導(dǎo)語：國際首套深海多通道拉曼光譜探測系統(tǒng)由中國團隊研發(fā)成功，并以此為核心在南海深處構(gòu)建了無人深海原位光譜實驗室。該實驗室的建立將極大加快我國在南海的科研和勘探工作，沖擊 “深海探測”戰(zhàn)略目標(biāo)。

一、“神通廣大”的光譜儀

我國在海底建立無人深海實驗室的主要目的，是能夠?qū)ι詈５奈镔|(zhì)進行細致的探索。多通道拉曼光譜探測系統(tǒng)作為深海實驗室的主要科學(xué)載荷，是實現(xiàn)這一目的的主要傳感器。

在光學(xué)實驗中，當(dāng)某一特定頻率的單色光照射到樣品時，不同種類的分子可以使入射光發(fā)生散射，其中大部分散射只是改變光的方向，且穿過分子的光的頻率并未發(fā)生改變，這一類散射被稱為瑞利散射；還有一種散射不僅能改變光的方向，還能改變光的頻率，散射光頻率相對于入射光頻率會有所減少，被稱為拉曼散射。

拉曼散射會產(chǎn)生頻率（波長）的變化

在拉曼散射過程中，散射光和入射光會產(chǎn)生頻率差，被稱為拉曼位移。這種頻率差與入射光本身的頻率無關(guān)，只與分子本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。也就是說，每一種分子都有其特定的拉曼位移，取決于不同分子對應(yīng)的不同振動能級，像是每種分子所對應(yīng)的“指紋”，反過來可以利用這種特征來判斷分子的種類，是拉曼光譜儀的理論基礎(chǔ)。

深海實驗室針對不同目標(biāo)設(shè)計了不同傳感器

這套傳感器的核心基于高定向性、頻率極穩(wěn)定的激光，探測計算樣本散射后形成的拉曼位移來匹配相應(yīng)的分子種類，這種技術(shù)已經(jīng)比較成熟。將實驗室搬到海底，對海底和水體中的目標(biāo)進行探測，通過散射探測深海極端環(huán)境中物質(zhì)的主要化學(xué)成分，反推海底和水體中目標(biāo)物質(zhì)的分布。該實驗室的主要用途，就是利用這套科學(xué)載荷，針對南海深處廣泛分布的可燃冰資源和海底熱液與冷泉系統(tǒng)進行系統(tǒng)性的探索。

二、深海實驗室賦能可燃冰勘探

近年來，各國正著手尋找石油資源的替代產(chǎn)品，可燃冰具備相當(dāng)?shù)臐摿?。根?jù)眾多科研機構(gòu)的估測，全球可燃冰的總資源量大約相當(dāng)于20萬億油當(dāng)量，這是目前已探明的常規(guī)化石能源的整整2倍，可供目前的人類使用數(shù)百年。

可燃冰實際上是天然氣（甲烷）水合物，是高度壓縮的天然氣，通常1立方米可燃冰分解后能生成160-180立方米的天然氣，能量密度極大，卻沒有任何污染?？扇急庥^呈現(xiàn)白色，外觀像冰且能被直接燃燒，所以被稱為“可燃冰”?？扇急嗫赏ㄟ^簡單的處理轉(zhuǎn)化為液化天然氣，從而減少空間占用和運輸難度。

可燃冰由甲烷和水在高壓低溫下形成的，需要維持3個大氣壓的條件，否則甲烷就會轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，無法形成和穩(wěn)定存在。因此世界上超過97%的可燃冰形成和儲存于深海地區(qū)，大部分位于300-3000米深度范圍的海底，剩下的可燃冰分布于陸地凍土帶。為了收集南?？扇急木_儲量分布，無人實驗室的設(shè)計最大下潛深度為4500米。

南海蘊含大量可燃冰資源

南海地區(qū)被稱為“下一個中東”，不僅是因為其堪比中東的豐富海底油氣資源，也在可燃冰資源上具備極大的潛力。僅僅是靠近大陸的南海北部神狐海域可燃冰礦區(qū)內(nèi)，可燃冰層平均厚度高達20米，總儲量約194億立方米。神狐海域是世界上已探明的海域中可燃冰資源密度最高的區(qū)域。

