冷泉的形成原因(冷泉水形成原因)

长期以来，由于勘探能力的限制，人们对海洋的认识仅限于洋面以下数百米的水层，对深海知之甚少。直到最近几十年，随着海洋勘探技术和设备的更新换代，科学家们发现海底深处并不是一片贫瘠，而是像沙漠一样的深海平原上有一片郁郁葱葱的“绿洲”。

无数的贝、虾、蟹在这里发育，活跃和死亡的海洋生物层层叠叠，令人震撼和兴奋。是深海生态系统的“倒春寒”。

▲“冷泉”区的海底生物异常活跃，包括白蘑菇垫、贻贝、管状蠕虫、海星和虾。广州海洋地质调查局供图

跟随“海马号”，探寻海洋深处的秘密

到底什么是“倒春寒”？作为一名海洋地球物理学家，我有幸登上“海洋六号”，通过我国自主研发的4500米无人遥控潜水器“海马”号，亲眼见证了这一深海海底奇观的发现过程。

2015年5月，南海微风习习，平静如湖。“海洋六号”科考船载着数十名科考人员，朝着预定目标区域全速航行。到达目标区域后，立即开始紧张的准备工作。首先是对母船海洋六号进行动态定位，让海马潜水器通过母船“钉”在预先设计好的目标点上。仪器入水前测试一切正常后，一声令下，“海马”号像放飞的“风筝”一样，拖着长长的“尾巴”(装甲通信电缆)，缓缓爬进海底。

▲“海洋六号”科考船外景。广州海洋地质调查局供图

潜水器的各种信号从控制室的监控屏幕上传，监控屏幕上显示着潜水过程中海水的场景。起初可以看到淡蓝色的海水，阳光透过海面斜斜地照进海水，仿佛透过原始森林照进森林。渐渐地，天色越来越暗，最后除了“海马”本身的一点点光亮，周围几乎完全昏暗。就在大家兴趣减弱的时候，“海马”的灯全部亮了，接近海底！然而海底只是一片淡黄色的寂静，充满单调的灰色，除了一两只海参和海葵，几乎没有任何生命迹象。

因为有了前期工作的基础，“海马”继续向预定目标巡航。突然，小河蚌出现在监视器屏幕上。我们越往前走，蚌类越来越多。然后，白色的蚌类、银耳垫、白色的装甲虾和蠕动的暗红色管虫幼虫逐渐出现，越来越多。最后你看到的都是各种各样的“倒春寒”生物，重叠在一起，仿佛置身于一个被收割的人造海鲜养殖场。这就是海底“绿洲”——“冷泉”生态系统。

▲冷泉活跃喷口附近的天然典型水合物。摄影/陶俊

“冷泉”何以成为“冷”“泉”？

在我们正常的认知下，生物的生存和生长需要氧气和养分。在1000多米的深海中，虽然海水中的氧气含量比较稀薄，完全可以支持生物的生存，但是生物生长发育所必需的营养物质从哪里来呢？

就在我疑惑的时候，监控屏幕上一串细细的或密密麻麻的气泡从海底飘了出来。随着“海马”号的靠近，我看到越来越多的气泡，越来越清晰，最后大量的气泡成群结队地翻滚着，像沸腾的水一样，从海底的裂缝中喷涌而出。气泡由小变大，达到一定高度就消失了。视线下移，气泡溢出的海底表面出现一团块状白色晶体物质，这就是与“冷泉”形成密切相关的物质——“可燃冰”。

▲“海马冷泉”海底甲烷外溢。摄影/陶俊

海底下有大量的“甲烷”，是一种可燃的能源物质。常温下是气态，高压低温下会形成“可燃冰”。在内外力的作用下，甲烷从海底下面向上运移泄漏。当泄漏通道更加通畅和方便时，甲烷气体会以更“温暖”的方式释放出来，就像海底喷泉一样。这种甲烷气体大部分是在海底浅表层通过水合物分解释放出来的，水合物分解是一个吸热过程，导致甲烷泄漏或喷发的温度远低于周围，通常只有几摄氏度。为了与“温泉”或“黑烟囱”等其他海底热流体喷发方式相区别，人们称之为“冷泉”。

