冰冷的深海里，怎么會有383.3℃的“氣態(tài)水”？

作者：李連福 張鑫（中國科學(xué)院海洋研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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水是什么樣的？

它是碧波蕩漾的大海，是寒氣逼人的冰塊，還是裊裊升起的水蒸氣……

水蒸氣是看不到的，圖上看到的白煙是水蒸氣液化所形成的（圖片來源：veer圖庫）

水的相態(tài)受控于其所處的溫度、壓力條件，比如在一個(gè)大氣壓下，純水在100℃將轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。但是，如果說“在冰冷的海底有氣態(tài)水”，這里面的每個(gè)字和詞都不難，但連起來，卻讓人有些困惑。提到氣態(tài)水時(shí)似乎總離不開一個(gè)“熱”字，液體在較高氣壓下沸點(diǎn)會上升，在深海海底高壓的環(huán)境下，海水的氣化溫度可達(dá)幾百攝氏度，在深海里真的有氣態(tài)水嗎？

日前，中國科學(xué)院海洋研究所的科學(xué)家在深海熱液區(qū)首次觀測到氣態(tài)水存在的證據(jù)。該成果在地球科學(xué)權(quán)威刊物《地球物理學(xué)研究快報(bào)》上正式發(fā)表（戳“閱讀原文”看論文 ）。

深海里的氣態(tài)水 溫度高達(dá)383.3℃

科學(xué)家是怎么發(fā)現(xiàn)深海中的氣態(tài)水的？其實(shí)這是去探測深海熱液系統(tǒng)時(shí)“無意”中的發(fā)現(xiàn)。

深海熱液系統(tǒng)孕育了豐富的礦產(chǎn)和基因資源，更是被認(rèn)為與生命起源相關(guān)，一直備受科學(xué)界關(guān)注。在2018年“科學(xué)”號科考船深海熱液航次中，研究人員在深海熱液區(qū)，通過“發(fā)現(xiàn)”號ROV的高清攝像頭發(fā)現(xiàn)了奇妙的倒置湖（圖1）。湖內(nèi)充滿大量閃閃發(fā)光的水體。巨大的溫度、密度差異形成的強(qiáng)烈光反射層，使倒置湖的湖面看起來如同光滑的鏡面一般平整。

圖1 “發(fā)現(xiàn)”號ROV拍攝的倒置湖仰視圖

研究人員通過深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)和深海熱液溫度探針對倒置湖內(nèi)水體不同層位進(jìn)行拉曼光譜采集和溫度測量。拉曼光譜的測量結(jié)果表明，該區(qū)域倒置湖內(nèi)水體呈現(xiàn)“三明治”式分層結(jié)構(gòu)，從頂部至底部依次為高溫蒸汽相、熱液流體與海水混合相以及底層的正常海水相。

溫度測量數(shù)據(jù)表明倒置湖頂部流體的溫度最高可達(dá)383.3℃，已經(jīng)超出了該區(qū)域水深（2180m）條件的相分離的溫度（378.1℃），進(jìn)一步驗(yàn)證了拉曼光譜的測量結(jié)果，倒置湖內(nèi)頂部為氣態(tài)水并混有CO2、CH4、H2S等氣體組分（圖2）。

氣態(tài)水也看不見 怎么確定的？

我們都知道水蒸氣是看不到的，那么怎么確定研究人員在深海里發(fā)現(xiàn)的是氣態(tài)水呢？

此次在深海熱液區(qū)觀測到氣態(tài)水存在的證據(jù)主要有以下四點(diǎn)：

1. 溫度數(shù)據(jù)

這是最直接的證據(jù)。判斷流體相態(tài)最主要的參數(shù)就是溫度和壓力，當(dāng)流體所的溫度超出其所處環(huán)境壓力下的氣化溫度時(shí)，液態(tài)必然會向氣態(tài)轉(zhuǎn)化。研究人員測得流體的最高溫度（383.3℃）已經(jīng)超過了該水深條件下海水的氣化溫度（378.1℃）。

后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室分析表明倒置湖內(nèi)流體的鹽度要比海水低得多。鹽度正是控制流體氣化溫度的重要參數(shù)，流體的氣化溫度隨鹽度的增加而升高，也就是說倒置湖內(nèi)流體在該水深下的氣化溫度比海水的更低，而當(dāng)前所測量的倒置湖內(nèi)流體的最高溫度遠(yuǎn)超低鹽度流體的氣化溫度。

圖2 熱液溫度探針采集的溫度數(shù)據(jù)

2. 原位拉曼光譜數(shù)據(jù)

研究人員通過我國自主研發(fā)的深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)采集到多條倒置湖內(nèi)流體的拉曼光譜。水在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)下的拉曼光譜形態(tài)有明顯的區(qū)別，在氣態(tài)條件下水分子的OH伸縮振動(dòng)譜帶的形態(tài)非常尖銳，而此次倒置湖內(nèi)流體的拉曼光譜也表現(xiàn)為這一特征（圖3）。

圖3 RiP系統(tǒng)采集的拉曼光譜數(shù)據(jù)

3. 保壓流體數(shù)據(jù)

