我国南海海域首次发现裸露“可燃冰”拉曼光谱探针发挥了重要作用

2017-10-12 09:17 来源:中科院之声 
2017-10-12 09:17:43来源:中科院之声作者:责任编辑:郑然

  日前,我国新一代远洋综合科考船“科学”号在执行中科院海洋先导专项的航次中,船上搭载的“发现”号遥控无人潜水器携带我国自主研发的拉曼光谱探针,在我国南海海域首次发现了裸露在海底的“可燃冰”,并证实其为天然气水合物。

  其中,拉曼光谱探针发挥了重要作用。这套插入式深海原位拉曼光谱探针系统(Ramaninsertion Probe,RiP)主要由水下主耐压舱及适用于不同探测对象的探针组成,为国内首创。

  以往对深海极端环境的探测大多是采取先取样,然后带回实验室进性分析的方法。但是,取样样品中某些特定的成分(如甲烷、硫化氢等)会随着温度、压力条件的改变而挥发或者分解。更糟糕的是,已有研究表明,即便是通过保压取样获取的样品,其中的成分与原位真实浓度相差也极大。

  RiP系统可以解决上述这些问题。通过更换不同的探针,RiP系统可以在深海原位获取冷泉区、热液喷口区、沉积物区等极端区域下的流体、孔隙水、天然气水合物等目标物的成分组成,这也是RiP系统最大的优势所在,因此被研发人员称为“探海神针”。

  拉曼光谱是一种分子光谱,反应的分子振动、转动能级,素有“分子指纹光谱”之称。入射激光照射到目标物上后,具有拉曼活性的样品分子与入射激光发生能量转移,从而发射拉曼光谱信号,通过拉曼信号可以分析样品分子的分子结构、振动模式等信息。RiP系统是基于拉曼光谱技术的原位探测系统,结合实验室内建立的定量分析方法,我们不仅可以获知目标物中的成分组成,还能得到深海极端区域探测目标物的原位浓度。

  RiP系统研发后,已经参加中国科学院重大科技基础设施“科学”号2015、2016、2017三个年度的海洋综合考察,前往我国南海冷泉区、马努斯热液区、冲绳海槽热液区等海域,随“发现”号有缆远程遥控机器人(RemoteOperate Vehicle, ROV)下潜至冷泉喷口、热液喷口等极端环境下进行原位拉曼光谱采集,已累计下潜近20个潜次,成功获取数百条原位拉曼光谱。

  下面就给大家详细介绍一下,探海神针这几年来都从大海里探测到了什么。

  1、高温热液喷口流体成分的首次原位探测

  热液喷口,也就是大家俗称的“海底黑烟囱”。在一定的地质构造下,被加热的海水携带地层深处的物质从热液喷口泄露至周围海水中,喷口流体中的硫化物会逐渐在喷口附近形成烟囱体。除了熟知的“黑烟囱”以外(温度大约300℃或更高,喷溢出的流体成黑色),还存在低温的“白烟囱”和“黄烟囱”。

  由于热液喷口区域高温、高压、高腐蚀性导致的极端环境,对热液喷口流体进行原位探测面临巨大挑战。在2015年南海冷泉-马努斯热液综合航次中,RiP系统搭载热液探针(Ramaninsertion Probe for Hydrothermal vent, RiP-Hv)随“发现”号ROV下潜至马努斯热液海区热液喷口,对不同温度的热液喷口流体成分进行了原位探测,在国际上首次成功获取了高达279℃的热液喷口原位光谱。通过后期数据分析,不仅可以获悉热液喷口流体的原位成分与浓度,还可以得到喷口区域的原位pH。

  以上数据的获取,对研究热液系统的演化、热液系统的物质能量交换及与周围环境的相互影响提供了重要的原位数据支持。

  2、南海冷泉流体的原位探测与分析

  在大陆架陆坡区,由于热成因或者生物成因的烷烃气体从底层沉积物中向上渗漏,从而形成冷泉渗漏喷口。渗漏活动将底层的烷烃气体、硫化氢气体带入海水层,进而为化能合成细菌提供了碳源和能量来源,基于此冷泉喷口附近会形成特定的化能合成生态系统。

  在2015、2016及2017年“科学”号南海冷泉综合航次中,RiP系统搭载冷泉探针(Ramaninsertion Probe for Cold seep, RiP-Cs)随“发现”号ROV下潜至我国南海冷泉喷口区域,对冷泉喷口流体及附近生物群落下覆水进行了原位探测。通过数据分析,获悉了冷泉流体的主要化学成分,并首次在生物群落下覆水中发现了单质硫的存在。

  3、深海沉积物AOM反应的原位探测

  由于深海沉积物内部缺氧而导致的特殊环境,会使沉积物内部发生一系列独特的生物地球化学反应,其中最著名的是甲烷厌氧氧化反应(AnaerobicOxidation of Methane,AOM)。通过该反应,将沉积物中的甲烷厌氧氧化反应和硫酸盐还原反应关联到一起,进而将碳循环和硫循环关联。

  在历年的航次中,RiP系统搭载沉积物探针(Ramaninsertion Probe for Pore water, RiP-Pw)随“发现”号ROV下潜至我国南海冷泉喷口附近的沉积物附近,成功获取了不同深度处的沉积物孔隙水的原位拉曼光谱,通过分析发现,可以作为生物化学反应标识物的硫酸根、甲烷的浓度随深度呈现规律性的变化。这些结果为揭示沉积物中复杂的生物化学反应提供了第一手资料。

  4、冷泉喷口附近裸露的天然气水合物的发现

  在较为活跃的冷泉喷口附近,底层沉积物或者自生碳酸盐裂隙中可能存在天然气水合物。在之前的航次中,RiP系统搭载天然气水合物探针(Raman insertion Probe for Gas hydrate, RiP-Gh)随“发现”号ROV下潜至我国南海冷泉喷口附近,在我国海域首次发现了裸露在表层的天然气水合物,并通过RiP-Gh获取的原位拉曼光谱分析了天然气水合物的成分、水合物类型等物理参数。这对天然气水合物的形成、分解机制的研究具有重要的参考价值。

  以上几项典型的Rip系统成果,表明RiP系统在深海极端环境原位探测中具有重要意义,为热液、冷泉区域的环境演化提供重要原位数据支撑,为深海极端环境生物群落的生存机制提供辅助证据,让我们对深海环境有了进一步认识。我们相信,随着RiP系统的常态化应用,“探海神针”在探测深海极端环境奥秘的路上将取得越来越多的成果和发现!

[责任编辑:郑然]

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