深海“炊煙”：海底熱液口的秘密

徐利強(qiáng) 程玉潔

地球系統(tǒng)科學(xué)是當(dāng)前地學(xué)的指導(dǎo)思想，其核心要義是地球各圈層的相互作用，使地球保持生機(jī)和活力。即使是在萬(wàn)米深淵，巖石圈、水圈和生物圈的交互作用也廣泛存在。大洋深處的水火交融，形成了奇特的地質(zhì)景觀——深海煙囪，也孕育了別樣的生態(tài)系統(tǒng)，這為地球系統(tǒng)書寫了特殊的篇章。

黑煙囪與白煙囪的發(fā)現(xiàn)

上天、入地、下海一直是人類的夢(mèng)想，數(shù)千年來(lái)人類不曾停下探索海洋的步伐，但即使是在今天，我們對(duì)海底世界的認(rèn)識(shí)也還不及對(duì)火星和月球表面的了解。在人類探索海底過(guò)程中，載人潛水器發(fā)揮了非常重要的作用，正是有了載人潛水器，人類對(duì)海底世界的認(rèn)知才有了重大的突破。1964年，美國(guó)軍方制造的阿爾文號(hào)（Alvin）載人潛水器開(kāi)始下水工作，這艘 “深海精靈”為人類探索海底世界做出了突出貢獻(xiàn)。目前阿爾文號(hào)下潛次數(shù)已經(jīng)超過(guò)4700次，除了在1966年成功打撈美軍遺留在地中海的氫彈、1986年發(fā)現(xiàn)泰坦尼克號(hào)沉船外，阿爾文號(hào)還曾有過(guò)一個(gè)震驚世界的發(fā)現(xiàn)，這便是海底熱液噴口。

20世紀(jì)70年代，地學(xué)的革命性理論板塊構(gòu)造問(wèn)世。根據(jù)板塊構(gòu)造理論，海洋地質(zhì)學(xué)家推測(cè)地球深部的熱量能夠沿板塊邊界滲透進(jìn)入海洋，因此板塊邊界處可能存在深海熱液區(qū)。研究人員最早在紅海觀測(cè)到熱液活動(dòng)的痕跡，阿爾文號(hào)的科考活動(dòng)進(jìn)一步證實(shí)了海底熱液的存在。1977年，阿爾文號(hào)在東太平洋加拉帕戈斯附近海區(qū)下潛時(shí)，發(fā)現(xiàn)了低溫?zé)嵋?，并在熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量高等海洋生物，包括管狀蠕蟲、雙殼類生物、螃蟹等，這些生物形成了極為特殊的深海生態(tài)系統(tǒng)。1979年，阿爾文號(hào)再次下潛到東太平洋中隆21°N處2500多米深時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些冒黑煙的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，噴出物的熱液溫度達(dá)到了350℃。研究人員將這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)命名為熱液噴口（hydrothermal vent，亦稱熱液口或深海熱泉），因海底熱液口的噴出物顏色多偏黑，且沉積物不斷累積增高形似煙囪，因而又被稱作“黑煙囪”（black smoker）。

黑煙囪的形成與海底巖漿活動(dòng)有關(guān)，當(dāng)巖漿能量足夠大時(shí)，在海底噴發(fā)形成火山，大洋中脊就是這樣形成的。當(dāng)巖漿的能量不足以沖破洋殼時(shí)，可將海水加熱形成熱水噴流，這些噴出物富含金屬元素，且逐漸在噴出口形成金屬硫化物（如黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦等）沉積，而硫化物礦物的顏色整體偏深，導(dǎo)致海底熱液口沉積多呈黑色。

很多科學(xué)讀物中常將熱液噴口沉積與海底黑煙囪混為一談，實(shí)際上黑煙囪只是熱液噴口沉積的形式之一。如前文所述，當(dāng)熱液口沉積的物質(zhì)為金屬硫化物時(shí)形成黑煙囪，但如果熱液沉積的化學(xué)成分發(fā)生變化，可形成另外一種形式的沉積——白煙囪。白煙囪之所以呈現(xiàn)白色，是因?yàn)槠涑练e物主要為方解石構(gòu)成的碳酸鹽類沉積，有時(shí)也富含鋇和硅元素，這使得沉積物整體表現(xiàn)為白色。與黑煙囪相比，由碳酸鹽礦物構(gòu)成的白煙囪結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，不易倒塌，因此普遍比黑煙囪要高，甚至可以達(dá)到60米。最為知名的海底白煙囪位于大西洋失落之城（Lost City）海區(qū)[1]。

