近日，中國科學(xué)院海洋研究所基于自主研制的深海原位拉曼光譜探測系統(tǒng)、深海熱液溫度探針等原位探測裝備，首次發(fā)現(xiàn)并證實深海熱液低溫溢流區(qū)的氣體釋放通量是高溫噴口區(qū)的10-100倍。該研究近日在國際地學(xué)期刊《地質(zhì)學(xué)》（Geology）正式發(fā)表。
熱液噴口釋放的大量氣體（二氧化碳、甲烷、氫氣、硫化氫等）為熱液極端生態(tài)系統(tǒng)提供了能量和物質(zhì)來源，并在全球海洋化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色。但是長期以來一直缺乏對熱液氣體釋放通量的有效觀測手段，傳統(tǒng)保壓流體取樣的測量方式既無法保證氣體濃度測量的準(zhǔn)確性，較低的采樣效率也制約了通量觀測的大范圍開展，極大地限制了我們對熱液釋放物質(zhì)在極端生態(tài)系統(tǒng)供養(yǎng)和全球海洋化學(xué)循環(huán)中作用的認識。
為此，中國科學(xué)院海洋研究所科研人員基于ROV機器人平臺開發(fā)了多種海底原位觀測探測設(shè)備，并建立了一系列熱液氣體組分的原位定量分析方法，陸續(xù)突破了熱液氣體濃度難以原位觀測、噴口流速難以準(zhǔn)確測量、熱液噴發(fā)區(qū)域難以厘定評估的技術(shù)難題，構(gòu)建了適用于熱液系統(tǒng)釋放氣體通量評估的原位觀測技術(shù)體系。
基于“發(fā)現(xiàn)”號ROV搭載的海底原位觀測裝備開展熱液區(qū)綜合探測
科研人員以典型弧后熱液系統(tǒng)為研究靶區(qū)，利用“發(fā)現(xiàn)”號ROV搭載的原位觀測裝備分別對溢流區(qū)和高溫噴發(fā)區(qū)開展了大范圍的原位探測，獲取了14個站位熱液流體的原位拉曼光譜、流體溫度和流體流速等數(shù)據(jù)，并基于超短基線定位系統(tǒng)和視頻圖像分析手段厘定了熱液區(qū)流體的噴發(fā)區(qū)域和面積。原位觀測數(shù)據(jù)表明，熱液靶區(qū)的流體溫度和氣體組分濃度呈現(xiàn)負相關(guān)，低溫溢流區(qū)流體中溶解態(tài)氣體濃度是高溫集中噴發(fā)區(qū)的數(shù)倍至數(shù)十倍。基于原位觀測數(shù)據(jù)對熱液區(qū)氣體釋放通量的量化評估表明，低溫溢流區(qū)的氣體釋放通量比高溫噴發(fā)區(qū)高10至100倍。
以典型弧后熱液區(qū)為靶區(qū)開展綜合原位觀測的站位位置
基于原位觀測數(shù)據(jù)計算的熱液區(qū)的氣體釋放通量
該研究基于自主構(gòu)建的原位觀探測技術(shù)體系的常態(tài)化應(yīng)用，揭示了熱液低溫溢流區(qū)在氣體釋放通量中的巨大貢獻，綜合考慮低溫溢流區(qū)的氣體通量、噴發(fā)面積、流體溫度、流速、地形等因素，可以推斷熱液低溫溢流流體對熱液生態(tài)系統(tǒng)的貢獻很可能遠超高溫噴發(fā)區(qū)流體，在未來的熱液系統(tǒng)研究中應(yīng)給予更多關(guān)注。該研究不僅打破了研究者對熱液溢流區(qū)所扮演角色的傳統(tǒng)認識，為今后的熱液研究提供了全新角度和全新思路，也為全面量化熱液區(qū)流固界面的物質(zhì)能量交換研究提供了方法參考和觀測樣板。
點擊觀看視頻
中國科學(xué)院海洋研究所李連福博士為文章第一作者，張鑫研究員為文章通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目聯(lián)合資助，以及“科學(xué)”號、“發(fā)現(xiàn)”號ROV運維團隊的支持。
相關(guān)成果及鏈接如下：
[1] Lianfu Li, Zhendong Luan, Zengfeng Du, Shichuan Xi, Jun Yan & Xin Zhang*. (2023). In situ Raman observations reveal that the gas fluxes of diffuse flow in hydrothermal systems are greatly underestimated. Geology, 51(4), 372-376.
https://doi.org/10.1130/G50623.1
[2] Xin Zhang, K.C. Hester, W. Ussler, P. Walz, E.T. Peltzer, P.G. Brewer* (2011). In situ Raman-based measurements of high dissolved methane concentrations in hydrate-rich ocean sediments. Geophysical Research Letters. 2011, 38: L08605.
https://doi.org/10.1029/2011GL047141
[3] Lianfu Li, Xin Zhang*, Zhendong Luan, Zengfeng Du, Shichuan Xi, Bing Wang, ... & Jun Yan. (2018). In situ quantitative Raman detection of dissolved carbon dioxide and sulfate in deep‐sea high‐temperature hydrothermal vent fluids. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 19(6), 1809-1823.
https://doi.org/10.1029/2018GC007445
[4] Lianfu Li, Xin Zhang*, Zhendong Luan, Zengfeng Du, Shichuan Xi, Bing Wang, ... & Jun Yan. (2018). Raman vibrational spectral characteristics and quantitative analysis of H2 up to 400 C and 40 MPa. Journal of Raman Spectroscopy, 49(10), 1722-1731.
https://doi.org/10.1002/jrs.5420
[5] Lianfu Li, Xin Zhang*, Zhendong Luan, Zengfeng Du, Shichuan Xi, Bing Wang, ... & Jun Yan. (2020). In situ Raman quantitative detection of methane concentrations in deep‐sea high‐temperature hydrothermal vent fluids. Journal of Raman Spectroscopy, 51(11), 2328-2337.
https://doi.org/10.1002/jrs.5981
