深?！暗t”：海底熱液口物質(zhì)循環(huán)

徐利強(qiáng)

物質(zhì)和能量交換是一個(gè)系統(tǒng)保持活力的基礎(chǔ)，作為一顆生命星球，地球的物質(zhì)和能量交換廣泛存在于各個(gè)尺度的過(guò)程中。大洋深處水與火的交融形成了熱液噴口系統(tǒng)，該處發(fā)育了特殊的生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)就像一個(gè)小型“煉丹爐”，對(duì)來(lái)自海水和洋殼的物質(zhì)進(jìn)行混合加工，這個(gè)過(guò)程會(huì)對(duì)“水—巖”界面的物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生顯著影響。

生物地球化學(xué)循環(huán)

任何一個(gè)生命體都需要從外界攝取物質(zhì)和能量，這是生命活動(dòng)的基本規(guī)律。從宏觀來(lái)看，地球上的生物與環(huán)境構(gòu)成統(tǒng)一體，形成具有極強(qiáng)自我修復(fù)和自我調(diào)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，地球是一顆“活的”星球（學(xué)界稱為蓋婭假說(shuō)或蓋婭理論）。物質(zhì)循環(huán)是一顆星球“活著”的證據(jù)，物質(zhì)在地球上的循環(huán)因而成為地球科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，相關(guān)研究對(duì)于理解地球的形成和演化，以及生命與環(huán)境的協(xié)同進(jìn)化具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)從大氣圈、水圈、巖石圈等環(huán)境中獲得所需要的物質(zhì)（包括水和元素），在系統(tǒng)內(nèi)傳輸后最后歸還于環(huán)境中，這被稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。因?yàn)檫h(yuǎn)離地表，陽(yáng)光無(wú)法透過(guò)厚層海水為生命過(guò)程提供能量。即便如此，熱液噴口在特殊的化學(xué)條件下，仍然發(fā)育了繁榮的生態(tài)系統(tǒng)，形成了獨(dú)特的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。連接地球深部的海底熱液口能夠“噴云吐霧”，將大量地球深部的物質(zhì)傳輸至深層海水中。熱液口存在活躍的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，在很大程度上控制了元素在洋殼與海水之間的傳輸。這個(gè)傳輸過(guò)程的時(shí)空跨度相當(dāng)大，如熱液與海水的混合可在1分鐘內(nèi)完成，而熱液口噴出的流體（熱液羽流）傳輸至幾千千米遠(yuǎn)的地方[1]，則需花上數(shù)十年的時(shí)間。自20世紀(jì)70年代首個(gè)熱液噴口被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們已在全球所有大洋中都找到了深海熱液噴口。除傳輸某些元素外，熱液口噴出的物質(zhì)也具有獨(dú)特的同位素特征，可能會(huì)影響全球尺度的海水同位素組成。因此，地球歷史時(shí)期曾經(jīng)存在過(guò)的和當(dāng)前仍在活躍的熱液口活動(dòng)，都會(huì)對(duì)全球海洋的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生大尺度且久遠(yuǎn)的影響。

同時(shí)，伴隨海底熱液口物質(zhì)循環(huán)的還有巖石圈與水圈之間的能量傳輸。熱液口在海底廣泛分布，是地?zé)崮茉诤５椎囊环N重要體現(xiàn)。部分海底熱液口的傳熱功率可高達(dá)60兆瓦，與核電站一個(gè)發(fā)電機(jī)組的功率相當(dāng)，因此具有巨大的能源資源潛力[2]。盡管工程專家設(shè)計(jì)了熱液口處多種形式的發(fā)電系統(tǒng)，但目前深海熱液能源資源的利用尚處于設(shè)想階段，還未實(shí)現(xiàn)真正意義上的開采。

熱液口元素循環(huán)

