热液区与冷泉区探测研究的新成果
（一）探测调查热液区地质状况的新信息
1．在大西洋探测热液区的新进展
我国科考队在南大西洋洋中脊发现热液区。[42]2012年11月2日，《中国科学报》报道，今天从中国大洋协会获悉，当地时间11月1日凌晨，正在执行科考任务的“大洋”一号，在南大西洋洋中脊发现一处海底热液活动区，并获取1.2吨多金属硫化物样品。这是我国大洋多金属硫化物资源调查历史上，单次成功获得多金属硫化物样品量最多的一次，也是获取样品类型最为丰富的作业之一。
本次获取的样品类型主要有多金属硫化物烟囱、块状硫化物和多金属软泥，还获得一只长约14厘米的珍贵盲蟹生物样品。本区样品的成功获取，为我国在该区域进一步开展资源、环境调查和科学研究奠定了基础，为矿区的圈定提供了丰富的资料。
首席科学家杨耀明介绍，在本次科考剩余作业时间里，除计划利用电视抓斗获取多金属硫化物、基底岩石样品外，还计划选择距洋中脊较远、沉积较厚、成矿条件有利区域，利用电视多管或重力柱状取样器设备获取柱状沉积物样品，这将是我国对年龄较老和不活动热液区开展的首次探测。
2．在太平洋探测热液区的新进展
⑴在西太平洋冲绳海槽发现海底热液区黑烟囱线索。[43]2014年4月17日，《科技日报》报道，我国最新一代科考船“科学”号当天在西太平洋冲绳海槽进行综合科考时，利用其搭载的水下有缆遥控潜水器发现了海底热液区黑烟囱的线索，在一些海底火山口发现了阿尔文虾和毛瓷蟹等聚集的群落。
黑烟囱是一种独特的海底热液系统，周边存在着不依赖光合作用的生物群落。“科学”号科考船第一航段的科考任务即是寻找海底热液区黑烟囱。海底黑烟囱也叫海底热泉，和冷泉相对应，它们是地壳活动在海底反映出来的现象，多分布在地壳张裂或薄弱的地方，如大洋中脊的裂谷、海底断裂带和海底火山附近。按照万物生长靠太阳的常识，在海底深部，没有阳光并且是高温区域，还能存在生物群落，的确让人不可思议。
据介绍，海底热液区黑烟囱附近通常温度在300℃左右，在大西洋的大洋中脊裂谷底，其热泉水温度最高可达400℃。因其在海底看上去蒸汽腾腾，烟雾缭绕，烟囱林立，好像重工业基地一样而被称作黑烟囱。在“烟囱”中有大量生物围绕着烟囱生存。烟囱里冒出的烟的颜色大不相同。有的烟呈黑色，有的烟是白色的，还有清淡如暮霭的轻烟。
⑵发现冲绳海槽热液区喷口竟是“天然发电厂”。 [44]2017年5月，日本国立海洋研究开发机构一个研究团队，在《应用化学国际版》杂志网络版发表成果称，他们在西太平洋冲绳海槽的深海热液喷出区域进行电化学测定时，发现了海底的自然发电现象，为在深海寻找利用电能的微生物生态系统提供了线索。
海底热液喷口，有大量金属离子和易于释放出电子的硫化氢、氢气和甲烷等气体随热水喷出，形成硫化矿物沉淀。2013年，研究团队发现，这些硫化矿物具有较高的导电性和化学反应催化剂活性，可作为电极利用，并设想深海热液喷口可以产生电流。为了验证这一想法，他们在冲绳海槽的深海热液喷口附近进行了现场电化学测定，并将矿物样品带回实验室分析。
现场测定发现，硫化矿物表面呈电子易于释放状态。而在实验室对样品进行分析表明，硫化矿物在热水和海水之间主要起导电体作用，其本身变质引起的电子转移作用较小。研究结果说明，在活跃的海底热液喷口，广泛而自发性地发生着电子从热水向海水传递而产生电流的现象。
此次确认的自然发电现象，明显对周围能量和物质循环具有影响，特别是对微生物生态系统及生物矿物的相互作用影响重大。近年来，有报告称存在吸收电能和依靠电能生活的微生物，微生物的新能力受到瞩目。此次发现深海热液喷出区域具有“天然发电厂”的功能，因此，海底可能存在利用电能的微生物生态系统。科学家一直相信，深海热液喷口是地球上生命起源最有希望的候选地。电可以促进各种有机化学反应，深海热液喷口的发电现象，或许能越过至今无法说明的多重障碍，揭开地球上生命诞生之谜。
