黑煙囪

黑煙囪四周有種類和數(shù)量都十分豐富的海洋生物。一般深海的溫度只有0℃，而海底熱泉活動頻繁的黑煙囪附近水溫卻高達350℃到400℃。據(jù)推算，水深每增加10米，水壓就會增大1個大氣壓，好比在水深4000米的海底，一個成年人身上要承受上百噸的壓力。在這樣惡劣的環(huán)境下，怎么可能還有生物呢？為了解開這個謎，科學家們進行了艱苦卓絕的探索。1980年，日本科學家乘坐考察船在太平洋加拉帕戈斯群島附近考察，在一個海淵里90℃的熱水中，發(fā)現(xiàn)了僵死的細菌?？茖W家們繼續(xù)下潛探察細菌的來源，在2650米深處，發(fā)現(xiàn)了活動力極強的細菌。而這里的水溫為250℃，水壓為2700萬帕斯卡。原來，那些90℃的熱水中發(fā)現(xiàn)的僵死細菌，是被熱水推到水深較淺的水域"凍死"的或者是忍受不了內部的壓力"爆炸"而死的。

現(xiàn)代海底的黑煙囪的研究始于1978年，當時，美國的阿爾文（Alrin）號載人潛艇在東太平洋洋中脊的軸部采得由黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦組成的硫化物。1979年又在同一地點約2610～1650米的海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個冒著黑色和白色煙霧的煙囪，約350℃的含礦熱液從煙囪中噴出，與周圍海水混合后，產(chǎn)生沉淀變?yōu)椤昂跓煛?，沉淀物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅－鐵硫化物組成。這些海底硫化物堆積形成直立的柱狀圓丘，稱為“黑煙囪”。

噴溢海底熱泉的出口往往能夠形成黑煙囪 。由于物理和化學條件的改變，含有多種金屬元素的礦物在海底沉淀下來，尤其是噴溢口的周圍連續(xù)沉淀，不斷加高，形成了一種煙囪狀的地貌。煙囪高低粗細各不相同，高的可以達到一百多米，矮的也有幾米到幾十米。煙囪的直徑因噴溢口的大小而不同，小煙囪的口一般只有幾十厘米，大煙囪的口可以達到幾米。噴發(fā)劇烈的噴溢口四周的沉積物也多，往往形成了小丘，高度有的高達100多米。其實，在海水沖擊的作用下，煙囪的高度很難無限升高。尤其那些長年不活動的噴溢口，煙囪往往經(jīng)不住海水的沖擊而垮塌。

黑煙囪的形成主要與海水及相關金屬元素在大洋地殼內熱循環(huán)有關。由于新生的大洋地殼溫度較高，海水沿裂隙向下滲透可達幾公里，在地殼深部加熱升溫，溶解了周圍巖石中多種金屬元素后，又沿著裂隙對流上升并噴發(fā)在海底。由于礦液與海水成分及溫度的差異，形成濃密的黑煙，冷卻后在海底及其淺部通道內堆積了硫化物的顆粒，形成金、銅、鋅、鉛、汞、錳、銀等多種具有重要經(jīng)濟價值的金屬礦產(chǎn)。世界各大洋的地質調查都發(fā)現(xiàn)了黑煙囪的存在，并主要集中于新生的大洋地殼上。

1871年，達爾文在一封信里這樣寫道：“生命最早很可能在一個熱的小的池子里面?！焙髞恚@個“熱的小池子”被稱做“原始湯”。但是由于當時條件限制，對于“原始湯”的研究一直沒有進展。直到100多年之后的1977年，美國科學家在加拉巴戈斯群島海底找到了它。海底“黑煙囪”的發(fā)現(xiàn)及其研究是全球海洋地質調查近幾十年取得的最重要的科學成就。

1977年，美國“阿爾文號”深潛器潛到了加拉巴戈斯群島深海，在那里測得深層海水高達8攝氏度，同時海底出現(xiàn)白色的巨型蛤類。這種反常的現(xiàn)象引起專家們的關注，到了1979年，“阿爾文號”又重新來到這里，并且還帶了很多生物學家一同前往。正是這次的研究，揭開了“深海熱液生物群”的神秘面紗。

科學家們發(fā)現(xiàn)，海底熱液帶出大量硫化物，遇水冷卻后形成巨大的“黑煙囪”，約350℃的含礦熱液從直徑約15厘米的煙囪中噴出，與周圍海水混合后，很快產(chǎn)生沉淀變?yōu)椤昂跓煛?，沉淀物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅-鐵硫化物組成。

