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科學家在深海熱液區倒置湖中發現超高溫氣態水存在

2020-05-29 海洋研究所
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  水的相態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,液態水將轉變爲氣態水。在一個大氣壓下,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境下,海水的氣化溫度可達幾百攝氏度,那麽在深海是否存在大量超高溫的氣態水呢?

  中國科學院海洋研究所阎军课题组在2018年“科學”號科考船深海熱液航次中,利用我國自主研發的深海激光拉曼光譜原位探測系統(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水存在的證據。該成果528日在地球科學期刊Geophysical Research Letters(《地球物理學研究快報》)正式發表。

  深海熱液系統孕育了豐富的礦産和基因資源,被認爲與生命起源相關,一直備受科學界關注。相分離作用是深海熱液系統流體組分發生分異的過程,對熱液流體化學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。但由于氣相在上升並噴出海底的過程中,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,通過“發現”號ROV的高清攝像頭發現由大量“蘑菇型”熱液煙囪結構形成的倒置湖,湖內充滿大量閃閃發光的水體。這是由于巨大的溫度、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。通過深海激光拉曼光譜原位探測系統和深海熱液溫度探針對倒置湖內水體不同層位進行拉曼光譜采集和溫度測量。拉曼光譜的測量結果表明,該區域倒置湖內水體呈現三明治式分層結構,從頂部至底部依次爲高溫蒸汽相、熱液流體與海水混合相以及底層的正常海水相。溫度測量數據表明,“蘑菇型”結構頂部流體的溫度最高可達383.3℃,已經超出了該區域水深(2180m)條件的相分離的溫度(378.1℃),進一步驗證了拉曼光譜的測量結果,倒置湖內頂部爲氣態水並混有CO2、CH4、H2S等氣體組分。

  氣態水能夠在該區域的海底之上存留,得益于該區域獨特的熱液煙囪構造。“蘑菇型”煙囪結構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。高溫熱液噴發物通過倒置湖的鏡面(氣液界面)向海水緩慢擴散,這種特殊的噴發模式有利于熱液硫化物在煙囪邊緣沈澱,從而減弱對海洋環境的影響。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系統在元素分配和硫化物礦化過程上與常規熱液系統有明顯差異。當前,超臨界相與氣相熱液噴發系統僅在洋中脊熱液區被觀測到,此次在弧後熱液區觀測到的氣相熱液噴發系統與洋中脊的超臨界相與氣相的噴發系統相比,具備更加穩定的噴發條件。對此類氣相熱液噴發系統的原位探測,有助于揭示此類低密度氣相熱液噴發系統的熱液硫化物礦化過程以及對深海環境的影響。

  上述發現是使用我國自主研發的國際首個可以直接插入450深海熱液噴口的譜系化拉曼光譜探針(RiP)獲得的。高溫熱液噴口的原位探測一直是世界性技術難題,由于苛刻的高溫、高壓、強酸()和渾濁的流體環境,深海高溫熱液噴口一直被認爲是光學鏡頭的禁區。RiP高溫熱液拉曼光譜探針成功突破了普通光學鏡頭不耐高溫和防顆粒附著性能差等技術難題,爲深海熱液高溫流體地球化學性質研究提供了首個多參數原位光學探測傳感器,爲研究熱液流體對海洋環境和全球變化的影響提供了一種新方法。

  博士研究生李連福爲文章第一作者,研究員張鑫爲通訊作者。

  論文链接

首次在深海熱液區倒置湖中發現超高溫氣態水存在

發現ROV拍攝的倒置湖仰視圖

熱液溫度探針采集的溫度數據和RiP系統采集的拉曼光譜數據

倒置湖鏡面的形成原理以及“蘑菇型”構造的形成模型

全球已探明的活動熱液區分布以及具有相似結構的熱液區位置

打印 責任編輯:葉瑞優

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