如果有一只眼睛，能幫我們一直看到中國南海海底深處，會看到什么？
除了深邃黑暗的海洋，慢慢爬動的潛鎧蝦和海底巖石等，好像還有一團正熊熊燃燒的火焰。
海底會著火？當然不是，那是海洋鉆井平臺的排氣火炬，來自海底深處的天然氣在水幕中化作火光。而這就是被許多人寄予厚望，作為未來理想清潔能源之一的天然氣水合物轉化成的天然氣燃燒的熊熊火焰。
近日，中國科學院海洋研究所（以下簡稱“海洋所”）研究員張鑫團隊，通過在我國南海冷泉區進行了關于氣體水合物的三場原位實驗，成功監測了氣體水合物隨海洋深度的變化過程，相關研究成果發表在《地球化學觀點快報》上，被審稿人高度評價為“是對天然氣水合物地球化學的獨特貢獻”。
《地球化學觀點快報》封面文章 課題組供圖
僅用一根探針就能深潛？
其實，天然氣水合物與全球氣候變化之間的關系“相愛相殺“。雖然它比其他傳統化石燃料排放的污染物少得多，但是由于天然氣水合物主要成分是甲烷氣體，具有較強的溫室效應。如果不加以謹慎處理，可能會進一步加劇全球氣候變化的速度和規模。
對待天然氣水合物，既需增強利用又要時刻警惕，肩負重任的科學家們沒有坐以待斃，早在19世紀，便開始了研究。
漫漫百年，對天然氣水合物的各種理化參數在實驗室內得到了很好的表征，但是由于深海與海面之間的壓力和溫度條件的差異，天然氣水合物樣品的物理性質在采集過程中難免的會發生變化。因此，在樣品回收過程中，天然氣水合物的一些原有性質會被破壞。并且，實驗室中的模擬艙也很難去還原深海復雜的環境條件。因此，急需一種技術能夠在深海原位環境中對天然氣水合物進行直接探測與解譯。
在這種背景下，張鑫團隊創新性研發出拉曼光譜探針，為深海探測提供抓手。
深海原位拉曼光譜系統技術是一項頗具挑戰性的技術，為深海環境中的原位測量和分析提供了重要的手段。
“在這項技術中，激光通過拉曼探針直接接觸天然氣水合物，隔絕了海水的干擾，并與待測樣品發生拉曼散射，通過采集和分析散射光譜，可以獲得關于樣品組分、結構和物理化學性質的有價值信息。”張鑫對《中國科學報》介紹說。
深海原位拉曼光譜系統技術的關鍵在于克服深海環境的極端條件，包括高壓、低溫和鹽度等因素對儀器性能的影響。為應對挑戰，張鑫采用了一系列創新性的設計和工程解決方案，作為第一完成人研制了世界首臺可以直接插入高溫熱液噴口進行原位探測的系列化RiP拉曼光譜探針，可對深海熱液、冷泉、天然氣水合物和沉積物孔隙水進行原位化學成分分析。
就這樣，張鑫帶著他的拉曼光譜探針開始了海洋深潛之路。
藏在貝殼中的可燃冰 課題組供圖
原位模擬天然氣水合物的形成 課題組供圖
小小玻璃杯里暗藏什么？
“能否復現天然氣水合物在原位深海環境中從海底向海面的運移過程呢？“
在通過設備多次利用深海活躍的冷泉噴口表征天然氣水合物形成與演化過程成功，在我國南海區域首次發現裸露在海底的天然氣水合物，并作為部分內容入選中國科協學術會刊發布的2017年中國重大科學、技術和工程進展后，張鑫沒有止步于此，進一步提出了更具挑戰性的問題。
目前，國內外進行的關于天然氣水合物原位實驗的研究，大多是在時間尺度上進行。張鑫在小組內部技術討論會上提到，“我們要讓我們的實驗動起來，充分利用ROV與原位拉曼光譜技術復現天然氣水合物的一個向上運移的動態過程”。
通過進行原位實驗，張鑫注意到，冷泉噴口噴出的氣體很容易在其表面形成一層水合物膜，上升的速度非常快。要想利用ROV追蹤氣體水合物的上升過程是很難的，激光也很難一直保持聚焦在水合物樣品中。
進展陷入瓶頸，團隊也一籌莫展。這時，張鑫突然注意到了手邊的玻璃杯。
“我們為什么不能利用一個透明的容器去接一杯水合物呢？容器底部開放形成一個半封閉的空間，利用ROV的機械臂手持容器模擬一個天然氣水合物的上升過程”。張鑫在團隊討論的時候提到。
說干就干，團隊立馬開始了探索性嘗試。克服無數困難，打破各種瓶頸后，2021年6月份，他們終于在南海陵水冷泉區取得了突破性的進展。
“我們通過利用一個透明的底部開口的半封閉亞克力容器，在陵水活躍的冷泉噴口合成了一罐氣體水合物。氣體水合物樣品在海底靜置一段時間過后，使水合物充分形成，然后利用ROV攜帶氣體水合物樣品，模擬氣體水合物的上升過程，再利用拉曼光譜技術和高清攝像機實時監測氣體水合物的相態與形貌的變化過程。”團隊成員、海洋研究所在讀博士生馬良闡釋著這一過程。
就這樣，小小玻璃杯里暗藏的思想，幫助一整個研究團隊取得了突破性的進展。
拉曼原位實驗監測可燃冰分解過程 課題組供圖
“研究繼續推進！”
指定方向、取得成果，團隊研究一步一個腳印。“我們要不斷創新，還要繼續推進，這是一個研究的空白區域。”
于是，在張鑫帶領下，研究團隊又相繼于2022年5月在南海Site F冷泉區，2022年6月在海馬冷泉區利用不同的冷泉環境進行了關于氣體水合物上升分解的平行實驗。在不同的環境體系下進行原位實驗，力求實驗結果的普適性。
“通過研究，我們發現氣體水合物在海水中上升會經歷三個階段的變化。”張鑫介紹道，“分別是形貌沒有變化但存在氣體逸出過程的亞穩態階段，外圍水合物分解與內部水合物生長共存的第二階段，內部水合物完全分解的第三階段。”
對原位實驗綜合研判后，張鑫發現水合物膜的形成能夠大大增加甲烷氣體的生存能力，攜帶甲烷氣體到達較淺的深度甚至是大氣。“這可能是冷泉噴出流體影響淺層水體或者大氣環境的一種重要運輸方式。”馬良解釋道。
通過這項研究，他們細化了水合物分解過程與海水深度之間的關系，加深了對氣體水合物分解演化機制的理解，并且填補了天然氣水合物原位上升過程數據缺失的空白。此外，該研究還得到了期刊編輯與審稿人的高度評價“此研究是對天然氣水合物地球化學的獨特貢獻”。
“我們要把實驗搬到海底去，開發出更高效的技術方法去在海底直接做研究，為我國的深海探測研究奠定基礎。”面對廣袤的神秘海洋，張鑫對研究滿懷希望。
相關論文信息：https://doi.org/10.7185/geochemlet.2327
本文鏈接：從一根“探針”到一座“海底實驗室”http://www.lensthegame.com/show-11-1798-0.html
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