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出品|网易新闻 & V' d5 Z8 G, _3 m
导语：国际首套深海多通道拉曼光谱探测系统由中国团队研发成功，并以此为核心在南海深处构建了无人深海原位光谱实验室。该实验室的建立将极大加快我国在南海的科研和勘探工作，冲击 “深海探测”战略目标。
$ O5 g5 e* I4 Z. a% p7 f 一、“神通广大”的光谱仪
8 F5 F1 H* D- X0 W7 } 我国在海底建立无人深海实验室的主要目的，是能够对深海的物质进行细致的探索。多通道拉曼光谱探测系统作为深海实验室的主要科学载荷，是实现这一目的的主要传感器。 2 C: ~3 H6 x7 m+ B# `3 G% {. b
在光学实验中，当某一特定频率的单色光照射到样品时，不同种类的分子可以使入射光发生散射，其中大部分散射只是改变光的方向，且穿过分子的光的频率并未发生改变，这一类散射被称为瑞利散射；还有一种散射不仅能改变光的方向，还能改变光的频率，散射光频率相对于入射光频率会有所减少，被称为拉曼散射。 # i5 }* ]# t' O! P. x1 {
$ A+ d( f% @5 x! Q 拉曼散射会产生频率（波长）的变化 / |7 Q7 a) q0 H/ a7 g# C" `
在拉曼散射过程中，散射光和入射光会产生频率差，被称为拉曼位移。这种频率差与入射光本身的频率无关，只与分子本身的结构有关。也就是说，每一种分子都有其特定的拉曼位移，取决于不同分子对应的不同振动能级，像是每种分子所对应的“指纹”，反过来可以利用这种特征来判断分子的种类，是拉曼光谱仪的理论基础。 7 C, J4 }1 I2 K: e, R$ T2 S! D$ U
# `8 Z: o8 x6 v* O+ p( n' B 深海实验室针对不同目标设计了不同传感器
" l. l( L# h" O5 {/ F 这套传感器的核心基于高定向性、频率极稳定的激光，探测计算样本散射后形成的拉曼位移来匹配相应的分子种类，这种技术已经比较成熟。将实验室搬到海底，对海底和水体中的目标进行探测，通过散射探测深海极端环境中物质的主要化学成分，反推海底和水体中目标物质的分布。该实验室的主要用途，就是利用这套科学载荷，针对南海深处广泛分布的可燃冰资源和海底热液与冷泉系统进行系统性的探索。 # o+ @. F3 m* z: S( A. q/ i
二、深海实验室赋能可燃冰勘探& n4 G& Q% }2 L: Y* F" }0 k! K
近年来，各国正着手寻找石油资源的替代产品，可燃冰具备相当的潜力。根据众多科研机构的估测，全球可燃冰的总资源量大约相当于20万亿油当量，这是目前已探明的常规化石能源的整整2倍，可供目前的人类使用数百年。
- K s$ L5 c4 ]5 F( J 可燃冰实际上是天然气（甲烷）水合物，是高度压缩的天然气，通常1立方米可燃冰分解后能生成160-180立方米的天然气，能量密度极大，却没有任何污染。可燃冰外观呈现白色，外观像冰且能被直接燃烧，所以被称为“可燃冰”。可燃冰亦可通过简单的处理转化为液化天然气，从而减少空间占用和运输难度。
) G4 K7 j" O5 a8 O 可燃冰由甲烷和水在高压低温下形成的，需要维持3个大气压的条件，否则甲烷就会转化为气态，无法形成和稳定存在。因此世界上超过97%的可燃冰形成和储存于深海地区，大部分位于300-3000米深度范围的海底，剩下的可燃冰分布于陆地冻土带。为了收集南海可燃冰的精确储量分布，无人实验室的设计最大下潜深度为4500米。 % c. V0 _- h/ {9 J3 T% G
+ X+ G% l! ^$ O7 A0 K% D/ ~# J6 C& k 南海蕴含大量可燃冰资源
, k8 r N, ]" ` 南海地区被称为“下一个中东”，不仅是因为其堪比中东的丰富海底油气资源，也在可燃冰资源上具备极大的潜力。仅仅是靠近大陆的南海北部神狐海域可燃冰矿区内，可燃冰层平均厚度高达20米，总储量约194亿立方米。神狐海域是世界上已探明的海域中可燃冰资源密度最高的区域。 , ?' U2 i' m3 \1 o6 ]: `0 J0 C
! Y$ y5 ?- h# b/ w$ o) u1 f 目前我国正对南海北部进行细致的勘探 . [) b. ^8 b' M- e% P& {