黑煙囪和白煙囪可同時(shí)存在于深海熱液活動(dòng)區(qū)，但白煙囪一般形成于熱液衰退階段。除顏色和化學(xué)成分上的差異外，白煙囪與黑煙囪還存在另外一個(gè)顯著的差別——二者的形成溫度不同。越靠近熱液源區(qū)，溫度越高，越易形成黑煙囪；離熱液源區(qū)越遠(yuǎn)，溫度變得相對(duì)越低，則越易形成白煙囪。在海洋中，底層海水的溫度一般為2℃左右，而熱液口的溫度范圍可在幾十到近500℃之間。它們是地球存在板塊構(gòu)造活動(dòng)的重要證據(jù)。

海底熱液生物群和黑（白）煙囪的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)地球科學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一，也是20世紀(jì)自然科學(xué)的重大進(jìn)步，提升了人類對(duì)自然（尤其是海底世界）的認(rèn)知水平。在太陽(yáng)系中，除地球上存在深海熱液活動(dòng)外，研究人員也一直嘗試在地外行星上尋找熱液活動(dòng)，并取得了一些進(jìn)展。近些年來(lái)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星（木衛(wèi)二，Europa）和土星的衛(wèi)星（土衛(wèi)二，Enceladus）的海洋中也可能存在熱液活動(dòng)[2]。雖然火星上未觀測(cè)到活動(dòng)的熱液噴口，但研究人員推測(cè)歷史上火星的熱液活動(dòng)可能異?；钴S。此外，海洋里還存在深海冷泉（cold seeps）系統(tǒng)，也是一種特殊的海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并同樣發(fā)育了特殊的生態(tài)群落，但這種結(jié)構(gòu)的形成主要與天然氣水合物的溢出有關(guān)，不受熱液活動(dòng)控制。

深海熱液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特征

黑（白）煙囪是一個(gè)獨(dú)特的海底熱液系統(tǒng)，具有特殊且完整的結(jié)構(gòu)?？傮w而言，熱液噴口系統(tǒng)由熱液流體、熱液沉積和生物群落等構(gòu)成，這幾種結(jié)構(gòu)元素共同造就了繁榮的深海生態(tài)系統(tǒng)。

熱液口存在的本質(zhì)原因是地球內(nèi)部活躍的巖漿活動(dòng)。來(lái)自地球深部的熱量能夠?qū)⒀髿さ膸r石熔化形成巖漿，溫度可達(dá)到1000多攝氏度。在深海洋盆，海水在洋殼深處不斷循環(huán)，冰冷的海水（有時(shí)也包括變質(zhì)水和巖漿水）沿?cái)鄬踊虺练e物孔隙等海底裂隙下滲，遭遇巖漿后被迅速加熱，形成溫度達(dá)幾百攝氏度的特殊流體上涌。目前已知的熱液流體溫度最高可達(dá)464℃，地點(diǎn)是位于大西洋洋中脊處的姐妹峰（Sisters Peak）[3]。幾千米深的海水中，壓力可達(dá)到數(shù)百甚至上千大氣壓。在大洋深處如此巨大的靜水壓力條件下，熱液口的海水能夠以特殊的液態(tài)或超臨界態(tài)的形式存在。目前，這種界于氣態(tài)和液態(tài)之間的超臨界狀態(tài)流體已在多個(gè)熱液口被觀察到。

隨著溫度的增加，水巖反應(yīng)過(guò)程形成的特殊高溫流體能夠?qū)⑷芙庠趲r漿中的硫和一些重金屬（如銅、鋅、鐵等）元素帶出，這些元素（離子）遇海水冷卻，形成以硫化物沉積為主體的煙囪壁（黑煙囪）。當(dāng)熱液堿性增加時(shí)，流體中富含甲烷、氫氣等氣體，但幾乎不含金屬元素，此時(shí)形成以碳酸鹽沉積為主的白煙囪。不管是黑煙囪還是白煙囪，隨著沉積物的逐漸積累，煙囪壁都會(huì)不斷加高。從生物合成化學(xué)的角度來(lái)看，由于白煙囪具有特殊的堿性環(huán)境，相比黑煙囪而言，其能夠?yàn)樯钠鹪磩?chuàng)造更為有利的條件[4]。

熱液口煙囪的生長(zhǎng)速度非?？?，在長(zhǎng)到一定高度或停止噴發(fā)后，煙囪在重力的作用下會(huì)倒塌，形成高出海床、但又相對(duì)平緩的熱液丘（hydrothermal mound）。

