海上CO2地质封存监测现状及建议

海上二氧化碳(CO₂)地质封存是中国应对滨海地区温室气体排放的重要举措,是实现“碳达峰、碳中和”目标不可或缺的关键技术。中国沿海地区工业发达、碳源丰富,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力巨大,目前中国首个海上CO₂地质封存示范工程已在南海珠江口盆地正式启动。CO₂监测作为CCUS技术的重要组成部分,贯穿CO₂地质封存的全生命周期,是确保封存工程安全性和合理性的必要手段。然而,中国海上CO₂地质封存技术处于起步阶段,海上监测任务颇具挑战。文章回顾了国际上海上CO₂地质封存的相关代表性研究工作以及示范项目案例,对监测指标、技术、监测方案等进行分析,提出海上CO₂地质封存监测技术筛选优化方法和监测建议,旨在为中国海上CO₂地质封存示范项目的开展提供参考依据。     

日本苫小牧CO2海底地质封存监测技术分析及其启示

海洋二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化、减排温室气体CO₂的关键技术之一,也是实现中国碳中和目标愿景解决方案的重要组成部分。中国近海沉积盆地封存潜力巨大,2022年中国首个CO₂海底地质封存示范工程已在南海珠江口盆地咸水层中正式启动。日本苫小牧咸水层封存项目作为迄今为止亚洲最成功的海底封存项目,其CO₂封存监测工作为我国离岸封存项目的开展提供了重要的实践参考及技术指导。文章全面回顾了苫小牧CCS项目案例情况,对项目执行、场地监测内容及布点、监测设施及技术、监测结果等进行分析,总结苫小牧CCS项目的成功经验,以及陆—井—海结合一体化的多层次、全方位的监测体系,旨在助力中国海上CO₂封存项目顺利运行,确保海洋生态环境安全。     

地质调查助力碳达峰碳中和目标实现的路径浅析

2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和是2020年我国提出的国家重大战略目标.以当前我国的二氧化碳排放及能源结构现状,要实现这一伟大目标形势十分严峻.介绍了全球碳循环过程,阐述了碳源与碳汇对于大气CO2浓度的贡献,从减源与增汇2个方面,初步分析了地质调查在推动碳达峰与碳中和目标实现中的作用与可能的贡献,并提出了...     

东海海—气界面二氧化碳通量的季节变化与控制因素研究进展

通过对东海海—气界面二氧化碳(CO2)交换有关研究的总结,剖析了东海表层海水CO2分压(pCO2)的区域分布特征,探讨了海—气界面CO2通量(FCO2)的季节变化规律,诠释了影响海—气界面CO2转移的主要因素.结果表明,东海表层海水pCO2的区域分布具有明显的季节变化,可将其分为冬季、夏季、过渡季节(春季、秋季)3个时段.冬季西部近岸海域由于水体垂直交换强烈,造成表层水体pCO2较高,而中、东部陆架海域由于浮游生物的光合作用使得pCO2较低.夏季近岸河口海域由于陆源输入的影响导致pCO2较高,中、东部陆架海域受温跃层、长江冲淡水、浮游植物的综合作用pCO2较低.春季、秋季为过渡时段,表层海水pCO2分布变化剧烈,受控因素较为复杂.东海全年表现为大气CO2的净汇,其中冬、春、夏为碳汇,其海—气界面FCO2分别为(-6.68±6.93),(-4.94±0.80),(-3.67±1.09)mmol/(m2·d).秋季表现为碳源,通量约为(1.50±8.37)mmoL/(m2·d).东海全年平均通量约为-3.16 mmol/(m2·d),共可吸收CO2约为6.92×106 t C/a.不同季节海—气界面FCO2的年际变化凸显了人为因素的影响,近海富营养化加剧,三峡工程的运行都可能是造成东海冬季碳汇量减少、秋季碳源/汇格局转变的原因.     

