這些深海“大煙囪”,竟一邊噴金吐銀,一邊養育生命
2018年08月13日11:04

  來源:我是科學家iScientist

  煙囪給大家留下的印象,大概是一根根平地高聳、不斷產生黑色或白色濃煙的空心大柱子。然而,自然界里存在著一種天然的、不斷噴湧“濃煙”的“煙囪”,它們非常壯觀,但對普通人來說可能一輩子都沒機會親眼看到。

冒著濃煙的工廠煙囪。圖片來源:pixabay
冒著濃煙的工廠煙囪。圖片來源:pixabay

  初識“黑煙囪”

  這樣的“煙囪”被稱為深海熱液噴口,它們是深藏海底的熱泉,近似於陸地上的天然溫泉。當海水沿海底裂隙向下滲流,受岩漿熱源的加熱,再集中向上流動並噴發,就形成了“煙囪”一樣的深海熱液噴口。

黑煙囪形成機製示意圖。圖片來源:Wikipedia
黑煙囪形成機製示意圖。圖片來源:Wikipedia

  就像人類工廠的煙囪一樣,海底的“煙囪”也會冒出不同顏色的“煙”。根據海底熱液溫度及噴出的礦物成分的不同,一般將海底熱液煙囪劃分為黑煙囪、白煙囪和低溫噴口。

東太平洋發現的黑煙囪(左圖),馬里亞納海海溝西北部Eifuku 火山附近的白煙囪(右圖)。圖片來源:www.thirteen.org(左圖),Wikipedia(右圖)。
東太平洋發現的黑煙囪(左圖),馬里亞納海海溝西北部Eifuku 火山附近的白煙囪(右圖)。圖片來源:www.thirteen.org(左圖),Wikipedia(右圖)。

  海底“黑煙囪”,通常位於大洋中脊這樣熱液活動的區域,在300-400℃海水溫度下形成。在地形上表現為柱狀圓丘,噴出的黑煙富含高濃度的硫化物。

  1979年,科學家在加拉帕戈斯群島(就是促使達爾文獲得生命進化論靈感的那個地方!)首次發現了海底“黑煙囪”。當時,美國的阿爾文號(Alvin)載人深潛器正在該島附近深度約1 650―2 610m的海底進行探測,突然發現數十個冒著黑色和白色煙霧的液流噴湧而出,蔚為壯觀。在此之後,科學家們在大西洋、印度洋、北冰洋 、紅海等大洋也發現了許多黑煙囪及其熱液硫化物。

全球熱液噴口位置分佈。圖片來源:國際大洋中脊協會網站
全球熱液噴口位置分佈。圖片來源:國際大洋中脊協會網站

  科學家發現,黑煙囪形成後,可以在海底存在幾千年至幾萬年。隨著熱液活動的減弱和停止,海底黑煙囪也將逐漸發生溶解和坍塌,甚至完全消失。許多古老的“黑煙囪”分佈有限、標誌不明顯,因而十分難被發現,至今在深海發現的古熱液區數量也及其有限。

  2018年5月我國科學家有幸在南海兩座海山上各發現一處古熱液區,分別命名為“南溟”熱液區和“樓蘭”熱液區。

中國科考隊首次在南海發現的古熱液煙囪。圖片來源:同濟大學
中國科考隊首次在南海發現的古熱液煙囪。圖片來源:同濟大學

  黑煙囪寫真神器――深潛器

  想要直接觀察海底“黑煙囪”也沒那麼簡單,需要借助非常先進的技術手段、潛水和取樣設備。而利用深潛器深入海底可以實地直接觀察黑煙囪,並進行相關的觀測和取樣,是揭開黑煙囪神秘面紗的重要法寶。

  目前,世界上僅有少數國家有能力開展海底“黑煙囪”的研究。擁有6000米以上深度載人潛水器的國家更是鳳毛麟角,目前包括美國、日本、法國、俄羅斯和中國。

  美國是較早開展載人深潛的國家之一,1964年建造的“阿爾文”號(Alvin)載人潛水器是他們的代表作,可以下潛到4500米的深海。在發現黑煙囪之前,剛剛服役沒幾年的“阿爾文”號還幫助美國海軍撿回了落入海底的一枚氫彈!

  1985年,“阿爾文”號載人潛水器發現了鐵達尼號號沉船的殘骸,它也因此神氣地登上了美國《時代》週刊的封面。如今,阿爾文號已經進行過近5000次下潛,是當今世界上下潛次數最多的載人潛水器。

從1964年到如今,幾經變遷的Alvin號潛水器。圖片來源:我是科學家演講
從1964年到如今,幾經變遷的Alvin號潛水器。圖片來源:我是科學家演講

  日本1989年建成了下潛深度為6500米的“深海6500”(Shinkai6500)潛水器,水下作業時間8小時,曾下潛到6527米深的海底,創造了載人潛水器深潛的紀錄。它已對6500米深的海洋斜坡和大斷層進行了調查,並對地震、海嘯等進行了研究,已經下潛了1000多次。

日本的深海6500載人潛水器。圖片來源:我是科學家演講
日本的深海6500載人潛水器。圖片來源:我是科學家演講

  我國雖然在該領域起步較晚,但是後來居上。2007年,“大洋一號”科考船在2800米深的西南印度洋中脊上發現了“黑煙囪”,並租用了類似“藍鰭金槍魚”的自主水下航行器進行仔細搜索,拍到了大量正在“冒煙”的“黑煙囪”噴口,命名為“龍紜保⑾群罅醬巫ト×120多公斤樣品,標誌著我國已成為世界上發現洋中脊海底熱液活動區的少數國家之一。