2009年10月中國自主研制的水下機器人“海龍2號”在東太平洋海隆海底發(fā)現(xiàn)罕見巨大“黑煙囪”并成功取樣，中國“大洋一號”科考船于10月23日使用“海龍2號”太平洋赤道附近洋中脊擴張中心，找到高26米、直徑約4.5米的巨大“黑煙囪”，并獲約7公斤“黑煙囪”噴口的硫化物樣品。

自1977年后30年里，科學家在世界各地的大洋海底相繼發(fā)現(xiàn)海底熱液和“黑煙囪”，包括臺灣東北角的龜山島。并在“黑煙囪”旁發(fā)現(xiàn)很多生物，形成與人們常識迥異的生物群和食物鏈。最具有代表性的生物是3米長的管狀蠕蟲，這類蠕蟲沒有口腔和肛門，靠體內的硫細菌供給營養(yǎng)。個體大有利于一次性大量取食，也有利于迅速運動到達食物源，能夠忍耐長期饑餓。黑煙囪與含礦液體的運移通道共同組成了金屬硫化物的成礦環(huán)境，并可以在地層中保留下來，成為研究當時古大洋環(huán)境的重要樣本。

大量的海底調查研究發(fā)現(xiàn)，在海底黑煙囪周圍廣泛存在著古細菌，這些古細菌極端嗜熱，可以生存于350℃的高溫熱水及2000－3000米的深水環(huán)境中，為古老生命的孑遺。黑煙囪噴出的礦液溫度可高達350℃，并含有CH4、CN等有機分子，為非生物有機合成，如此環(huán)境可以滿足各類化學反應，有利于原始生命的生存?？茖W研究表明只有地球早期的環(huán)境才與此類似，科學家們?yōu)榇颂岢隽嗽忌鹪从诤５缀跓焽柚車睦碚摚J為地球早期水熱環(huán)境和嗜熱微生物可能非常普遍，地球早期的生命可能就是嗜熱微生物。

世界各地在對不同時代古大洋地質記錄（蛇綠巖）進行廣泛的調查時，先后在日本、德國、美國、加拿大等地找到了古海底黑煙囪的殘片及相關塊狀硫化物。但是，大多數(shù)硫化物的時代很少大于6億年，老于25億年古海底黑煙囪記錄還不多見，盡管在加拿大和澳大利亞發(fā)現(xiàn)了26億－27億年前的金屬硫化物礦產(chǎn)，但尚無海底黑煙囪殘片的報道。

“黑煙囪”附近生物鏈的生存環(huán)境，與太古代生命起源時期類似。太古代時期沒有綠色植物，沒有光合作用產(chǎn)生的大量氧氣。此外，光合作用也可能起源于熱液的“黑煙囪”?？蒲腥藛T在大西洋深海的“黑煙囪”，發(fā)現(xiàn)有一種蝦的背上有感光區(qū)，能夠感知藍綠光線。另外，美國科學家在5000米深的海底曾關閉深潛器燈光5 分鐘，在熱液口發(fā)現(xiàn)光線?！斑@種光顯然被最早的某一種生物利用了，這個時候光合作用效率高的優(yōu)越性就顯示出來了，把生物的演化往前推進。由此，科學家預測生命的起源很可能就是從海底的‘黑煙囪’開始的?！?100433B

黑煙囪復合體指由多個或多期黑煙囪噴發(fā)形成的構筑物。

中文名稱

黑煙囪復合體

英文名稱

black smoker complex

定　　義

由多個或多期黑煙囪噴發(fā)形成的構筑物。

應用學科

海洋科技（一級學科），海洋科學（二級學科），海洋地質學、海洋地球物理學、海洋地理學和河口海岸學（三級學科）

海底黑煙囪是近十年全球海洋地質調查的重大科學發(fā)現(xiàn)之一, 極大拓展了海底礦產(chǎn)資源的認識，成為研究塊狀硫化物成礦的理想實驗室，對探索生命起源也具有重要價值。古海底硫化物黑煙囪成為研究當時海底成礦過程及其生物活動的重要樣本。通過前期研究積累發(fā)現(xiàn)華北興隆地區(qū)保存了豐富的中元古代黑煙囪，代表罕見的前寒武紀典型黑煙囪。深入開展本區(qū)黑煙囪的多學科交叉研究，可提出我國古海底黑煙囪典型實例及其形成機理，探討早期噴流成礦和極端環(huán)境下微生物記錄。研究內容主要包括：古海底黑煙囪巖礦組成、黑煙囪形成模式及成礦過程。古地塹海底構造環(huán)境、流體－巖石作用過程。黑煙囪內部及周圍極端環(huán)境下微生物記錄，探討生命起源于海底黑煙囪新理論。通過華北古海底黑煙囪的系統(tǒng)研究，可以為我國太平洋底海底硫化物資源研究提供理論指導及對比的典型黑煙囪樣品，為海底資源調查進行必要的科學積累。 2100433B