海底熱泉發(fā)現(xiàn)過(guò)程

1977年，美國(guó)“阿爾文”號(hào)深潛器再次對(duì)位于太平洋東部的附近洋底進(jìn)行考察。這個(gè)由13個(gè)大島及數(shù)百個(gè)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(shí)間不到200萬(wàn)年，其中大部分都只有100萬(wàn)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(shí)發(fā)出低沉的轟鳴聲。踏上一些島后，還會(huì)看到地上布滿了黝黑色的玄武巖。整個(gè)加拉帕戈斯群島共有大小火山口2000多個(gè)，并且相當(dāng)規(guī)律地排列在縱橫交錯(cuò)的斷裂紋上，大約每隔35千米一個(gè)。

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(lái)他們才知道：原來(lái)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(dòng)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(duì)流活動(dòng)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。

實(shí)際上，海底熱泉的活動(dòng)并不一定形成煙囪。早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們?cè)诩t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(kāi)了人類研究現(xiàn)代熱液礦產(chǎn)資源的新篇章。1988年，我國(guó)科學(xué)家與德國(guó)科學(xué)家聯(lián)合考察了馬里亞納海溝。

他們通過(guò)海底電視看到，在水下3700米左右的海底巖石上有枯樹(shù)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(guò)化學(xué)分析和鑒定，人們確認(rèn)這就是海底熱泉活動(dòng)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(dòng)熱泉附近，甚至聚集了大量的人類不曾認(rèn)識(shí)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(zhǎng)7千米、寬約200-300米的狹長(zhǎng)型條狀區(qū)，分布有25個(gè)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。

海底熱泉是地殼活動(dòng)在海底反映出來(lái)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(lái)形成的。洋脊中都有大裂谷，巖漿從這里噴出來(lái)，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(dòng)。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(dòng)的海洋底部，也往往有熱泉分布。除大洋中脊有火山活動(dòng)外，在大陸邊緣，受洋殼板塊俯沖擠壓形成山脈的同時(shí)，往往有火山噴發(fā)，在它的附近海底也會(huì)有熱泉分布。

海底熱泉是一個(gè)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。

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(duì)硫磺鐵礦的液體進(jìn)行測(cè)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?？茖W(xué)家們?cè)谔窖蟆⒂《妊?、大西洋的中脊和紅海等地相繼發(fā)現(xiàn)了許多正在活動(dòng)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(lái)，洋中脊是多火山多地震區(qū)，巖石破碎強(qiáng)烈，海水能通過(guò)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(guò)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(lái)。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(lái)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(jì)價(jià)值的“熱液礦床”。

海底熱泉的發(fā)現(xiàn)與研究，打破了人們對(duì)深海大洋的傳統(tǒng)看法，在認(rèn)識(shí)海洋、開(kāi)發(fā)海洋方面提出了一系列新的問(wèn)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。

對(duì)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(zhēng)論。24日出版的英國(guó)《自然》雜志刊載的美國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)新成果，為海底熱泉生命起源說(shuō)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(jī)分子構(gòu)成的原始湯。經(jīng)過(guò)多年探索，科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到氨基酸是構(gòu)成有機(jī)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(guò)程中必要的一步。

美國(guó)華盛頓卡內(nèi)基研究所地球物理實(shí)驗(yàn)室黑普及其同事在《自然》雜志上介紹說(shuō)，他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(gè)氮原子和三個(gè)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(guò)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(gè)富含氨分子的環(huán)境比一個(gè)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(duì)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?yàn)樵诘厍蛐纬傻脑缙?，由于小行星的撞擊，地球表面溫度要超?00℃。

研究人員推測(cè)說(shuō)，海底熱泉在地球早期如果能夠產(chǎn)生足夠的氨分子，通過(guò)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(huì)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(shí)也解釋了為什么在當(dāng)時(shí)太陽(yáng)能量不足的情況下，地球上的海洋仍能保持液態(tài)。

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?kù)o，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(jìn)而改變了對(duì)地球生命進(jìn)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(duì)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?yàn)楹５酌俺龃罅苛蚧撬斐傻默F(xiàn)象，也是近年來(lái)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(huì)發(fā)現(xiàn)各式各樣前所未見(jiàn)的奇異生物，包括大得出奇的紅蛤、海蟹、血紅色的管蟲(chóng)、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(chóng)、海星及?？@些生物。

