海洋所發現弧后深海熱液系統存在堿性黑煙囪

近日，中國科學院海洋研究所研究人員在《地球物理快報》（Geophysical Research Letters）上在線發表題為Direct H₂S, HS^- and pH measurements of high-temperature hydrothermal vent fluids with in situ Raman spectroscopy的文章，報道了基于自主研制的深海原位拉曼光譜探測系統構建了高溫熱液流體原位pH的測量方法，并將其應用到對弧后熱液系統的原位探測研究中，發現受沉積物影響的高堿度熱液系統高溫流體的原位pH可為堿性。

堿性熱液系統被認為是地球生命起源的理想場所，在深海研究中備受關注，因為堿性熱液環境可以為地球早期生命的形成提供理想的離子梯度條件，有利于化學滲透的進行，但是目前堿性熱液噴口僅發現于大西洋的Lost City熱液區。弧后熱液系統的堿度較高，其流體的pH值明顯高于洋中脊的熱液流體，那么在高溫噴口環境下，弧后熱液流體的原位pH是否會超過中性流體的界限，呈現堿性流體特征呢？

要解答這一疑問，必須獲取熱液噴口準確的pH參數，但傳統測量方式很難獲取熱液噴口準確的pH值，因為它極易受環境因素影響，傳統先取樣后實驗分析的測量方式不可避免的造成流體溫度變化，引起礦物沉淀和電離平衡的改變，這將顯著影響熱液流體的pH。盡管拉曼光譜無法直接測量pH參數，但是拉曼光譜信息可以反映熱液流體中電離平衡物質的濃度，基于電離平衡物質之間的關系可以反演熱液流體的pH。

因此，中國科學院海洋研究所團隊與北京科技大學團隊開展合作，基于深海極端環境模擬平臺開展了H₂S-HS^-電離平衡體系的定量分析研究（圖2），分別建立了H₂S、HS^-在高溫高壓條件下的拉曼定量分析模型和熱液原位pH反演模型。研究團隊以典型弧后熱液系統為研究靶區，利用“發現”號ROV搭載深海原位拉曼光譜探測系統開展了對高溫熱液噴口流體組分及pH的原位探測（圖3），成功獲取到熱液流體中H₂S、HS^-的原位濃度和pH值，觀測結果表明高溫噴口的原位pH值可達6.3，已超過中性流體在該噴口溫度壓力下的pH值（5.6），呈現弱堿性特征，原位pH值比在常溫下測量的結果高1.5左右（圖4）。

該研究發現具有厚沉積物覆蓋的高堿度熱液系統的高溫流體的pH在噴出降溫過程中會發生從弱堿性向弱酸性的轉變，流體酸性的增加是由于與海水混合過程中硫化物礦物的沉淀釋放了更多的氫離子，因此利用保壓流體取樣方式獲取的弧后熱液系統流體的pH為弱酸性，無法真實反映其高溫噴口流體為弱堿性的特征。該研究表明堿性熱液噴口不僅存在于Lost City這種受蛇紋石化反應控制的熱液區域，還可能在靠近大陸邊緣的受沉積物顯著影響的熱液區域普遍存在。

相關研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（A類）等項目的支持。

圖1 期刊封面

圖2 可同時獲取拉曼光譜和pH參數的深海極端環境模擬平臺

圖3 基于“發現”號ROV搭載的深海原位拉曼光譜探測系統開展熱液區綜合探測

圖4 基于原位拉曼光譜探測系統獲取的原位H₂S-HS^-濃度及原位pH值與保壓取樣方式對比