深海秘境——海底熱泉和冷泉
文章來源： | 發(fā)布時(shí)間：2017-07-03 | 【打印】 【關(guān)閉】
近幾十年來，隨著各種海洋勘探工具的快讀發(fā)展，人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)也迅速從二維進(jìn)展到三維、四維，獲取了不同深度、時(shí)間上不同類型的大量數(shù)據(jù)資料，逐步揭開了其神秘面紗，海洋也在不斷地驚艷著我們。從變幻多彩的海平面、到美麗繁華的熱帶淺海生物，再到漆黑荒涼的深海海底，又到奇形怪狀的深淵生物，我們的海洋觀不斷地被刷新。今天，就給大家介紹下深海里的兩種神秘的特殊環(huán)境——熱泉和冷泉。
海底熱泉（又稱海底熱液）系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)是以1948年瑞典科學(xué)家利用“信天翁號(hào)”(Albatross)考察船在紅海發(fā)現(xiàn)高溫高鹽溶液為標(biāo)志。1963-1965年國際印度洋調(diào)查期間,在紅海的軸部及中央盆地中識(shí)別出層化的高溫高鹽溶液，發(fā)現(xiàn)了熱液多金屬軟泥,從而揭開了海底熱液活動(dòng)研究的序幕。在隨后的調(diào)研中，在大洋中脊多處發(fā)現(xiàn)了黑煙囪、塊狀硫化物及噴口生物，海底熱液活動(dòng)也成了科學(xué)家了解地球深部構(gòu)造及地球生命起源的一個(gè)重要窗口。
海底熱液活動(dòng)在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界均可出現(xiàn)，但都集中在拉張性構(gòu)造帶上，主要分布于洋中脊、弧后擴(kuò)張中心等。其形成的機(jī)理是：海水沿裂谷張性斷裂或裂隙滲入洋殼內(nèi)部，受熾熱的熔巖影響后與基底玄武巖發(fā)生反應(yīng),形成酸性、還原且富硫化物與成礦金屬的熱液，溫度高達(dá)350～400℃。反應(yīng)程度隨溫度和壓力的增加而增加,直到巖石變得難以滲透,含礦熱液就上升回到海底。當(dāng)它們從噴口涌出時(shí)與冷海水相遇，導(dǎo)致黃鐵礦、黃銅礦、纖鋅礦、閃鋅礦等硫化物及鈣、鎂硫酸鹽的快速沉淀，最后不斷堆積成一種煙囪狀的地貌。煙囪高低粗細(xì)各不相同，高的可以達(dá)到一百多米，矮的也有幾米到幾十米。因溫度和組分差異，形成白煙囪或黑煙囪：當(dāng)熱液溫度為100～350℃時(shí)，形成主要由硫酸鹽礦物(硬石膏、重晶石)、二氧化硅和白鐵礦組成的白煙囪。當(dāng)溫度≥350℃時(shí)，形成由暗色硫化物如磁黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦等堆積而成的黑煙囪。
海底熱液區(qū)示意圖
海底黑煙囪
熱液生態(tài)系統(tǒng)與陸地-淺海光合作用為基礎(chǔ)的生命體系有根本區(qū)別，它們形成以嗜熱硫還原細(xì)菌為基礎(chǔ)生產(chǎn)力的食物鏈，構(gòu)成一個(gè)自養(yǎng)自給的共生系統(tǒng)，目前認(rèn)為海底熱液是其營養(yǎng)物質(zhì)的初始來源。這一環(huán)境內(nèi)的生物組成主要有細(xì)菌、雙殼類、鎧甲蝦，與細(xì)菌共生的巨型管棲動(dòng)物、管水母、腹足類和一些魚類，這在壓力巨大、一片漆黑的海底形成了一片繁華的生命奇景。這一群落隨著“熱液”的長消而出沒，當(dāng)“熱液”停止噴發(fā)，這一群落也隨著消失。當(dāng)新的“熱液”產(chǎn)生時(shí)，又能形成新的群落。
多金屬硫化物礦床是熱液活動(dòng)的產(chǎn)物,富含Cu、Zn、Fe、Mn、Pb、Ba、Ag、Au、Co、Mo等金屬和稀有金屬,賦存于2000～3000m水深的海底，是繼大洋錳結(jié)核和結(jié)殼之后發(fā)現(xiàn)的又一具有巨大開發(fā)遠(yuǎn)景的海底礦產(chǎn)資源。它和深海熱液噴口生物、大洋多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、天然氣水合物等新型資源一起被譽(yù)為21世紀(jì)人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略接替資源，具有很好的科研與商業(yè)應(yīng)用前景。