海表层二氧化碳分压之时间序列研究进展

简要总结了海表层二氧化碳分压(pCO2)时间序列的研究方法,重点综述了时间序列研究在确定pCO2控制过程、揭示pCO2年际差异、监测气候事件对pCO2的影响及估算海—气二氧化碳(CO2)通量等方面的研究进展.海表层pCO2时间序列的研究方法大致可以分为2类,一类是基于船舶调查,另一类是基于浮标的CO2自动测定.时间序列研究除了能够定性地记录和追踪一些特殊和偶然的物理和生物过程对pCO2的影响外,还能够定量地给出各种过程对pCO2变化的贡献,这对揭示海洋pCO2的控制机理有着重要意义.年际尺度的时间序列观测表明:人类活动已经造成了海表层pCO2的增加,厄尔尼诺事件和拉尼娜事件对海表层pCO2和海—气CO2通量有明显影响.另外,时间序列研究能够提高海—气CO2通量估算的准确性.     

Key Scientific Problems and Challenges of Studying Carbon Cycle Mechanism in Pacific Sector of the Arctic

Challenged by the enormous pressure to reduce the global carbon emission, it is expected that the Arctic Ocean could absorb additional atmospheric CO₂ with the retreating of sea-ice. The Chukchi Sea and adjacent waters, characterized by the highest carbon fixation in the global ocean and large carbon flux into the deep-ocean for sequestration, make substantial contributions to carbon cycling in the entire Arctic Ocean. Understanding the response mechanism of carbon cycling in this region to the rapidly changing environment is the foundation for the prediction of carbon sink in the Arctic Ocean. However, the response of carbon absorption and storage to climate change is still controversial, and the main controlling factors of the carbon cycle process remain unclear.Thus, to establish high-resolution coupled ocean-ice-carbon models can explore the influence of sea ice retreat on atmospheric CO₂ and the vertical sinking carbon fluxes in Chukchi Sea, estimate the effectiveness of growing inflow and slope upwelling on carbon sink/source patterns, discuss the response of deep-ocean carbon sequestration to the changing environment, and evaluate the effectiveness of continental shelf pump in the Chukchi Sea as well as its role in the global carbon sink. Based on the challenge for the research of the Chukchi Sea carbon cycle research with rapidly changing climate, the basic ideas of establishing Arctic Ocean carbon cycling model as well as its key scientific issues to be resolved were proposed.     

南海海-气通量交换研究进展

1998年的"南海季风试验(SCSMEX)"已经过去10年了,SCSMEX启动的南海海-气通量试验研究也有10个年头.在SCSMEX和国家自然科学基金面上项目"南海季风爆发期近海面层通量观测和湍流结构的观测研究"支持下,10年来在西沙实施了3次(1998年、2000年、2002年)海-气通量观测试验,开展了试验资料分析研究,重点是西南季风爆发前后海-气通量交换过程研究,辐射通量、感热通量、潜热通量、动量通量随天气条件的变化研究,海-气通量日变化,通量交换系数以及通量变化对低层大气、上层海洋的影响研究.对10年来南海通量研究作一回顾,对未来的通量观测研究计划特别是2008"亚洲季风年"西沙通量观测提出一些建议.     

Review on Researches of Aragonite Saturation State in the Southern Ocean:A Key Parameter of Southern Ocean Acidification

The Southern Ocean is a strong sink for atmospheric CO₂, making it especially vulnerable to ocean acidification (OA). The aragonite saturation state (Ω_arg) of seawater has been used as an index for the estimation of OA, which plays a critical role in evaluating the living environment of marine calcified organisms. However, it is very difficult to perform the studies of OA and Ω_arg in the Southern Ocean due to its harsh climate. Therefore, in order to better understand the OA and its further influences, the advances of Ω_arg studies were summarized in the oceans surrounding the Antarctica. Significant spatial and temporal variations of surface seawater Ω_arg are demonstrated in the Southern Ocean. In general, the surface seawater Ω_arg shows a lower value in the off-shore areas than in the open oceans. And, Ω_arg also exhibits a strong seasonal cycle with a higher value in summer than in winter. The distributions of Ω_arg in vertical water column generally present a declining tendency from surface to bottom. In addition, the shoaling of Ω_arg horizon at high latitude could be attributed to the ventilation and upwelling of deep waters in the Southern Ocean. There are many factors that could impact the Ω_arg in the Southern Ocean, including sea ice melting, sea-air CO₂ exchange, biological activities and hydrological processes, etc. Finally, the future changes and key scientific problems of OA in the Southern Ocean are proposed.     

