国际首套！我国探海工具箱又添新神器！
2022/12/13 7:00:00 科学大院
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在广袤神秘而人力难至的深海，是一片荒芜的禁区还是充满生机的乐园呢？以往人们普遍认为，在阳光无法到达的深海，生命是难以存续的，然而随着研究的深入，20世纪70年代科学家在海底相继发现热液、冷泉喷口，并且观察到在喷口附近往往伴生繁茂的生物群落。
海底
图片来源：pixabay.com
那么问题来了，在陆地上，“万物生长靠太阳”，而没有阳光的深海，繁茂生物群落的物质和能量又从何而来呢？
海底还有冷泉与热液？
热液喷口，也就是大家俗称的“海底烟囱”(如下图所示)，在一定的地质构造下，被加热的海水携带地层深处的物质从渗漏口泄露至周围海水中，渗漏流体中的硫化物会逐渐在喷口附近形成烟囱体。冷泉喷口，是地层深处的烷烃气体从底层沉积物中沿渗漏通道向上运移并进入海水形成的。
海底热液喷口
图片来源：“发现”号ROV拍摄
由此可见，热液和冷泉的渗漏将地层深处的物质释放到近海底，并为化能合成细菌提供碳源和能量来源，并以此为基础形成繁茂的深海化能合成生态系统。
深海热液(a)、冷泉(b)喷口附近的繁茂生物群落
图片来源：“发现”号ROV拍摄
因为海底热液、冷泉的特殊地质构造，使其成为连接岩石圈、水圈以及生物圈的物质能量通道，在全球范围内的元素循环、地球生命起源、全球气候变化等关键科学领域都具有极为重要的研究价值，对深海冷泉、热液的研究逐渐成为国际深海研究的热点。同时，由于其所处环境的极端性，对深海冷泉、热液的研究也是深海研究的难点。
科学家如何在深海“打地鼠”
以往对深海极端区域的研究大多是采取先取样再带回实验室进行分析的方法，然而取样样品中某些特定的成分如甲烷、硫化氢等会随着外界温度、压力、氧化还原条件的改变而挥发或者分解。更糟糕的是，已有研究表明，即便是通过保真取样获取的样品，其中的成分与原位真实浓度相差也极大。
随着水下潜器以及深海原位探测技术的发展，越来越多的科学家选择将深海探测装备搭载水下潜器(如有缆遥控机器人、载人潜水器、水下自治机器人等)下潜到热液、冷泉喷口附近，进行抵近原位探测。
光谱技术具有无需对样品进行预处理、无损、可多组分同时探测等优点，已被广泛应用于深海目标物的原位探测领域。尤其是拉曼光谱技术，已经成为近几十年来在深海冷泉、热液区域应用最广泛的原位探测技术之一。
国内外已经研发的多套深海激光拉曼光谱探测系统已广泛用于原位检测沉积物孔隙水、冷泉和热液喷口流体、化能合成生物群落内部流体、天然气水合物以及冷泉和热液喷口系统附近的矿物岩石，并且基于获取的珍贵的原位数据形成了许多新发现。
随着对深海热液和冷泉系统研究的深入，科学家逐渐认识到深海热液和冷泉活动在时间和空间上都具有强烈的不均匀性。
在大的空间尺度上，深海热液渗漏活动可以对几千公里外的海水成分产生直接的影响；在小的空间尺度内，由于热液喷口流体和周围海水之间的强烈的物质和热量交换，以及微生物对流体中化学成分的消耗利用，导致周围海水的温度和化学成分在热液喷口几米内具有急剧的梯度变化。在长时间尺度内，深海热液、冷泉渗漏活动会有形成-发育-衰亡的周期；在短时间尺度内，渗漏活动也体现出较为强烈的随机性。
总而言之，站在观测者的角度，海底渗漏活动就犹如被打的那只“地鼠”，通过随机的渗漏通道在随机的时间里将地层中的物质释放到海水中。然而之前研发的深海激光拉曼光谱探测仪，只能采用单一探针对一种目标物(气/液/固)进行间隔式、非连续的探测，无法同时对多类目标物进行连续、长期的原位探测，难以捕捉冷泉和热液系统等高动态和非均匀环境中不同目标之间的潜在联系。
揭秘深海的“金钥匙”
针对这一问题，中国科学院海洋研究所近海底地质过程课题组研发了深海多通道激光拉曼光谱仪(Multi-channel Raman insertion probes system, Multi-RiPs)。
与以往研发的深海激光拉曼光谱探测系统的相同之处是，该系统的主要光学器件依然是组成光谱探测系统的三大法宝——激光器、分光仪和光电传感器。
