海底熱泉

海底熱泉是地殼活動在海底反映出來的現(xiàn)象。它分布在地殼張裂或薄弱的地方，如大洋中脊的裂谷、海底斷裂帶和海底火山附近。

大西洋、印度洋和太平洋都存在大洋中脊，它高出洋底約3000米，是地殼下巖漿不斷噴涌出來形成的。洋脊中都有大裂谷，巖漿從這里噴出來，并形成新洋殼。兩塊大洋地殼從這里張裂并向相反方向緩慢移動。在洋中脊里的大裂谷往往有很多熱泉，熱泉的水溫在300℃左右。大西洋的大洋中脊裂谷底，其熱泉水溫度最高可達(dá)400℃。在海底斷裂帶也有熱泉，有火山活動的海洋底部，也往往有熱泉分布。除大洋中脊有火山活動外，在大陸邊緣，受洋殼板塊俯沖擠壓形成山脈的同時，往往有火山噴發(fā)，在它的附近海底也會有熱泉分布。

海底熱泉是一個非常奇異的現(xiàn)象：蒸汽騰騰，煙霧繚繞，煙囪林立，好象重工業(yè)基地一樣。而且在“煙囪林”中有大量生物圍繞著煙囪生存。煙囪里冒出的煙的顏色大不相同。有的煙呈黑色，有的煙是白色的，還有清淡如暮靄的輕煙。

實際上，海底熱泉的活動并不一定形成煙囪。早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們在紅海發(fā)現(xiàn)了許多奇異的現(xiàn)象，比如水溫和鹽度偏高，接著就出現(xiàn)了高溫鹵水。1967年，在一處海淵中發(fā)現(xiàn)了在熱泉周圍形成的海底多金屬軟泥。從此，揭開了人類研究現(xiàn)代熱液礦產(chǎn)資源的新篇章。1988年，我國科學(xué)家與德國科學(xué)家聯(lián)合考察了馬里亞納海溝。

他們通過海底電視看到，在水下3700米左右的海底巖石上有枯樹樁一樣的東西，它高2米，直徑50到70厘米不等，周邊還有塊狀、碎片狀和花朵狀的東西，在這些噴溢海底熱泉的出口處，沉淀堆積了許多化學(xué)物質(zhì)，他們采集了1000公斤的巖石樣品，主要是黃褐色，間雜黑色、灰白色、藍(lán)綠色。經(jīng)過化學(xué)分析和鑒定，人們確認(rèn)這就是海底熱泉活動的殘留物，叫做煙囪。它們大多是硫化礦物。除了大量銅、鋅、錳、鈷、鎳外，還有金、銀、鉑等貴重金屬。更加令人吃驚的是，在那些活動熱泉附近，甚至聚集了大量的人類不曾認(rèn)識的新生物物種。這些，都需要今后人類的艱苦努力去探索。

位于北緯21度附近的東太平洋隆起的脊軸上的熱泉，在一條長7千米、寬約200-300米的狹長型條狀區(qū)，分布有25個以上的熱泉“煙囪”，各“煙囪”的熱泉溫度變化各異。其中東北段熱泉新噴出的水溫較低，為5-20℃，水質(zhì)也較清流澈，因而此處生物繁茂。而西南段噴口新噴出的水溫較高，有的竟達(dá)400℃左右，水質(zhì)中所含成分十分復(fù)雜，致使噴口處形成了塊狀硫化物堆積。堆積物將噴口圍成1-5千米高的圓形狀，形成“黑煙囪”。后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)“黑煙囪”噴出的水中含有大量的硫磺鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅、鐵的硫化物等物質(zhì)，。在部分“煙囪”頂端所采的樣品中，主要由閃鋅礦、黃鐵礦和黃鐵礦在帶交替組成。海底熱泉的發(fā)現(xiàn)，成為20世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域中最重要的事件之一。

海底熱泉概況

不同緯度、地形和深度的海洋，具有不同的物理及化學(xué)條件，因此造就了特色不一、各式各樣的海洋生物。

在一九七九年以前，許多科學(xué)家都認(rèn)為深海海底是永恒的黑暗、寒冷及寧靜，不可能有所謂的生命。但是一九七九年，科學(xué)家首次在 2,700 公尺的海底發(fā)現(xiàn)熱泉，并觀察到和已知生命極為不同的奇特生命形式，進而改變了對地球生命進化的認(rèn)知。二零零零年十二月四日，科學(xué)家又在大西洋中部發(fā)現(xiàn)另一種熱泉，結(jié)構(gòu)完全不同，他們把它命名為「失落的城市」，再度引發(fā)了科學(xué)家對海底熱泉的研究熱潮。

