西太平洋横须贺热液区气体通量的原位观测评估及其对深海碳硫循环的启示

针对西太平洋热液区缺乏定量化气体释放通量数据的科学问题，中国科学院海洋研究所团队通过原位拉曼光谱（RiP系统）、涡轮流量计和超短基线定位技术，首次量化了横须贺热液区CH4 、CO2 和H2 S的年通量（分别达108 -109 mol量级），揭示扩散流区贡献80-90%物质能量输出的关键机制，为理解俯冲带热液物质循环及深海生态系统维持提供新依据。

　　

【研究背景】
深海热液系统被誉为"地球的黑色烟囱"，是连接岩石圈与海洋物质能量交换的重要通道。西太平洋作为全球典型的沟-弧-盆体系，其热液流体因俯冲作用和陆源物质输入影响，富含异常高浓度的CO₂
和CH₄
——例如冲绳海槽北部热液区甲烷浓度可达767.1 mmol/kg，远超其他大洋热液区。然而，这些"碳泵"究竟向海洋输送多少挥发物？它们如何影响深海环境？长期以来缺乏精确量化数据。横须贺热液区作为西太平洋弧后盆地的典型代表，虽已发现独特的蒸汽相喷口结构，但其物质能量通量评估仍是空白。

【方法与技术】
中国科学院海洋研究所团队依托"东方红3号"科考船NORC2021-582航次，利用ROV"发现号"搭载的原位拉曼探针系统（RiP）测定热液流体组分，结合涡轮流量计、高清视频分析和超短基线定位技术，对15个扩散流与聚焦流喷口进行流速、面积及组分同步测量。通过流体动力学模拟分析黑潮对热液物质的输运影响。

【研究结果】

1. 气体与热通量特征
   量化显示横须贺热液区CH₄
   、CO₂
   和H₂
   S年通量分别为1.8×10⁸
   -2.5×10⁹
   、2.8×10⁹
   -3.8×10¹⁰
   和2.0×10⁸
   -2.7×10⁹
   mol，热通量达1.7×10¹⁰
   -2.1×10¹¹
   MJ/年。扩散流区贡献总输出的80-90%，颠覆传统聚焦流主导的认知。

2. 相分离机制
   蘑菇状烟囱结构（Site 14）的发现证实海底及海底下方均存在相分离过程，产生富挥发分的低盐蒸汽相与高盐卤水相，解释该区气体高富集现象。

3. 物质扩散规律
   湍流动能耗散率在1600-1900米深处达峰值（10^?5
   W/kg），表层受黑潮影响向东北输运，而深层物质扩散主要受局部湍流控制。

【结论与意义】
该研究首次建立西太平洋弧后热液区多组分气体通量基准数据，揭示扩散流区在深海物质循环中的核心作用。发表于《Global and Planetary Change》的成果不仅为俯冲带碳硫循环模型提供关键参数，其创新的原位探测方法体系（如RiP系统）更推动深海化探技术进步。研究证实横须贺热液区作为"碳硫转化工厂"的生态功能，对理解深海极端环境生命维持机制具有启示意义。