中科院海洋所解决深海热液原位探测难题

2018-12-10 09:32:49来源:青岛晚报

原标题:潜龙在渊探测深海古生物

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海底热液喷口。

深海蕴藏丰富资源,但开采和研究一直困扰着全世界的科研人员。而中科院海洋研究所的研究人员则利用激光拉曼光谱探针成功确定了一个直径约30cm的可燃冰泉眼的科学研究,为科学界作出了一个深海热液原位探测的 “世界级攻略”。

遭遇两项国际技术难题

海底热液口附近孕育着极端环境下独特的生物群落,深海热液喷口及其生态系统的研究也具有极其重要的科学意义和经济价值。研究深海热液,热液样品采集是一种常用的探测方法。据悉,此前科考队获取深海样品后,航行数千海里带回实验室研究,耗时长,航行中一旦样品的微环境遭到破坏,将对研究造成致命打击,总体研究效率较低。

为解决这些“老大难”问题,从2008年开始,中科院海洋研究所特聘研究员张鑫一直致力于深海热液探测技术的攻关,与团队试错无数。屡败屡战始终基于一个理念:与其研制高性能的热液保真采样器,不如尝试原位实时探测深海的技术,使探测信号可实时传输到甲板上。他想到,利用拉曼光谱可以同时获取热液流体中主要的溶解气体和阴离子信号,这样就有可能借助光谱信号获得多参数的热液化学指标。然而事情没那么简单,利用拉曼技术实现原位实时探测面临两项国际技术难题:难点之一是没有耐高温的光学探头,之二是高温热液流体中的矿物颗粒很容易附着在镜头上。

技术突破实现热液区探测

不知尝试了多少个办法,失败了多少次,最终,张鑫及其团队成功在镜头中增加缓慢加热装置,制作出耐高温的探头;同时,利用高温过滤技术,在热液流体进入探测仓前过滤掉矿物颗粒,逐步克服世界难题,实现自主设计研发。至此,探针解决了深海热液探测的环境问题,采集到了深海热液的拉曼光谱,但这只是走向成功的第一步。当时,国际范围内尚无应用激光拉曼光谱理论的定量分析实践,应用较广泛的定性分析对本研究提供的借鉴较少,所以开发适合深海原位探测的拉曼光谱定量分析才是关键。第一步要解决的就是如何将采集到的拉曼光谱信息转化为科研数据的难题。

张鑫介绍,该研究的另一项重大成果就是基于深海原位激光拉曼光谱自主研发出一套“计算公式”。研究团队根据深海流体的常见成分分别设计了定量分析方法,这些分析方法都经过了严格的科学验证。可以说,科研团队对该系统完成了全链条的研发与应用,包括仪器研制、定量方法建立、海上原位探测应用、深海数据解释和科学发现。

有望搭载在“蛟龙”号上

此后,研发团队还应用该探头进行了冷泉探测。利用该探针,科研团队在南海冷泉区顺利地找到冷泉口,原位收集足够量的天然气水合物后,进行了实时成分分析。据了解,研发团队接下来将从系统稳定性、可靠性、可操作性、光谱数据自动分析等多方面加以改进,提高探头的效率和精度,未来该探头还有望搭载在 “蛟龙”和6000米深海科考型ROV等不同类型的深海作业平台。张鑫透露,研发任务依旧很重,热液硫化物等固体矿物、生物、微生物的原位探测尚待开展和验证。而除了继续扩展使用领域以外,张鑫还希望将探头产品化。 “让其他科学家一起使用,是我们的终极目标。 ”张鑫说。

青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 王伟

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为什么要探测深海热液区?

海底沿着地壳裂口逐渐形成热液喷口,海水沿裂隙向下渗流,受岩浆热源的加热,再集中向上流动,并喷发,形成了深海热液喷口。目前已知的深海热液喷口有150多个,多形成 “烟囱”,根据海底热液温度及喷出的矿物成分,一般将海底热液烟囱划分为黑烟囱、白烟囱和低温喷口。

深海环境一直被认为是生命的禁区,因为缺乏食物来源。然而,在世界各地深海底黑烟囱喷口周围,却发现了繁荣的生物群落。其中,黑烟囱周围高温环境广泛存在古菌,基因组测序表明,它们为古老生命的孑遗,是靠近生命源头的共同祖先,这对研究生物物种的起源等具有重大意义。另外,黑烟囱周围出现丰富的生物类型,特别是极端环境下的高温微生物,以其独特的生物多样性和极高生存密度,成为未来宝贵的生物基因和医药资源,具有难以估价的生物化学和医学价值。除此之外,海底黑烟囱周围的硫化物矿体具富集程度高、贵金属含量高、成矿过程快的特点。因此,黑烟囱形成大量具有经济价值的矿产,包括多种硫化物(黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等),还有大量的硫酸盐(重晶石、硬石膏)。目前,已在海底发现许多达百万吨级以上规模的金属硫化物。另外,在西南太平洋海盆中黑烟囱上发现原生自然金颗粒,在新西兰海湾的热液喷口还发现天然水银等。

 

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