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《中国科学院海洋研究所研究发现热液低温溢流区气体释放通量是高温喷口区数十倍》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2023-04-18

  • 近日，中国科学院海洋研究所基于自主研制的深海原位拉曼光谱探测系统、深海热液温度探针等原位探测装备，首次发现并证实深海热液低温溢流区的气体释放通量是高温喷口区的10-100倍。该研究近日在国际地学期刊《地质学》（Geology）正式发表。

    热液喷口释放的大量气体（二氧化碳、甲烷、氢气、硫化氢等）为热液极端生态系统提供了能量和物质来源，并在全球海洋化学循环中扮演着重要角色。但是长期以来一直缺乏对热液气体释放通量的有效观测手段，传统保压流体取样的测量方式既无法保证气体浓度测量的准确性，较低的采样效率也制约了通量观测的大范围开展，极大地限制了我们对热液释放物质在极端生态系统供养和全球海洋化学循环中作用的认识。

    为此，中国科学院海洋研究所科研人员基于ROV机器人平台开发了多种海底原位观测探测设备，并建立了一系列热液气体组分的原位定量分析方法，陆续突破了热液气体浓度难以原位观测、喷口流速难以准确测量、热液喷发区域难以厘定评估的技术难题，构建了适用于热液系统释放气体通量评估的原位观测技术体系。

    科研人员以典型弧后热液系统为研究靶区，利用“发现”号ROV搭载的原位观测装备分别对溢流区和高温喷发区开展了大范围的原位探测，获取了14个站位热液流体的原位拉曼光谱、流体温度和流体流速等数据，并基于超短基线定位系统和视频图像分析手段厘定了热液区流体的喷发区域和面积。原位观测数据表明，热液靶区的流体温度和气体组分浓度呈现负相关，低温溢流区流体中溶解态气体浓度是高温集中喷发区的数倍至数十倍。基于原位观测数据对热液区气体释放通量的量化评估表明，低温溢流区的气体释放通量比高温喷发区高10至100倍。

    该研究基于自主构建的原位观探测技术体系的常态化应用，揭示了热液低温溢流区在气体释放通量中的巨大贡献，综合考虑低温溢流区的气体通量、喷发面积、流体温度、流速、地形等因素，可以推断热液低温溢流流体对热液生态系统的贡献很可能远超高温喷发区流体，在未来的热液系统研究中应给予更多关注。该研究不仅打破了研究者对热液溢流区所扮演角色的传统认识，为今后的热液研究提供了全新角度和全新思路，也为全面量化热液区流固界面的物质能量交换研究提供了方法参考和观测样板。

    中国科学院海洋研究所李连福博士为文章第一作者，张鑫研究员为文章通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目联合资助，以及“科学”号、“发现”号ROV运维团队的支持。

    相关成果及链接如下：

    [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.