海洋生產(chǎn)力的高低對(duì)于人類社會(huì)發(fā)展來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。隨著海洋學(xué)研究的深入，研究人員逐漸意識(shí)到微量元素循環(huán)會(huì)對(duì)全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生重要影響，從而進(jìn)一步影響全球環(huán)境質(zhì)量。為提升對(duì)大尺度海洋環(huán)境中微量元素及其同位素生物地球化學(xué)循環(huán)的認(rèn)知水平，包括我國(guó)在內(nèi)的世界上35個(gè)主要國(guó)家于2010年正式啟動(dòng)了“海洋微量元素及其同位素生物地球化學(xué)循環(huán)研究計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱GEOTRACES計(jì)劃），該計(jì)劃目前仍在持續(xù)開展中，有望在物質(zhì)循環(huán)方面取得突破性進(jìn)展[3]。GEOTRACES計(jì)劃的主要關(guān)注對(duì)象為海洋微量元素及其同位素，關(guān)注區(qū)域覆蓋了全球所有海區(qū)。GEOTRACES計(jì)劃涉及的微量元素和同位素有數(shù)十種，其中重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象包括鐵、鋅、鎘、銅等多個(gè)微量元素。因其特殊的構(gòu)造環(huán)境和生物群落，熱液噴口處的生物地球化學(xué)過(guò)程備受GEOTRACES計(jì)劃的關(guān)注，成為該計(jì)劃的核心研究?jī)?nèi)容。

成礦元素循環(huán)

熱液口的成礦過(guò)程已被廣泛認(rèn)知，該過(guò)程噴流出來(lái)的一些金屬離子，能夠形成海底熱液多金屬硫化物沉積。因此，從物質(zhì)循環(huán)的角度來(lái)說(shuō)，熱液系統(tǒng)既可以是“源”，也可以是“匯”。多金屬硫化物沉積包括黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、方鉛礦等，這些礦物含有高濃度的銅、鉛、鋅、銀、金、鈷、錳、汞等元素，部分海域達(dá)到開采品位要求，具有較高的商業(yè)開發(fā)價(jià)值。過(guò)去幾十年來(lái)，人們對(duì)該成礦過(guò)程開展了大量的研究，取得的認(rèn)識(shí)和理解相對(duì)成熟。此外，熱液口沉積也富含稀土元素，是潛在的稀土礦產(chǎn)。開采海底熱液口礦產(chǎn)資源被認(rèn)為是緩解人類資源困境的途徑之一，相關(guān)工作正在有序進(jìn)行中。另外，這些元素還能夠以溶解態(tài)的形式存在于海洋中，從而進(jìn)一步影響海水的地球化學(xué)特征。這意味著海底熱液口活動(dòng)能夠?qū)χ亟饘俸拖⊥猎卦趲r石圈和水圈之間的循環(huán)產(chǎn)生重要影響。正是由于熱液口富集某些元素，人們可以根據(jù)海底沉積物中的元素含量和比值來(lái)間接識(shí)別熱液活動(dòng)，許多熱液噴口的位置由此推測(cè)得到。近年來(lái)，借助水下觀測(cè)和地球化學(xué)分析，人們?cè)跓嵋嚎诘奈镔|(zhì)循環(huán)方面取得了一些新的進(jìn)展，其中包括對(duì)鐵、碳和氫元素，以及放射性核素循環(huán)過(guò)程的新認(rèn)識(shí)。

鐵循環(huán)

不同的生物體對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求量也不同，因此，大洋中某些含量低的關(guān)鍵元素成為海洋初級(jí)生產(chǎn)力的限制性因子，鐵是最廣為人知的限制因子之一。海洋浮游生物生長(zhǎng)都需要鐵，但鐵在遠(yuǎn)洋地區(qū)海水中的含量普遍較低，導(dǎo)致氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽無(wú)法被海洋生物充分吸收，這在很大程度上制約了海洋初級(jí)生產(chǎn)力的水平。研究發(fā)現(xiàn)，大氣粉塵的遠(yuǎn)距離傳輸是大洋中鐵的重要來(lái)源。通過(guò)在缺鐵海域人工添加鐵元素（即施鐵肥），海洋生產(chǎn)力確實(shí)有所增加，且該過(guò)程能夠吸收大氣二氧化碳。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了鐵元素對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的控制性作用。向海洋施鐵肥是個(gè)很大膽的科學(xué)嘗試，但其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響存在很大的不確定性和未知風(fēng)險(xiǎn)，還有很多問(wèn)題有待解決，因此在學(xué)術(shù)界存在很大爭(zhēng)議。除依靠遠(yuǎn)距離風(fēng)力傳輸外，海水中的鐵還有另外一個(gè)潛在的來(lái)源——熱液噴口。最新的研究表明，熱液羽流中富鐵的膠體和顆粒的形成與埋藏控制了熱液口向海洋傳輸?shù)娜芙鈶B(tài)鐵的物理化學(xué)條件和輸送量。熱液噴口是海洋中不可忽視的鐵來(lái)源，對(duì)鐵循環(huán)產(chǎn)生重要影響[4]。與人工施肥相比，熱液口噴出的鐵是自然系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)程，也是地球系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的體現(xiàn)，是一種對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和諧、友好的方式，給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也較低。

