研究证实海底存在大量温室气体甲烷

在海底测出甲烷的原位真实浓度是传统取样测试的10倍至20倍

中国科学院海洋研究所科研人员与一美国科研机构合作，利用深海激光拉曼光谱仪和自制探针，在海底测出甲烷的原位真实浓度是传统取样测试的10倍至20倍，但海底甲烷是否会大量溢出加剧全球变暖依然未知。

由于甲烷是比二氧化碳温室效应强几倍的气体，科学家一直想探究海底存在多少甲烷和其对全球气候的影响。此前，他们将海底含甲烷的沉积物样品提取至调查船上检测，但是在从海底到海面几千米的运送过程中，海水压力和温度发生巨大变化，深海沉积物甲烷浓度随之发生变化，而在海底原位探测沉积物中甲烷浓度一直是科学难题。

中国科学院海洋研究所科研人员张鑫在中国海洋大学就读博士期间，于2008年1月赴与中国海洋大学合作的美国蒙特里杰克海湾水族馆研究学会攻读联合培养博士。经过两个月选题，张鑫的导师皮特-布鲁指导他将研究方向定为海底甲烷原位真实浓度探测。

“我们实验室研制了世界上第一台可工作于深海的拉曼光谱仪，其发射激光在海底照射到固体样品上，分析被激发拉曼光的数据即可得出这些固体样品的成分。之前，有人做过海底岩石、可燃冰等物质的探测，但没人做海底沉积物的原位探测。因为激光照射在海底沉积物上会产生荧光效应，一般大家认为这种荧光效应过强会遮蔽拉曼光谱的数据。”张鑫说。

张鑫通过实验发现，激光照射在海底沉积物孔隙水中所产生的拉曼光谱谱线虽然叠加了荧光的背景光，但是并没有被荧光效应所完全遮蔽，依然可以分析出海底沉积物孔隙水的成分。于是，在能够进行定性分析物质组成的前提下，张鑫开始着手定量分析。

“在海底沉积物甲烷浓度探测中，我们以沉积物孔隙水为样本，将孔隙水中溶解的甲烷拉曼谱峰与水的拉曼光谱谱峰相比，进行内标定数据处理，这样就得到一个标准化后的甲烷拉曼光谱强度数值。以此类推，通过大量实验室数据，就可以得出一个甲烷拉曼光谱强度与其浓度的比例系数。以后只要仪器探测出甲烷标准化拉曼光谱峰强度的数值，乘以这个系数就能知道甲烷的浓度。”张鑫说。

科学原理走通后，张鑫着手设计相应的深海探测设备，他以深海有缆水下机器人(ROV)为依托，制作了一个铝质探针，在视频监控下，由ROV的机械手握住探针，将其插进海底沉积物中，提取沉积物孔隙水。

“起初觉得利用机械手掌握不是很理想，因为其抖动厉害。如果插进去一抖，底层海水就会进入沉积物，这样得到的数据就会不准确。但是我的签证只有18个月，为顺利完成论文答辩，只能让操作技术高超的技术人员操作机械手，尽量减少深海ROV机械臂的抖动现象。”张鑫说。

记者在一张探针的示意图上看到，探针进入海底沉积物抽入孔隙水，经过过滤后进入一个容积只有0.087毫升的光学微探测舱内，并获得其拉曼光谱谱线数据，通过简单运算即可得知浓度。

2009年8月，张鑫在做完实验后拿着数据便匆忙返回国内撰写论文，随后顺利拿到博士学位。但由于铝合金材质的探针是一个实验样机，只能在水深2000米处工作，试验数据不是很理想。2010年7月，张鑫重返美国，制作了一个钛合金的工程样机，探针约1米长，可在水深4000米深度工作，能插入深海沉积物约35厘米，并在美国海岸等处做了三次试验。

“我们得到的原位浓度是样品在调查船上测量值的10倍至20倍，而且探针插得越深，浓度越高，所以证明甲烷不仅存储于可燃冰，海底沉积物中同样存在大量甲烷。”张鑫说，“在这项技术突破后，只要获知海底沉积物的面积和厚度，就能探测出甲烷的含量，为研究海底甲烷储量和其对全球气候变化的影响奠定了基础。”

记者了解到，这项技术不仅能测甲烷浓度，而且可以测量深海沉积物中溶解的硫化氢气体、pH值和硫酸根等多种海洋化学参数。“此外，这项技术也为探测海底可燃冰提供了一种技术方法，可以缩小勘探可燃冰的范围。”张鑫说。

张鑫团队的试验成果公布后，引起国际海洋界的关注，著名科学杂志《自然》和《科学》都作了报道。

中国科学院海洋研究所秦蕴珊院士表示，甲烷温室气体效应相比二氧化碳更为强烈，占地球70%以上面积的海底存在多少甲烷令世界关注。如果全球气候变暖导致海水温度上升，这些甲烷气体释放到大气中产生什么样的影响是全人类的问题，而海底甲烷真实浓度的探测是研究海底甲烷的基础，因此受到世界瞩目。

张鑫介绍，为解决机械手抖动问题，他设计了另外一种设备，利用三个支脚支撑固定在海底，上方是一个伸缩式的探针，这样便不存在人为操作抖动的问题。他同时希望能够利用国内的ROV、深海拖曳平台等开展海底甲烷原位浓度探测。

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