    https://doi.org/10.1029/2011GL047141

    [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

  • 原文来源：http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202304/t20230410_6728503.html
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    • 发布时间：2023-07-08
    • 近日，国际学术期刊《Journal of Geophysical Research: Oceans》以封面文章形式报道了中国科学院海洋所在西太平洋马努斯弧后盆地的最新研究成果。科研人员通过在超酸性火山-热液系统开展原位综合定量探测和微生物组学分析，发现在全球广泛分布的火山-热液系统中富含氢气，并且孕育了可利用氢气的微生物群落。 深海火山-热液系统主要由海底岩浆挥发性气体与海水直接混合或者海底火山爆发形成，是一种典型的“白烟囱”，并在全球分布广泛。与此同时，火山-热液系统也孕育了独特的生物群落，但是其生物的代谢过程与流体之间的关系尚不明确，而传统“先取样后常温常压的分析”方式会造成热液流体组分和参数发生明显变化，因此开展原位探测，获取流体的原位参数是研究二者关系的重要保障。 因此，中国科学院海洋研究所张鑫研究员团队和孙黎研究员团队开展合作，以西太平洋马努斯弧后盆地DESMOS火山口发育的火山-热液系统为研究靶区，利用“发现”号ROV在该火山口的Onsen喷口区和航次中新发现的Faxian溢流区分别开展了原位拉曼综合探测以及流体和生物的保真取样。结果发现由安山岩组成的Onsen区域形成的超酸性（pH：2.17）高温流体含有大量H2（8.56 mmol/kg）。而同一火山口的Faxian溢流区的中性低温流体却不含H2而富含H2S（7.78 mmol/kg）。针对这一特殊现象，研究团队基于上述原位定量结果和热力学模拟计算，认为两个区域由于海水混合程度的差异发生了不同的流体-岩石相互作用。通过进一步对Onsen和Faxian的样品进行微生物组学分析，发现Onsen和Faxian存在不同的微生物群落，Onsen区域的微生物可以利用氢气，而在Faxian区域微生物主要以氧化硫化氢作为能量来源。这些结果表明，在火山热液系统，即便是同一岩浆来源的流体也会孕育不同的微生物群落。 上述研究发挥了深海激光拉曼原位定量探测的优势，实现了海洋探测技术、海洋地质学、海洋生物学的交叉融合。本航次基于激光拉曼原位定量探测技术，首次报道了火山作用主导的超酸性火山-热液系统的氢气浓度可达到毫摩尔级，并为其孕育的化能生态系统提供了重要的物质来源。以往富氢气流体（毫摩尔级）主要是由超基性岩和基性岩发生蛇纹石化反应形成。大西洋“Lost City”碱性热液系统（流体pH：9~11）由于蛇纹石化反应产生大量氢气（1~15 mmol/kg），为早期生命提供了重要场所，但是全球碱性热液系统目前只有“Lost City”一处，不具有普适性。而地球早期海底火山作用频繁，孕育了广泛分布的酸性火山-热液系统，该研究对我们探索生命起源具有重要的启示意义。 中国科学院海洋研究所特别研究助理席世川和副研究员孙庆磊为文章共同第一作者，张鑫研究员为文章通讯作者，合作作者包括栾振东正高级工程师、杜增丰副研究员、李连福特别研究助理、南方科技大学黄瑞芳博士。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导专项等项目联合资助，以及“科学”号、“发现”号ROV运维团队的支持。 相关成果及链接如下： Xi, S., Sun, Q., Huang, R., Luan, Z., Du, Z., Li, L., & Zhang, X*. (2023). Different magmatic–hydrothermal fluid components support distinct microbial communities: evidence from in situ detection. Journal of Geophysical Research-Oceans, 128, e2023JC019703. https://doi.org/10.1029/2023JC019703
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  • 《中国科学院海洋研究所研究发现冲绳海槽热液区附近岩浆经历了强烈的CO2脱气》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-05-04
    • 冲绳海槽是位于中国东海大陆架外缘的一个新生弧后盆地，广泛发育海底热液活动，其一个典型特征是热液流体高度富含CO2。然而，热液流体中CO2的来源尚不明确。一种可能是流体-岩石相互作用过程中，流体从基底岩石中萃取CO2，但越来越多的研究认为热液流体中的CO2可能直接来自岩浆脱气。尽管如此，目前对冲绳海槽岩浆的脱碳过程缺乏了解，不清楚岩浆能否释放足够的CO2到热液系统。 针对上述问题，中国科学院海洋地质与环境重点实验室曾志刚研究团队与美国伍兹霍尔海洋研究所离子探针实验室Glenn Gaetani团队合作，选取冲绳海槽南部热液区附近的火山岩样品，利用离子探针测试了矿物熔体包裹体及基质玻璃中的挥发分组成（CO2、H2O、S、F、Cl），探讨了岩浆脱气过程。研究发现，火山岩基质玻璃及部分熔体包裹体中的CO2含量非常低（< 10 ppm），CO2含量与水含量呈正相关，基质玻璃中CO2含量甚至低于仪器检出限（< 1 ppm）（图1）。这一方面排除了CO2来自淋滤围岩的可能性，另一方面说明岩浆经历了强烈的CO2脱气过程。据估算，按照此脱碳程度，1 km3的岩浆就能够支持一个高CO2通量（200 mmol/L CO2；流体通量50 L/s）的热液喷口达500年以上。因此，该研究从岩浆脱气角度阐明了岩浆是热液系统CO2潜在的重要供给源。该研究还发现，冲绳海槽岩浆也经历了一定程度的脱硫，但卤素（F和Cl）在岩浆脱气过程中无明显变化，这些认识为探究俯冲带岩浆系统与热液系统之间的物质关联提供了研究支撑。 此外，研究人员联合应用熔体包裹体分析和斜长石水量计估算了冲绳海槽从现代岛弧火山前缘到弧后扩张中心岩浆的水含量及其变化趋势，结合马里亚纳、汤加俯冲带及洋中脊玄武岩数据，发现俯冲带火山岩的H2O/Ce与硼同位素（δ11B）呈良好的正相关关系。硼同位素是俯冲蛇纹岩的有效指示剂，蛇纹岩非常富含水，其被认为是俯冲带流体的重要来源，该相关关系也说明俯冲蛇纹岩流体对弧岩浆的水通量具有重要的贡献。 上述研究成果发表在地学期刊Lithos上，论文第一作者为中国科学院海洋所张玉祥博士，共同通讯作者是张玉祥博士和曾志刚研究员，本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项、山东省自然科学基金等基金项目联合支持。 论文信息： Zhang Y, Gaetani G, Monteleone B, Zeng Z, et al. Pre-eruptive water content and volatile degassing processes in the southern Okinawa Trough magma: Implications for subduction zone water recycling and magmatic contributions to hydrothermal systems. Lithos, 2023, 446-447: 107145, https://doi.org/10.1016/j.lithos.2023.107145.
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