重磅！我國科學(xué)家首次在深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)氣態(tài)水

據(jù)中國科學(xué)院海洋研究所官網(wǎng)28日消息，中國科學(xué)院海洋研究所 “科學(xué)”號科考船，在深海熱液區(qū)首次觀測到氣態(tài)水存在的證據(jù)。該成果今天（5月28日）在地球科學(xué)權(quán)威刊物《地球物理學(xué)研究快報(bào)》上正式發(fā)表。這一重磅科研發(fā)現(xiàn)，今日也被央視報(bào)道。

圖片來源：央視新聞截圖

中國科學(xué)院海洋研究所官網(wǎng)全文如下：

水的相態(tài)受控于其所處的溫度、壓力條件，當(dāng)溫度超出其所處壓力下氣液分離溫度時(shí)，液態(tài)水將轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。在一個(gè)大氣壓下，純水會在一百攝氏度氣化，即“白開水”的由來。但在深海海底高壓環(huán)境下，海水的氣化溫度可達(dá)幾百攝氏度，那么在深海是否存在大量超高溫的氣態(tài)水呢？

中國科學(xué)院海洋研究所閻軍課題組在2018年“科學(xué)”號科考船深海熱液航次中，利用我國自主研發(fā)的深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)（RiP）和深海熱液溫度探針在冰冷的海底之上首次觀測到氣態(tài)水存在的證據(jù)。該成果5月28日在地球科學(xué)權(quán)威期刊 Geophysical Research Letters（《地球物理學(xué)研究快報(bào)》）正式發(fā)表。

深海熱液系統(tǒng)孕育了豐富的礦產(chǎn)和基因資源，被認(rèn)為與生命起源相關(guān)，一直備受科學(xué)界關(guān)注。相分離作用是深海熱液系統(tǒng)流體組分發(fā)生分異的過程，對熱液流體化學(xué)組分的演化有重要影響。當(dāng)流體的溫度超過其所處壓力下兩相分離溫度時(shí)，低密度、低鹽度、富氣體組分的氣相將與鹵水相分離。但由于氣相在上升并噴出海底的過程中，溫度快速降低，使得蒸汽相無法在海底之上保持。研究人員此次在深海熱液區(qū)，通過“發(fā)現(xiàn)”號ROV的高清攝像頭發(fā)現(xiàn)由大量“蘑菇型”熱液煙囪結(jié)構(gòu)形成的倒置湖，湖內(nèi)充滿大量閃閃發(fā)光的水體。這是由于巨大的溫度、密度差異形成的強(qiáng)烈光反射層，使倒置湖的湖面看起來如同光滑的鏡面一般平整。通過深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)和深海熱液溫度探針對倒置湖內(nèi)水體不同層位進(jìn)行拉曼光譜采集和溫度測量。拉曼光譜的測量結(jié)果表明，該區(qū)域倒置湖內(nèi)水體呈現(xiàn)“三明治”式分層結(jié)構(gòu)，從頂部至底部依次為高溫蒸汽相、熱液流體與海水混合相以及底層的正常海水相。溫度測量數(shù)據(jù)表明，“蘑菇型”結(jié)構(gòu)頂部流體的溫度最高可達(dá)383.3℃，已經(jīng)超出了該區(qū)域水深（2180m）條件的相分離的溫度（378.1℃），進(jìn)一步驗(yàn)證了拉曼光譜的測量結(jié)果，倒置湖內(nèi)頂部為氣態(tài)水并混有CO2、CH4、H2S等氣體組分。

“發(fā)現(xiàn)”號ROV拍攝的倒置湖仰視圖

熱液溫度探針采集的溫度數(shù)據(jù)和RiP系統(tǒng)采集的拉曼光譜數(shù)據(jù)

氣態(tài)水能夠在該區(qū)域的海底之上存留，得益于該區(qū)域獨(dú)特的熱液煙囪構(gòu)造。“蘑菇型”煙囪結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)半封閉的體系，將過熱的高溫流體與周圍低溫海水隔離。高溫?zé)嵋簢姲l(fā)物通過倒置湖的鏡面（氣液界面）向海水緩慢擴(kuò)散，這種特殊的噴發(fā)模式有利于熱液硫化物在煙囪邊緣沉淀，從而減弱對海洋環(huán)境的影響。金屬元素的溶解與運(yùn)移受到流體密度的控制，因此低密度氣相和超臨界相熱液噴發(fā)系統(tǒng)在元素分配和硫化物礦化過程上與常規(guī)熱液系統(tǒng)有明顯差異。當(dāng)前，超臨界相與氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)僅在洋中脊熱液區(qū)被觀測到，此次在弧后熱液區(qū)觀測到的氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)與洋中脊的超臨界相與氣相的噴發(fā)系統(tǒng)相比，具備更加穩(wěn)定的噴發(fā)條件。對此類氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)的原位探測，有助于揭示此類低密度氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)的熱液硫化物礦化過程以及對深海環(huán)境的影響。

上述發(fā)現(xiàn)是使用我國自主研發(fā)的國際首個(gè)可以直接插入450℃深海熱液噴口的譜系化拉曼光譜探針（RiP）獲得的。高溫?zé)嵋簢娍诘脑惶綔y一直是世界性技術(shù)難題，由于苛刻的高溫、高壓、強(qiáng)酸(堿)和渾濁的流體環(huán)境，深海高溫?zé)嵋簢娍谝恢北徽J(rèn)為是光學(xué)鏡頭的禁區(qū)。RiP高溫?zé)嵋豪庾V探針成功突破了普通光學(xué)鏡頭不耐高溫和防顆粒附著性能差等技術(shù)難題，為深海熱液高溫流體地球化學(xué)性質(zhì)研究提供了首個(gè)多參數(shù)原位光學(xué)探測傳感器，為研究熱液流體對海洋環(huán)境和全球變化的影響提供了一種新方法。

博士研究生李連福為文章第一作者，張鑫研究員為通訊作者。

Li, L., Zhang, X., Luan, Z., Du, Z., Xi, S., Wang, B., et al. (2020). Hydrothermal vapor‐phase fluids on the seafloor: Evidence from in situ observations. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL085778.

https://doi.org/10.1029/2019GL085778

倒置湖鏡面的形成原理以及“蘑菇型”構(gòu)造的形成模型

全球已探明的活動熱液區(qū)分布以及具有相似結(jié)構(gòu)的熱液區(qū)位置

（封面圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所官網(wǎng)視頻截圖）