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作为20世纪地球科学最重要的发现之一，大洋深处的“黑烟囱”有着哪些不为人知的秘密? # f% k" }- F; q6 _, ~2 L0 u: D: _
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地球系统科学是当前地学的指导思想，其核心要义是地球各圈层的相互作用，使地球保持生机和活力。即使是在万米深渊，岩石圈、水圈和生物圈的交互作用也广泛存在。大洋深处的水火交融，形成了奇特的地质景观——深海烟囱，也孕育了别样的生态系统，这为地球系统书写了特殊的篇章。
0 P$ M- q8 l7 \1 g& H6 O 黑烟囱与白烟囱的发现 4 i5 d8 U9 ^ ~! Q
上天、入地、下海一直是人类的梦想，数千年来人类不曾停下探索海洋的步伐，但即使是在今天，我们对海底世界的认识也还不及对火星和月球表面的了解。在人类探索海底过程中，载人潜水器发挥了非常重要的作用，正是有了载人潜水器，人类对海底世界的认知才有了重大的突破。1964年，美国军方制造的阿尔文号(Alvin)载人潜水器开始下水工作，这艘 “深海精灵”为人类探索海底世界做出了突出贡献。目前阿尔文号下潜次数已经超过4700次，除了在1966年成功打捞美军遗留在地中海的氢弹、1986年发现泰坦尼克号沉船外，阿尔文号还曾有过一个震惊世界的发现，这便是海底热液喷口。
( i7 k! b+ H$ s H4 X% [: K 20世纪70年代，地学的革命性理论板块构造问世。根据板块构造理论，海洋地质学家推测地球深部的热量能够沿板块边界渗透进入海洋，因此板块边界处可能存在深海热液区。研究人员最早在红海观测到热液活动的痕迹，阿尔文号的科考活动进一步证实了海底热液的存在。1977年，阿尔文号在东太平洋加拉帕戈斯附近海区下潜时，发现了低温热液，并在热液区发现了大量高等海洋生物，包括管状蠕虫、双壳类生物、螃蟹等，这些生物形成了极为特殊的深海生态系统。1979年，阿尔文号再次下潜到东太平洋中隆21°N处2500多米深时，发现了一些冒黑烟的特殊地质结构，喷出物的热液温度达到了350℃。研究人员将这种地质结构命名为热液喷口(hydrothermal vent，亦称热液口或深海热泉)，因海底热液口的喷出物颜色多偏黑，且沉积物不断累积增高形似烟囱，因而又被称作“黑烟囱”(black smoker)。 + U2 ~# v# \) E Z% L* M, x
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2 q: B1 Y% f9 R( i0 e 发现海底热液喷口的载人潜水器——阿尔文号
s7 T) \$ M) Q 黑烟囱的形成与海底岩浆活动有关，当岩浆能量足够大时，在海底喷发形成火山，大洋中脊就是这样形成的。当岩浆的能量不足以冲破洋壳时，可将海水加热形成热水喷流，这些喷出物富含金属元素，且逐渐在喷出口形成金属硫化物(如黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿等)沉积，而硫化物矿物的颜色整体偏深，导致海底热液口沉积多呈黑色。 , p- l! W' z- z: R: R