在宜蘭龜山島所發(fā)現(xiàn)不斷往上噴出的海底熱泉，是一種黃煙囪，這是因為海底冒出大量硫磺所造成的現(xiàn)象，也是近年來發(fā)現(xiàn)最大的近海海底熱泉，水深從二、三公尺到三十幾公尺，約有八、九處之多。

在深海熱泉泉口附近均會發(fā)現(xiàn)各式各樣前所未見的奇異生物，包括大得出奇的紅蛤、海蟹、血紅色的管蟲、牡蠣、貽貝、螃蟹、小蝦，還有一些形狀類似蒲公英的水螅生物。即使在熱泉區(qū)以外像荒蕪沙漠的深海海底，仍出現(xiàn)了蠕蟲、海星及海葵這些生物。

熱泉生物能夠生存完全是依靠化學(xué)自營細(xì)菌的初級生產(chǎn)者。在黑煙囪噴出的熱液里富含硫化氫，這樣的環(huán)境會吸引大量的細(xì)菌聚集，并能夠使硫化氫與氧作用，產(chǎn)生能量及有機物質(zhì)，形成「化學(xué)自營」現(xiàn)象。這類細(xì)菌會吸引一些濾食生物，或者是形成能與細(xì)菌共生的無脊椎動物共生體，以氧化硫化氫為營生來源，一個以「化學(xué)自營細(xì)菌」為初級生產(chǎn)者的生態(tài)系便形成了。

依照研究熱泉生物的了解，它們的生長速度非?？?。以貝殼來說，由于它們是濾食性動物，會有鰓、消化系統(tǒng)及進出水口器官；可是海底熱泉的貝殼不一樣，它們消化系統(tǒng)及進出水口已經(jīng)呈退化現(xiàn)象，海底細(xì)菌則會住在它們的鰓里面，等到繁殖多了，就會被貝體利用，于是貝殼的生長速度也變得非常有效率。

海底熱泉龐貝蠕蟲

原始細(xì)菌可以在比我們能想象到的更加惡劣的環(huán)境中生存。但高等一些的生命對環(huán)境都相當(dāng)挑剔，有誰聽說除某些細(xì)菌以外還有哪種生物能耐百度的高溫？可科學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球上還真有這樣的生物存在！

在東太平洋海底，那兒有一條長長的地殼活動帶，發(fā)現(xiàn)有許多的海底熱泉。有些熱泉在冒出地面時會在出口處形成煙囪似的石柱。從“石頭煙囪”里冒出來的熱液，溫度常能超過百度。就是在這樣的沸水環(huán)境里，在這些冒著沸水的煙囪外壁上，生活著一種毛絨絨的軟體動物，專家們叫它為“龐貝蠕蟲”(Alvinella pompejana)。它們用分泌物自石頭煙囪的巖基上堆起一條細(xì)長的管子，就像珊瑚蟲一樣，身體就蟄居在里面，生物學(xué)家們通過水下儀器及電視看到，這些蠕蟲有時會爬出管居而在四周游蕩。經(jīng)測量，那里的中心水溫高達(dá)105℃，但專家們?nèi)圆桓蚁嘈牛袢湎x這樣高級的動物，竟能生活在如此的高溫環(huán)境之中。他們想，也許龐貝蠕蟲有一種特殊的隔熱本領(lǐng)，就像消防服和宇航服那樣能保護身體免受高溫或真空環(huán)境的傷害?？墒茄芯勘砻?，龐貝蠕蟲并沒有這樣的天然防護機能。于是又想到，或許地下熱液直竄上方，對周圍并沒有造成太高的溫度，就像冬季烤火，在鐵皮煙囪管周圍稍遠(yuǎn)一點，就不會感到太明顯的熱度一樣。

海底熱泉研究發(fā)現(xiàn)

