气态水|冰冷的深海里，怎么会有383.3℃的“气态水”？
文章来自“科学大院”公众号
【气态水|冰冷的深海里，怎么会有383.3℃的“气态水”？】作者:李连福 张鑫
水是什么样的？
它是碧波荡漾的大海 ， 是寒气逼人的冰块 ， 还是袅袅升起的水蒸气……
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水蒸气是看不到的 ， 图上看到的白烟是水蒸气液化所形成的（图片来源：veer图库）
水的相态受控于其所处的温度、压力条件 ， 比如在一个大气压下 ， 纯水在100℃将转变为气态水 。 但是 ， 如果说“在冰冷的海底有气态水” ， 这里面的每个字和词都不难 ， 但连起来 ， 却让人有些困惑 。 提到气态水时似乎总离不开一个“热”字 ， 液体在较高气压下沸点会上升 ， 在深海海底高压的环境下 ， 海水的气化温度可达几百摄氏度 ， 在深海里真的有气态水吗？
日前 ， 中国科学院海洋研究所的科学家在深海热液区首次观测到气态水存在的证据 。 该成果在地球科学权威刊物《地球物理学研究快报》上正式发表 。
深海里的气态水 温度高达383.3℃
科学家是怎么发现深海中的气态水的？其实这是去探测深海热液系统时“无意”中的发现 。
深海热液系统孕育了丰富的矿产和基因资源 ， 更是被认为与生命起源相关 ， 一直备受科学界关注 。 在2018年“科学”号科考船深海热液航次中 ， 研究人员在深海热液区 ， 通过“发现”号ROV的高清摄像头发现了奇妙的倒置湖（图1） 。 湖内充满大量闪闪发光的水体 。 巨大的温度、密度差异形成的强烈光反射层 ， 使倒置湖的湖面看起来如同光滑的镜面一般平整 。
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图1 “发现”号ROV拍摄的倒置湖仰视图
研究人员通过深海激光拉曼光谱原位探测系统和深海热液温度探针对倒置湖内水体不同层位进行拉曼光谱采集和温度测量 。 拉曼光谱的测量结果表明 ， 该区域倒置湖内水体呈现“三明治”式分层结构 ， 从顶部至底部依次为高温蒸汽相、热液流体与海水混合相以及底层的正常海水相 。
温度测量数据表明倒置湖顶部流体的温度最高可达383.3℃ ， 已经超出了该区域水深（2180m）条件的相分离的温度（378.1℃） ， 进一步验证了拉曼光谱的测量结果 ， 倒置湖内顶部为气态水并混有CO2、CH4、H2S等气体组分（图2） 。
气态水也看不见 怎么确定的？
我们都知道水蒸气是看不到的 ， 那么怎么确定研究人员在深海里发现的是气态水呢？
此次在深海热液区观测到气态水存在的证据主要有以下四点：
1. 温度数据
这是最直接的证据 。 判断流体相态最主要的参数就是温度和压力 ， 当流体所的温度超出其所处环境压力下的气化温度时 ， 液态必然会向气态转化 。 研究人员测得流体的最高温度（383.3℃）已经超过了该水深条件下海水的气化温度（378.1℃） 。
后续的实验室分析表明倒置湖内流体的盐度要比海水低得多 。 盐度正是控制流体气化温度的重要参数 ， 流体的气化温度随盐度的增加而升高 ， 也就是说倒置湖内流体在该水深下的气化温度比海水的更低 ， 而当前所测量的倒置湖内流体的最高温度远超低盐度流体的气化温度 。
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图2 热液温度探针采集的温度数据
2. 原位拉曼光谱数据
研究人员通过我国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统采集到多条倒置湖内流体的拉曼光谱 。 水在气态、液态、固态下的拉曼光谱形态有明显的区别 ， 在气态条件下水分子的OH伸缩振动谱带的形态非常尖锐 ， 而此次倒置湖内流体的拉曼光谱也表现为这一特征（图3） 。
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图3 RiP系统采集的拉曼光谱数据
3. 保压流体数据
本次研究人员不仅对该区域的流体进行了原位综合探测 ， 还利用自主研发的保压流体取样技术对倒置湖内的流体进行了保压取样 。 研究人员从采样质量最好的一瓶保压流体样品中分离出大约400毫升气体组分和20毫升的流体组分 。
保压钢瓶的体积为150毫升 ， 从钢瓶中本应分出的流体体积约在一百余毫升 ， 却为何分离出如此之少的流体呢？这主要是因为常温下热液流体的密度约为1克/毫升 ， 而380℃左右的气态水的密度则小于0.2克/毫升 ， 流体在常温和高温下的巨大差异造成从保压流体取样器中分离的流体如此之少 。