碳循環(huán)

在元素周期表一百多種元素中，碳元素因其特殊的化學(xué)性質(zhì)，成為地球生命的“骨架”。因此，熱液口頻繁的生命活動(dòng)會(huì)對(duì)碳循環(huán)產(chǎn)生影響。同時(shí)，該過(guò)程也有助于促進(jìn)氮、磷、硫等生命元素在深海的循環(huán)。根據(jù)前人研究，熱液口是深海中黑碳的來(lái)源，因此其可以作為“源”將碳釋放到海水中，但也可以將溶解態(tài)有機(jī)碳從海水中去除，這意味著熱液口同時(shí)又是碳“匯”。熱液口微生物活動(dòng)也會(huì)介入熱液環(huán)境的碳循環(huán)。一項(xiàng)來(lái)自美國(guó)科學(xué)家的研究表明，熱液口原生生物是連接初級(jí)生產(chǎn)者和高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物之間的紐帶，其攝食活動(dòng)是深海熱液口食物網(wǎng)中碳循環(huán)的關(guān)鍵，深海原生生物群落在深海碳循環(huán)中發(fā)揮著極為重要的作用[6]。在全球變暖的背景下，世界各主要經(jīng)濟(jì)體都提出了各自的碳中和戰(zhàn)略，進(jìn)一步研究熱液口的“碳源—碳匯”過(guò)程和循環(huán)機(jī)理，對(duì)于碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施而言具有重要的理論和實(shí)踐意義。

此外，借助深海激光拉曼光譜原位探測(cè)系統(tǒng)，我國(guó)科學(xué)家于2020年在沖繩海槽深海熱液區(qū)首次觀測(cè)到超臨界二氧化碳流體的噴發(fā)，噴發(fā)流體中含有大量氮?dú)猓⒋蟾怕屎写罅坑袡C(jī)物質(zhì)。這對(duì)于深入理解深海碳循環(huán)具有重要意義，也為地球早期有機(jī)質(zhì)的合成和生命起源提供了新的啟示?？傮w而言，我們?cè)谏詈嵋嚎谔佳h(huán)方向取得了一些初步的認(rèn)識(shí)，但相關(guān)研究尚處在起步階段，更多深入的研究工作有待進(jìn)一步開展。值得一提的是，熱液口微量元素和碳元素的循環(huán)并非是獨(dú)立的，而是相互作用、耦合在一起的。如鐵、銅、鋅等營(yíng)養(yǎng)元素能夠提高海洋初級(jí)生產(chǎn)力、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育，這會(huì)加快碳、氮、磷、硫等生命元素和其他微量元素在海洋系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)。

氫循環(huán)

生命過(guò)程需要能量，太陽(yáng)輻射在地表?yè)?dān)當(dāng)了這個(gè)重任。然而，熱液口遠(yuǎn)離地面，接收不到太陽(yáng)光，因此生命發(fā)育必須另辟蹊徑。地球深部含有大量的氫元素，這些氫元素能夠隨深海熱液口噴出，使得該元素在熱液口系統(tǒng)極度富集。熱液口含有一些能將氫（氫氣、硫化氫）氧化的微生物，這些微生物在將氫原子氧化時(shí)釋放能量，這些能量是海底熱液口生物最為重要的能量來(lái)源之一，也是海底熱液口生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育的物理學(xué)根本[6]。熱液口的微生物活動(dòng)及其生物地球化學(xué)過(guò)程影響氫代謝，從而進(jìn)一步影響氫循環(huán)，是氫循環(huán)過(guò)程中一個(gè)不能被忽略的重要因素。

放射性環(huán)境核素循環(huán)

熱液口除了是海水中微量元素的重要來(lái)源外，也能夠釋放高濃度的長(zhǎng)半衰期天然放射性環(huán)境核素（如鈾系衰變產(chǎn)生的鐳，半衰期約1600年）。這些核素能夠隨食物鏈進(jìn)入熱液口生物體內(nèi)，造成生物富集，帶來(lái)潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。如基于東太平洋洋隆和大西洋洋中脊的調(diào)查，研究人員發(fā)現(xiàn)熱液口生物群落普遍富集238鈾、235鈾和234鈾等核素[7]。高含量的重金屬和放射性核素可能意味著二者之間存在耦合性。熱液噴口處的地球化學(xué)組成是生態(tài)結(jié)構(gòu)的控制性因素，借助地球化學(xué)手段研究熱液噴口處的物質(zhì)循環(huán)依然是未來(lái)研究工作的發(fā)展方向[8]。