深海熱液噴口的分布及分類

深海熱液噴口一般位于巖漿活動(dòng)比較劇烈的板塊邊界，最為典型的區(qū)域?yàn)榇笱笾屑梗@也是年輕洋殼形成的地方。在板塊內(nèi)部，有時(shí)也存在巖漿通道，并持續(xù)噴發(fā)形成島嶼（如夏威夷群島），這種通道被稱為火山熱點(diǎn)。少數(shù)熱液口位于板塊內(nèi)部的火山熱點(diǎn)附近，但數(shù)量較少。

一般來(lái)說(shuō)，確認(rèn)海底熱液活動(dòng)最直接的辦法是水下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，這種方式發(fā)現(xiàn)的熱液口被稱為“確認(rèn)熱液口”。然而，直接的海底觀測(cè)耗時(shí)耗力、效率低下，且需要大量的財(cái)力支撐。因此，通過(guò)這種方式來(lái)開(kāi)展對(duì)海底世界的探索還十分有限。盡管如此，研究人員可以通過(guò)間接手段來(lái)尋找海底熱液活動(dòng)。深海熱液流體的溫度很高，這種高溫信號(hào)能夠被儀器探測(cè)到；或通過(guò)分析熱液沉積物來(lái)識(shí)別熱液口，利用這些手段發(fā)現(xiàn)的熱液噴口被稱為“推測(cè)熱液口”。此外，還有少數(shù)熱液噴口因得不到持續(xù)的熱源補(bǔ)充，已經(jīng)壽終正寢，不再噴發(fā)流體，這種被稱為“非活躍熱液口”。目前在全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)（含推測(cè)）的活躍熱液噴口有660多個(gè)，其中包括“確認(rèn)熱液口”304個(gè)，“推測(cè)熱液口”362個(gè)，“非活躍熱液口”50多個(gè)。這些熱液口在全球海洋的分布與板塊邊界基本吻合。

按照顏色將海底熱液噴口沉積劃分為黑煙囪和白煙囪是一種簡(jiǎn)單粗暴的方法，更精準(zhǔn)科學(xué)的分類需要借助其他方法。根據(jù)構(gòu)造環(huán)境來(lái)對(duì)其進(jìn)行劃分是一種較為科學(xué)的方法，以此為出發(fā)點(diǎn)，人們將海底熱液口劃分為如下幾種類型。

大洋中脊型

主要發(fā)育于大洋內(nèi)部的離散型板塊邊界，是最主要的熱液噴口類型。最為知名的大西洋熱液區(qū)和東太平洋中隆熱液區(qū)均屬于此類型，目前發(fā)現(xiàn)的大洋中脊型熱液口為404個(gè)，約占熱液噴口總數(shù)的56%。

火山弧型

位于會(huì)聚型（又稱聚斂型）板塊邊界，板塊碰撞俯沖引起火山噴發(fā)形成火山弧。這些火山也能夠?yàn)闊嵋夯顒?dòng)提供能量，從而形成火山弧型熱液口。日本和印度尼西亞附近海域、地中海地區(qū)的熱液噴口，多為火山弧型。這種類型的熱液口數(shù)量排在第二位（共150個(gè)），約占總數(shù)量的20%。

弧后擴(kuò)張型

主要位于弧后火山鏈，在西太平洋地區(qū)最為典型，新西蘭和南極半島周邊海域的熱液噴口也多為這種類型?；『髷U(kuò)張型熱液口數(shù)量與火山弧型相當(dāng)（約147個(gè)），約占總數(shù)的20%。

板塊內(nèi)嵌型

即分布于板塊內(nèi)部的熱液口，這種類型的熱液噴口數(shù)量極少，零星分布在夏威夷、皮特凱恩群島、法屬玻里尼西亞等地區(qū)的周邊海域。此類型目前僅發(fā)現(xiàn)8個(gè)，約占總數(shù)量的1%。

其他：不屬于上述4種類型的熱液口

為方便海洋地質(zhì)學(xué)家查詢，法國(guó)巴黎地球物理學(xué)院（IGBP）搜集整理了全球海洋中的熱液噴口，并建立了熱液噴口數(shù)據(jù)庫(kù)InterRidge Vents Database（https：//vents-data.interridge.org/），該數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過(guò)歷次升級(jí)，目前最新版本為4.3。研究人員和海洋科學(xué)愛(ài)好者可通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站查詢?nèi)蚰壳耙阎臒嵋簢娍谠敿?xì)數(shù)據(jù)，包括熱液噴口名稱、位置、類型、發(fā)現(xiàn)年份和發(fā)現(xiàn)過(guò)程等信息。

