科技日报实习记者 宋迎迎
12月7日，中科院海洋所发布消息称，其近海底地质过程团队继研发出国际首台耐高温拉曼光谱探针后，又成功研制出国际首套深海多通道拉曼光谱探测系统（Multi-RiPs，以下简称“多通道拉曼系统”）。借助于该系统，科研人员在我国南海冷泉区搭建了国际首套深海原位光谱实验室，并实现常态化运行。相关成果发表在国际学术期刊《深海研究第一辑: 海洋学研究论文》上。
深海无人实验室如何运作？实验室从地面搬到海底面临哪些困难和挑战？科技日报记者采访了中科院海洋所近海底地质过程团队核心成员张鑫研究员，详细了解多通道拉曼系统研发及深海原位光谱实验室搭建的过程。
(资料图片仅供参考)
多通道拉曼光谱探测系统关键光学器件布局图 受访方供图
拉曼光谱系列探针 应用于深海极端环境
自2009年到中科院海洋所工作后，张鑫与团队长期致力于深海极端环境拉曼光谱探针的研发。
“利用拉曼光谱的方式进行深海原位探测，在国外并不新鲜。但研发耐高温的拉曼光谱探针曾一度是个难点。”张鑫告诉记者，2015年，他带领团队突破了光学镜头不耐高温等技术难点，研发出国际首个可以直接插入450°C深海热液喷口的拉曼光谱探针，并针对不同的目标物，将拉曼探针进行了系列化拓展。
截至目前，拉曼光谱系列探针已广泛应用于中国和美国多家海洋研究机构，搭载“蛟龙”号载人潜水器、“发现”号无人缆控潜水器等下潜150余次，足迹遍布太平洋的冲绳海槽热液区、马努斯热液区、南海，美国西海岸4个冷泉/天然气水合物区，以及印度洋中脊热液区。
应用系列化的拉曼光谱探针，我国科研团队在南海发现两处裸露海底的天然气水合物，实现热液区倒置湖中气相喷发流体的原位探测与取样，取得了“在深海热液区发现自然状态下存在超临界二氧化碳和气态水”等多项重大成果。
由于拉曼光谱探针主要搭载在潜水器上进行应用，受潜水器作业时间等限制，拉曼光谱探针在海底探测的时间很短，无法开展长期原位实验，且只能探测一个点。随着对深海热液和冷泉系统研究的深入，科学家逐渐认识到深海热液或冷泉系统是有机统一的整体，冷泉和热液活动在时间和空间上都具有强烈的不均匀性。拉曼光谱探针搭载深潜器平台开展的瞬时、单点探测，无法反映热液、冷泉活动随时间的变化，因此难以准确评估热液冷泉释放物质通量，更无法开展长期原位实验，验证水岩界面反应等深部过程。
“瞬时、单点探测无法得知深海极端环境演化过程的全貌，亟需针对深海热液、冷泉活动理化环境开展坐底式长时、连续、多点原位探测，设计深海长期原位可控实验。”张鑫告诉记者。
Mulit-RiPs搭载LOOP在热液区域进行原位实验 与多目标物长期连续探测示意图 受访方供图
多通道拉曼系统助力 地面实验室搬到海底
中科院海洋所本次研发首套深海多通道拉曼系统，并搭载在深海着陆器（深海坐底长期观测系统，LOOP）上，布设在深海冷泉、热液等区域，开展长期、连续、多点位的原位探测、数据采集和可控实验。这相当于将无人实验室搬到了海底，用于研究深海热液和冷泉等对海洋环境和全球气候变化的影响，探究生命是否起源于海洋等科学假说。
Mulit-RiPs搭载LOOP在冷泉区域进行原位实验与多目标物长期连续探测示意图 受访方供图
张鑫向记者解释了海底实验室的工作过程：“我们通过船将搭载有多通道拉曼系统的深海着陆器布设在海底，借助ROV机器人将拉曼光谱探针从深海着陆器上拿下来，放置在需要观测的区域进行长期的观测。完成观测之后，ROV机器人再将拉曼光谱探针回收到深海着陆器上，深海着陆器携带拉曼光谱探针返回。”
