【海洋地质】海洋科普丨深海秘境——海底热泉和冷泉

　近几十年来，随着各种海洋勘探工具的快速发展，人类对海洋的认识也迅速从二维进展到三维、四维，获取了不同深度、时间上不同类型的大量数据资料，逐步揭开了其神秘面纱，海洋也在不断地惊艳着我们。从变幻多彩的海平面、到美丽繁华的热带浅海生物，再到漆黑荒凉的深海海底，又到奇形怪状的深渊生物，我们的海洋观不断地被刷新。今天，就给大家介绍下深海里的两种神秘的特殊环境——热泉和冷泉。
　　海底热泉（又称海底热液）系统的发现是以1948年瑞典科学家利用“信天翁号”(Albatross)考察船在红海发现高温高盐溶液为标志。1963-1965年国际印度洋调查期间，在红海的轴部及中央盆地中识别出层化的高温高盐溶液，发现了热液多金属软泥,从而揭开了海底热液活动研究的序幕。在随后的调研中，在大洋中脊多处发现了黑烟囱、块状硫化物及喷口生物，海底热液活动也成了科学家了解地球深部构造及地球生命起源的一个重要窗口。
　　海底热液活动在离散板块边界和汇聚板块边界均可出现，但都集中在拉张性构造带上，主要分布于洋中脊、弧后扩张中心等。其形成的机理是：海水沿裂谷张性断裂或裂隙渗入洋壳内部，受炽热的熔岩影响后与基底玄武岩发生反应，形成酸性、还原且富硫化物与成矿金属的热液，温度高达350～400℃。反应程度随温度和压力的增加而增加，直到岩石变得难以渗透，含矿热液就上升回到海底。当它们从喷口涌出时与冷海水相遇，导致黄铁矿、黄铜矿、纤锌矿、闪锌矿等硫化物及钙、镁硫酸盐的快速沉淀，最后不断堆积成一种烟囱状的地貌。烟囱高低粗细各不相同，高的可以达到一百多米，矮的也有几米到几十米。因温度和组分差异，形成白烟囱或黑烟囱：当热液温度为100～350℃时，形成主要由硫酸盐矿物(硬石膏、重晶石)、二氧化硅和白铁矿组成的白烟囱。当温度≥350℃时，形成由暗色硫化物如磁黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿等堆积而成的黑烟囱。
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海底热液区示意图

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海底黑烟囱

2 n1 w( |2 e+ r3 h1 ]) [% T　　热液生态系统与陆地-浅海光合作用为基础的生命体系有根本区别，它们形成以嗜热硫还原细菌为基础生产力的食物链，构成一个自养自给的共生系统，目前认为海底热液是其营养物质的初始来源。这一环境内的生物组成主要有细菌、双壳类、铠甲虾，与细菌共生的巨型管栖动物、管水母、腹足类和一些鱼类，这在压力巨大、一片漆黑的海底形成了一片繁华的生命奇景。这一群落随着“热液”的长消而出没，当“热液”停止喷发，这一群落也随着消失。当新的“热液”产生时，又能形成新的群落。
" E) l, \9 R9 B5 E( A　　多金属硫化物矿床是热液活动的产物，富含Cu、Zn、Fe、Mn、Pb、Ba、Ag、Au、Co、Mo等金属和稀有金属，赋存于2000～3000米水深的海底，是继大洋锰结核和结壳之后发现的又一具有巨大开发远景的海底矿产资源。它和深海热液喷口生物、大洋多金属结核、富钻结壳、天然气水合物等新型资源一起被誉为21世纪人类可持续发展的战略接替资源，具有很好的科研与商业应用前景。
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, V1 E) b" x( W; _　　海底冷泉从发现到现在已经近40年，是继海底热液之后的又一重大发现，二者都反映了海底的极端环境。来自海底沉积界面之下的以水、碳氢化合物 （天然气和石油）、硫化氢、细粒沉积物为主要成分的流体以喷涌或渗漏方式从海底溢出，并产生系列的物理、化学及生物作用，这种作用及其产物称为冷泉。既然海底热泉是热的，那么冷泉也是冷的喽？其实，海底冷泉的温度与周围海水温度相近，约2～4℃。冷泉常呈线性群产出，主要集中在断层和裂隙较发育地区，经常伴随着大量自生碳酸盐岩、生物群落、泥火山、麻坑、泥底辟等较为宏观的地质现象。
　　导致冷泉形成的因素主要包括：
　　①海底沉积物埋藏或者沉积物滑动、运移及重新沉积；
　　②全球气候变冷或变暖引起海平面的升降，从而使海底压力和温度变化；
　　③构造抬升或海平面下降使压力降低；
6 o' I0 I+ w6 _) V1 {. f　　④与地震有关的压力快速变化、火山喷发、地温梯度升降；
　　⑤海底底层水变暖或温盐环流变化，冬季变冷和夏季升温引起的海底环境变化?
# C3 w  @! `! g% o　　冷泉的流体可能来自于下部地层中长期存在的油气系统，也可能是海底天然气水合物分解释放的烃类（CH4等）。因此，当上述因素出现时，流体会沿着泥火山?构造面或沉积物裂隙向上运移和排放，便会形成甲烷冷泉?根据冷泉流体溢出速度的不同，将其分为快速冷泉和慢速冷泉。快速冷泉常产自泥火山，流体为富甲烷的流体携带大量细粒沉积物；慢速冷泉流体富油或气，在空间上快速和慢速冷泉常过渡伴生。冷泉流体的流量在时间和空间上也是不断变化的，控制因素主要有潮汐作用、构造作用、孔隙流体与海水的浓度差产生的对流、生物泵作用（海底生物活动改造流体的流动方式）等。
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甲烷气柱喷溢现象

　　冷泉生物系统是指示海底冷泉非常直接的标志。甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌参与到冷泉流体中的甲烷与硫酸根离子的缺氧甲烷氧化反应中，为化能自养生物提供了碳源和能量，成为冷泉生态系的初级生产者。在其基础上又发育着菌席和深海双壳类（贻贝类和蛤类）及蠕虫（管状群蠕虫和冰蠕虫）多毛类动物以及海星、海胆、海虾等一级消费者，其中管状蠕虫只出现在冷泉流速较低的环境。二级消费者有鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等。所以冷泉活动区域一般都是海底生命极度活跃的地方，和热液生态系统并称为“深海绿洲”。

                               
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繁茂的冷泉生物群落

                               
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白色的潜铠虾和深色的贻贝

8 r9 ~1 s; K$ U* d" A4 ~  q　　全球海洋环境中可能发育有900多处海底冷泉活动区，每年释放大量 CO2 和 CH4 等烃类气体到大气中，而 CH4 的温室效应是相同质量 CO2 的20倍以上，因此是全球变化的重要影响因子。我国近海冷泉区主要有 7个，其中南海海域分布6个，东海冲绳海槽1个。2015年“海马”号 ROV 在珠江口盆地西部海域发现了海底巨型活动性“冷泉”，被命名为“海马冷泉”。该冷泉浅表层富含天然气水合物、自生碳酸盐岩大量出露、冷泉生物群广泛发育，是非常典型冷泉系统。
　　研究冷泉具有重要的科研意义。冷泉是探寻天然气水合物的重要标志之一；冷泉生态系统是研究地球深部生物圈的窗口；冷泉溢出的 CH4 和 CO2 是可能造成全球气候变化的重要因素；同时，研究全球圈层相互作用和全球变化也是科学前沿之一。