放源"(>25 kg/h)的甲烷逃逸情况，平均排放量达235 t/a(相当于19,768 t CO2e/20年)。研究发现排放量与大气压呈负相关(ρ=-0.53)，揭示了未封填勘探孔作为人为甲烷排放途径的重要性，为全球煤盆地甲烷排放清单提供了新依据。

　　

在全球气候变暖背景下，甲烷(CH₄)作为短期强效温室气体，其减排被视为缓解未来气候变暖的最快捷途径。然而，准确识别排放源并量化排放量仍是重大挑战。澳大利亚昆士兰州现存约13万个历史遗留煤炭勘探钻孔，这些人为通道如未妥善封填，可能成为甲烷逃逸的隐蔽路径。尽管美国、英国等地已有关于废弃油气井甲烷排放的研究，但针对煤炭勘探孔的系统监测数据极度匮乏，特别是在澳大利亚这样的重要煤炭产区。

为填补这一知识空白，来自国外研究机构的研究人员采用创新性的量子气体激光雷达(Quantum Gas LiDAR)技术，对昆士兰Surat盆地一处代号为"Coal Hole 1"的废弃煤炭勘探孔进行了为期7天(含6夜)的连续监测。该钻孔位于牧牛场，地表仅可见约900 m²的植被枯死区，钻探于2000年代初，深度102米，穿过27层煤层。研究团队通过车载式自主监测系统，在多变天气条件下获取了1756组有效测量数据，相关成果发表在《Science of The Total Environment》。

关键技术方法包括：(1)搭载随机调制连续波(RM-CW)激光雷达的移动监测系统，采用1650.9 nm波长激光和单光子雪崩二极管(SPAD)探测器；(2)配套气象站实时记录风速、温度、气压等参数；(3)光谱聚类算法分析六维数据集；(4)质量平衡法计算排放速率。所有设备通过太阳能供电系统实现野外自主运行。

研究结果部分：

1. 设备与调查细节
   监测系统核心为QLM Technology Ltd开发的量子气体激光雷达，结合Risley棱镜扫描实现三维甲烷羽流成像，检测限达0.2 kg/h(100米内)。系统部署在距泄漏点35米处，激光雷达置于9米高伸缩桅杆上。

2. 结果与讨论
   测量显示该孔平均排放率达26.9 kg/h(235 t/a)，属于"超级排放源"。按全球变暖潜能值(GWP)计算，相当于19,768 t CO₂e(20年)或6580 t CO₂e(100年)。排放呈现显著时间变异性，第5百分位数为22.8 t/a，第95百分位达438 t/a。典型测量案例显示，6月4日的排放率(23.6 kg/h)比5月29日(2.7 kg/h)高近一个数量级。

3.1 探索性数据分析
时间序列分析识别出三个特征时期：Period 1(气压>980 hPa)平均排放9.3 kg/h；Period 2(气压下降期)升至27.5 kg/h；Period 3(低压稳态期)达32.7 kg/h。相关性分析揭示排放量与气压呈中度负相关(ρ=-0.53)，而与温度、风速等参数相关性较弱。

3.2 光谱聚类分析
通过无监督学习将数据划分为三类：Cluster 1(高压984-986 hPa)排放最低；Cluster 2(过渡压978-983 hPa)排放中等；Cluster 3(低压975-980 hPa)排放最高。聚类结果与时间分期高度吻合，证实低压条件下排放增强的规律。

结论与意义：
该研究首次证实澳大利亚废弃煤炭勘探孔可作为重要甲烷排放源，单个孔的年排放量即达Safeguard Mechanism(澳大利亚减排机制)阈值的6.5%。发现的气压-排放相关性暗示了煤层气通过压力梯度逃逸的机制，但作者强调需考虑地下水压等未监测因素的影响。研究成果对全球煤盆地甲烷排放清单具有启示意义：

1. 证实传统快速检测方法难以捕捉排放的时间变异性，凸显连续监测价值
2. 为130,000个遗留钻孔的排放潜力评估提供基准数据
3. 量子气体激光雷达展现了对点源排放的精准量化能力
   未来需扩大样本调查，结合同位素分析确定气源，并研究水井等其他类型钻孔的排放特征。该工作为制定针对性封填措施提供了科学依据，对实现全球甲烷减排承诺具有重要参考价值。