1983年美国阿尔文号第一次在墨西哥湾佛罗里达陡崖3 200 m深发现海底冷泉^[1], 这是继海底热液之后又一项重要深海发现。冷泉通常是指以硫化氢、甲烷或其他碳氢化合物的气体在重力或压力的作用下发生泄漏或涌出海底沉积界面的流体渗漏活动, 并与周围海水的温度相近^[2], 呈线性群产出, 普遍发育于主动大陆边缘和被动大陆边缘^[3], 并伴随大量自生碳酸盐岩、泥火山和麻坑等较为宏观的地质现象^[4]。与海底热液喷口类似, 冷泉处的群落也是生物量异常丰富, 且通常存在着独特的物种和特有种^[5], 对研究地球及地球外生命起源与演化具有重要意义, 也是宝贵的生命基因和医药资源^[6], 这些都使得冷泉活动迅速成为研究热点。

科学文献反应了其所在学科的科学活动, 学科的计量研究是科学学重要研究方向之一, 具有很强的方法论意义和政策价值^[7]。文献计量分析的结果可以为科技发展态势的预测、科技发展的宏观决策提供有价值的定量参考依据^[8]。国内外许多学者将文献计量方法用于评价期刊、国家和机构竞争力和领域研究态势等方面。比如, Bornmann等^[9]利用一个多层次模型对高被引论文高产大学进行排名和可视化分析。Laengle等^[10]从期刊发表论文数量、被引频次、发文作者和机构及其合作情况等文献计量指标对期刊《European Journal of Operational Research》进行了综述与评价。王琳等^[11]利用计量工具将洋中脊研究文献的关键词进行聚类, 对洋中脊的研究内容和研究现状进行总结与分析。白思均和李晓军^[12]使用文献计量学对于我国2009年国家自然科学基金管理类项目进行了分析, 探究了国内管理学的热点问题。本文拟通过文献计量方法对全球冷泉系统研究的年度变化、主要力量布局、主要研究机构及其合作关系、研究的热点方向等做简要分析, 以期能为我国冷泉系统研究和规划方面提供有益借鉴和参考。

1 数据来源与分析工具

本文以科学引文索引(Science Citation Index Expanded, SCIE)数据库为基础, 以[(" cold-seep*" or " cold seep*" or " cold vent*" or " cold-vent*" or " hydrocarbonseep*" or " gas vent*" or " gasseep*" or " methaneseep*" or " methane-seep*" ) and (" deep-sea" or " deepsea" or " deep sea" or Submarine or seafloor or " sea floor" or " sea-floor" or seabed or " sea bed" or " sea-bed" or undersea or benthal or benthic or Abyssal or trench* or seamount* or " subduction zone*" or " passive margin" or " passive plate boundary" or pacific or Atlantic or " Indian Ocean" or " Arctic Ocean" or Nankai or " South China Sea" or " South Sea" or " East China Sea" or " Donghai Sea" or " Gulf of Mexico" )]为主题进行检索, 选取的文献类型为Article、Procee ding paper和Review, 检索日期截止至2017年12月31日。在得到初步检索结果后, 将数据进行合并、去重和清洗处理, 最终得到2 259条数据, 从文献计量角度分析全球冷泉系统研究的发展态势。

数据分析主要采用汤森路透集团开发的专利信息分析工具Thomson Data Analyzer(TDA)软件、网络关系分析工具Ucinet和NetDraw、Nees Jan van Eck和LudoWaltman开发的VOSviewer软件和办公软件Excel。利用TDA软件对文献数据进行基本的处理和清理。利用Ucinet和NetDraw工具绘制国家合作网络, 利用VOSviewer软件对文章题名、摘要和关键词进行聚类分析。利用Excel软件对该领域文献进行统计分析以及图表绘制的可视化分析。利用Garfield^[13]开发的引文图谱分析软件Histcite, 定位出冷泉系统研究的重要文献[11], 并选取被检索数据集中文献引用次数最多的30篇文献, 以图谱方式展示国际冷泉系统研究重要文献之间的引用关系, 从高影响力论文方面分析冷泉系统领域的研究热点。

2 国际冷泉研究主要概况 2.1 研究论文变化情况

从世界各国或地区在冷泉系统研究方面发表的SCIE论文的年际变化来看, 2000年以前处于发展缓慢状态, 从21世纪初开始, 世界上许多国家和地区纷纷加强了对科考船、深海潜器和采样设备等海洋基础设施建设的投入, 使得近距离研究深海成为可能, 对深海特殊生境有了更深入的了解, 对于整个国际冷泉系统研究起到了至关重要的作用, 刺激了研究论文的增长。由图 1可以明显看出, 冷泉系统研究论文整体呈现递增趋势, 有些年份论文量会有小的波动, 2007年以后每年发文量基本超过100篇, 2010年达到最高值, 有178篇冷泉系统研究论文被SCIE数据库收录(图 1)。

