水是什麼樣的？
它是碧波蕩漾的大海，是寒氣逼人的冰塊，還是嫋嫋升起的水蒸氣……
水蒸氣是看不到的，圖上看到的白霧是水蒸氣液化所形成的（圖片來源：veer圖庫）
水的相態受控於其所處的溫度、壓力條件，比如在一個大氣壓下，純水在100℃將轉變為氣態水。但是，如果說「在冰冷的海底有氣態水」，這裡面的每個字和詞都不難，但連起來，卻讓人有些困惑。提到氣態水時似乎總離不開一個「熱」字，液體在較高氣壓下沸點會上升，在深海海底高壓的環境下，海水的氣化溫度可達幾百攝氏度，在深海裡真的有氣態水嗎？
日前，中國科學院海洋研究所的科學家在深海熱液區首次觀測到氣態水存在的證據。該成果在地球科學權威刊物《地球物理學研究快報》上正式發表。
深海裡的氣態水，溫度高達383.3℃
科學家是怎麼發現深海中的氣態水的？其實這是去探測深海熱液系統時「無意」中的發現。
深海熱液系統孕育了豐富的礦產和基因資源，更是被認為與生命起源相關，一直備受科學界關注。在2018年「科學」號科考船深海熱液航次中，研究人員在深海熱液區，通過「發現」號ROV的高清攝像頭發現了奇妙的倒置湖。湖內充滿大量閃閃發光的水體。巨大的溫度、密度差異形成的強烈光反射層，使倒置湖的湖面看起來如同光滑的鏡面一般平整。
圖1 「發現」號ROV拍攝的倒置湖仰視圖
研究人員通過深海雷射拉曼光譜原位探測系統和深海熱液溫度探針對倒置湖內水體不同層位進行拉曼光譜採集和溫度測量。拉曼光譜的測量結果表明，該區域倒置湖內水體呈現「三明治」式分層結構，從頂部至底部依次為高溫蒸汽相、熱液流體與海水混合相以及底層的正常海水相。
溫度測量數據表明倒置湖頂部流體的溫度最高可達383.3℃，已經超出了該區域水深條件的相分離的溫度，進一步驗證了拉曼光譜的測量結果，倒置湖內頂部為氣態水並混有CO2、CH4、H2S等氣體組分。
氣態水也看不見，怎麼確定的？
我們都知道水蒸氣是看不到的，那麼怎麼確定研究人員在深海裡發現的是氣態水呢？
此次在深海熱液區觀測到氣態水存在的證據主要有以下四點：
1. 溫度數據
這是最直接的證據。判斷流體相態最主要的參數就是溫度和壓力，當流體所的溫度超出其所處環境壓力下的氣化溫度時，液態必然會向氣態轉化。研究人員測得流體的最高溫度已經超過了該水深條件下海水的氣化溫度。
後續的實驗室分析表明倒置湖內流體的鹽度要比海水低得多。鹽度正是控制流體氣化溫度的重要參數，流體的氣化溫度隨鹽度的增加而升高，也就是說倒置湖內流體在該水深下的氣化溫度比海水的更低，而當前所測量的倒置湖內流體的最高溫度遠超低鹽度流體的氣化溫度。
圖2 熱液溫度探針採集的溫度數據
2. 原位拉曼光譜數據
研究人員通過我國自主研發的深海雷射拉曼光譜原位探測系統採集到多條倒置湖內流體的拉曼光譜。水在氣態、液態、固態下的拉曼光譜形態有明顯的區別，在氣態條件下水分子的OH伸縮振動譜帶的形態非常尖銳，而此次倒置湖內流體的拉曼光譜也表現為這一特徵。
圖3 RiP系統採集的拉曼光譜數據
3. 保壓流體數據
本次研究人員不僅對該區域的流體進行了原位綜合探測，還利用自主研發的保壓流體取樣技術對倒置湖內的流體進行了保壓取樣。研究人員從採樣質量最好的一瓶保壓流體樣品中分離出大約400毫升氣體組分和20毫升的流體組分。
保壓鋼瓶的體積為150毫升，從鋼瓶中本應分出的流體體積約在一百餘毫升，卻為何分離出如此之少的流體呢？這主要是因為常溫下熱液流體的密度約為1克/毫升，而380℃左右的氣態水的密度則小於0.2克/毫升，流體在常溫和高溫下的巨大差異造成從保壓流體取樣器中分離的流體如此之少。
