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【科普秀】“发现”号探秘南海冷泉 解密世界海

  7月24日,我国新一代远洋综合科考船“科学”号搭载的“发现”号遥控无人潜水器在南海一冷泉区下潜作业,目标是采集冷泉区生物,寻找冷泉喷口。 什么是冷泉?为什么人们叫它“冷泉”呢?为什么要研究冷泉?

  当日,我国新一代远洋综合科考船“科学”号搭载的“发现”号遥控无人潜水器在南海一冷泉区下潜作业,目标是采集冷泉区生物,寻找冷泉喷口。

  此外,我国自主研发的自治式水下机器人“探索”号,7月24日在南海北部开展首次试验性应用,预计水下作业时间20小时。

  “科学”号正在南海执行中国科学院战略性先导专项“热带西太平洋关键区域海洋系统物质能量交换”2017年南海综合考察航次。

  冷泉是一种以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分,温度较低,与海水温度相近的流体,主要分布在被动陆缘和主动陆缘斜坡海底沉积面之下。

  冷泉是继海底热液之后的又一重大发现,二者都反映了海底的极端环境,但同时在这种环境中又生活了大量的生物,是目前地球科学的研究热点。

  1983年,在墨西哥湾佛罗里达陡崖3200m深发现海底冷泉(海底天然气渗漏)特征及其相关产物。1984年,在俄勒冈州岸边俯冲区又发现了甲烷渗透流,之后在太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋活动和被动大陆边缘1400~3500m深处发现了数十个冷泉。

  在我国,已经初步确认的近海冷泉区主要有7个,东海仅发现冲绳海槽1个冷泉区,南海海域分布6个,包括台西南海域、东沙群岛西南海域、东沙群岛东北海域、神狐海域、南沙海槽和西沙海槽海区。

  2015年3月,首次在珠江口盆地发现的“海马冷泉”具有非常重要的意义,之后的研究对它的分布范围、地形地貌、生物群落、自生碳酸盐岩及流体活动特征等有了更加准确的认识。随着勘探的不断深入,全球冷泉越来越多地被发现,目前研究程度最深的冷泉区域包括阿留申群岛、卡斯卡迪亚、巴巴多斯、俄勒冈州沿岸和墨西哥湾等地区。

  来自海底沉积界面之下的以水、碳氢化合物 (天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分的流体以喷涌或渗漏方式从海底溢出,并产生系列的物理、化学及生物作用,这种作用及其产物称为冷泉。既然海底热泉是热的,那么冷泉也是冷的喽?其实,海底冷泉的温度与周围海水温度相近,约2~4℃。冷泉常呈线性群产出,主要集中在断层和裂隙较发育地区,经常伴随着大量自生碳酸盐岩、生物群落、泥火山、麻坑、泥底辟等较为宏观的地质现象。

  冷泉的流体可能来自于下部地层中长期存在的油气系统,也可能是海底天然气水合物分解释放的烃类(CH4等)。因此,当上述因素出现时,流体会沿着泥火山、构造面或沉积物裂隙向上运移和排放,便会形成甲烷冷泉。根据冷泉流体溢出速度的不同,将其分为快速冷泉和慢速冷泉。快速冷泉常产自泥火山,流体为富甲烷的流体携带大量细粒沉积物;慢速冷泉流体富油或气,在空间上快速和慢速冷泉常过渡伴生。冷泉流体的流量在时间和空间上也是不断变化的,控制因素主要有潮汐作用、构造作用、孔隙流体与海水的浓度差产生的对流、生物泵作用(海底生物活动改造流体的流动方式)等。

  冷泉生物系统是指示海底冷泉非常直接的标志。甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌参与到冷泉流体中的甲烷与硫酸根离子的缺氧甲烷氧化反应中,为化能自养生物提供了碳源和能量,成为冷泉生态系的初级生产者。在其基础上又发育着菌席和深海双壳类(贻贝类和蛤类)及蠕虫(管状群蠕虫和冰蠕虫)多毛类动物以及海星、海胆、海虾等一级消费者,其中管状蠕虫只出现在冷泉流速较低的环境。二级消费者有鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等。所以冷泉活动区域一般都是海底生命极度活跃的地方,和热液生态系统并称为“深海绿洲”。

  全球海洋环境中可能发育有900多处海底冷泉活动区,每年释放大量 CO2 和 CH4 等烃类气体到大气中,而 CH4 的温室效应是相同质量 CO2 的20倍以上,因此是全球变化的重要影响因子。我国近海冷泉区主要有 7个,其中南海海域分布6个,东海冲绳海槽1个。2015年“海马”号 ROV 在珠江口盆地西部海域发现了海底巨型活动性“冷泉”,被命名为“海马冷泉”。该冷泉浅表层富含天然气水合物、自生碳酸盐岩大量出露、冷泉生物群广泛发育,是非常典型冷泉系统。

  研究冷泉具有重要的科研意义。冷泉是探寻天然气水合物的重要标志之一;冷泉生态系统是研究地球深部生物圈的窗口;冷泉溢出的 CH4 和 CO2 是可能造成全球气候变化的重要因素;同时,研究全球圈层相互作用和全球变化也是科学前沿之一。

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