基于海底观测网的深海传感器原位自校正系统基础应用研究

Hydrothermal vents harbor dense and biologically diverse ecosystems supported by chemosynthesis, which related to the research of the origin of life and the tectonic events. The geological setting and geochemical nature of deep-sea vents that impact the biogeography of vent organisms, chemosynthesis, and the known biological and metabolic diversity. The objective of the proposed experimental study entails acquisition of kinetic and thermodynamic data to enhance the development and application of geochemical models needed to constrain the temporal and spatial evolution of the expanding database for hydrothermal vent fluids associated with the hydrothermal fauna. This is an ongoing effort to develop, calibrate, test, and deploy in situ electrochemical sensors for pH, temperature, and important Hydrogen and sulfur-bearing redox compounds, with the goal of producing an instrument package that can be used for long term monitoring of hydrothermal vent chemistry at mid-ocean ridges. This work will extend the monitoring capabilities of the sensor array and increase its physical robustness for long-term deployment on the seafloor. The active and passive in situ measurement method will be studies with the field application on the NEPTUNE underwater cabled ocean observatory. This experiment will greatly enhance research infrastructure of cabled ocean observatories currently built in China East Sea and China South Sea.

深海热液喷口周围独特的生物群落是研究地球内部生物圈和生命起源的窗口。探寻热液生物群落的环境因素是认识这些特殊生命形式与生态系统的关键之一。本课题通过原位化学传感器的长期观测，获取热液生物环境的化学组分浓度随时间变化、空间分布规律，解释热液生物的发展衍化和空间分布特性与热液流体化学参数(pH, H2, H2S) 之间的内在联系。研究原位传感器的自校正机理，开发应用于海底观测网的深海传感器原位自校正系统。通过国际合作进行原位自校正系统在加拿大NEPTUNE海底观测网上的实验研究，掌握先进的深海传感器技术，探索主动式和被动式远程海洋观测理论和方法，对我国东海、南海海底观测网的建设以及形成的自己的全方位科学观测体系研究，具有重要的先导性作用。

深海洋中脊热液的地球化学研究和生物生态研究需要对热液环境进行长期原位观测，获取热液流体的化学参数随时间变化的规律。本课题围绕深海热液长期观测所涉及到的原位化学传感器制作、标定问题，以及原位化学传感器设备的研制和热液原位长期观测问题，开展了深入的研究工作，主要成果如下：.1）通过实验研究，建立了深海氧化钇(IrOx)固态金属pH电极的温度和压力补偿方法。该方法的核心是利用两点原位标定来建立化学电极在不同温度下的标定曲线，准确计算深海热液的原位pH值。.2）基于两点标定方法，研制了一套深潜器搭载原位化学连续监测系统，由泵阀流动系统配合来自动实现测量和校正的功能。.3）开展了钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷传感器的相应机理研究，开发了基于Ag|Ag2O和Hg|HgO金属氧化物的两种YSZ陶瓷传感器，适用于海底洋中脊高温热液观测。.4）研制了基于YSZ陶瓷传感器的深海原位长期化学观测装置。集成了YSZ陶瓷电极、氢电极（Pt）、H2S电极（Ag2S）、Ag|AgCl参比电极与热电偶温度传感器，能同时对深海热液展开多参数观测。该传感器装置参加了美国AT37-04对于EPR 9°热液区的科学考察航次，成功搭载Alvin深潜器进行了多次深海热液原位测量，获取了大量原位数据。