⑶揭示西太平洋深海热液低温溢流区气体释放通量。[45]2023年4月，中国科学院海洋研究所一个研究团队，在《地质学》发表研究成果称，他们基于自主研制的深海原位拉曼光谱探测系统、深海热液温度探针等装备，首次发现并证实深海热液低温溢流区的气体释放通量，远远大于高温喷口区。
热液喷口释放的二氧化碳、甲烷、氢气、硫化氢等大量气体，为热液极端生态系统提供了能量和物质来源，并在全球海洋化学循环中扮演着重要角色。但是长期以来一直缺乏对热液气体释放通量的有效观测手段，传统保压流体取样的测量方式，既无法保证气体浓度测量的准确性，较低的采样效率也制约了通量观测的大范围开展，大大限制了对热液释放物质在极端生态系统供养，以及全球海洋化学循环中作用的认识。
为此，研究团队基于无人遥控潜水器平台，开发出多种海底原位观测探测设备，并建立一系列热液气体组分的原位定量分析方法，陆续突破热液气体浓度难以原位观测、喷口流速难以准确测量、热液喷发区域难以厘定评估的技术难题，构建起适用于热液系统释放气体通量评估的原位观测技术体系。
研究人员以典型弧后热液系统为研究靶区，利用“发现”号潜水器搭载的原位观测装备，分别对溢流区和高温喷发区开展了大范围的原位探测，获取了14个站位热液流体的原位拉曼光谱、流体温度和流体流速等数据，并基于超短基线定位系统和视频图像分析手段，厘定热液区流体的喷发区域和面积。
原位观测数据表明，热液靶区的流体温度和气体组分浓度呈现负相关，低温溢流区流体中溶解态气体浓度，是高温集中喷发区的数倍至数十倍。基于原位观测数据对热液区气体释放通量的量化评估表明，低温溢流区的气体释放通量比高温喷发区高10到100倍。
这项研究，基于自主构建的原位观探测技术体系的常态化应用，揭示出热液低温溢流区在气体释放通量中的巨大贡献，综合考虑低温溢流区的气体通量、喷发面积、流体温度、流速、地形等因素，可以推断热液低温溢流流体对热液生态系统的贡献，很可能远超高温喷发区流体。该研究为今后的热液研究提供了全新视角与思路，也为全面量化热液区流固界面的物质能量交换研究提供了方法参考和观测样板。
⑷首次发现西太平洋弧后深海热液区存在碱性黑烟囱。[46]2023年5月，中国科学院海洋研究所张鑫研究员领导的研究团队，在《地球物理学研究杂志》发表论文称，他们基于自主研制的深海原位拉曼光谱探测系统，构建了高温热液流体原位pH的测量方法，并把它应用到对弧后热液区的原位探测研究中，继而发现受沉积物影响的高碱度热液流体的原位pH可为碱性。
据了解，碱性热液系统，被认为是地球生命起源的理想场所，因为碱性热液环境可为地球早期生命形成提供理想的离子梯度条件。但是，目前碱性热液喷口仅发现于大西洋失落城热液区的白烟囱，在全球广泛分布的黑烟囱区域是否也存在碱性热液喷口呢？要解答这一疑问，必须准确获取热液pH值。但传统测量技术很难满足这一需求，因为先取样后再进行实验分析的测量方式，由于流体温度变化、矿物沉淀和电离平衡的改变，热液流体的pH不可避免地会受到影响。
针对这一问题，该研究团队基于深海极端环境模拟平台，开展了H2S-HS-电离平衡体系的定量分析研究，分别建立了H2S、HS-在高温高压条件下的拉曼定量分析模型和热液原位pH反演模型。研究人员以典型弧后热液系统为研究靶区，利用“发现”号无人遥控潜水器，搭载深海原位拉曼光谱探测系统开展原位探测，成功获取到深海黑烟囱热液流体的H2S、HS-原位浓度和pH。
研究团队首次发现高温喷口的原位pH值可达6.3，已超过中性流体在该喷口温度压力下的pH值（5.6），呈现弱碱性特征，并且原位pH值比在常温下测量的结果高约1.5。
这项研究证实了，碱性热液喷口不仅存在于失落城这种受蛇纹石化反应控制的热液区域，还可能在靠近大陆边缘的受沉积物显著影响的热液区域普遍存在。
3．在印度洋探测热液区的新进展