甲烷气体到达海底后，会被一群吃货——“嗜甲烷者”消耗掉。这种细菌数量非常多，形状像“席”，所以被称为“白蘑菇席”，是贻贝、管虫等海洋生物的美味。较大的生物，如海虾、甲蟹等，以细菌或贝类为食，形成完整的生物链。嗜甲烷细菌是这个生物链中最底层的生产者，维持着“冷泉”生态系统的平衡。如果有一天，海底以下没有甲烷气体供应，甲烷氧化菌会因为缺乏营养而死亡，整个“冷泉”生态系统将不复存在。

当溢出的甲烷气体达到一定浓度时，由于海底的低温高压环境，可以在海底直接生成高饱和度的天然气水合物——“可燃冰水合物山”。它被厚厚的灰色淤泥包裹在海底，只露出一点点白色，宣告着它的存在。

▲“海马冷泉”海底自然裸露的天然气水合物。摄影/陶俊

冷泉与可燃冰，究竟啥关系？

可燃冰，学名天然气水合物，是一种高效、清洁、储量巨大的新型能源。它是水和天然气在高压低温下形成的冰状化合物。因为它看起来像冰和雪，点燃后可以燃烧，仿佛是一种点燃冰的超自然现象，所以被称为“可燃冰”。

可燃冰是一种高度压缩的天然气资源，具有巨大的经济价值。1立方米可燃冰可分解160-170立方米天然气，其能量密度是常规天然气的2-5倍。据估计，全球可燃冰总储量约为全球已知煤、石油和天然气总储量的两倍，其中百分之九十七分布在海洋中。最令人期待的是可燃冰燃烧后只产生二氧化碳和水，被誉为21世纪的绿色能源。

▲海马机械手在抢水合物。摄影/陶俊

冷泉的发现对该海域可燃冰的研究具有重要意义。发现冷泉的地方一定有可燃冰吗？另一方面，有可燃冰的地方，会发现冷泉吗？第一个问题的答案是肯定的。冷泉本身就是天然气水合物分解形成的。冷泉的发现是露头信息，是预测可燃冰存在的最直接证据，可以为进一步的资源评价打下良好的基础。至于第二个问题，可能不成立，因为可燃冰有泄漏型和扩散型两种。如果找到“扩散型”可燃冰，可能就没有“冷泉”特征了。

▲“海马”深海无人遥控潜水器瞬间浮出水面。摄影/陶俊

海地区可燃冰的储存规模如此可观，而且是如此高效清洁的环保能源。为了人类社会的利益，我们应该尽快开发利用它。然而，海域可燃冰的开采技术难度较高:首先，它存在于未石化的海底砂层中，它存在于空之间，像一个用泥土和沙子搭建的蜂巢。可燃冰在开采过程中分解成天然气和水后，“蜂窝墙”很可能坍塌并被带走，从而堵塞采气管道；第二，只要温度和压力条件发生变化，可燃冰就会蒸发成气体进入大气，瞬间成为环境杀手。因此，该海域可燃冰已被发现数十年，但开采一直没有重大进展。

2017年5月10日，中国在南海神狐海域首次成功点燃可燃冰。到5月18日，产气持续8天，日均产量超过16000立方米。到6月10日，产气持续31天，累计产气21万立方米，平均日产6800立方米。试生产井产气过程平稳，井底状况良好，钻井作业安全，海底海洋环境监测未发现异常，未发现海底甲烷气体泄漏。实现了持续时间长、气流稳定、环境安全等多项重大突破。

目前，科学家们正朝着大规模、低成本、环保的方向努力研究可燃冰的下一步试开采。相信在不久的将来，可燃冰会取代其他能源，真正被人类所利用。

▲2017年5月18日，我国首次海域天然气水合物试采成功。广东省自然资源厅供图

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由龚月华/广东海洋地质调查局等撰写。

编辑/杨亚林图文编辑/李星秋申发/黄

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