北海道大学利用高光谱成像技术探索海冰中隐藏的矿物质

北海道大学的研究人员正在开发一种新的高光谱成像（HSI）方法，用于探测和量化海冰中的低温矿物，特别是石膏。这种创新方法有望帮助科学家了解这些微小晶体如何影响海洋碳循环和不断变化的极地环境。

探测到包裹在较大冰晶内部的微小晶体。在时间有限、样本量有限的极地野外考察中，这个问题尤为突出。虽然专家意见有助于矿物鉴定，但传统的手工方法耗时费力、主观性强，难以实现自动化，也难以量化不同类型冰中矿物的丰度。

为了克服这些局限性，北海道大学的研究人员在阿尔弗雷德·韦格纳研究所(AWI)的支持下，借助著名的北极科考船“极星号”的强大科研能力，正在测试高光谱成像 (HSI) 技术，以期获得一种更快、更客观的分析方法。HSI 利用近红外和短波红外 (NIR/SWIR) 波段低温矿物独特的光谱特征，能够高效、无损地识别和量化海冰中的矿物成分。

海冰是一个动态的多相系统，其中充满了微小的盐水微环境，低温矿物在这些微环境中形成，其尺寸通常从小于10
微米到超过1000微米不等。石膏（硫酸钙， CaSO₄ ·2H₂O）就是这样一种矿物，尽管它具有潜在的重要性，但长期以来在极地研究中却被忽视了。石膏可能起到“压载剂”的作用，帮助有机物质从海洋表面沉降到更深的海层——这是全球碳循环中的一个关键过程（更多信息请参见此处）。

然而，石膏在取样和运输过程中极易溶解，这意味着它历来都未得到充分的观测。因此，其生态意义和分布情况仍然很大程度上未知。

北海道大学水产科学学院的日本学术振兴会（JSPS）研究员埃米利亚诺·奇莫利博士领导着一项研究工作，旨在将新型光学传感技术应用于极地环境中低温生物地球化学过程的研究。他与同样是JSPS研究员、并获得日本学术振兴会（JSPS）国际博士后奖学金资助的高桥圭吾博士合作开展这项研究。

“我们从地质和行星遥感中汲取灵感，研究水合硫酸盐，旨在将这些方法应用于极地生物地球化学研究，” Cimoli博士解释说。

该团队的目标是利用高光谱成像技术直接从捕获融化海冰芯样本的过滤器中检测和量化石膏及相关低温矿物。
该方法能够实现现场近乎实时的矿物检测，从而可以对不同冰型、季节和地区进行半自动分析。

随着海冰状况的快速变化，寻找有效的方法变得越来越重要。

“高光谱成像技术可以实现矿物自动识别、晶体计数，甚至有可能实现尺寸和厚度的估算， ” Cimoli博士说。
“这种高通量处理方法可以显著加快样品处理速度，并有助于在极地科考船上直接实现极地研究工作流程的标准化。 ”

Specim FX17高光谱相机通过捕捉矿物在900至1700纳米波长范围内的独特吸收特征来识别矿物。它在近红外波段工作，使研究人员能够检测到标准光学仪器无法探测到的材料特性。

Cimoli和他的团队使用Specim FX17 和微距镜头装置（分辨率约为 10 μm ）和受控照明来测试一种适用于现场的工作流程，用于扫描融化海冰芯中的滤膜并量化矿物含量。

“在我们持续进行的试验中，我们在受控条件下融化海冰岩芯切片，并将剩余物质通过 10 微米的筛网过滤。然后，我们应用成像光谱技术，看看能否在这些滤网上可靠地捕获与石膏和其他低温矿物相关的光谱特征，” Cimoli解释说。

通过成功估算矿物的存在和分布，研究人员旨在将这些模式与更广泛的海冰特性（如温度历史、孔隙度和季节阶段）联系起来。

“ Specim FX17 对于测试是否可以开发出一种快速、无损且适用于现场的工作流程来识别极地环境中这些难以捉摸的矿物至关重要，” Cimoli强调说。

这并非Cimoli第一次接触Specim技术。攻读博士学位期间，他曾使用Specim AisaKESTREL10 对海冰下的藻类群落进行成像——这是在极端环境下另一项极具挑战性的光学任务（了解更多）。

除了技术能力之外，他还强调Specim 的可靠性和快速响应的支持对于实地科学至关重要，这也是他继续依赖Specim产品的主要原因。

“多年来，我发现Specim是少数几家愿意在苛刻条件下支持不寻常或实验性应用的公司之一，” Cimoli博士说。
“他们的灵活性和快速响应对于依赖现场设备可靠性的研究来说至关重要。”

北海道大学团队在由阿尔弗雷德·韦格纳研究所(AWI)领导的 CONTRASTS PS149 考察期间，搭乘德国科考破冰船“极星号”测试了他们的高光谱成像 (HSI) 工作流程。这项多学科任务旨在研究大气和海洋变化如何影响北极海冰融化及其相关生态系统。

该项目汇集了日本、德国和澳大利亚的研究团队，为Cimoli 博士的团队提供了一个独特的机会，在真实的极地条件下验证他们的 HSI 方法。
与 AWI 更广泛的海冰物理和生物学计划密切合作，有助于将光学技术融入对北极变化的跨学科理解中。

北海道大学的这个项目将先进的成像技术与现场工作流程相结合，展示了高光谱成像如何揭示以前无法观察到的海冰成分细节。

该方法为快速、无损和标准化的矿物检测提供了一条有希望的途径，有助于科学家更好地了解不断演变的极地生态系统。
由于海冰状况变化速度比以往任何时候都快，因此，此类创新对于全面了解我们星球冰冻前沿的状况至关重要。

了解更多：

Wollenburg, JE, Iversen, M., Katlein, C., Krumpen, T., Nicolaus, M., Castellani, G., Peeken , I., 和 Flores, H.: 北冰洋低温石膏分布、形态和溶解动力学的新观测，冰冻圈，14，1795–1808， https://doi.org/10.5194/tc-14-1795-2020

Cimoli , E., Lucieer , V., Meiners , KM 等。利用海冰芯高光谱成像技术绘制冰藻生物量的原位微空间分布图。《科学报告》10, 21848 (2020)。https ://doi.org/10.1038/s41598-020-79084-6