“發(fā)現(xiàn)號”ROV深海機器人拍攝的倒置湖仰視圖
■本報記者 廖洋 通訊員 王敏
水的相態(tài)受控于其所處的溫度、壓力條件，當溫度超出其所處壓力下氣液分離溫度時，液態(tài)水將轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。在一個大氣壓下，純水會在100攝氏度氣化。
在深海海底高壓環(huán)境中，海水的氣化溫度可達幾百攝氏度，那么，深海中是否存在大量超高溫的氣態(tài)水呢？中科院海洋研究所研究員閻軍課題組給出了答案。
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)的深海原位拉曼光譜探針，閻軍課題組在冰冷的海底首次觀測到氣態(tài)水存在的證據(jù)。5月28日，相關(guān)研究成果在《地球物理學(xué)研究快報》上正式發(fā)表。
深海熱液區(qū)的“三明治”倒置湖
深海熱液系統(tǒng)孕育了豐富的礦產(chǎn)和基因資源，更是被認為與生命起源相關(guān)，長期以來備受科學(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。當流體的溫度超過其所處壓力下兩相分離溫度時，低密度、低鹽度、富氣體組分的氣相將與鹵水相分離。但由于氣相在上升和噴出海底的過程中，溫度快速降低，使得蒸汽相無法在海底之上保持。
“當我們路過深海熱液區(qū)時，一片閃閃發(fā)光的水體吸引了我們。”中科院海洋研究所研究員張鑫告訴《中國科學(xué)報》，“我們靠近后，通過‘發(fā)現(xiàn)號’ROV深海機器人的高清攝像頭發(fā)現(xiàn)，大量‘蘑菇型’熱液煙囪結(jié)構(gòu)形成了‘倒置湖’，湖內(nèi)充滿大量閃閃發(fā)光的水體?！?/p>
巨大的溫度、密度差異形成的強烈光反射層，使倒置湖的湖面看起來如同光滑的鏡面一般平整。研究人員立即對倒置湖內(nèi)水體不同層位進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383.3攝氏度，已經(jīng)超出了該區(qū)域2180米水深條件的相分離的溫度——378.1攝氏度。這進一步驗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。
這是我國科學(xué)家首次在深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)超高溫氣態(tài)水。
“大氣泡”被“碗”扣住了
那么，氣態(tài)水為何能在該區(qū)域的海底之上存留呢？這得益于該區(qū)域獨特的熱液煙囪構(gòu)造。
“氣態(tài)水就是水達到了它的氣化溫度，這就相當于在海底存在一個大氣泡。但這個大氣泡不往上上升，原因是氣態(tài)水上面蓋了一層熱液硫化物的礦物，它相當于一個倒扣的碗，把這個氣泡罩住了。”張鑫解釋說。
“蘑菇型”煙囪結(jié)構(gòu)形成了一個半封閉的體系，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）向海水中緩慢擴散，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)的元素分配和硫化物礦化過程，與常規(guī)熱液系統(tǒng)有明顯差異。
當前，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)和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。
深海熱液拍照的“金剛鉆”
“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及其對深海環(huán)境的影響?！睆場伪硎尽?/p>
記者了解到，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、強酸（堿）和渾濁的流體環(huán)境，深海高溫?zé)嵋簢娍谝恢北徽J為是光學(xué)鏡頭的禁區(qū)。
而這一重大發(fā)現(xiàn)的取得，得益于我國自主研發(fā)的國際首個可直接插入450攝氏度深海熱液噴口的深海原位拉曼光譜探針的應(yīng)用。這一拉曼光譜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)瓶頸，為深海熱液高溫流體地球化學(xué)性質(zhì)研究提供了首個多參數(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。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1029/2019GL085778