2.2 研究论文期刊分布

自20世纪70年代以来, 国际冷泉相关研究论文分布于369种海洋学、地质学和地球物理方面的期刊和论文集, 收录数量排名前10的期刊情况如表 1所列。期刊的出版国家主要集中在荷兰和英国(表 1)。

2.3 冷泉系统国际研究力量分析 2.3.1 主要国家或地区发文及其影响力

为了更深入了解各国在冷泉系统研究方面的影响力, 我们从主要国家所发表的研究论文的篇均被引频次和高被引论文比例等方面进行了分析(表 2)。结果发现, 荷兰、德国和美国的篇均被引频次较高, 均超过36次/篇; 中国篇均被引频次最低, 为13.70次/篇, 但中国第一作者发文数量占全部发文总量比例最高, 达84.98%(图 2)。通过对近三年的发文情况进行分析, 发现中国和挪威近三年的发文量所占比例最高, 遥遥领先于其他国家, 正处于快速上升期。在所有发表论文中被引用的论文所占比例最高的是挪威, 为99.08%, 被引频次≥50以及被引频次≥100的论文所占比例最高的分别是荷兰和西班牙。从图 3可以看出, 美国论文在数量和篇均被引频次均处于领先位置, 德国因为论文数量增长有限, 但篇均被引频次较高, 法国和英国论文数量和篇均被引频次都略高于前15位国家平均值, 处于第一象限; 中国发文量齐于平均水平, 但论文篇均被引频次远远低于发达国家。

以发表冷泉系统论文数量的前50个国家和地区为主, 得到各个国家和地区相互合作关系网络(图 4)。从图中可以看出, 美国和德国是冷泉系统研究的中心国家, 法国、意大利和英国形成第二中心。中国有115篇合作论文, 最主要的合作国家是美国, 合作论文为70篇, 其次是与德国合作28篇, 其中与中国台湾和沙特阿拉伯分别合作6篇和7篇。

全部论文中, 以国家数量计为3 683篇, 实际论文为2 259篇, 论文篇均合作国家为1.63个。从表 3可以看出, 国家独立完成的论文有1 273篇, 占全部论文的56.35%, 其中前5位国家是美国(447篇)、德国(142篇)、法国(104篇)、中国(98篇)和日本(92篇), 超过3国合作的论文数量为108篇, 占全部论文的4.78%, 说明冷泉系统研究多国合作较少。

2.3.2 主要研究机构

在机构发文量方面, 发文量最多的前5个机构分别是德国亥姆霍兹国家研究中心联合会、加州大学系统、法国海洋开发研究院、中国科学院和德国不来梅大学, 美国和德国的研究机构在冷泉系统研究方面发表论文较多(图 5)。其中德国亥姆霍兹国家研究中心联合会、加州大学系统和中国科学院由众多分中心、分校和研究所组成, 因此发文量会占一定优势。德国亥姆霍兹国家研究中心联合会关于冷泉系统研究的论文主要是由旗下阿尔弗里德·瓦格纳极地与海洋研究所(The Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, AWI)、亥姆霍兹基尔海洋研究中心(GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, GEOMAR)和亥姆霍兹波茨坦研究中心-德国地学研究中心(The Helmholtz Centre Potsdam - GFZ German Research Centre for Geosciences, GFZ)完成。加州大学系统冷泉系统研究发文较多的分支机构包括加州大学圣迭戈分校斯克瑞普斯海洋研究所和加州大学圣克鲁斯分校, 中国科学院下属研究所中冷泉系统研究发文较多机构的包括中国科学院海洋研究所、南海海洋研究所、广州地球化学研究所和广州能源研究所。

3 国际冷泉系统研究热点领域及方向 3.1 主要研究学科领域

按Web of Science(WOS)学科分类看, 冷泉系统研究所涉及的相关研究学科有:地质学、海洋学、海洋与淡水生物学、地球化学和地球物理学、环境科学和生态学、微生物学、动物学和古生物学等(表 4)。其中地质学所占比重最大, 有729篇相关论文, 其次是海洋学, 有578篇论文, 海洋与淡水生物学有371篇。

3.2 主要研究关键词分析

文中的数据集中只有66%的论文数据拥有作者关键词字段, 数据虽然不全但也可以作为主要研究内容分析的参考依据之一。通过对作者有效关键词的统计, 可以发现除冷泉(cold seeps)、甲烷渗漏(methane seep)、天然气渗漏(hydrocarbon seeps)、渗漏(seeps)和甲烷渗漏(methane seepage)外, 墨西哥湾(Gulf of Mexico)、自生碳酸盐岩(authigenic carbonate)、稳定同位素(stable isotopes)、泥火山(mud volcano)、甲烷厌氧氧化过程(anaerobic oxidation of methane)、南海(South China Sea)、共生(symbiosis)、碳酸盐岩(carbonates)、化能合成作用(chemosynthesis)和新物种(new species)是出现次数最多的前10关键词(表 5)。