三峡不同蓄水阶段澎溪河CO2通量的初步研究

为掌握不同蓄水阶段温室气体通量强度,揭示水生生态系统在水库蓄水后的重建过程,选择2004年(蓄水后第1年)、2008年(蓄水后第5年)为典型年,结合同期主要环境参量,比较研究了三峡典型支流澎溪河回水区水柱表层CO₂分压p(CO₂)及其扩散通量F_CO2特征。研究发现,2004年澎溪河双江大桥处水柱表层p(CO₂)、F_CO2年均值分别为(101.9±7.5)Pa、(13.99±1.58)mmol/(m²·d),2008年相应为(129.1±16.4)Pa、(19.92±3.55)mmol/(m²·d)。水位上升淹没土地带来更多有机质降解,可能引起了p(CO₂)和F_CO2的总体升高;蓄水过程水域生态系统逐渐完善,浮游植物生长对p(CO₂)和F_CO2的影响逐渐显现。     

祁连山疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO2通量特征

研究青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量有助于准确估算该区域的土壤CO₂排放, 对认识高原土壤碳循环及其对全球气候变化的响应具有重要意义. 利用静态箱-气相色谱法和LI-8100土壤CO₂通量自动测量系统对疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤CO₂通量进行了定期观测, 结合气象和土壤环境因子进行了分析. 结果表明: 整个观测期高寒草甸土壤表现为CO₂的源, 土壤CO₂通量的日变化范围为2.52～532.81 mg·m^-2·h^-1. 土壤CO₂年排放总量为1 429.88 g·m^-2, 年均通量为163.23 mg·m^-2·h^-1; 其中, CO₂通量与空气温度和相对湿度、活动层表层2 cm、10 cm、20 cm、30 cm 土壤温度、含水量和盐分均显著相关. 2 cm土壤温度、空气温度和总辐射、空气温度、2 cm土壤盐分分别是影响活动层表层2 cm土壤完全融化期、冻结过程期、完全冻结期、融化过程期土壤CO₂通量的最重要因子. 在完全融化期、冻结过程期和整个观测期, 拟合最佳的温度因子变化分别能够解释土壤CO₂通量变化的72.0%、82.0%和38.0%, 对应的Q₁₀值分别为1.93、6.62和2.09. 冻融期(含融化过程期和冻结过程期)和完全冻结期的土壤CO₂排放量分别占年排放总量的15.35%和11.04%, 在年排放总量估算中不容忽视.     

三峡澎溪河水域CO2与CH4年总通量估算

以2010年6月~2011年5月三峡澎溪河回水区CO₂与CH₄通量监测数据为基础,参考澎溪河高阳平湖水域全年4次的24 h昼夜连续跟踪观测结果,对每月各采样点的日通量值进行估算。提出了水下地形划分法和环境因素控制法,将各采样点日通量数据外延至整个回水区水域,并估算了澎溪河回水区水域CO₂与CH₄年总通量值。研究期间,澎溪河回水区全年各采样点CO₂通量均值为(3.05±0.46)mmol/(m2·h);CH₄为(0.050 1±0.009 6)mmol/(m2·h)。以水下地形法为基础,该水域全年CO₂和CH₄总通量分别为40 060.5 t和540.9 t;以环境因素控制法为基础,全年CO₂与CH₄总通量分别为39 073.0 t和467.2 t。以环境要素控制法为参考,该水域CO₂全年平均释放强度为43.26 mmol/(m2·d),在全球水库数据序列中处于中等略偏高水平,CH₄全年平均释放强度为1.42 mmol/(m2·d),在全球水库序列中处于中等水平。     

江苏省及近海区域CO2地质封存储层条件分析

对江苏省及近海区域地质进行了分析表明,下扬子地块发育的苏北—南黄海南部盆地为该省CO₂地质封存潜在目标场所。文章通过地层及岩性资料分析了CO₂封存适宜地层,在此基础上,根据钻井与地震测量剖面资料,阐述了各构造单元的800～3500 m深度范围存在的CO₂封存适宜地层的厚度,探讨CO₂封存空间适宜性。结果表明：盐城组下段、三垛组、戴南组、阜宁组一段与三段、赤山组砂岩具有较好CO₂储存空间;苏北—南黄海盆地的赤山组分布较少,盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组地层分布范围较广;金湖凹陷、高邮凹陷、溱潼凹陷、海安凹陷、白驹凹陷、阜宁凹陷、盐城凹陷、南二凹陷、南四凹陷、南五凹陷、南七凹陷、南二低凸起具有较好的CO₂封存储层潜力;洪泽凹陷、临泽凹陷、涟南凹陷、涟北凹陷、南三凹陷、南六凹陷CO₂封存储层潜力较差。     