熱泉生物能夠生存完全是依靠化學(xué)自營(yíng)細(xì)菌的初級(jí)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(huì)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(jī)物質(zhì)，形成「化學(xué)自營(yíng)」現(xiàn)象。這類細(xì)菌會(huì)吸引一些濾食生物，或者是形成能與細(xì)菌共生的無(wú)脊椎動(dòng)物共生體，以氧化硫化氫為營(yíng)生來(lái)源，一個(gè)以「化學(xué)自營(yíng)細(xì)菌」為初級(jí)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(zhǎng)速度非?？臁Ｒ载悮?lái)說(shuō)，由于它們是濾食性動(dòng)物，會(huì)有鰓、消化系統(tǒng)及進(jìn)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(jìn)出水口已經(jīng)呈退化現(xiàn)象，海底細(xì)菌則會(huì)住在它們的鰓里面，等到繁殖多了，就會(huì)被貝體利用，于是貝殼的生長(zhǎng)速度也變得非常有效率。

海底熱泉龐貝蠕蟲(chóng)

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(duì)環(huán)境都相當(dāng)挑剔，有誰(shuí)聽(tīng)說(shuō)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(zhǎng)長(zhǎng)的地殼活動(dòng)帶，發(fā)現(xiàn)有許多的海底熱泉。有些熱泉在冒出地面時(shí)會(huì)在出口處形成煙囪似的石柱。從“石頭煙囪”里冒出來(lái)的熱液，溫度常能超過(guò)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(dòng)物，專家們叫它為“龐貝蠕蟲(chóng)”(Alvinella pompejana)。它們用分泌物自石頭煙囪的巖基上堆起一條細(xì)長(zhǎng)的管子，就像珊瑚蟲(chóng)一樣，身體就蟄居在里面，生物學(xué)家們通過(guò)水下儀器及電視看到，這些蠕蟲(chóng)有時(shí)會(huì)爬出管居而在四周游蕩。經(jīng)測(cè)量，那里的中心水溫高達(dá)105℃，但專家們?nèi)圆桓蚁嘈?，像蠕蟲(chóng)這樣高級(jí)的動(dòng)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(chóng)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(hù)身體免受高溫或真空環(huán)境的傷害。可是研究表明，龐貝蠕蟲(chóng)并沒(méi)有這樣的天然防護(hù)機(jī)能。于是又想到，或許地下熱液直竄上方，對(duì)周圍并沒(méi)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(diǎn)，就不會(huì)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(guó)生物專家利用著名的深海潛水器“阿爾文”號(hào)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(zhǎng)滿了龐貝蠕蟲(chóng)的白色石管，觀察人員用一根特制的溫度計(jì)伸進(jìn)石管測(cè)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(cè)到81℃。于是了解到，這種體長(zhǎng)6-8厘米的蠕蟲(chóng)，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(chóng)們還時(shí)不時(shí)地來(lái)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(duì)照，專家們還測(cè)量了已被遺忘的空石管，這些空管，口、底的溫度與有蠕蟲(chóng)生活的“居室”并無(wú)二致。證明這些龐貝蠕蟲(chóng)既沒(méi)有自身的“隔熱服”，也沒(méi)有什么“用冷卻水”降溫的本領(lǐng)，它們確確實(shí)實(shí)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(dòng)物。

在龐貝蠕蟲(chóng)發(fā)現(xiàn)之前，公認(rèn)為最耐熱的動(dòng)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(chóng)相比還差得遠(yuǎn)呢！這種蠕蟲(chóng)的生存能力還不僅在溫度一項(xiàng)，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(chóng)以什么為食呢？原來(lái)它與珊瑚蟲(chóng)一樣，是一種共棲動(dòng)物，與它“相依為命”的還有一種絲狀細(xì)菌，它們依存在蠕蟲(chóng)的背部，蠕蟲(chóng)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(chóng)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(duì)它們進(jìn)行深入的研究，或許能從中得到有益于人類的某種啟發(fā)。

海底勘探是指為探明資源的種類、儲(chǔ)量和分布對(duì)海底資源，尤其是海底礦產(chǎn)資源，進(jìn)行的取樣、觀察和調(diào)查的過(guò)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(chǔ)藏量約為世界已探明石油儲(chǔ)量的兩倍，深海錳結(jié)核和海底熱液礦床等儲(chǔ)量也很巨大，都有待于勘探和開(kāi)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。