南海上分！海底驚現中國“黑科技”無人實驗室

出品|網易新聞

導語：國際首套深海多通道拉曼光譜探測系統由中國團隊研發成功，并以此為核心在南海深處構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”戰略目標。

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，是能夠對深海的物質進行細致的探索。多通道拉曼光譜探測系統作為深海實驗室的主要科學載荷，是實現這一目的的主要傳感器。

在光學實驗中，當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，只與分子本身的結構有關。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的不同振動能級，像是每種分子所對應的“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。

深海實驗室針對不同目標設計了不同傳感器

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的分子種類，這種技術已經比較成熟。將實驗室搬到海底，對海底和水體中的目標進行探測，通過散射探測深海極端環境中物質的主要化學成分，反推海底和水體中目標物質的分布。該實驗室的主要用途，就是利用這套科學載荷，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進行系統性的探索。

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品，可燃冰具備相當的潛力。根據眾多科研機構的估測，全球可燃冰的總資源量大約相當于20萬億油當量，這是目前已探明的常規化石能源的整整2倍，可供目前的人類使用數百年。

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。可燃冰外觀呈現白色，外觀像冰且能被直接燃燒，所以被稱為“可燃冰”。可燃冰亦可通過簡單的處理轉化為液化天然氣，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，否則甲烷就會轉化為氣態，無法形成和穩定存在。因此世界上超過97%的可燃冰形成和儲存于深海地區，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。為了收集南海可燃冰的精確儲量分布，無人實驗室的設計最大下潛深度為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內，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先的勘探，但預計南海其他地區的可燃冰密度將不低于神狐海域。在整個南海范圍內，可燃冰的估測儲量遠大于南海北部海域，預計約4.1萬億立方米。

盡管可燃冰資源的開采仍然有很多技術上的限制，依靠深海實驗室所搭載的拉曼光譜檢測系統，通過激光產生的光譜得到的分子級別信息，可以探測深海極端環境中可燃冰的結構與組成，并捕捉其相關動態規律和潛在聯系。這更能積累精細的儲量數據，做到心中有數，加快我國開發可燃冰資源的步伐。

深海探測過程

三、助力全球海洋系統變化的生態研究

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域常態化運行，展開海底觀測、數據采集和可控實驗。這些區域孕育了特殊的生態環境，更富集了大量戰略金屬資源，利用拉曼光譜系統，可以對這些物質的形成演化過程和機制進行相關的原位試驗與研究。

海底熱液和冷泉本質上是海洋與地底的物質交換，地殼內的元素經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境，可供厭氧細菌生存。值得注意的是，海底熱液是指地熱加熱過的物質，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。

熱液能產生海底煙柱現象

熱液和冷泉中含有大量的硫化物，而科學家的研究發現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混雜的“營養湯”中的特殊細菌，而針對深海中類似微環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核

同時，熱液與冷泉附近經過長時間積累和沉淀之下能夠形成海底品位相當高的礦脈，廣泛地分布于海床之上，其中包括海底錳結核和金屬軟泥，包含二十多種金屬元素，具有極大的經濟價值。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據能幫助研究各個生態系統的相互作用帶來的全球變化。

結語：

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