研究證實海底存在大量溫室氣體甲烷

在海底測出甲烷的原位真實濃度是傳統取樣測試的10倍至20倍

中國科學院海洋研究所科研人員與一美國科研機構合作，利用深海鐳射拉曼光譜儀和自製探針，在海底測出甲烷的原位真實濃度是傳統取樣測試的10倍至20倍，但海底甲烷是否會大量溢出加劇全球變暖依然未知。

由於甲烷是比二氧化碳溫室效應強幾倍的氣體，科學家一直想探究海底存在多少甲烷和其對全球氣候的影響。此前，他們將海底含甲烷的沉積物樣品提取至調查船上檢測，但是在從海底到海面幾千米的運送過程中，海水壓力和溫度發生巨大變化，深海沉積物甲烷濃度隨之發生變化，而在海底原位探測沉積物中甲烷濃度一直是科學難題。

中國科學院海洋研究所科研人員張鑫在中國海洋大學就讀博士期間，于2008年1月赴與中國海洋大學合作的美國蒙特裏傑克海灣水族館研究學會攻讀聯合培養博士。經過兩個月選題，張鑫的導師皮特-布魯指導他將研究方向定為海底甲烷原位真實濃度探測。

“我們實驗室研製了世界上第一台可工作於深海的拉曼光譜儀，其發射鐳射在海底照射到固體樣品上，分析被激發拉曼光的資料即可得出這些固體樣品的成分。之前，有人做過海底岩石、可燃冰等物質的探測，但沒人做海底沉積物的原位探測。因為鐳射照射在海底沉積物上會產生螢光效應，一般大家認為這種螢光效應過強會遮蔽拉曼光譜的數據。”張鑫說。

張鑫通過實驗發現，鐳射照射在海底沉積物孔隙水中所產生的拉曼光譜譜線雖然疊加了螢光的背景光，但是並沒有被螢光效應所完全遮蔽，依然可以分析出海底沉積物孔隙水的成分。於是，在能夠進行定性分析物質組成的前提下，張鑫開始著手定量分析。

“在海底沉積物甲烷濃度探測中，我們以沉積物孔隙水為樣本，將孔隙水中溶解的甲烷拉曼譜峰與水的拉曼光譜譜峰相比，進行內標定資料處理，這樣就得到一個標準化後的甲烷拉曼光譜強度數值。以此類推，通過大量實驗室資料，就可以得出一個甲烷拉曼光譜強度與其濃度的比例係數。以後只要儀器探測出甲烷標準化拉曼光譜峰強度的數值，乘以這個係數就能知道甲烷的濃度。”張鑫說。

科學原理走通後，張鑫著手設計相應的深海探測設備，他以深海有纜水下機器人(ROV)為依託，製作了一個鋁質探針，在視頻監控下，由ROV的機械手握住探針，將其插進海底沉積物中，提取沉積物孔隙水。

“起初覺得利用機械手掌握不是很理想，因為其抖動厲害。如果插進去一抖，底層海水就會進入沉積物，這樣得到的資料就會不準確。但是我的簽證只有18個月，為順利完成論文答辯，只能讓操作技術高超的技術人員操作機械手，儘量減少深海ROV機械臂的抖動現象。”張鑫說。

記者在一張探針的示意圖上看到，探針進入海底沉積物抽入孔隙水，經過過濾後進入一個容積只有0.087毫升的光學微探測艙內，並獲得其拉曼光譜譜線資料，通過簡單運算即可得知濃度。

2009年8月，張鑫在做完實驗後拿著資料便匆忙返回國內撰寫論文，隨後順利拿到博士學位。但由於鋁合金材質的探針是一個實驗樣機，只能在水深2000米處工作，試驗資料不是很理想。2010年7月，張鑫重返美國，製作了一個鈦合金的工程樣機，探針約1米長，可在水深4000米深度工作，能插入深海沉積物約35釐米，並在美國海岸等處做了三次試驗。

“我們得到的原位濃度是樣品在調查船上測量值的10倍至20倍，而且探針插得越深，濃度越高，所以證明甲烷不僅存儲於可燃冰，海底沉積物中同樣存在大量甲烷。”張鑫說，“在這項技術突破後，只要獲知海底沉積物的面積和厚度，就能探測出甲烷的含量，為研究海底甲烷儲量和其對全球氣候變遷的影響奠定了基礎。”

記者瞭解到，這項技術不僅能測甲烷濃度，而且可以測量深海沉積物中溶解的硫化氫氣體、pH值和硫酸根等多種海洋化學參數。“此外，這項技術也為探測海底可燃冰提供了一種技術方法，可以縮小勘探可燃冰的範圍。”張鑫說。

張鑫團隊的試驗成果公佈後，引起國際海洋界的關注，著名科學雜誌《自然》和《科學》都作了報導。

中國科學院海洋研究所秦蘊珊院士表示，甲烷溫室氣體效應相比二氧化碳更為強烈，占地球70%以上面積的海底存在多少甲烷令世界關注。如果全球氣候變暖導致海水溫度上升，這些甲烷氣體釋放到大氣中產生什麼樣的影響是全人類的問題，而海底甲烷真實濃度的探測是研究海底甲烷的基礎，因此受到世界矚目。

張鑫介紹，為解決機械手抖動問題，他設計了另外一種設備，利用三個支腳支撐固定在海底，上方是一個伸縮式的探針，這樣便不存在人為操作抖動的問題。他同時希望能夠利用國內的ROV、深海拖曳平臺等開展海底甲烷原位濃度探測。

---