激光器作为光源，输出光子，经过传输与待测目标物分子相互作用，产生带有目标物成分信息的拉曼信号光子；分光仪负责将拉曼信号光子从纷杂的背景光子、干扰光子中分筛出来，并投射到光电探测器。光电探测器的作用是将拉曼信号光子转变为可供计算机存储、分析、处理的数字电信号。
多通道拉曼光谱探测系统与以往研发的深海激光拉曼光谱探测系统的不同之处是，通过光切换开关实现了对激光器、光谱仪和光电传感器的分时复用。
如下图所示，为了最大程度地提高整体系统的可靠性和稳定性，激光器、光谱仪和光电传感器均通过光纤连接。光切换开关的主要功能是切换激光器、4个拉曼探头之一与光谱仪的连接通路。通过光切换开关连接到激光器和光谱仪的拉曼探头可以使用内部校准模块进行波长和激光波长校准，并且进行待测目标物的拉曼信号激发和收集。光切换开关可以按照预先拟定的时间表将四个拉曼探头一一切换到光路。
多通道拉曼光谱探测系统关键光学器件布局图和光切换开关原理示意图
图片来源：参考文献
因此，四个拉曼探针可以在光切换开关的控制下依次使用关键光学器件(激光、光谱仪等)，从而实现了对关键光学器件的分时复用。Multi-RiPs还采用了宽电压设计(电压匹配范围：20-50 VDC和85-260 VAC)，并兼容在线实时和离线自容2种控制模式，使之能够搭载多类水下潜器(如深海着陆器和有缆遥控水下机器人等)进行深海原位长期探测。
目前，Multi-RiPs已在我国南海冷泉区域大显身手，搭载笔者所在的课题组研发的深海坐底长期观测系统(Long-term Ocean Observation platform, LOOP)以及升级换代后的Mini-LOOP，先后3次布放到我国台西南冷泉区域，并在“发现”号缆控水下机器人(Remote Operated Vehicle, ROV)的辅助下，利用天然的冷泉极端环境开展原位实验和连续长期的光谱探测(如下图所示)。
Multi-RiPs系统在台西南冷泉区域进行长期、连续、原位探测
图片来源：参考文献
小知识
(a)Multi-RiPs系统的四个探针用于原位探测冷泉系统中的四个指定目标；
(b)探针1(RiP-Mr)用于原位探测化能合成生物群落覆盖的自生碳酸盐岩附近的流体；
(c)探针2(RiP-Pw)用于原位探测化能合成生物群落内部的流体；
(d)探测器3(RiP-Gh)用于原位探测富含甲烷的冷泉喷口流体形成的天然气水合物的动态过程；
(e)探针4(RiP-Mr)用于原位探测暴露于周围海水中的自生碳酸盐岩。
Muiti-RiPs系统在我国台西南冷泉区域连续三年的科学应用，获取了冷泉区域多类目标物的原位长期拉曼光谱，这些结果为化能合成生物群落中气体水合物的演化和硫转变途径提供了新的见解，为解析冷泉生态系统生物群落变迁、生活史演替、种群补充机制等重要基础生物学问题及其与环境之间的合作关系提供了重要的第一手数据。
同时，这也将成为回答冷泉关键环境参数与上层水体水动力过程、地质活动关系等科学问题的金钥匙，有望产出一批重大科学发现，提升我国深海冷泉、热液研究领域的国际影响力。
结语
借助先进的深海多通道拉曼光谱探测系统，我们坐在室内便可探查到原本难以企及的深海，实现了对深海极端环境下多个目标物的连续、长期、原位探测，为深海冷泉和热液喷口附近时空不均匀性区域提供了一种新颖的原位多目标探测方法。
在深奥的自然之书面前，人类从未停下探索未知的脚步。
参考文献：
[1] Zengfeng Du, Shichuan Xi, Zhendong Luan, Lianfu Li, Liang Ma, Xiong Zhang, Jianxing Zhang, Chao Lian, Jun Yan, Xin Zhang, 2022. Development and deployment of lander-based multi-channel Raman spectroscopy for in-situ long-term experiments in extreme deep-sea environment. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 190: 103890.
作者：杜增丰 张鑫 作者单位：中国科学院海洋研究所
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