很多科学读物中常将热液喷口沉积与海底黑烟囱混为一谈，实际上黑烟囱只是热液喷口沉积的形式之一。如前文所述，当热液口沉积的物质为金属硫化物时形成黑烟囱，但如果热液沉积的化学成分发生变化，可形成另外一种形式的沉积——白烟囱。白烟囱之所以呈现白色，是因为其沉积物主要为方解石构成的碳酸盐类沉积，有时也富含钡和硅元素，这使得沉积物整体表现为白色。与黑烟囱相比，由碳酸盐矿物构成的白烟囱结构更稳定，不易倒塌，因此普遍比黑烟囱要高，甚至可以达到60米。最为知名的海底白烟囱位于大西洋失落之城(Lost City)海区。
, g) c) m: x9 g 黑烟囱和白烟囱可同时存在于深海热液活动区，但白烟囱一般形成于热液衰退阶段。除颜色和化学成分上的差异外，白烟囱与黑烟囱还存在另外一个显著的差别——二者的形成温度不同。越靠近热液源区，温度越高，越易形成黑烟囱;离热液源区越远，温度变得相对越低，则越易形成白烟囱。在海洋中，底层海水的温度一般为2℃左右，而热液口的温度范围可在几十到近500℃之间。它们是地球存在板块构造活动的重要证据。 , u0 y) H4 R/ T3 r5 x
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黑烟囱（左，东太平洋中隆）和白烟囱（右，马里亚纳海沟） " }. u' c0 G# Q* }7 B& k" r
海底热液生物群和黑(白)烟囱的发现，是20世纪地球科学最重要的发现之一，也是20世纪自然科学的重大进步，提升了人类对自然(尤其是海底世界)的认知水平。在太阳系中，除地球上存在深海热液活动外，研究人员也一直尝试在地外行星上寻找热液活动，并取得了一些进展。近些年来，有学者发现木星的卫星(木卫二，Europa)和土星的卫星(土卫二，Enceladus)的海洋中也可能存在热液活动。虽然火星上未观测到活动的热液喷口，但研究人员推测历史上火星的热液活动可能异常活跃。此外，海洋里还存在深海冷泉(cold seeps)系统，也是一种特殊的海底地质结构，并同样发育了特殊的生态群落，但这种结构的形成主要与天然气水合物的溢出有关，不受热液活动控制。
: f4 Q% a) C8 y- x. E 深海热液系统的结构与特征
2 Q3 k0 q) A8 ]& I) f9 \ 黑(白)烟囱是一个独特的海底热液系统，具有特殊且完整的结构。总体而言，热液喷口系统由热液流体、热液沉积和生物群落等构成，这几种结构元素共同造就了繁荣的深海生态系统。
; E3 q' k2 C+ N: J5 X2 x 热液口存在的本质原因是地球内部活跃的岩浆活动。来自地球深部的热量能够将洋壳的岩石熔化形成岩浆，温度可达到1000多摄氏度。在深海洋盆，海水在洋壳深处不断循环，冰冷的海水(有时也包括变质水和岩浆水)沿断层或沉积物孔隙等海底裂隙下渗，遭遇岩浆后被迅速加热，形成温度达几百摄氏度的特殊流体上涌。目前已知的热液流体温度最高可达464℃，地点是位于大西洋洋中脊处的姐妹峰(Sisters Peak)。几千米深的海水中，压力可达到数百甚至上千大气压。在大洋深处如此巨大的静水压力条件下，热液口的海水能够以特殊的液态或超临界态的形式存在。目前，这种界于气态和液态之间的超临界状态流体已在多个热液口被观察到。 1 Z" Y0 K# A4 d' E* ?