自2015年开始，中科院海洋所近海底地质过程团队便开始尝试在我国南海海底布设自带高清摄像机的深海着陆器。2015-2020年，深海着陆器几经放置、回收，在水下工作总时长超800天，获取到大量深海数据，最终助力科研人员选定在我国南海北部的台西南冷泉区域建设深海原位光谱实验室。
地址选定了，如何建立海底实验室？这又是一大难题。2020年，张鑫开始提出多通道拉曼系统的概念。
“多通道拉曼系统，就是把多个拉曼光谱探针安装在一个系统里，再将该系统搭载于深海着陆器上，并布设在海底，开展长期的深海原位探测和实验。”张鑫解释说，该系统安装了4个拉曼光谱探针，可针对某一区域的不同场景同时开展多点探测与可控实验，提高探测效率的同时，可更精准地探究深海环境的时空演化规律。
“以前在南海冷泉区布设自带高清摄像机的深海着陆器，仅相当于对冷泉活动做‘现场直播’，我们无法了解其活动的机制和机理。应用多通道拉曼系统后，我们掌握了深海冷泉区各种物质反应的过程。原来仅是看一看，现在是测一测，之后我们还将做更多的原位实验。”张鑫告诉记者。
多通道拉曼系统从概念的提出，到原型机、到原理机、到科学应用，历时三年。研究团队前后三次将搭载多通道拉曼系统的深海着陆器布放于我国南海冷泉区，实现了冷泉喷口流体中主要成分、天然气水合物与深海环境的耦合变化过程、冷泉生物群落内部甲烷氧化过程的长期原位探测与现场实验。
Mulit-RiPs搭载LOOP连续三年（a：2020年；b：2021年；c：2022年）布放于我国台西南冷泉区域对深海原位实验进行探测与分析 受访方供图
研究团队将继续完善 深海原位光谱实验室
在深海极端环境建立实验室并非易事，研究团队曾面临布放精确点位控制、着陆器如何与ROV机器人协同作业等诸多挑战。
“搭载了深海多通道拉曼光谱系统的着陆器必须布放在深海冷泉或者热液的核心区才能发挥作用，一般而言深海冷泉或者热液的核心区可能只有几十米的范围，因此如何将一个没有自主运动功能的着陆器准确地通过科考船上的电缆，布放从海面布放到深度几千米的一块几米到几十米见方的区域，是一个十分考验船舶的动力定位能力以及科考船和着陆器协同作业能力的工作。”张鑫告诉记者，团队最开始的需要20多个小时，经过多年的磨合，已经可以做到2小时完成整个布放流程，并形成了一套作业规范。
另外，在完成着陆器布放后，必须将着陆器与母船用电缆连接，进行实时通讯的情况下，将各种拉曼探针从着陆器上布放到深海冷泉或者热液的各个位置，这个作业过程需要ROV机器人协助，而ROV机器人也有一根电缆和母船相连，因此在这个作业过程中就存在两条几千米长度的电缆从一条不足100米的船上同时布放在海底，如何保证两条电缆不缠绕，并且高效安全地工作，是研究团队面临的另一个难题。通过母船运行团队、ROV机器人操作团队和着陆器布放团队的多年磨合，已经可以圆满高效地解决这些问题。
“目前这套系统主要布设在我国南海冷泉区域，可为我国在南海区域进行天然气水合物的试采进行环境评估和评价。我们还会将该系统布设在深海热液区，对热液硫化物形成与演化的过程与机制进行原位实验。”张鑫告诉记者，未来，研究团队将继续完善深海原位光谱实验室，将更多的光谱技术，例如水下激光诱导击穿光谱技术、红外光谱技术、荧光光谱技术等，根据不同的科学需求驱动，集成到正在日益完善的深海原位光谱实验室，将其打造成一个多光谱、多通道的原位光谱实验室。