事实上，整个南海适中的平均深度（约1200米）和相对平缓的海底地形构造使其大部分都具备可燃冰形成的条件，神狐海域的可燃冰储量可能只是整个南海的一小部分。神狐海域由于距离大陆较近得到了优先的勘探，但预计南海其他地区的可燃冰密度将不低于神狐海域。在整个南海范围内，可燃冰的估测储量远大于南海北部海域，预计约4.1万亿立方米。 / n) n( f$ C" a' `) i
尽管可燃冰资源的开采仍然有很多技术上的限制，依靠深海实验室所搭载的拉曼光谱检测系统，通过激光产生的光谱得到的分子级别信息，可以探测深海极端环境中可燃冰的结构与组成，并捕捉其相关动态规律和潜在联系。这更能积累精细的储量数据，做到心中有数，加快我国开发可燃冰资源的步伐。 I( @* E; l* P: r7 D" c" u7 v
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深海探测过程 8 h5 _2 d8 f8 h$ v
三、助力全球海洋系统变化的生态研究
, Y* V5 I9 k/ E8 ^: m 深海实验室的另一项重要工作，是围绕海底的热液和冷泉开展科研。该实验室可耐受4500米深的水压，这能够覆盖南海绝大部分的海底，未来将进一步在深海热液和冷泉区域常态化运行，展开海底观测、数据采集和可控实验。这些区域孕育了特殊的生态环境，更富集了大量战略金属资源，利用拉曼光谱系统，可以对这些物质的形成演化过程和机制进行相关的原位试验与研究。
# J( h6 z, r6 X( \( B2 Z2 f( W 海底热液和冷泉本质上是海洋与地底的物质交换，地壳内的元素经过长期积累形成矿脉，在喷口附近能够形成一种独特的微环境，可供厌氧细菌生存。值得注意的是，海底热液是指地热加热过的物质，温度高达350-400摄氏度；而冷泉的温度并不低于其所在海域海水的温度，只是相对于热液较冷。
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: ~. @8 G# T! [3 }7 u a 热液能产生海底烟柱现象 % L8 f' O% j9 T4 v9 L. V5 ~, h4 `
热液和冷泉中含有大量的硫化物，而科学家的研究发现有部分细菌以分解这些硫化物并利用热液中的能量生存。地球最初的生命有可能就是形成于热液附近各种物质混杂的“营养汤”中的特殊细菌，而针对深海中类似微环境的探索将为地球生命形成的假说积累科研资料。
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海底蕴藏了大量锰结核
! G1 ~7 g+ V- O( w3 t5 c. L 同时，热液与冷泉附近经过长时间积累和沉淀之下能够形成海底品位相当高的矿脉，广泛地分布于海床之上，其中包括海底锰结核和金属软泥，包含二十多种金属元素，具有极大的经济价值。除去贵金属外，其中部分铁族元素对于电池性能的提升有很大意义，有潜力成为未来的战略金属资源。 4 o @* k R' k4 R# W. F+ l4 R
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冷泉对全球气候变化有很深的影响 % Z3 m: O5 B0 F7 ^- X, x3 \% ?( w
进一步研究冷泉附近的微环境对全球气候变化也具有重要的意义。全球海底的冷泉中通常也会释放大量的甲烷和二氧化碳，是海洋排放温室气体的一大来源。因此冷泉既容易积聚可燃冰资源，同时又是造成全球气候变化的重要因素。深海实验室所积累的冷泉数据能帮助研究各个生态系统的相互作用带来的全球变化。
6 R9 m! v# |4 A' D4 e( _; i' e! {0 A 结语： ; b( X3 `* ^4 }- y4 ]
无人深海实验室的成功开发和部署具备极大的战略价值，它在资源勘探、科研等方面开始不断地发挥作用。在未来将进一步提升我国对于南海资源的掌控，且积累的数据能够指导今后的资源开发，堪称我国在南海的“急先锋”。 5 x3 B' N& y+ k* {5 k/ y. m
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2 K% m0 N* T, f$ W8 b 「了不起的中国制造」专栏，力邀行业权威、资深玩家，呈现他们眼中的中国创新之路。
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