4. 直接观测
从视频画面上可以非常明显的看到倒置湖镜面 ， 这是由倒置湖内外巨大的密度差异引起的全反射现象所造成的（图4） 。 通过下图（图5）可以直观的了解倒置湖镜面形成的机制 ， 倒置湖内外巨大的密度差异也验证了气态水的存在 。
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图4 倒置湖镜面全反射的形成机制
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图5 倒置湖“蘑菇型”构造的形成模型
深海里的气态水为什么能够存在？
气态水能够在该区域的海底之上存留 ， 得益于该区域独特的“蘑菇型”热液烟囱构造 。
海底热液区域是海底一种典型的极端环境 ， 主要由喷口流体和海底下的流体组成 。 喷口流体普遍高温 ， 即我们平常所说的海底“黑烟囱” ， 但也会有中低温 。 流体主要由水组成 ， 还含有其他多种化学成分 ， 如Li、Na、K、Rb、Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Cl等元素 。
“黑烟囱”长啥样
相分离作用是深海热液系统流体组分发生分离的过程 。 当流体的温度超过其所处压力下两相分离温度时 ， 低密度、低盐度、富气体组分的气相将与卤水相分离 。 但由于气相在上升并喷出海底的过程中 ， 温度快速降低 ， 使得蒸汽相无法在海底之上保持 。
“蘑菇型”烟囱结构形成了一个半封闭的体系 ， 将过热的高温流体与周围低温海水隔离 。 这就相当于在海底存在一个大的气泡（气态水） ， 但在气态水上面覆盖着热液硫化物的矿物 ， 它就相当于一个倒扣的碗一样 ， 把这个气泡罩住了 ， 不会上升 。
高温热液喷发物通过倒置湖的镜面（气液界面）向海水缓慢扩散 ， 这种特殊的喷发模式有利于热液硫化物在烟囱边缘沉淀 ， 从而减弱对海洋环境的影响 。 金属元素的溶解与运移受到流体密度的控制 ， 因此低密度气相和超临界相热液喷发系统在元素分配和硫化物矿化过程上与常规热液系统有明显差异 。
能发现深海里的“湖”靠的是什么？
低密度气相热液喷发系统并非首次被发现 ， 早在几年前温度高达464℃的超临界热液喷发系统就在大西洋中脊被发现 ， 但之前开展研究困难很大：主要依靠温度探针和保压流体取样的方式 ， 难以做到原位探测；由于此类热液喷发系统喷发十分剧烈 ， 采集到海水混染较少的保压流体样品十分困难 ， 同时保压取样技术仅能保持流体样品的压力 ， 无法维持其温度 ， 因此无法保持样品的特殊相态 。
而深海原位拉曼光谱测量技术可以在不改变被测物状态和所处环境的条件下获取被测物的相态、组分和含量信息 ， 非常适宜于此类超高温热液喷发系统的测量 。 此次在深海热液区首次观测到气态水存在的证据正是依托于“发现”号ROV携带的我国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统（RiP） ， 该系统特制的热液探针可以直接插入到超高温的热液喷口 ， 不仅可以获取到热液流体中各组分的含量信息 ， 还可以识别热液喷发物的相态 ， 为研究热液喷发系统提供准确的流体参数信息 。
视频中展示了通过深海激光拉曼光谱原位探测系统、深海热液温度探针和保压流体取样器对倒置湖内流体进行探测的过程 ， 研究人员将探针近乎垂直的插入到倒置湖内 ， 通过控制探头的插入深度获取不同层位流体的数据 。 从视频中可以看出“发现”号ROV的所有操作都是在悬停条件下进行 ， 由于底层流的影响 ， 操作难度极大 ， 但是它们都圆满地完成了任务！
展望
当前 ， 超临界相与气相热液喷发系统仅在洋中脊热液区被观测到（图6） ， 此次在弧后热液区观测到的气相热液喷发系统与洋中脊的超临界相与气相的喷发系统相比 ， 具备更加稳定的喷发条件 。
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图6 全球已探明的活动热液区分布以及具有相似结构的热液区位置
对此类气相热液喷发系统的原位探测 ， 有助于揭示此类低密度气相热液喷发系统的热液硫化物矿化过程以及对深海环境的影响 。
本文图片除声明来源者 ， 均为作者提供
作者单位：中国科学院海洋研究所
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