除了作者关键词外, WOS数据库根据论文研究内容拟定了附加关键词, 为了更全面地展示国际冷泉系统研究关键词的年代变化, 采用TDA对排名前30的附加关键词进行可视化分析(图 6)。分析结果显示:国际冷泉系统研究主要集中在墨西哥湾、黑海、东地中海、东太平洋、大西洋和南海, 而墨西哥湾区域的冷泉研究明显高于其他区域。冷泉生物群落、流体活动和沉积物一直是该领域研究重点, 甲烷缺氧氧化、微生物群落、生物多样性和碳酸盐岩等关键词出现频次越来越高。

利用VOSviewer软件将数据集中的论文题目和摘要关键词进行领域聚类(图 7), 可以明显看出, 冷泉系统研究主要分为3个研究版块, 分别是: ①冷泉微生物研究(蓝色聚类), 关键词包括细菌、序列、古细菌、沉积物、厌氧氧化过程、群落和生物标记等; ②冷泉生命和生物多样性研究(绿色聚类), 关键词包括新物种、栖息地、分类、种群、动物群、基因、多样性、共生关系和系统发育分析等; ③冷泉流体活动和碳酸盐岩沉积研究(红色聚类), 关键词包括流体、碳酸盐岩、凹坑、同位素组成、碳源、断层、岩石和生物地球化学过程等等。

3.3 冷泉系统研究热点和热点文献

选取被冷泉系统检索数据集中文献引用次数最多的30篇文献(表 6), 利用Histcite软件制作高被引论文之间的相互引用关系图, 见图 8, 据此可以将国际冷泉系统的研究热点分为3个方面。第Ⅰ部分的文献主要与冷泉沉积物甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原研究有关, 包括冷泉区甲烷厌氧氧化的影响因素、甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原速率以及冷泉区甲烷通量等。其中Joye等^[14]利用放射性同位素示踪技术(碳-14和硫-35)对墨西哥湾冷泉区开展了系统研究, 研究了冷泉区沉积物的地球化学特征以及冷泉区与非渗漏区甲烷厌氧氧化速率。Aharon和Fu^[15]分析了墨西哥湾冷泉区硫酸盐还原速率及其与氧同位素含量的关系。第Ⅱ部分的文献主要针对冷泉区生物多样性研究, 包括冷泉区生物群落组成、分布、生物能量来源和影响因素等。其中Sibuet和Olu^[5]基于全球24个冷泉区, 探讨了冷泉区生物群落分布和生物量的影响因素、生物多样性的地理分布并对比分析了冷泉区与热液喷口生物种类。Barry等^[16]研究了蒙特利湾冷泉区流体化学特性对蛤蚌的分布的影响。第Ⅲ部分的几篇文献主要是对冷泉碳酸盐岩的矿物学和地球化学方面的研究, 包括冷泉碳酸盐岩的组成成分、形成过程及其控制因素等。其中Peckmann等^[17]和Stakes等^[18]分别研究了黑海西北部和蒙特利湾冷泉区碳酸盐岩的形成机理、形态特征并探讨了碳、氧、硫同位素组成等地球化学特征。

4 结论

利用文献计量方法对SCIE数据库中冷泉系统研究论文进行分析, 研究结果表明美国和德国研究实力较强, 中国研究论文数量近些年来明显增加, 且自主创新成果较多, 但影响力有限, 主要合作国家是美国。冷泉区微生物甲烷厌氧氧化、生物多样性和冷泉碳酸盐岩的矿物学和地球化学研究是研究热点。

海底冷泉是当今科学界研究的前沿和热点之一, 目前研究主要由美国、欧洲主导, 我国在此领域起步较晚, 研究基础较为薄弱, 直到2002年, 广州地球化学研究所陈多福研究员才首次将冷泉的概念引进中国, 并将“cold seep”翻译成“冷泉”^[19]。冷泉系统作为深海研究的重要组成部分, 未来主要海洋国家将进一步加大对其考察研究力度, 成为各国进行科学考察的主要内容之一。但深海环境条件复杂, 取样非常困难, 需要借助特殊的仪器设备, 而我国近年来一系列新型科学考察船和深潜器等基础设施不断问世, 深海探测考察能力的提升和研究力度的不断加大使得深海研究能力日益增强, 未来我国冷泉系统研究将会取得更大的突破。