科研人員手握的「探海神針」 可一探「水晶宮」

日前，我國新一代遠洋綜合科考船「科學」號在執行中科院海洋先導專項的航次中，船上搭載的「發現」號遙控無人潛水器攜帶我國自主研發的拉曼光譜探針，在我國南海海域首次發現了裸露在海底的「可燃冰」，並證實其為天然氣水合物。

其中，拉曼光譜探針發揮了重要作用。這套插入式深海原位拉曼光譜探針系統（Ramaninsertion Probe，RiP）主要由水下主耐壓艙及適用於不同探測對象的探針組成，為國內首創。

以往對深海極端環境的探測大多是採取先取樣，然後帶回實驗室進性分析的方法。但是，取樣樣品中某些特定的成分（如甲烷、硫化氫等）會隨著溫度、壓力條件的改變而揮發或者分解。更糟糕的是，已有研究表明，即便是通過保壓取樣獲取的樣品，其中的成分與原位真實濃度相差也極大。

RiP系統可以解決上述這些問題。通過更換不同的探針，RiP系統可以在深海原位獲取冷泉區、熱液噴口區、沉積物區等極端區域下的流體、孔隙水、天然氣水合物等目標物的成分組成，這也是RiP系統最大的優勢所在，因此被研發人員稱為「探海神針」。

拉曼光譜是一種分子光譜，反應的分子振動、轉動能級，素有「分子指紋光譜」之稱。入射激光照射到目標物上後，具有拉曼活性的樣品分子與入射激光發生能量轉移，從而發射拉曼光譜信號，通過拉曼信號可以分析樣品分子的分子結構、振動模式等信息。RiP系統是基於拉曼光譜技術的原位探測系統，結合實驗室內建立的定量分析方法，我們不僅可以獲知目標物中的成分組成，還能得到深海極端區域探測目標物的原位濃度。

RiP系統研發後，已經參加中國科學院重大科技基礎設施「科學」號2015、2016、2017三個年度的海洋綜合考察，前往我國南海冷泉區、馬努斯熱液區、沖繩海槽熱液區等海域，隨「發現」號有纜遠程遙控機器人(RemoteOperate Vehicle, ROV)下潛至冷泉噴口、熱液噴口等極端環境下進行原位拉曼光譜採集，已累計下潛近20個潛次，成功獲取數百條原位拉曼光譜。

下面就給大家詳細介紹一下，探海神針這幾年來都從大海里探測到了什麼。

1、高溫熱液噴口流體成分的首次原位探測

熱液噴口，也就是大家俗稱的「海底黑煙囪」。在一定的地質構造下，被加熱的海水攜帶地層深處的物質從熱液噴口泄露至周圍海水中，噴口流體中的硫化物會逐漸在噴口附近形成煙囪體。除了熟知的「黑煙囪」以外（溫度大約300℃或更高，噴溢出的流體成黑色），還存在低溫的「白煙囪」和「黃煙囪」。

由於熱液噴口區域高溫、高壓、高腐蝕性導致的極端環境，對熱液噴口流體進行原位探測面臨巨大挑戰。在2015年南海冷泉-馬努斯熱液綜合航次中，RiP系統搭載熱液探針（Ramaninsertion Probe for Hydrothermal vent, RiP-Hv）隨「發現」號ROV下潛至馬努斯熱液海區熱液噴口，對不同溫度的熱液噴口流體成分進行了原位探測，在國際上首次成功獲取了高達279℃的熱液噴口原位光譜。通過後期數據分析，不僅可以獲悉熱液噴口流體的原位成分與濃度，還可以得到噴口區域的原位pH。

以上數據的獲取，對研究熱液系統的演化、熱液系統的物質能量交換及與周圍環境的相互影響提供了重要的原位數據支持。

2、南海冷泉流體的原位探測與分析

在大陸架陸坡區，由於熱成因或者生物成因的烷烴氣體從底層沉積物中向上滲漏，從而形成冷泉滲漏噴口。滲漏活動將底層的烷烴氣體、硫化氫氣體帶入海水層，進而為化能合成細菌提供了碳源和能量來源，基於此冷泉噴口附近會形成特定的化能合成生態系統。

在2015、2016及2017年「科學」號南海冷泉綜合航次中，RiP系統搭載冷泉探針(Ramaninsertion Probe for Cold seep, RiP-Cs)隨「發現」號ROV下潛至我國南海冷泉噴口區域，對冷泉噴口流體及附近生物群落下覆水進行了原位探測。通過數據分析，獲悉了冷泉流體的主要化學成分，並首次在生物群落下覆水中發現了單質硫的存在。

3、深海沉積物AOM反應的原位探測

由於深海沉積物內部缺氧而導致的特殊環境，會使沉積物內部發生一系列獨特的生物地球化學反應，其中最著名的是甲烷厭氧氧化反應(AnaerobicOxidation of Methane，AOM)。通過該反應，將沉積物中的甲烷厭氧氧化反應和硫酸鹽還原反應關聯到一起，進而將碳循環和硫循環關聯。

在歷年的航次中，RiP系統搭載沉積物探針(Ramaninsertion Probe for Pore water, RiP-Pw)隨「發現」號ROV下潛至我國南海冷泉噴口附近的沉積物附近，成功獲取了不同深度處的沉積物孔隙水的原位拉曼光譜，通過分析發現，可以作為生物化學反應標識物的硫酸根、甲烷的濃度隨深度呈現規律性的變化。這些結果為揭示沉積物中複雜的生物化學反應提供了第一手資料。

4、冷泉噴口附近裸露的天然氣水合物的發現

在較為活躍的冷泉噴口附近，底層沉積物或者自生碳酸鹽裂隙中可能存在天然氣水合物。在之前的航次中，RiP系統搭載天然氣水合物探針(Raman insertion Probe for Gas hydrate, RiP-Gh)隨「發現」號ROV下潛至我國南海冷泉噴口附近，在我國海域首次發現了裸露在表層的天然氣水合物，並通過RiP-Gh獲取的原位拉曼光譜分析了天然氣水合物的成分、水合物類型等物理參數。這對天然氣水合物的形成、分解機制的研究具有重要的參考價值。

以上幾項典型的Rip系統成果，表明RiP系統在深海極端環境原位探測中具有重要意義，為熱液、冷泉區域的環境演化提供重要原位數據支撐，為深海極端環境生物群落的生存機制提供輔助證據，讓我們對深海環境有了進一步認識。我們相信，隨著RiP系統的常態化應用，「探海神針」在探測深海極端環境奧秘的路上將取得越來越多的成果和發現！

來源：中國科學院海洋研究所

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