1995年11月至1996年4月，美國生物專家利用著名的深海潛水器“阿爾文”號下潛到海底，仔細(xì)查看了3根冒著熱液的“海底煙囪”：它們高5-7米，外壁上密密地長滿了龐貝蠕蟲的白色石管，觀察人員用一根特制的溫度計伸進石管測量了溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在管口溫度是20～24℃，而在管底，也就是貼在煙囪壁處的石底部為62～74℃，最高值測到81℃。于是了解到，這種體長6-8厘米的蠕蟲，居然生活在頭尾溫差高達(dá)40～50℃（最高達(dá)到60℃）的管子里。這還不算，蠕蟲們還時不時地來到“室外”，在離它們的“居室”約1米的范圍內(nèi)游蕩，而在1米處的水溫已接近海底冷水，只有2℃左右。作為對照，專家們還測量了已被遺忘的空石管，這些空管，口、底的溫度與有蠕蟲生活的“居室”并無二致。證明這些龐貝蠕蟲既沒有自身的“隔熱服”，也沒有什么“用冷卻水”降溫的本領(lǐng)，它們確確實實地既不怕熱也不怕凍，是目前所知地球上最耐高溫、最耐溫差的動物。

在龐貝蠕蟲發(fā)現(xiàn)之前，公認(rèn)為最耐熱的動物是生活在撒哈拉大沙漠的一種螞蟻(Cataglyphis)，那里白天的溫度有55℃，可與龐貝蠕蟲相比還差得遠(yuǎn)呢！這種蠕蟲的生存能力還不僅在溫度一項，在那種熱液泉的環(huán)境里，海水中有高濃度的有毒硫化物和重金屬元素。

那么龐貝蠕蟲以什么為食呢？原來它與珊瑚蟲一樣，是一種共棲動物，與它“相依為命”的還有一種絲狀細(xì)菌，它們依存在蠕蟲的背部，蠕蟲為細(xì)菌提供培養(yǎng)基并保持細(xì)菌周圍的水不斷地更新，蠕蟲則依靠細(xì)菌的分泌物為生?？茖W(xué)家們正以極大的興趣對它們進行深入的研究，或許能從中得到有益于人類的某種啟發(fā)。

對于生命是最先誕生于地球表面，還是起源于海洋底部的熱泉，科學(xué)界仍在爭論。24日出版的英國《自然》雜志刊載的美國科學(xué)家的一項新成果，為海底熱泉生命起源說提供了新證據(jù)。

早在本世紀(jì)20年代，科學(xué)家就提出在出現(xiàn)生命前的原始海洋里存在有機分子構(gòu)成的原始湯。經(jīng)過多年探索，科學(xué)家們認(rèn)識到氨基酸是構(gòu)成有機體的最主要成分，而氮又是構(gòu)成氨的基本成分，因此氮怎樣轉(zhuǎn)變成氨就成為生命起源過程中必要的一步。

美國華盛頓卡內(nèi)基研究所地球物理實驗室黑普及其同事在《自然》雜志上介紹說，他們進行的實驗發(fā)現(xiàn)，在高溫和高壓下利用金屬礦物質(zhì)作為催化劑，氮分子可以與氫發(fā)生還原反應(yīng)生成由一個氮原子和三個氫原子組成的具有活性的氨分子。黑普等在研究中發(fā)現(xiàn)，如果以金屬礦物質(zhì)作為催化劑，氮分子還原生成氨分子的條件為溫度300至800℃，壓力為0.1至0.4千兆帕斯卡，而這些條件正是早期地殼和海底熱泉系統(tǒng)的典型特征。

研究人員指出，作為生命起源的前奏，氮分子向氨分子的轉(zhuǎn)換過程很可能發(fā)生在大量溶解了礦物質(zhì)的海底熱泉周圍。而一個富含氨分子的環(huán)境比一個氮分子占主導(dǎo)的環(huán)境，能更有效地滿足早期生命起源對氮元素的需求。另外黑普等在研究中還發(fā)現(xiàn)，在800℃以上的環(huán)境下，氮元素只有以分子形式存在才能保持穩(wěn)定，從而排除了早期地球大氣中大量產(chǎn)生氨分子的可能。因為在地球形成的早期，由于小行星的撞擊，地球表面溫度要超出800℃。