⑴探测西南印度洋“龙旂”热液区带回丰富样品。[47]2015年1月5日，《光明日报》报道，日前，“蛟龙”号载人潜水器在西南印度洋“龙旂”热液区，完成两次下潜科考任务，这是“蛟龙”号首次在西南印度洋中国多金属硫化物勘探合同区执行热液区下潜科考任务。
这两次下潜的最大深度为2835米，取得了海底热液区构造带岩石、高温热液流体，还取得了带有贻贝、茗荷等生物的完整低温“烟囱体”等丰富样品，对研究海底热液区的形成与演化具有重要的科学价值。
⑵探测西南印度洋脊上热液区获取大量地质资料。[48]2016年3月25日，新华社报道，由中国自主研发的水下机器人“潜龙”二号，日前成功地对西南印度洋脊上的热液活动区开展了试验性应用探测。在这种被称为“海底黑烟囱”的复杂地带，“潜龙”二号获得了热液区的地形地貌数据、发现多处热液异常点，拍摄到硫化物、玄武岩和海洋生物等大量照片，取得大洋热液探测的突破。
“潜龙”二号由中国大洋协会办公室负责，中国科学院沈阳自动化研究所作为技术总体单位，联合国家海洋局第二海洋研究所等单位共同研制，为4500米级自主水下机器人即无缆遥控潜水器。它主体长3.5米，高1.3米，宽0.7米，外部为鲜黄色，头尾部还各有两个红色“鱼鳍”形推进器，看上去就像一条扁扁的热带鱼。
“潜龙”二号总设计师刘健研究员说：“别看它体重有1.5吨，但身形矫健，可以在深海里以2节的时速，完成各项探测任务。”此次对西南印度洋脊上的热液活动区进行探测，机器人经受了巨大考验。
“潜龙”二号软件负责人徐春晖说：“机器人就像在石林中穿行。西南印度洋中脊海底环境复杂，面积30平方公里内地形起伏可达到上千米，‘潜龙’二号需要‘翻山越岭’，作业难度极大。”为此，“潜龙”二号在设计上首次采用基于前视声呐的避碰控制方法，大大提高了避碰障碍物能力。仅在一次下潜探测中，就触发了90次避碰，都有效规避了障碍，整个试验过程，没有发生触碰事故。
从2015年12月16日出发，到2016年3月4日完成潜水器验收试验和试验性应用。“潜龙”二号共完成16次下潜，顺利通过了现场验收专家的验收，探测面积达218平方公里，单次下潜最长时间超过32小时，最大深度超过3200米。
大洋深处的海底常有高温热液活动，俗称“海底黑烟囱”。多金属硫化物就是这“黑烟囱”的重要产物，其中富含铜、锌、铅、金与银、钴、锰等金属元素。随着陆地金属矿床的日益枯竭，海底热液硫化物矿床开发潜力越来越受到重视。
刘健说，自主水下机器人对提升深远海洋资源开发的国际竞争力，具有战略价值。“潜龙”二号在西南印度洋获得了试验性应用成功，填补了中国深海硫化物热液区自主探测技术装备的空白。
⑶在西北印度洋区域发现众多热液喷口。[49]《光明日报》报道，2017年4月5日傍晚，“向阳红09”号船搭载着“蛟龙”号载人潜水器及其全体科考队员，停靠海南三亚凤凰岛码头，标志着中国大洋38航次第一航段任务顺利结束。自2月6日青岛起航以来，历时59天，航行10274海里，本航段共计18家单位94人参航，“蛟龙”号累计安全下潜11次，圆满完成本航段科学考察任务。
在本航段中，我国在国际上首次在西北印度洋卡尔斯伯格脊实施了载人深潜精细调查，再次验证了载人潜水器在深海复杂环境下独有的技术优势。在这一海域水深约2900米～3600米的卧蚕1号、卧蚕2号、天休与大糦4个热液区，“蛟龙”号成功发现了27处海底热泉活动喷口所形成的高浓度矿物黑烟物质，即“黑烟囱”和多金属硫化物丘及黑暗条件下的深海生态系统。同时，科考人员采集到了岩石、硫化物、含金属沉积物、底层水、热液流体等全套样品，开展了近底高分辨率测深侧扫作业，测量了温度、溶解氧等物理化学环境参数，获得大量高清摄像和照相资料，确定了海底热液活动的精确位置、特征与范围。
据悉，所获调查成果为深入开展热液区岩浆作用及其演化、沉积作用、构造作用、热液羽状流的结构、热液作用与演化、硫化物成矿作用、硫化物资源和微生物基因资源潜力、生物连通性及地理区系等方面的研究抢得了先机，为相关科学研究的认识水平的提高提供了重要基础。
（二）探测调查冷泉区地质状况的新信息
