深海高溫熱液噴口流體原位拉曼定量探測獲新突破

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時間:2018-08-03  來源:海洋地質與環境重點實驗室,深海中心文本大小:【 |  | 】  【打印

   近日,國際地學期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems以封面研究論文形式刊發了中國科學院海洋大科學研究中心閻軍研究員團隊、李超倫研究員團隊在深海熱液系統原位拉曼光譜定量探測方面的最新成果。團隊基于自主研發的深海原位激光拉曼光譜探測系統(Raman insertion probe-RiP)對沖繩海槽中部熱液區的高溫熱液流體進行原位拉曼光譜定量探測,在國際上首次獲得高溫熱液流體中溶解二氧化碳及硫酸根離子的原位濃度。 

 

刊物封面

  深海熱液系統作為20世紀地球科學重大發現,溝通了不同圈層之間的物質能量交換。近年來,高溫熱液噴口流體理化性質及其對大洋環境影響已成為熱液活動新的研究熱點。溫度、壓力變化以及海水混入的影響會明顯改變熱液噴口流體的化學成分或濃度,盡管科學家使用保真取樣方法進行實驗室分析取得了較為貼近的數據,但由于取樣方法的限制而一直無法獲取高溫熱液噴口內流體的準確樣本,造成分析數據與實際仍有明顯差異。研究團隊攻克了光學鏡頭耐高溫和高濃度顆粒附著對光學系統的影響等國際技術難題,成功研制了國際首臺耐高溫(450oC)的熱液流體拉曼光譜探針-RiPXin Zhang et al., DSR-I, 2017)。該系統自2015年以來依托“科學”號科考船和“發現”號深海纜控潛器(ROV)對馬努斯熱液區、沖繩海槽熱液區的高溫熱液噴口進行了原位拉曼光譜探測,采集到大量原位光譜數據。 

  本成果基于2016年“科學”號熱液冷泉綜合航次獲得的沖繩海槽中部熱液區三個高溫熱液噴口流體的原位拉曼光譜(最高273oC),結合實驗室內大量高溫模擬實驗建立的CO2SO42-的拉曼光譜定量分析模型(Lianfu Li, Xin Zhang*, et al., Applied Spectroscopy, 2018; Shichuan Xi, Xin Zhang*, et al., Applied Spectroscopy, 2018),成功確定了沖繩海槽中部熱液噴口流體中CO2SO42-的濃度 (Lianfu Li, Xin Zhang*, et al., G-cubed, 2018) 。研究發現,硫酸根含量作為海水混入程度的指標,在所測高溫熱液流體中的含量幾乎為零,證明原位拉曼探測系統采集的熱液流體中并未發生海水混入,即所測樣本代表原始的熱液流體噴出物。通過對比ROV在同一熱液噴口保壓取樣方法測量的二氧化碳濃度發現,原位測量的濃度可高出保壓取樣實驗室測試濃度的三倍以上。基于該成果可以認為熱液活動對全球碳循環以及氣候變化的影響很有可能被大大低估。該研究對于推動原位光譜探測技術在深海極端環境下的應用具有重要意義,有助于重新認識熱液活動對全球海洋環境的影響。 

原位拉曼光譜數據獲得的二氧化碳、硫酸根離子濃度數據與傳統保壓方式獲得的數據對比

(紅色符號代表二氧化碳,黑色符號代表硫酸根) 

  本研究得到了國家自然科學基金、中國科學院海洋先導專項、中國科學院前沿科學重點研究項目的資助,博士研究生李連福為論文第一作者,張鑫研究員為通訊作者。 

  Lianfu Li, Xin Zhang*, Zhendong Luan, Zengfeng Du, Shichuan Xi, Bing Wang,Lei Cao, Chao Lian, and 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, 1809-1823 

    

  原文鏈接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018GC007445 

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