深海热液喷口流体中溶解气体的激光拉曼光谱原位定量分析

来源 :中国科学院大学(中国科学院海洋研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:matianxiang87
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深海热液系统每年向海水释放大量的气体组分,不仅为热液生态系统提供了能量来源,同时也会显著改变周围海水的化学组成和特征。由于热液流体严苛的温度、压力条件,使得难以直接获取高温喷口流体中气体组分的含量。而通过保压流体取样技术先采样后实验室分析的测量方式,不仅探测效率低下,也无法避免采样和样品处理过程中气体组分的损失,造成极大的测量误差。激光拉曼光谱测量技术因其非侵入、非破坏、无需样品前处理、快速检测等一系列优势非常适宜于深海热液高温喷口流体中气体组分的测量。本文通过深海原位探测结合实验室内高温高压模拟的手段建立了一套适用于热液流体中主要气体组分(H2、CO2、CH4)的拉曼光谱定量分析方法。基于此方法对冲绳海槽热液区的多个高温喷口的热液流体中气体组分进行了定量分析。综合上述研究得到以下几点结论:(1)水的OH伸缩振动谱带对温度、盐度的变化较为敏感,可用于热液流体的温度的反演。通过对比OH伸缩振动谱带反演的流体温度与温度传感器所测喷口处流体温度的差异,可以反映拉曼光谱测量时海水的混染情况。这可以为原位拉曼探测时热液探针的深海作业提供参考和指导。(2)通过高温、高压模拟实验建立的SO42-、CO2、CH4、H2等组分的拉曼定量模型均表现为线性,且线性回归性均较好,适宜于深海热液高温喷口流体的原位拉曼光谱定量分析。经定量模型确定的SO42-的浓度可用于热液喷口流体中CO2、CH4、H2等气体组分的端元值浓度计算。(3)原位拉曼光谱的测量结果显示冲绳海槽热液区喷口流体普遍遭受了不同程度的相分离作用。由于相分离作用的控制,在较小区域内的不同喷口在气体组分的含量上有巨大差异。(4)同一热液喷口,原位拉曼光谱对CO2、CH4的测量结果大约是传统保压方式测量的结果的1.5至4倍。这指示了由于测量技术的限制,热液系统释放气体的通量很可能被大大低估。高效率的原位拉曼光谱探测在热液系统释放气体组分通量的研究中具有突出优势。(5)在冲绳海槽的南部Yokosuka site热液区利用深海激光拉曼光谱测量技术不仅确定了热液流体中各气体组分的浓度,还识别出倒置湖内喷发物的相态。根据现有的数据可以推测低密度气态热液喷发系统在全球各种地质背景下广泛分布,其在流体化学和成矿过程上与正常热液系统有很大区别,在未来的研究中应给予更多关注。
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