簡(jiǎn)言之，深海熱液噴口對(duì)能量傳輸和物質(zhì)循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。

人類活動(dòng)對(duì)熱液口生態(tài)及物質(zhì)循環(huán)的影響

生命是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最高等形式，也是最為高效的能量和物質(zhì)傳輸方式，海底熱液口生物群落會(huì)對(duì)深海物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。因此，所有能夠影響熱液口生物的過(guò)程都會(huì)對(duì)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生干擾。深海熱液噴口原本是一片凈土，遠(yuǎn)離人類活動(dòng)區(qū)，然而，隨著工業(yè)化時(shí)代以來(lái)人類活動(dòng)的日益增強(qiáng)，人類活動(dòng)對(duì)偏遠(yuǎn)地方的生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生影響，這其中也包括海底熱液區(qū)。自然過(guò)程和人為過(guò)程都會(huì)對(duì)熱液口環(huán)境產(chǎn)生影響，但人為影響尺度更大、波及范圍更廣、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，更應(yīng)該受到關(guān)注。深入認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)自然系統(tǒng)的影響一直以來(lái)也都是地球科學(xué)的核心。人類在海洋存在多種形式、多個(gè)尺度的活動(dòng)，不同類型的人類活動(dòng)對(duì)熱液噴口生物群落的影響程度也存在差異[9]。例如，水下記錄片拍攝、深海大洋鉆探、海底拖網(wǎng)等過(guò)程都會(huì)對(duì)熱液口產(chǎn)生不同程度的影響。在相關(guān)人類活動(dòng)中，深海采礦對(duì)熱液口物質(zhì)循環(huán)的影響最為特殊。

迫于礦產(chǎn)資源短缺的壓力，人類對(duì)深海熱液礦床“覬覦”已久。2006年，澳大利亞的鸚鵡螺礦業(yè)公司（Nautilus Minerals）與Placer Dome公司合作，首次從熱液口取回10噸硫化物礦物，開創(chuàng)了深海采礦的先河。2007年，同屬澳大利亞的海王星礦業(yè)公司（Neptune Minerals）改進(jìn)了采樣設(shè)備，也成功將熱液口沉積運(yùn)送回地面，但總體采樣規(guī)模有限。由于本國(guó)礦產(chǎn)資源的匱乏，日本成為早期關(guān)注深海采礦的幾個(gè)國(guó)家之一。2017年，日本國(guó)家石油天然氣和金屬公司（JOGMEC）在沖繩海槽首次實(shí)現(xiàn)海底熱液礦床的規(guī)?；_采，揭開了人類開采自然資源新的篇章。這些采礦活動(dòng)會(huì)改變熱液口的生態(tài)結(jié)構(gòu)、干擾熱液口物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，相關(guān)活動(dòng)對(duì)熱液口環(huán)境的影響近年來(lái)也漸受關(guān)注，并取得了一些進(jìn)展。盡管熱液口之間有一定的距離，但這些熱液口并非完全獨(dú)立，而是存在“交流”：熱液口生物幼體可在洋流的作用下，擴(kuò)散到其他熱液口，并在那里“安家立業(yè)”。最近一項(xiàng)來(lái)自西北太平洋地區(qū)的研究表明，深海采礦除對(duì)采樣點(diǎn)熱液口的生物群落產(chǎn)生影響外，還可能會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，將這種不良影響傳遞到數(shù)百千米外的其他噴口地點(diǎn)，并對(duì)其產(chǎn)生威脅[10]。

結(jié) 語(yǔ)

無(wú)論是從無(wú)機(jī)界的循環(huán)，還是從生命演化的角度來(lái)看，深海熱液噴口系統(tǒng)都是一個(gè)特殊且美麗的存在，它是我們認(rèn)識(shí)和觀察地球內(nèi)部的窗口，具有十分重大的研究?jī)r(jià)值。關(guān)注深海生態(tài)系統(tǒng)，關(guān)愛我們的地球，促進(jìn)人與自然的和諧相處，追求可持續(xù)發(fā)展，是人類永恒的目標(biāo)。

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關(guān)鍵詞：生物地球化學(xué)循環(huán) 深海采礦 人類活動(dòng) 微量元素 ■