4. 直接觀測
從視頻畫面上可以非常明顯的看到倒置湖鏡面，這是由倒置湖內外巨大的密度差異引起的全反射現象所造成的。通過下圖可以直觀的了解倒置湖鏡面形成的機制，倒置湖內外巨大的密度差異也驗證了氣態水的存在。
圖4 倒置湖鏡面全反射的形成機制
圖5 倒置湖「蘑菇型」構造的形成模型
深海裡的氣態水為什麼能夠存在？
氣態水能夠在該區域的海底之上存留，得益於該區域獨特的「蘑菇型」熱液煙囪構造。
海底熱液區域是海底一種典型的極端環境，主要由噴口流體和海底下的流體組成。噴口流體普遍高溫，即我們平常所說的海底「黑煙囪」，但也會有中低溫。流體主要由水組成，還含有其他多種化學成分，如Li、Na、K、Rb、Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、Cl等元素。
「黑煙囪」長啥樣↓↓↓
相分離作用是深海熱液系統流體組分發生分離的過程。當流體的溫度超過其所處壓力下兩相分離溫度時，低密度、低鹽度、富氣體組分的氣相將與滷水相分離。但由於氣相在上升並噴出海底的過程中，溫度快速降低，使得蒸汽相無法在海底之上保持。
「蘑菇型」煙囪結構形成了一個半封閉的體系，將過熱的高溫流體與周圍低溫海水隔離。這就相當於在海底存在一個大的氣泡，但在氣態水上面覆蓋著熱液硫化物的礦物，它就相當於一個倒扣的碗一樣，把這個氣泡罩住了，不會上升。
高溫熱液噴發物通過倒置湖的鏡面向海水緩慢擴散，這種特殊的噴發模式有利於熱液硫化物在煙囪邊緣沉澱，從而減弱對海洋環境的影響。金屬元素的溶解與運移受到流體密度的控制，因此低密度氣相和超臨界相熱液噴發系統在元素分配和硫化物礦化過程上與常規熱液系統有明顯差異。
能發現深海裡的「湖」靠的是什麼？
低密度氣相熱液噴發系統並非首次被發現，早在幾年前溫度高達464℃的超臨界熱液噴發系統就在大西洋中脊被發現，但之前開展研究困難很大：主要依靠溫度探針和保壓流體取樣的方式，難以做到原位探測；由於此類熱液噴發系統噴發十分劇烈，採集到海水混染較少的保壓流體樣品十分困難，同時保壓取樣技術僅能保持流體樣品的壓力，無法維持其溫度，因此無法保持樣品的特殊相態。
而深海原位拉曼光譜測量技術可以在不改變被測物狀態和所處環境的條件下獲取被測物的相態、組分和含量信息，非常適宜於此類超高溫熱液噴發系統的測量。此次在深海熱液區首次觀測到氣態水存在的證據正是依託於「發現」號ROV攜帶的我國自主研發的深海雷射拉曼光譜原位探測系統，該系統特製的熱液探針可以直接插入到超高溫的熱液噴口，不僅可以獲取到熱液流體中各組分的含量信息，還可以識別熱液噴發物的相態，為研究熱液噴發系統提供準確的流體參數信息。
視頻中展示了通過深海雷射拉曼光譜原位探測系統、深海熱液溫度探針和保壓流體取樣器對倒置湖內流體進行探測的過程，研究人員將探針近乎垂直的插入到倒置湖內，通過控制探頭的插入深度獲取不同層位流體的數據。從視頻中可以看出「發現」號ROV的所有操作都是在懸停條件下進行，由於底層流的影響，操作難度極大，但是它們都圓滿地完成了任務！
展望
當前，超臨界相與氣相熱液噴發系統僅在洋中脊熱液區被觀測到，此次在弧後熱液區觀測到的氣相熱液噴發系統與洋中脊的超臨界相與氣相的噴發系統相比，具備更加穩定的噴發條件。
圖6 全球已探明的活動熱液區分布以及具有相似結構的熱液區位置
對此類氣相熱液噴發系統的原位探測，有助於揭示此類低密度氣相熱液噴發系統的熱液硫化物礦化過程以及對深海環境的影響。