近日，中國科學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、深海熱液溫度探針等原位探測裝備，首次發現并證實深海熱液低溫溢流區的氣體釋放通量是高溫噴口區的10-100倍。該研究近日在國際地學期刊《地質學》（Geology）正式發表。
熱液噴口釋放的大量氣體（二氧化碳、甲烷、氫氣、硫化氫等）為熱液極端生態系統提供了能量和物質來源，并在全球海洋化學循環中扮演著重要角色。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，傳統保壓流體取樣的測量方式既無法保證氣體濃度測量的準確性，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在極端生態系統供養和全球海洋化學循環中作用的認識。
為此，中國科學院海洋研究所科研人員基于ROV機器人平臺開發了多種海底原位觀測探測設備，并建立了一系列熱液氣體組分的原位定量分析方法，陸續突破了熱液氣體濃度難以原位觀測、噴口流速難以準確測量、熱液噴發區域難以厘定評估的技術難題，構建了適用于熱液系統釋放氣體通量評估的原位觀測技術體系。
基于“發現”號ROV搭載的海底原位觀測裝備開展熱液區綜合探測
科研人員以典型弧后熱液系統為研究靶區，利用“發現”號ROV搭載的原位觀測裝備分別對溢流區和高溫噴發區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據，并基于超短基線定位系統和視頻圖像分析手段厘定了熱液區流體的噴發區域和面積。原位觀測數據表明，熱液靶區的流體溫度和氣體組分濃度呈現負相關，低溫溢流區流體中溶解態氣體濃度是高溫集中噴發區的數倍至數十倍?；谠挥^測數據對熱液區氣體釋放通量的量化評估表明，低溫溢流區的氣體釋放通量比高溫噴發區高10至100倍。
以典型弧后熱液區為靶區開展綜合原位觀測的站位位置
基于原位觀測數據計算的熱液區的氣體釋放通量
該研究基于自主構建的原位觀探測技術體系的常態化應用，揭示了熱液低溫溢流區在氣體釋放通量中的巨大貢獻，綜合考慮低溫溢流區的氣體通量、噴發面積、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系統的貢獻很可能遠超高溫噴發區流體，在未來的熱液系統研究中應給予更多關注。該研究不僅打破了研究者對熱液溢流區所扮演角色的傳統認識，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流固界面的物質能量交換研究提供了方法參考和觀測樣板。
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中國科學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基金、中科院戰略性先導科技專項等項目聯合資助，以及“科學”號、“發現”號ROV運維團隊的支持。
相關成果及鏈接如下：
[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.
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[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
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