水的相態受控於其所處的溫度、壓力條件，當溫度超出其所處壓力下氣液分離溫度時，液態水將轉變為氣態水。在一個大氣壓下，純水會在100攝氏度氣化。在深海海底高壓環境中，海水的氣化溫度可達幾百攝氏度，那麼，深海中是否存在大量超高溫的氣態水呢？中科院海洋研究所研究員閻軍課題組給出了答案。

“發現號”ROV深海機器人拍攝的倒置湖仰視圖

在2018年“科學”號科考船深海熱液航次中，利用我國自主研發的深海原位拉曼光譜探針，閻軍課題組在冰冷的海底首次觀測到氣態水存在的證據。5月28日，相關研究成果在《地球物理學研究快報》上正式發表。

深海熱液區的“三明治”倒置湖

深海熱液系統孕育了豐富的礦產和基因資源，更是被認為與生命起源相關，長期以來備受科學界關注。

相分離作用是深海熱液系統流體組分發生分異的過程，對熱液流體化學組分的演化有重要影響。當流體的溫度超過其所處壓力下兩相分離溫度時，低密度、低鹽度、富氣體組分的氣相將與鹵水相分離。但由於氣相在上升和噴出海底的過程中，溫度快速降低，使得蒸汽相無法在海底之上保持。

“當我們路過深海熱液區時，一片閃閃發光的水體吸引了我們。”中科院海洋研究所研究員張鑫告訴《中國科學報》，“我們靠近後，通過’發現號’ROV深海機器人的高清攝像頭發現，大量’蘑菇型’熱液煙囪結構形成了’倒置湖’，湖內充滿大量閃閃發光的水體。”

巨大的溫度、密度差異形成的強烈光反射層，使倒置湖的湖面看起來如同光滑的鏡面一般平整。研究人員立即對倒置湖內水體不同層位進行拉曼光譜採集和溫度測量。

拉曼光譜的測量結果表明，該區域倒置湖內水體呈現“三明治”式分層結構，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。溫度測量數據表明，“蘑菇型”結構頂部流體的溫度最高可達383.3攝氏度，已經超出了該區域2180米水深條件的相分離的溫度——378.1攝氏度。這進一步驗證了拉曼光譜的測量結果，倒置湖內頂部為氣態水並混有CO2、CH4、H2S等氣體組分。

這是我國科學家首次在深海熱液區發現超高溫氣態水。

“大氣泡”被“碗”扣住了

那麼，氣態水為何能在該區域的海底之上存留呢？這得益於該區域獨特的熱液煙囪構造。

“氣態水就是水達到了它的氣化溫度，這就相當於在海底存在一個大氣泡。但這個大氣泡不往上上升，原因是氣態水上面蓋了一層熱液硫化物的礦物，它相當於一個倒扣的碗，把這個氣泡罩住了。”張鑫解釋說。

“蘑菇型”煙囪結構形成了一個半封閉的體系，將過熱的高溫流體與周圍低溫海水隔離。高溫熱液噴發物通過倒置湖的鏡面（氣液界面）向海水中緩慢擴散，這種特殊的噴發模式有利於熱液硫化物在煙囪邊緣沉澱，從而減弱對海洋環境的影響。金屬元素的溶解與運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系統的元素分配和硫化物礦化過程，與常規熱液系統有明顯差異。

當前，超臨界相與氣相熱液噴發系統僅在洋中脊熱液區被觀測到，此次在弧後熱液區觀測到的氣相熱液噴發系統和洋中脊的超臨界相與氣相的噴發系統相比，具備更加穩定的噴發條件。

深海熱液拍照的“金剛鑽”

“對此類氣相熱液噴發系統的原位探測，有助於揭示此類低密度氣相熱液噴發系統的熱液硫化物礦化過程及其對深海環境的影響。”張鑫表示。

記者了解到，高溫熱液噴口的原位探測一直是世界性技術難題，由於苛刻的高溫、高壓、強酸（鹼）和渾濁的流體環境，深海高溫熱液噴口一直被認為是光學鏡頭的禁區。

而這一重大發現的取得，得益於我國自主研發的國際首個可直接插入450攝氏度深海熱液噴口的深海原位拉曼光譜探針的應用。這一拉曼光譜探針成功突破了普通光學鏡頭不耐高溫和防顆粒附著性能差等技術瓶頸，為深海熱液高溫流體地球化學性質研究提供了首個多參數原位光學探測傳感器，為研究熱液流體對海洋環境和全球變化的影響提供了一種新方法。

本報記者廖洋通訊員王敏