熱液噴口的研究?jī)r(jià)值

熱液噴口為我們打開(kāi)了觀測(cè)深海的窗口，也讓我們對(duì)地球系統(tǒng)有了更深入的了解，具有重要的科學(xué)、哲學(xué)和美學(xué)價(jià)值。深海熱液口至少在如下三方面具有重要的研究意義。

生命起源

盡管深海噴口生態(tài)系統(tǒng)具有極端的溫度和壓力，且存在有毒物質(zhì)，但微生物能夠通過(guò)化學(xué)反應(yīng)為其他生物的生化過(guò)程提供能量，因此生命依然在海底熱液口蓬勃發(fā)展。熱液噴口棲息地的生命密度非常高，接近熱帶雨林和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的水平。此外，熱液口環(huán)境與地球早期的海洋環(huán)境（酸性、還原）極為相似，熱液及其過(guò)程能夠?yàn)樯顒?dòng)提供能量，為生命的誕生提供了潛在的可能。鑒于熱液活動(dòng)與生命的關(guān)系，研究人員在探索地外生命時(shí)，也十分關(guān)注地外星體的熱液跡象，是地外生命探索的重要關(guān)注點(diǎn)之一。此外，熱液口的生命代謝過(guò)程，能夠產(chǎn)生特殊的化合物，在治療阿爾茨海默病等疾病方面也具有一定的潛力。

生物地球化學(xué)循環(huán)

海洋的化學(xué)組成受陸源輸入、自生物質(zhì)沉降、大氣傳輸?shù)戎T多因素影響，而深海熱液噴口也是一個(gè)重要的影響因素。海底熱液口是連接海洋與地球內(nèi)部的通道，能夠?qū)⒌厍騼?nèi)部的熱量和化學(xué)物質(zhì)傳輸至海洋中，從而在很大程度上影響全球海洋化學(xué)組成，以及海洋環(huán)境的演化。因此，熱液口會(huì)對(duì)很多元素的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生顯著影響，在海洋物質(zhì)循環(huán)中占據(jù)非常重要的一環(huán)，研究熱液口的生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)于理解海洋系統(tǒng)具有重要意義。

深海礦產(chǎn)

在熱液噴口傳輸?shù)奈镔|(zhì)中，一些元素可在海底形成金屬硫化物，這些硫化物富含鈷、金、銀、銅、鐵、稀土等有用元素，能夠達(dá)到足夠高的品位，形成一種特殊的礦床類型——海底塊狀硫化物礦床。在地表礦產(chǎn)資源逐漸枯竭、開(kāi)采難度日益增加的情況下，深海熱液口的礦產(chǎn)資源開(kāi)采成為支撐人類社會(huì)發(fā)展的新希望。目前，深海熱液口金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)采已取得初步的成功，并有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采，這能夠在一定程度上緩解人類對(duì)礦產(chǎn)資源的需求壓力。但熱液口礦產(chǎn)資源的開(kāi)采對(duì)海底生物群落可能產(chǎn)生不利影響，相關(guān)研究也漸受關(guān)注[6]。

[1]汪品先. 深海淺說(shuō). 上海： 上?？萍冀逃霭嫔?， 2020.

[2]Hsu H W， Postberg F， Sekine Y， et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature， 2015， 519： 207-210.

[3]Perner M， Gonnella G， Kurtz S， et al. Handling temperature bursts reaching 464℃： different microbial strategies in the sisters peak hydrothermal chimney. Applied and Environmental Microbiology， 2014， 80（15）： 4585-4598.

[4]Lane N. The Vital Question—Energy， Evolution， and the Origins of Complex Life. W. W. Norton & Company， 2015.

[5]Dissanayake A L， Yapa P D， Nakata K. Simulation of hydrothermal vents in the Izena Cauldron， Mid-Okinawa trough， Japan and other Pacific locations. Journal of Hydro-environment Research， 2014， 8（4）： 343-357.

[6]Brunner O， Chen C， Giguère T， et al. Species assemblage networks identify regional connectivity pathways among hydrothermal vents in the Northwest Pacific. Ecology and Evolution， 2022， 12（12）： e9612.

[7]Subramanian A， Baskar S. Geomicrobiology： an emerging science and way out to environmental and health problems. International Journal of Environmental and Health Sciences （IJEHS）， 2021， 3（1）： 10-15.

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