近日，國際地學(xué)期刊《Geophysical Research Letters》在線發(fā)表了題為“Direct H2S, HS？ and pH measurements of high-temperature hydrothermal vent fluids with in situ Raman spectroscopy”的文章[1]，報(bào)道了中國科學(xué)院海洋研究所基于自主研制的深海原位拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建了高溫?zé)嵋毫黧w原位pH的測(cè)量方法，并將其應(yīng)用到對(duì)弧后熱液系統(tǒng)的原位探測(cè)研究中，發(fā)現(xiàn)受沉積物影響的高堿度熱液系統(tǒng)高溫流體的原位pH可為堿性。
堿性熱液系統(tǒng)被認(rèn)為是地球生命起源的理想場(chǎng)所，在深海研究中備受關(guān)注，因?yàn)閴A性熱液環(huán)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(xué)滲透的進(jìn)行，但是目前堿性熱液噴口僅發(fā)現(xiàn)于大西洋的Lost City熱液區(qū)[2]。弧后熱液系統(tǒng)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(huán)境下，弧后熱液流體的原位pH是否會(huì)超過中性流體的界限，呈現(xiàn)堿性流體特征呢？
要解答這一疑問，必須獲取熱液噴口準(zhǔn)確的pH參數(shù)，但傳統(tǒng)測(cè)量方式很難獲取熱液噴口準(zhǔn)確的pH值，因?yàn)樗鼧O易受環(huán)境因素影響，傳統(tǒng)先取樣后實(shí)驗(yàn)分析的測(cè)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(cè)量pH參數(shù)，但是拉曼光譜信息可以反映熱液流體中電離平衡物質(zhì)的濃度，基于電離平衡物質(zhì)之間的關(guān)系可以反演熱液流體的pH。
因此，海洋所團(tuán)隊(duì)與北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)開展合作，基于深海極端環(huán)境模擬平臺(tái)開展了H2S-HS-電離平衡體系的定量分析研究（圖1），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(tuán)隊(duì)以典型弧后熱液系統(tǒng)為研究靶區(qū)，利用“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV搭載深海原位拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)開展了對(duì)高溫?zé)嵋簢娍诹黧w組分及pH的原位探測(cè)（圖2），成功獲取到熱液流體中H2S、HS-的原位濃度和pH值，觀測(cè)結(jié)果表明高溫噴口的原位pH值可達(dá)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(xiàn)弱堿性特征，原位pH值比在常溫下測(cè)量的結(jié)果高1.5左右（圖3）。
該研究發(fā)現(xiàn)具有厚沉積物覆蓋的高堿度熱液系統(tǒng)其高溫流體的pH在噴出降溫過程中會(huì)發(fā)生從弱堿性向弱酸性的轉(zhuǎn)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(tǒng)流體的pH為弱酸性，無法真實(shí)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(yīng)控制的熱液區(qū)域，還可能在靠近大陸邊緣的受沉積物顯著影響的熱液區(qū)域普遍存在。
中國科學(xué)院海洋研究所特別研究助理李連福為文章第一作者，張?chǎng)窝芯繂T為文章通訊作者，合作作者包括欒振東正高級(jí)工程師、杜增豐副研究員、席世川博士、北京科技大學(xué)鐘日晨教授和研究生黎子萌。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助，以及“科學(xué)”號(hào)、“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的支持。
相關(guān)論文及鏈接如下：
[1] Li, L., Li, Z., Zhong, R., Du, Z., Luan, Z., Xi, S., & Zhang, X. (2023). Direct H2S, HS？ and pH measurements of high-temperature hydrothermal vent fluids with in situ Raman spectroscopy. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL103195. https://doi.org/10.1029/2023GL103195
[2] Kelley, D. S., Karson, J. A., Fruh-Green, G. L., Yoerger, D. R., Shank, T. M., Butterfield, D. A., ... & Sylva, S. P. (2005). A serpentinite-hosted ecosystem: the Lost City hydrothermal field. Science, 307(5714), 1428-1434.
圖1：可同時(shí)獲取拉曼光譜和pH參數(shù)的深海極端環(huán)境模擬平臺(tái)
圖2：基于“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV搭載的深海原位拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)開展熱液區(qū)綜合探測(cè)
圖3：基于原位拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)獲取的原位H2S-HS-濃度及原位pH值與保壓取樣方式對(duì)比