1．在南海寻找冷泉区的新发现
南海海底首次发现活动性“冷泉”。[50]2015年4月1日，《中国科学报》报道，由上海交通大学作为技术负责单位研制的“海马”号4500米级深海有缆遥控潜水器，于3月首次投入地勘应用，取得了我国南海水合物地勘工作令人振奋的成果——在我国南海北部西陆海域首次发现了海底活动性“冷泉”，获得了双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等高清视频记录和相关样品。
据介绍，这些成果为开展天然气水合物有利区详查、圈定勘探目标区、评价天然气水合物资源潜力提供了宝贵的调查资料，为今年开展的天然气水合物钻探奠定了坚实的基础。
专家认为，“海马”号有缆遥控潜水器首战告捷，标志着我国自主研制的深海作业型有缆遥控潜水器已不再是搁置于实验室仅供观摩的科研成果，而是实际应用于深海调查的装备，实现了科研成果向地勘应用的快速转化，打破了我国现有应用于深海调查与深海作业的有缆遥控潜水器均为国外产品的局面。“海马”号有缆遥控潜水器在“冷泉”区海底作业过程中的出色表现，证明我国在深海作业型有缆遥控潜水器自主研发方面取得了实质性突破，同时体现了我国在水合物矿产资源领域具备了国际一流的科研水平和深海探查技术设备研发与应用能力。
2．探测南海冷泉区地质概貌的新进展
查明“海马冷泉”海洋地质的基本情况。[51]2016年6月25日，新华社报道，经过近4个月的艰苦努力，我国科学家日前已经查明了“海马冷泉”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，取得了海洋地质调查的丰硕成果。
“海马冷泉”是我国首次在南海北部西陆海域发现的、规模空前的活动性冷泉。相关科研考察成果，不仅为进一步的海洋开发研究打下了坚实基础，还实现了天然气水合物资源勘查的突破，同时对气候环境、冷泉生命起源科学研究具有重大意义。
据介绍，“海马冷泉”位于珠江口盆地西部海域，总体呈东西向条带状展布，水深1350至1430米，已探查发现有冷泉活动的区域约350平方公里。该“冷泉”是由中国地质调查局带头自主研发的4500米级非载人遥控潜水器“海马”号于2015年3月发现的，故名“海马冷泉”。
调查显示，“海马冷泉”有浅表层富含天然气水合物、自生碳酸盐岩大量出露和生物群广泛发育三大特点。其中，在“海马冷泉”区海底浅表层获取大量的天然气水合物样品，是继南海北部陆坡神狐海域和珠江口盆地东部海域之后，在新海域找矿的重大突破。这进一步证实了我国管辖海域天然气水合物分布广泛，资源潜力巨大。
3．探测研究南海冷泉区生物群落的新进展
在南海冷泉区采集到大量生物样品。[52]2017年7月25日，新华社报道，“科学”号科考船搭载的“发现”号遥控无人潜水器，当天从南海一冷泉区带回100多件生物样品，并拍摄到大量海底高清视频资料。
“发现”号在24日19时布放到水中，25日7时回收到甲板上，水下工作时间约12小时，水深超过1000米。其生物采样桶内捕捉到的有：白色的潜铠虾、棕色的贻贝和少量的阿尔文虾，其中一些潜铠虾和阿尔文虾还能在水中游动。
本航次首席科学家孙松说：“这些冷泉生物从1000多米的海底到船上还活着，一方面是采集了原位海水，另一方面是‘发现’号慢慢把它们从海底带上来，这些动物有了一个适应压力和温度等环境因素变化的过程。”
冷泉区生物和常见的近海生物有很大区别，它们生活在海底，没有光，所以眼睛都退化了。同时，它们身上或者体内都附着了很多微生物，它们就依靠食用这些微生物而生存，而这些微生物是依靠甲烷等化能而生存。
当日凌晨5时30分左右，科考队员将我国自主研制的深海着陆器布放到这一冷泉区，用于长期观察冷泉区生物的习性和变化，这一着陆器将在海底持续工作3个月。着陆器到达海底后，“发现”号还对其实施了精准布放，即布放到冷泉区生物密集的区域，并调整了它的姿态。