典型电厂海洋CO2地质储存场地选址适宜性评估

我国华东和东部沿海地区分布有大量的火电、水泥和炼油等CO₂排放源,但由于距离陆域大中型沉积盆地较远,限制了规模化的深部咸水层CO₂地质储存工程选址。本文以华能玉环电厂为实例,开展了东海陆架盆地瓯江凹陷场地选址适宜性评估。通过瓯江凹陷CO₂地质储存地质条件分析,初步圈定出了发育有利储盖层的目标靶区,并依次开展了地质安全性和经济适宜性分析。利用碳封存领导人论坛潜力评估公式,计算了目标靶区推荐储层的单位面积储存潜力;并在构建综合储集条件、地质安全性条件和经济适宜性条件的指标体系基础上,开展了GIS多源信息叠加评估,在丽水西次凹内筛选出两处较好的场地。研究对开展该区海域CO₂地质储存选址具有一定的探索意义。     

温度对青藏高原高寒灌丛CO2通量日变化的影响

应用涡度相关技术连续监测的CO₂通量及温度数据(2003年1月1日至2004年12月31日),分析了青藏高原高寒灌丛净生态系统CO₂交换(NEE)日变化与温度之间的关系.结果表明:1)在暖季夜间(21:00至次日06:00时)温度与NEE变化呈显著正相关关联,而白昼(07:00~20:00时)NEE变化与温度无显著关联;2)在冷季不论夜间还是白昼,NEE变化均与温度密切相关,温度是决定冷季高寒灌丛生态系统CO₂交换的主要因素.在全球气候变暖背景下,青藏高原气候变化呈现出冬季增温率明显高于春、夏季特征,未来气候变暖导致的增温效应可能会加速青藏高原高寒灌丛生态系统CO₂排放,使其作为碳汇的能力而减弱.     

Research Advance in Air-Water CO2 Exchange of Estuaries

Estuary holds a key position in linking the four geo-spheres, i.e., atmosphere, lithosphere, hydrosphere and biosphere. Figuring out the transfer mechanisms of estuarine carbon, especially the exchange ofCO₂ at the air water interface is conducive to understanding the carbon pattern in coastal oceans. To date, many fruitful studies have been conducted on the control mechanism towards the partial pressure of CO₂ (pCO₂) in different estuarine areas around the world. By a thorough research on the latest studies of estuarineCO₂ exchange with the atmosphere, it is concluded as follows: ①A common pattern is found on the spatial distribution of pCO₂in different estuarine areas. However, the concrete seasonal change of pCO₂ shows great differences, and the corresponding control factors also vary considerably. ②Estuaries are believed to be large sources ofCO₂ to the atmosphere. It is estimated that the global estuarineCO₂ degassing fluxes, although the global surface area of estuariesis small, are up to 0.25×10¹⁵~0.50×10¹⁵g C/a; and about 1/3 of riverine carbon is released into the atmosphere during the estuarine transit. ③Degradation of organic matter, lateral transfer of marsh derivedCO₂ , mineral deposits in water and turbulence in the liquid phase are the main factors that are responsible for the emission of estuarineCO₂ . At present, this estimate of estuarineCO₂ exchange with the atmosphere is based on limited spatial data, therefore problems such as the limitation in the depth and scope of studies still exist. There are also varieties of uncertainties in the estimation of gas transfer velocity and the whole areas of global estuaries, all of them make it difficult to reach an accurate evaluation ofCO₂ fluxes at the air water interface. It is difficult to predict the future trend of theCO₂ exchange at the air-water interface due to the complexities of the driving forces and feedback mechanisms in estuarine carbon cycle and the intense anthropogenic disturbance. Investigating the mechanism of pCO₂ in estuarine areas, improving the accuracy of evaluation ofCO₂ fluxes and comparing studies of different estuaries would be new scopes in the future researches on the exchange ofCO₂ at the air-water interface in estuaries.     

