黑煙囪簡介

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(xué)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(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。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(dá)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(dá)100多米。其實(shí)，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(dòng)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(guān)金屬元素在大洋地殼內(nèi)熱循環(huán)有關(guān)。由于新生的大洋地殼溫度較高，海水沿裂隙向下滲透可達(dá)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(nèi)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(jì)價(jià)值的金屬礦產(chǎn)。世界各大洋的地質(zhì)調(diào)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。

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(dòng)頻繁的黑煙囪附近水溫卻高達(dá)350℃到400℃。據(jù)推算，水深每增加10米，水壓就會(huì)增大1個(gè)大氣壓，好比在水深4000米的海底，一個(gè)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(gè)謎，科學(xué)家們進(jìn)行了艱苦卓絕的探索。1980年，日本科學(xué)家乘坐考察船在太平洋加拉帕戈斯群島附近考察，在一個(gè)海淵里90℃的熱水中，發(fā)現(xiàn)了僵死的細(xì)菌。科學(xué)家們繼續(xù)下潛探察細(xì)菌的來源，在2650米深處，發(fā)現(xiàn)了活動(dòng)力極強(qiáng)的細(xì)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(xì)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(nèi)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(dāng)時(shí)，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(diǎn)約2610～1650米的海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)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”。

1871年，達(dá)爾文在一封信里這樣寫道：“生命最早很可能在一個(gè)熱的小的池子里面?！焙髞?，這個(gè)“熱的小池子”被稱做“原始湯”。但是由于當(dāng)時(shí)條件限制，對于“原始湯”的研究一直沒有進(jìn)展。直到100多年之后的1977年，美國科學(xué)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(zhì)調(diào)查近幾十年取得的最重要的科學(xué)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(dá)8攝氏度，同時(shí)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(guān)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(xué)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(xué)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)椤昂跓煛保恋砦镏饕纱劈S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(jī)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(kuò)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(xué)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(tái)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(shí)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(nèi)的硫細(xì)菌供給營養(yǎng)。個(gè)體大有利于一次性大量取食，也有利于迅速運(yùn)動(dòng)到達(dá)食物源，能夠忍耐長期饑餓。黑煙囪與含礦液體的運(yùn)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(dāng)時(shí)古大洋環(huán)境的重要樣本。

大量的海底調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在海底黑煙囪周圍廣泛存在著古細(xì)菌，這些古細(xì)菌極端嗜熱，可以生存于350℃的高溫?zé)崴?000－3000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(dá)350℃，并含有CH4、CN等有機(jī)分子，為非生物有機(jī)合成，如此環(huán)境可以滿足各類化學(xué)反應(yīng)，有利于原始生命的生存。科學(xué)研究表明只有地球早期的環(huán)境才與此類似，科學(xué)家們?yōu)榇颂岢隽嗽忌鹪从诤５缀跓焽柚車睦碚摚J(rèn)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(shí)代古大洋地質(zhì)記錄（蛇綠巖）進(jìn)行廣泛的調(diào)查時(shí)，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(guān)塊狀硫化物。但是，大多數(shù)硫化物的時(shí)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(bào)道。

“黑煙囪”附近生物鏈的生存環(huán)境，與太古代生命起源時(shí)期類似。太古代時(shí)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(lán)綠光線。另外，美國科學(xué)家在5000米深的海底曾關(guān)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(gè)時(shí)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(jìn)。由此，科學(xué)家預(yù)測生命的起源很可能就是從海底的‘黑煙囪’開始的。”2100433B

黑煙囪復(fù)合體指由多個(gè)或多期黑煙囪噴發(fā)形成的構(gòu)筑物。

中文名稱

黑煙囪復(fù)合體

英文名稱

black smoker complex

定　　義

由多個(gè)或多期黑煙囪噴發(fā)形成的構(gòu)筑物。

應(yīng)用學(xué)科

海洋科技（一級學(xué)科），海洋科學(xué)（二級學(xué)科），海洋地質(zhì)學(xué)、海洋地球物理學(xué)、海洋地理學(xué)和河口海岸學(xué)（三級學(xué)科）

海底黑煙囪是近十年全球海洋地質(zhì)調(diào)查的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一, 極大拓展了海底礦產(chǎn)資源的認(rèn)識(shí)，成為研究塊狀硫化物成礦的理想實(shí)驗(yàn)室，對探索生命起源也具有重要價(jià)值。古海底硫化物黑煙囪成為研究當(dāng)時(shí)海底成礦過程及其生物活動(dòng)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(jì)典型黑煙囪。深入開展本區(qū)黑煙囪的多學(xué)科交叉研究，可提出我國古海底黑煙囪典型實(shí)例及其形成機(jī)理，探討早期噴流成礦和極端環(huán)境下微生物記錄。研究內(nèi)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(gòu)造環(huán)境、流體－巖石作用過程。黑煙囪內(nèi)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(dǎo)及對比的典型黑煙囪樣品，為海底資源調(diào)查進(jìn)行必要的科學(xué)積累。 2100433B