海底冷泉從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)近40年，是繼海底熱液之后的又一重大發(fā)現(xiàn)，二者都反映了海底的極端環(huán)境。來自海底沉積界面之下的以水、碳?xì)浠衔?（天然氣和石油）、硫化氫、細(xì)粒沉積物為主要成分的流體以噴涌或滲漏方式從海底溢出，并產(chǎn)生系列的物理、化學(xué)及生物作用，這種作用及其產(chǎn)物稱為冷泉。既然海底熱泉是熱的，那么冷泉也是冷的嘍？其實(shí)，海底冷泉的溫度與周圍海水溫度相近，約2～4℃。冷泉常呈線性群產(chǎn)出,主要集中在斷層和裂隙較發(fā)育地區(qū)，經(jīng)常伴隨著大量自生碳酸鹽巖、生物群落、泥火山、麻坑、泥底辟等較為宏觀的地質(zhì)現(xiàn)象。
導(dǎo)致冷泉形成的因素主要包括：
①海底沉積物埋藏或者沉積物滑動(dòng)？運(yùn)移及重新沉積;
②全球氣候變冷或變暖引起海平面的升降,從而使海底壓力和溫度變化;
③構(gòu)造抬升或海平面下降使壓力降低;
④與地震有關(guān)的壓力快速變化？火山噴發(fā)？地溫梯度升降;
⑤海底底層水變暖或溫鹽環(huán)流變化,冬季變冷和夏季升溫引起的海底環(huán)境變化？
冷泉的流體可能來自于下部地層中長期存在的油氣系統(tǒng)，也可能是海底天然氣水合物分解釋放的烴類（CH4等）。因此，當(dāng)上述因素出現(xiàn)時(shí)，流體會(huì)沿著泥火山？構(gòu)造面或沉積物裂隙向上運(yùn)移和排放，便會(huì)形成甲烷冷泉？根據(jù)冷泉流體溢出速度的不同，將其分為快速冷泉和慢速冷泉?？焖倮淙．a(chǎn)自泥火山，流體為富甲烷的流體攜帶大量細(xì)粒沉積物；慢速冷泉流體富油或氣，在空間上快速和慢速冷泉常過渡伴生。冷泉流體的流量在時(shí)間和空間上也是不斷變化的，控制因素主要有潮汐作用、構(gòu)造作用、孔隙流體與海水的濃度差產(chǎn)生的對(duì)流、生物泵作用(海底生物活動(dòng)改造流體的流動(dòng)方式)等。
甲烷氣柱噴溢現(xiàn)象
冷泉生物系統(tǒng)是指示海底冷泉非常直接的標(biāo)志。甲烷氧化菌和硫酸鹽還原菌參與到冷泉流體中的甲烷與硫酸根離子的缺氧甲烷氧化反應(yīng)中，為化能自養(yǎng)生物提供了碳源和能量，成為冷泉生態(tài)系的初級(jí)生產(chǎn)者。在其基礎(chǔ)上又發(fā)育著菌席和深海雙殼類（貽貝類和蛤類）及蠕蟲（管狀群蠕蟲和冰蠕蟲）多毛類動(dòng)物以及海星、海膽、海蝦等一級(jí)消費(fèi)者，其中管狀蠕蟲只出現(xiàn)在冷泉流速較低的環(huán)境。二級(jí)消費(fèi)者有魚、螃蟹、扁形蟲、冷水珊瑚等。所以冷泉活動(dòng)區(qū)域一般都是海底生命極度活躍的地方，和熱液生態(tài)系統(tǒng)并稱為“深海綠洲”。
繁茂的冷泉生物群落
白色的潛鎧蝦和深色的貽貝
全球海洋環(huán)境中可能發(fā)育有900多處海底冷泉活動(dòng)區(qū)，每年釋放大量CO2和CH4等烴類氣體到大氣中，而CH4的溫室效應(yīng)是相同質(zhì)量CO2的20倍以上，因此是全球變化的重要影響因子。我國近海冷泉區(qū)主要有 7個(gè)，其中南海海域分布6個(gè)，東海沖繩海槽1個(gè)。2015年“海馬”號(hào)ROV在珠江口盆地西部海域發(fā)現(xiàn)了海底巨型活動(dòng)性“冷泉”，被命名為“海馬冷泉”。該冷泉淺表層富含天然氣水合物、自生碳酸鹽巖大量出露、冷泉生物群廣泛發(fā)育，是非常典型冷泉系統(tǒng)。
研究冷泉具有重要的科研意義。冷泉是探尋天然氣水合物的重要標(biāo)志之一；冷泉生態(tài)系統(tǒng)是研究地球深部生物圈的窗口；冷泉溢出的CH4和CO2是可能造成全球氣候變化的重要因素；同時(shí)，研究全球圈層相互作用和全球變化也是科學(xué)前沿之一。
供稿人：孔秀
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