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热液喷口系统结构模式图（基于文献[5]修改） - i5 G4 `6 M7 ^+ h- U! y% z) b: b
随着温度的增加，水岩反应过程形成的特殊高温流体能够将溶解在岩浆中的硫和一些重金属(如铜、锌、铁等)元素带出，这些元素(离子)遇海水冷却，形成以硫化物沉积为主体的烟囱壁(黑烟囱)。当热液碱性增加时，流体中富含甲烷、氢气等气体，但几乎不含金属元素，此时形成以碳酸盐沉积为主的白烟囱。不管是黑烟囱还是白烟囱，随着沉积物的逐渐积累，烟囱壁都会不断加高。从生物合成化学的角度来看，由于白烟囱具有特殊的碱性环境，相比黑烟囱而言，其能够为生命的起源创造更为有利的条件。 , c$ k" U l# A8 E' S
热液口烟囱的生长速度非常快，在长到一定高度或停止喷发后，烟囱在重力的作用下会倒塌，形成高出海床、但又相对平缓的热液丘(hydrothermal mound)。
; }3 C4 b4 i. C) x4 D 深海热液喷口的分布及分类 8 n& l* }: d" H; F, w6 r
深海热液喷口一般位于岩浆活动比较剧烈的板块边界，最为典型的区域为大洋中脊，这也是年轻洋壳形成的地方。在板块内部，有时也存在岩浆通道，并持续喷发形成岛屿(如夏威夷群岛)，这种通道被称为火山热点。少数热液口位于板块内部的火山热点附近，但数量较少。
& M0 d! @$ R& [ 一般来说，确认海底热液活动最直接的办法是水下现场观测，这种方式发现的热液口被称为“确认热液口”。然而，直接的海底观测耗时耗力、效率低下，且需要大量的财力支撑。因此，通过这种方式来开展对海底世界的探索还十分有限。尽管如此，研究人员可以通过间接手段来寻找海底热液活动。深海热液流体的温度很高，这种高温信号能够被仪器探测到;或通过分析热液沉积物来识别热液口，利用这些手段发现的热液喷口被称为“推测热液口”。此外，还有少数热液喷口因得不到持续的热源补充，已经寿终正寝，不再喷发流体，这种被称为“非活跃热液口”。目前在全球已经发现(含推测)的活跃热液喷口有660多个，其中包括“确认热液口”304个，“推测热液口”362个，“非活跃热液口”50多个。这些热液口在全球海洋的分布与板块边界基本吻合。 1 X3 i, G _9 j8 l
按照颜色将海底热液喷口沉积划分为黑烟囱和白烟囱是一种简单粗暴的方法，更精准科学的分类需要借助其他方法。根据构造环境来对其进行划分是一种较为科学的方法，以此为出发点，人们将海底热液口划分为如下几种类型。 4 J `2 r4 o. _: A, ?0 u- R; H
大洋中脊型 $ {* ^% \ W. g0 H3 n
主要发育于大洋内部的离散型板块边界，是最主要的热液喷口类型。最为知名的大西洋热液区和东太平洋中隆热液区均属于此类型，目前发现的大洋中脊型热液口为404个，约占热液喷口总数的56%。
. _+ K+ o# v4 y8 c3 \! c. o" o 火山弧型
- W( `( e# p# R 位于会聚型(又称聚敛型)板块边界，板块碰撞俯冲引起火山喷发形成火山弧。这些火山也能够为热液活动提供能量，从而形成火山弧型热液口。日本和印度尼西亚附近海域、地中海地区的热液喷口，多为火山弧型。这种类型的热液口数量排在第二位(共150个)，约占总数量的20%。
2 T% K& {. \ n 弧后扩张型
- j0 m' B5 J( [/ t 主要位于弧后火山链，在西太平洋地区最为典型，新西兰和南极半岛周边海域的热液喷口也多为这种类型。弧后扩张型热液口数量与火山弧型相当(约147个)，约占总数的20%。 $ V/ h9 X) D2 C4 C4 a( a6 m3 F2 o
板块内嵌型 ! r- w2 ]# t- G/ g& {
即分布于板块内部的热液口，这种类型的热液喷口数量极少，零星分布在夏威夷、皮特凯恩群岛、法属玻里尼西亚等地区的周边海域。此类型目前仅发现8个，约占总数量的1%。 . k& `" }% L2 u8 O) g
其他：不属于上述4种类型的热液口
, H- [% e! S9 {$ ?5 {- B 为方便海洋地质学家查询，法国巴黎地球物理学院(IGBP)搜集整理了全球海洋中的热液喷口，并建立了热液喷口数据库InterRidge Vents Database，该数据库经过历次升级，目前最新版本为4.3。研究人员和海洋科学爱好者可通过该数据库网站查询全球目前已知的热液喷口详细数据，包括热液喷口名称、位置、类型、发现年份和发现过程等信息。
