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ROV发现的倒湖倒视图中的水的相态受温度和压力条件的控制。在压力作用下,当温度超过气液分离温度时,液态水转化为气水。在一个大气压下,纯水在100℃下蒸发,这就是中国人饮用“开水”的由来。但在深海高压环境下,海水的气化温度可以达到几百摄氏度。深海是否有大量超高温气水?2018年,中国科学院海洋研究所利用中国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统(RIP)和深海热液温度探头,首次在冰层海底观测到气态水存在的证据。

这项研究结果于5月28日发表在地球科学权威期刊《地球物理研究快报》上。深海热液系统蕴藏着丰富的矿产和基因资源,被认为与生命起源有关,一直受到科学界的关注。相分离是深海热液体系中流体成分分化的过程,对热液化学成分的演化有重要影响。在压力作用下,当流体温度超过两相分离温度时,低密度、低盐度、富气组分的气相将从卤水相中分离出来。然而,由于气相温度在海底上升和喷出过程中迅速下降,气相不能维持在海底以上。在深海热液区,研究人员通过“发现ROV”号的高清摄像机发现了大量“蘑菇”热液烟囱结构形成的倒湖(图1)。

湖水波光粼粼。这是由于温度和密度的巨大差异形成了强烈的反光层,使倒湖表面看起来像一面光滑的镜子。利用深海激光拉曼光谱原位检测系统和深海水热温度探针,对倒湖不同水体进行了采集和拉曼光谱测量。拉曼光谱结果表明,该区倒湖水体呈“三明治”层状结构(图2、图3)。自上而下依次为高温蒸汽相、混合海水相的热液相和正常海水相。温度测量数据表明,在该区水深2180米的情况下,“蘑菇”结构顶部流体温度可达383.3℃,已超过相分离温度378.1℃。

进一步验证了拉曼光谱的测量结果。倒转湖的顶部是气态水,混合了二氧化碳、甲烷、硫化氢和其他气体成分(图2)。由于该区独特的热液烟囱结构,倒湖镜的形成原理和“蘑菇状”构造气水的形成模式能够在该区海底生存。“蘑菇”烟囱结构形成一个半封闭系统,将过热的高温流体与周围的低温海水隔离开来。这种特殊的喷发方式有利于烟囱边缘热液硫化物的沉积,从而减少对海洋环境的影响。金属元素的溶解和迁移受流体密度的控制,因此低密度气相和超临界水热体系在元素分布和硫化物矿化过程中存在明显的差异。

目前,超临界和气相热液喷发系统只在大洋中脊热液区观察到(图4)。与大洋中脊超临界和气相喷发系统相比,弧后热液区观测到的气相热液喷发系统具有更稳定的喷发条件。这种气相热液喷发系统的现场探测有助于揭示这种低密度气相热液喷发系统的热液硫化物成矿过程及其对深海环境的影响。利用国际上最早研制的可直接插入450℃深海热液喷口的分层拉曼探针(RIP),获得了全球活动热液区分布和结构相似的热液区位置。高温热液喷口的现场探测一直是一个热点问题。

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