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深海热液原位探测的“世界级攻略”

深海热液原位探测的“世界级攻略”

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  • 发布时间:2019-01-17 00:00
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近日,中科院海洋研究所张鑫团队成功突破深海热液探测国际技术难题,利用激光拉曼光谱探针成功设计了一个直径约30厘米的可燃冰泉眼的定量分析方法。

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重要的科学意义和经济价值。

而要研究深海热液,热液样品采集是一种常用的探测方法。但是,取样后的“千里传递”使得总体研究效率很低。

邂逅国际技术难题

国家深海基地管理中心调查部副主任杨耀民介绍,此前科考队获取深海样品后,需航行数千海里带回实验室研究,耗时长,而且,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。

为解决这些“老大难”问题,从2008年开始,中科院海洋研究所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。

张鑫想到,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:没有耐高温的光学探头;高温热液流体中的矿物颗粒很容易附着在镜头上。

张鑫告诉《中国科学报》记者,当时他远在美国的导师、领域内知名科学家也认为这是不可能做成的。

再难也不过是遇水搭桥

不知尝试了多少办法,失败了多少次,最终,张鑫团队成功在镜头中增加缓慢加热装置,制作出耐高温探头;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。

“怎么想到的?这都是遇水搭桥的事情。”张鑫说。

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。

兼顾冷泉探测

此后,研发团队还应用该探头进行了冷泉探测。中国科学院沈阳自动化所副所长李硕表示,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。

“分析工作结束后,关闭探针搭载机器人的光源的那一刻,探针探头发出的激光照到水合物上,在海底呈现出神秘而富有生气的景象,令人至今难忘。”李硕说。

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。

但是,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。

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