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$ z% ]0 }4 q2 }: I8 V( c. X0 V 全球热液喷口分布图（含推测热液口，数据截至2023年）
0 C% t( q Y1 U8 O* L) `: N 热液喷口的研究价值 $ @ s6 y- V- F' c) z4 E) D
热液喷口为我们打开了观测深海的窗口，也让我们对地球系统有了更深入的了解，具有重要的科学、哲学和美学价值。深海热液口至少在如下三方面具有重要的研究意义。 # n* O. Y. a4 H$ G/ t8 n8 n. ]# u
生命起源
# W4 H1 T$ ]/ g! O6 {) B$ Z 尽管深海喷口生态系统具有极端的温度和压力，且存在有毒物质，但微生物能够通过化学反应为其他生物的生化过程提供能量，因此生命依然在海底热液口蓬勃发展。热液喷口栖息地的生命密度非常高，接近热带雨林和珊瑚礁生态系统的水平。此外，热液口环境与地球早期的海洋环境(酸性、还原)极为相似，热液及其过程能够为生命活动提供能量，为生命的诞生提供了潜在的可能。鉴于热液活动与生命的关系，研究人员在探索地外生命时，也十分关注地外星体的热液迹象，是地外生命探索的重要关注点之一。此外，热液口的生命代谢过程，能够产生特殊的化合物，在治疗阿尔茨海默病等疾病方面也具有一定的潜力。
' |6 c M7 g, Y: l6 I9 `$ I9 l 生物地球化学循环 ( t W1 y9 b7 j. [/ S
海洋的化学组成受陆源输入、自生物质沉降、大气传输等诸多因素影响，而深海热液喷口也是一个重要的影响因素。海底热液口是连接海洋与地球内部的通道，能够将地球内部的热量和化学物质传输至海洋中，从而在很大程度上影响全球海洋化学组成，以及海洋环境的演化。因此，热液口会对很多元素的生物地球化学循环产生显著影响，在海洋物质循环中占据非常重要的一环，研究热液口的生物地球化学循环对于理解海洋系统具有重要意义。
8 t8 Y# C3 {* r" {* D6 y# `( { 深海矿产
; S$ E: I& n% }/ b2 |8 w3 s' b# A 在热液喷口传输的物质中，一些元素可在海底形成金属硫化物，这些硫化物富含钴、金、银、铜、铁、稀土等有用元素，能够达到足够高的品位，形成一种特殊的矿床类型——海底块状硫化物矿床。在地表矿产资源逐渐枯竭、开采难度日益增加的情况下，深海热液口的矿产资源开采成为支撑人类社会发展的新希望。目前，深海热液口金属矿产资源开采已取得初步的成功，并有望在未来实现大规模开采，这能够在一定程度上缓解人类对矿产资源的需求压力。但热液口矿产资源的开采对海底生物群落可能产生不利影响，相关研究也渐受关注。
) V( u$ G2 L, e! O' D" A 参考资料 / L( n# Q( Y* q2 ~% v
[1]汪品先. 深海浅说. 上海: 上海科技教育出版社, 2020.
! Q- z6 h# \, Z# V6 \' X+ q [2]Hsu H W, Postberg F, Sekine Y, et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature, 2015, 519: 207-210.
1 `1 X/ k, ], ^3 y$ r [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. ) }# c" ]# @5 G) Q; F4 t1 H0 u
[4]Lane N. The Vital Question—Energy, Evolution, and the Origins of Complex Life. W. W. Norton & Company, 2015.
- q+ f( I5 K% X! j7 G2 o9 R/ O [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. - w' [+ F. b4 p2 J: t, m8 v& l
[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. . b! M1 [: [# @+ d/ r( H8 r" Q, w; w
[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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来源：科学杂志1915
: b0 G: h! v! r+ c2 v: ?6 D1 [ 编辑：Tammy
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