目前我國正對南海北部進行細致的勘探

事實上，整個南海適中的平均深度（約1200米）和相對平緩的海底地形構(gòu)造使其大部分都具備可燃冰形成的條件，神狐海域的可燃冰儲量可能只是整個南海的一小部分。神狐海域由于距離大陸較近得到了優(yōu)先的勘探，但預(yù)計南海其他地區(qū)的可燃冰密度將不低于神狐海域。在整個南海范圍內(nèi)，可燃冰的估測儲量遠大于南海北部海域，預(yù)計約4.1萬億立方米。

盡管可燃冰資源的開采仍然有很多技術(shù)上的限制，依靠深海實驗室所搭載的拉曼光譜檢測系統(tǒng)，通過激光產(chǎn)生的光譜得到的分子級別信息，可以探測深海極端環(huán)境中可燃冰的結(jié)構(gòu)與組成，并捕捉其相關(guān)動態(tài)規(guī)律和潛在聯(lián)系。這更能積累精細的儲量數(shù)據(jù)，做到心中有數(shù)，加快我國開發(fā)可燃冰資源的步伐。

深海探測過程

三、助力全球海洋系統(tǒng)變化的生態(tài)研究

深海實驗室的另一項重要工作，是圍繞海底的熱液和冷泉開展科研。該實驗室可耐受4500米深的水壓，這能夠覆蓋南海絕大部分的海底，未來將進一步在深海熱液和冷泉區(qū)域常態(tài)化運行，展開海底觀測、數(shù)據(jù)采集和可控實驗。這些區(qū)域孕育了特殊的生態(tài)環(huán)境，更富集了大量戰(zhàn)略金屬資源，利用拉曼光譜系統(tǒng)，可以對這些物質(zhì)的形成演化過程和機制進行相關(guān)的原位試驗與研究。

海底熱液和冷泉本質(zhì)上是海洋與地底的物質(zhì)交換，地殼內(nèi)的元素經(jīng)過長期積累形成礦脈，在噴口附近能夠形成一種獨特的微環(huán)境，可供厭氧細菌生存。值得注意的是，海底熱液是指地?zé)峒訜徇^的物質(zhì)，溫度高達350-400攝氏度；而冷泉的溫度并不低于其所在海域海水的溫度，只是相對于熱液較冷。

熱液能產(chǎn)生海底煙柱現(xiàn)象

熱液和冷泉中含有大量的硫化物，而科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)有部分細菌以分解這些硫化物并利用熱液中的能量生存。地球最初的生命有可能就是形成于熱液附近各種物質(zhì)混雜的“營養(yǎng)湯”中的特殊細菌，而針對深海中類似微環(huán)境的探索將為地球生命形成的假說積累科研資料。

海底蘊藏了大量錳結(jié)核

同時，熱液與冷泉附近經(jīng)過長時間積累和沉淀之下能夠形成海底品位相當(dāng)高的礦脈，廣泛地分布于海床之上，其中包括海底錳結(jié)核和金屬軟泥，包含二十多種金屬元素，具有極大的經(jīng)濟價值。除去貴金屬外，其中部分鐵族元素對于電池性能的提升有很大意義，有潛力成為未來的戰(zhàn)略金屬資源。

冷泉對全球氣候變化有很深的影響

進一步研究冷泉附近的微環(huán)境對全球氣候變化也具有重要的意義。全球海底的冷泉中通常也會釋放大量的甲烷和二氧化碳，是海洋排放溫室氣體的一大來源。因此冷泉既容易積聚可燃冰資源，同時又是造成全球氣候變化的重要因素。深海實驗室所積累的冷泉數(shù)據(jù)能幫助研究各個生態(tài)系統(tǒng)的相互作用帶來的全球變化。

結(jié)語：

無人深海實驗室的成功開發(fā)和部署具備極大的戰(zhàn)略價值，它在資源勘探、科研等方面開始不斷地發(fā)揮作用。在未來將進一步提升我國對于南海資源的掌控，且積累的數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)今后的資源開發(fā)，堪稱我國在南海的“急先鋒”。