本次研究人員不僅對該區(qū)域的流體進(jìn)行了原位綜合探測，還利用自主研發(fā)的保壓流體取樣技術(shù)對倒置湖內(nèi)的流體進(jìn)行了保壓取樣。研究人員從采樣質(zhì)量最好的一瓶保壓流體樣品中分離出大約400毫升氣體組分和20毫升的流體組分。

保壓鋼瓶的體積為150毫升，從鋼瓶中本應(yīng)分出的流體體積約在一百余毫升，卻為何分離出如此之少的流體呢？這主要是因?yàn)槌叵聼嵋毫黧w的密度約為1克/毫升，而380℃左右的氣態(tài)水的密度則小于0.2克/毫升，流體在常溫和高溫下的巨大差異造成從保壓流體取樣器中分離的流體如此之少。

4. 直接觀測

從視頻畫面上可以非常明顯的看到倒置湖鏡面，這是由倒置湖內(nèi)外巨大的密度差異引起的全反射現(xiàn)象所造成的（圖4）。通過下圖（圖5）可以直觀的了解倒置湖鏡面形成的機(jī)制，倒置湖內(nèi)外巨大的密度差異也驗(yàn)證了氣態(tài)水的存在。

圖4 倒置湖鏡面全反射的形成機(jī)制

圖5 倒置湖“蘑菇型”構(gòu)造的形成模型

深海里的氣態(tài)水為什么能夠存在？

氣態(tài)水能夠在該區(qū)域的海底之上存留，得益于該區(qū)域獨(dú)特的“蘑菇型”熱液煙囪構(gòu)造。

海底熱液區(qū)域是海底一種典型的極端環(huán)境，主要由噴口流體和海底下的流體組成。噴口流體普遍高溫，即我們平常所說的海底“黑煙囪”，但也會有中低溫。流體主要由水組成，還含有其他多種化學(xué)成分，如Li、Na、K、Rb、Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Cl等元素。

“黑煙囪”長啥樣↓↓↓

相分離作用是深海熱液系統(tǒng)流體組分發(fā)生分離的過程。當(dāng)流體的溫度超過其所處壓力下兩相分離溫度時(shí)，低密度、低鹽度、富氣體組分的氣相將與鹵水相分離。但由于氣相在上升并噴出海底的過程中，溫度快速降低，使得蒸汽相無法在海底之上保持。

“蘑菇型”煙囪結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)半封閉的體系，將過熱的高溫流體與周圍低溫海水隔離。這就相當(dāng)于在海底存在一個(gè)大的氣泡（氣態(tài)水），但在氣態(tài)水上面覆蓋著熱液硫化物的礦物，它就相當(dāng)于一個(gè)倒扣的碗一樣，把這個(gè)氣泡罩住了，不會上升。

高溫?zé)嵋簢姲l(fā)物通過倒置湖的鏡面（氣液界面）向海水緩慢擴(kuò)散，這種特殊的噴發(fā)模式有利于熱液硫化物在煙囪邊緣沉淀，從而減弱對海洋環(huán)境的影響。金屬元素的溶解與運(yùn)移受到流體密度的控制，因此低密度氣相和超臨界相熱液噴發(fā)系統(tǒng)在元素分配和硫化物礦化過程上與常規(guī)熱液系統(tǒng)有明顯差異。

能發(fā)現(xiàn)深海里的“湖”靠的是什么？

低密度氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)并非首次被發(fā)現(xiàn)，早在幾年前溫度高達(dá)464℃的超臨界熱液噴發(fā)系統(tǒng)就在大西洋中脊被發(fā)現(xiàn)，但之前開展研究困難很大：主要依靠溫度探針和保壓流體取樣的方式，難以做到原位探測；由于此類熱液噴發(fā)系統(tǒng)噴發(fā)十分劇烈，采集到海水混染較少的保壓流體樣品十分困難，同時(shí)保壓取樣技術(shù)僅能保持流體樣品的壓力，無法維持其溫度，因此無法保持樣品的特殊相態(tài)。

而深海原位拉曼光譜測量技術(shù)可以在不改變被測物狀態(tài)和所處環(huán)境的條件下獲取被測物的相態(tài)、組分和含量信息，非常適宜于此類超高溫?zé)嵋簢姲l(fā)系統(tǒng)的測量。此次在深海熱液區(qū)首次觀測到氣態(tài)水存在的證據(jù)正是依托于“發(fā)現(xiàn)”號ROV攜帶的我國自主研發(fā)的深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)（RiP），該系統(tǒng)特制的熱液探針可以直接插入到超高溫的熱液噴口，不僅可以獲取到熱液流體中各組分的含量信息，還可以識別熱液噴發(fā)物的相態(tài)，為研究熱液噴發(fā)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的流體參數(shù)信息。

展望

當(dāng)前，超臨界相與氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)僅在洋中脊熱液區(qū)被觀測到（圖6），此次在弧后熱液區(qū)觀測到的氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)與洋中脊的超臨界相與氣相的噴發(fā)系統(tǒng)相比，具備更加穩(wěn)定的噴發(fā)條件。

圖6 全球已探明的活動(dòng)熱液區(qū)分布以及具有相似結(jié)構(gòu)的熱液區(qū)位置

對此類氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)的原位探測，有助于揭示此類低密度氣相熱液噴發(fā)系統(tǒng)的熱液硫化物礦化過程以及對深海環(huán)境的影響。