  2017年4月我國科學家利用中國自行設計、自主集成研製的載人潛水器――“蛟龍號載人潛水器”,在西北印度洋臥蠶1號、臥蠶2號、天休、大Y4個熱液區成功發現27處海底“黑煙囪”、多金屬硫化物丘與黑暗生態系統。

  說起蛟龍號,它的功夫可是相當了得,2010年就實現了最大下潛深度7062.68米的目標,可以輕鬆自如地前進後退、上下運動、側移和懸停定位,能夠對深海熱液環境、多金屬結核資源等進行近距離拍攝和遙控精確取樣,堪稱“技能滿滿”的國之重器。

“蛟龍”號活躍在西北印度洋
“蛟龍”號活躍在西北印度洋
“蛟龍”號拍攝的印度洋海底黑暗生態系統
“蛟龍”號拍攝的印度洋海底黑暗生態系統
“蛟龍號”拍攝的熱液噴口照片
“蛟龍號”拍攝的熱液噴口照片
蛟龍號在黑煙囪上採集到的盲蝦樣品
蛟龍號在黑煙囪上採集到的盲蝦樣品

  圖片來自中國國家海洋局網站

  海底的“開心農場”――黑礦養殖

  黑煙囪雖說其貌不揚,卻卻能夠噴“金”吐“銀”。黑煙囪在海底噴口附近沉澱黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、方鉛礦等多種硫化物。這些硫化物含有金、銀、銅、鉛等金屬元素,並和石膏、重晶石與沸石類礦物伴生,能夠形成極具經濟價值的礦產資源。

  科學家已在海底發現許多百萬噸以上規模的金屬硫化物。如東太平洋加拉帕戈斯群島發現的一個黑煙囪丘體,礦床長1000米,寬200米,高35米,其中35%的質量為鐵,10%為銅,0.1%為鋅,並含有銀、鍺等,總儲量約為2500萬噸,可謂價值連城。

  近些年,一些發達國家開始探究一種從海底人工熱水噴口收集礦物資源的方法,被稱為“黑礦養殖計劃”。比起傳統的海底探礦與開採,黑礦養殖可謂海底的開心農場,如同種植農作物一般,他們選擇養分豐富的地方(金屬離子的濃度高的區域),利用人工鑽孔給予發芽(礦物長晶)的機會,接著放置成礦培養平台,給予適當的環境生長(海水降溫沉積),使其持續沉積礦物,最後達到一定量後將其“收成”。利用這些人工煙囪的礦物學特性可以選擇性沉澱和提取相應的元素。這為在低勘探成本和低環境負擔下獲得海底礦產資源提供了新方向。

帶套管的人工鑽孔C0016B上黑礦培養情況照片 圖片來源:日本海洋科學與技術中心網站
帶套管的人工鑽孔C0016B上黑礦培養情況照片 圖片來源:日本海洋科學與技術中心網站

  黑煙囪的“生命綠洲”

  然而,黑煙囪的神秘之處遠不止於此――在這個沒有陽光照射、了無生機的深海中,黑煙囪海底創造出一個神秘的“生命綠洲”。這裏的“居民”依靠黑煙囪等海底熱液口釋放的地熱和物質而生活,稱為“黑暗生物圈”。

  在黑煙囪的噴發口中,有大量的氣體、金屬離子噴出。這種環境為周圍的化能自養型微生物提供充足的能量。熱液群落中的其它動物可以依靠這些微生物合成的有機物作為其食物來源。

  以熱液群落中的盲蝦為例,它們身上有若干嗜硫細菌。作為熱液生態系統的源頭,這些嗜硫細菌把劇毒硫化物轉化為能量,寄生在盲蝦身上。盲蝦取食身體表面的細菌,數量較少的熱液魚則以盲蝦等為食。

東斯科蒂海脊附近噴口上生長的藤壺群(右上角)和盲視雪蟹。圖片來源:Wikipedia
東斯科蒂海脊附近噴口上生長的藤壺群(右上角)和盲視雪蟹。圖片來源:Wikipedia

  儘管黑煙囪活動區的溫度極高,四周卻存活著蠕蟲、蛤類、貽貝類、蟹類、水母、藤壺等生物群落。可以說,生機盎然的黑煙囪成為瞭解地球上生物群落的一扇新窗口。據統計,科學家在海底熱液區新發現的物種已達10個門、500多個種屬,大部分為熱液環境所獨有。

加拉帕戈斯裂穀周圍的巨型管狀蠕蟲(Riftia pachyptila)。圖片來源:Wikipedia
加拉帕戈斯裂穀周圍的巨型管狀蠕蟲(Riftia pachyptila)。圖片來源:Wikipedia

  

  深海熱液口極端的生態環境以及豐富的生物資源,使得深海熱液口微生物及其次生代謝產物,在抗腫瘤、抗衰老、抗氧化等領域具有重要的研究價值,成為未來寶貴的生物基因和醫藥資源,而硫氧化菌“吃”硫的特性,已經被應用在治理石油汙染等環保領域。這些都遠遠超過了黑煙囪的地質礦產價值。

  除此以外,黑煙囪也為生命起源的探索增加了新的認識。根據最新的研究發現,至少在37.7億年前,遠古時代的深海熱液噴口及其周圍就存在微生物活動的證據,這可能代表著地球上最早期的生命形式。為揭開生命的起源,也有了重要的參考。

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