浮游有孔虫标准化壳体重量测试方法及在西太平洋的应用

使用标准化壳体重量法和传统壳体重量法分别对中国南海(South China Sea,简称SCS)站表层沉积物和MD06-3052岩心沉积物样品进行了测试,获得了浮游有孔虫种属Globigerinoides ruber(G. ruber)的标准化壳体重量和传统壳体重量.通过对SCS站表层沉积物中G. ruber标准化壳体重量与传统壳体重量的比较,认为在该海域使用标准化壳体重量替代性指标能够更好的排除壳体粒径的干扰.通过对MD06-3052岩心中G. ruber标准化壳体重量与南极Vostok冰心的CO₂浓度(pCO₂)曲线进行对比,认为标准化壳体重量方法能够较好的反映出表层海水[CO₃2-]的变化.标准化壳体重量方法快速简便,指示性好,在探讨晚更新世以来表层海水在全球碳循环的重要作用中,是一个很有潜力的指标.      

新疆准东地区场地尺度二氧化碳地质封存联合深部咸水开采潜力评估

二氧化碳地质封存联合深部咸水开采技术（CO2-EWR）被认为是有效的碳减排途径之一。在新疆准东地区率先开展CO2-EWR技术,可在实现CO2减排的同时获得咸水,在一定程度上缓解当地的水资源短缺问题,取得环境经济双重效益。以往研究大多以概化模型为主,缺乏工程实践依托,根据准噶尔盆地东部CO2源汇匹配适宜性评价结果,基于我国首个CO2-EWR野外先导性工程试验场地资料,构建拟选CO2-EWR场地西山窑组三维（3D）非均质模型开展了场地尺度CO2-EWR技术潜力研究。研究表明,拟选场地CO2理论封存量为1.72×106（P50）t,动态封存量为2.14×106 t。采用CO2-EWR技术可实现CO2动态封存量11.18×106 t,较单独CO2地质封存提升5.22倍,同时可增采咸水资源10.17×106 t,CO2采水比率为1∶0.91。同时,该技术可有效缓解因CO2大量注入引起的储层压力累积,提高CO2封存效率,增加咸水开采潜力。本研究可为新疆准东地区实施规模化CO2地质封存联合深部咸水开采工程提供理论依据和技术支撑。     

泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

CO2环境影响监测技术作为碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)体系的重要组成部分,贯穿整个储存过程,决定着CCUS工程的成败,对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用.为确保碳封存项目安全可靠运行,需要对环境影响...     

低渗卤水盆地提高CO2注入性的技术方法: 以江汉盆地为例

注入性是关系CO₂地质储存成功与否的一个关键的技术和经济问题, 评价与提高CO₂在中国陆相沉积盆地普遍存在的低渗储层中的注入能力对于碳捕集与封存技术在中国的应用与推广具有重要意义.以江汉盆地江陵凹陷为例, 通过数值模拟的方法开展高盐低渗储层CO₂注入能力评估与提高方案研究.结果表明: 预注入淡水和低盐度的微咸水溶液均可不同程度地缓解注入井周围的盐沉淀问题; 预注入CO₂饱和溶液或稀盐酸溶液, 可显著提高注入井周围的孔渗值, 提高CO₂注入性, 但由于储层本身的低渗性, 迁移距离有限, 短时间内较难实现CO₂注入速率的大幅度提高.采取水力压裂措施可显著提高低渗储层中CO₂的注入性, 其提升能力取决于压裂裂缝的半长度以及压裂程度.对于单个垂直井, 通过水力压裂对储层加以改造, 并采取多层注入的方式, 在低渗储层中实现数十万吨的年注入量是可能的.      

南海西部异常高温高压气藏区域产能预测技术

南海西部存在大量高温高压高二氧化碳气藏,“三高”气藏气井测试费用高、产能预测难度大,设计变内压建束缚水应力敏感实验、含CO₂天然气PVT实验研究应力敏感、CO₂含量、表皮系数对高温高压气井产能的影响.通过大量实验,明确了高压气藏“两段式”应力敏感变化规律,得到了靶区应力敏感综合评价系数;分析不同压力下CO₂含量对天然气偏差系数、黏度等参数的影响,高压下影响较低压下大,基于实验数据推导建立一种适用于高中低二氧化碳含量的全范围偏差系数校正模型.最终建立同时考虑应力敏感、二氧化碳、表皮系数影响的区域产能预测图版,提高产能预测精度,降低测试费用,在南海西部高温高压气井应用效果较好.