研究人員推測說，海底熱泉在地球早期如果能夠產(chǎn)生足夠的氨分子，通過海洋與大氣的水和氣體交換，氮分子占主導(dǎo)的早期地球大氣中氨分子會逐漸增多。由于氨屬于溫室氣體，能夠?qū)Φ厍虮砻嫫鸬奖Ｅ饔?，這同時也解釋了為什么在當(dāng)時太陽能量不足的情況下，地球上的海洋仍能保持液態(tài)。

1977年，美國“阿爾文”號深潛器再次對位于太平洋東部的附近洋底進行考察。這個由13個大島及數(shù)百個小島組成的群島，全是由火山噴發(fā)的熔巖堆積而成的，形成時間不到200萬年，其中大部分都只有100萬年左右，從海上看，各島都聳立著一座座高大的火山堆，有的還不時發(fā)出低沉的轟鳴聲。踏上一些島后，還會看到地上布滿了黝黑色的玄武巖。整個加拉帕戈斯群島共有大小火山口2000多個，并且相當(dāng)規(guī)律地排列在縱橫交錯的斷裂紋上，大約每隔35千米一個。

這些群島上如此眾多的火山，早就引起了地質(zhì)學(xué)家和海洋科學(xué)家的注意。后來他們才知道：原來這些島嶼正好位于東太平洋洋隆中大裂谷的附近，這里因太平洋板塊的移動而被撕裂成許多巨大的裂谷和許多小斷裂，地球深部地幔柱的熾熱巖漿和上地幔對流活動從裂谷和斷裂處不斷地向上噴涌巖漿，形成了座座火山，散布在太平洋上，構(gòu)成加拉帕戈斯群島，并且發(fā)現(xiàn)了最為壯出的海底熱泉。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)“煙囪”噴出的物質(zhì)中含有大量的硫磺鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅、鐵的硫化物等物質(zhì)，對硫磺鐵礦的液體進行測定表明，其外壁由石膏、硬石膏、硫酸鎂組成，而與熱水接觸的內(nèi)壁，則為粗大的結(jié)晶黃銅礦和黃鐵礦。最外層富含重晶石、非晶質(zhì)二氧化硅。“煙囪”底部有黑色細(xì)粒沉淀物，其中含有閃鋅礦、硫磺鐵礦、黃鐵礦及鉛鋅礦和硫等。在其周圍的水樣中氦-3和氫錳的含量較高。

海底熱泉并不只是這一處。科學(xué)家們在太平洋、印度洋、大西洋的中脊和紅海等地相繼發(fā)現(xiàn)了許多正在活動的和已經(jīng)死亡的“煙囪”。海底熱泉為什么出現(xiàn)在大洋中脊呢？原來，洋中脊是多火山多地震區(qū)，巖石破碎強烈，海水能通過破碎帶向下滲透，滲入的冷海水受熱后，以熱泉形式從海底泄出。在冷海水不斷滲入、熱海水不斷排出的循環(huán)過程中，洋底玄武巖中鐵、錳、銅、鋅等元素溶于熱海水中，成為富含金屬元素的熱液而噴涌出來。由于洋中脊是大洋板塊的分離部位，那里的巖石圈地殼最薄弱，因此又是地幔柱最好的突破口。熱泉水帶上來的物質(zhì)多金屬硫化物或氧化物，它們沉淀在熱泉噴口周圍，形成具有經(jīng)濟價值的“熱液礦床”。

海底熱泉的發(fā)現(xiàn)與研究，打破了人們對深海大洋的傳統(tǒng)看法，在認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋方面提出了一系列新的問題。在地質(zhì)學(xué)方面，海底熱泉是人們能夠看到的海水在洋殼里不斷循環(huán)的現(xiàn)象。

海底勘探是指為探明資源的種類、儲量和分布對海底資源，尤其是海底礦產(chǎn)資源，進行的取樣、觀察和調(diào)查的過程。海底礦產(chǎn)資源豐富，從海岸到大洋均有分布，如全球海底石油儲藏量約為世界已探明石油儲量的兩倍，深海錳結(jié)核和海底熱液礦床等儲量也很巨大，都有待于勘探和開發(fā)利用。

海底花 | Submarine flowers

學(xué)科：海洋地質(zhì)學(xué)

詞目：海底河槽

英文：submarine channel

釋文：海底河槽是指較大的河流入海后仍繼續(xù)切蝕海底而形成的水下河谷。