深海激光拉曼光谱原位探测系统(RiP)在深海热液区原位探测超临界二氧化碳流体 受访者供图
近日,我国科学家在《科学通报》(英文版)以封面文章形式发表一项科研成果——科考队员在2016年深海热液航次中,于西太平洋一处深海热液区发现超临界二氧化碳,这也是全球首次在自然界发现超临界二氧化碳。科学家分析认为,此次观测到的超临界二氧化碳中含有大量氮气和有机组分,为生命起源以及初始有机质的形成提供了新的启示。
何为超临界二氧化碳?它又为何如此难以发现?记者采访了相关成果的完成方,请专家解疑答惑。
自然界中超临界二氧化碳很罕见
“超临界二氧化碳是二氧化碳的一种特殊相态,即当纯态的二氧化碳温度超过31摄氏度、压力超过73个大气压时,二氧化碳将以超临界流体的形式存在。”在接受科技日报记者采访时,课题组成员、中国科学院海洋研究所研究员孙卫东介绍。
“超临界态的二氧化碳兼具气态与液态物质的特性,拥有较大的扩散速率和较强的溶解能力,可以极大地提高反应的速率,因此被广泛用于有机合成反应。”论文第一作者、中国科学院海洋研究所研究员张鑫说。
之所以在自然界中难觅其踪影,主要是由于超临界二氧化碳的形成条件必须同时满足31摄氏度和73个大气压以上的温压条件,我们生活的普通场景中的大气压力仅有一个大气压,只有地球深部与深海洋底才可以满足这种极端压力条件。
“但以前的观测能力和取样手段,无法对地球深部的超临界态二氧化碳进行观测和取样。因为一旦取样或观测方式改变了超临界二氧化碳的温压条件,超临界二氧化碳的相态就会改变。”张鑫说,“近些年随着深海原位观测技术的提高,特别是深海激光原位拉曼光谱测量技术的问世,使得可以在不改变被测物温压状态的情况下,完成对被测物组分和结构的测量,这才得以在深海观测到自然状态下的超临界二氧化碳。”
孙卫东表示,正是由于在相关深海原位观测技术方面的进步,超临界二氧化碳才有被探测的可能。
深海热液区温压满足形成条件
而本次超临界二氧化碳被发现的地方,是西太平洋的深海热液区。深海热液又被称作“黑烟囱”,通常与海底岩浆活动有关,是一种海水被加热并与岩浆中挥发性物质一起喷出海底所形成的地质现象,温度可达三四百摄氏度,热液流体的喷发不仅向海洋释放热量,还带来了很多的金属元素和气体组分,孕育了丰富的基因资源和大量热液硫化物矿床。