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深海环境及深海沉积物拉曼光谱原位定量探测技术研究

张鑫  
【摘要】: 基于深海ROV(深海遥控潜器)探测平台的拉曼光谱系统作为一种定性分析技术已被广泛应用于深海热液、冷泉和天然气水合物研究。本论文基于拉曼光谱定量分析方法,深入开展了深海环境及深海沉积物的拉曼光谱原位定量探测技术的研究。 本项研究研制了一套深海沉积物孔隙水化学成分原位探测拉曼探头。此探头可在深海ROV机械臂的控制下将一个30厘米长的探针插入深海沉积物中,沉积物中的孔隙水被一个由ROV控制的液压泵抽出(仅需0.1毫升)并完成拉曼光谱测量,拉曼探头随后将被插入更深的沉积物中,并重复以上操作。整个探测系统和拉曼光谱的采集都由位于海面科考船ROV控制室内的计算机控制完成。 大陆架附近的沉积物中溶解的甲烷气体在天然气水合物的形成过程中具有重要的作用,在全球气候变化和深海极端生物现象等海洋地球化学领域有重要的研究价值。本项研究研制的深海沉积物孔隙水化学成分原位探测拉曼探头可以原位定量分析沉积物孔隙水中甲烷、硫酸根和硫化氢的浓度,从而避免了深海采样回收过程中由于溶解在孔隙水中气体的分解导致的气体浓度降低。从美国Oregon州附近的天然气水合物富集区Hydrate Ridge海域的探测结果显示,原位探测和传统探测方式获得的硫酸根离子浓度吻合良好,但是甲烷浓度有很大偏差(回收样品中甲烷大量分解);且原位测量得到的孔隙水荧光背景干扰较小,甲板回收后得到的孔隙水样品中荧光背景干扰增长迅速。 50多年前,大量的化学武器被倾倒在深海中进行销毁。大量证据显示,这些倾倒在深海海底的化学武器分解产生的有害物质正在危害海洋环境和渔业生产。因此对这些化学武器深海降解产物以及危害范围的研究具有重要的意义。在本论文中,我们使用拉曼光谱技术在实验室模拟研究了芥子气深海降解产物1,4-thioxane(TO)的海洋地球化学性质。研究中发现,TO可以和甲烷或者硫化氢气体一起与水分子结合形成水合物结构,并且世界上大部分化学武器倾倒海域都符合这种水合物结构稳定所需要的温度和压力条件,研究还发现TO在海水中具有很低的溶解度,这些因素大大限制了TO在海水中的稀释扩散作用,从而延长了其对海洋环境的危害期。


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