漫话地球大洋海底“黑烟囱”

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1、漫话地球大洋海底“黑烟囱”yuanzi16本文作者的话地球大洋海底“黑烟囱”是20世纪海洋科学特别是海洋地质科学最重大发 现之一。海底“黑烟囱”的探测和研究已成为国际前沿研究热点课题。本文根 据有关文献和资料介绍地球大洋海底“黑烟囱”的概念、成因、分布、研究意 义以及中国海底热液活动调查研究概况。其目的在于提供读者进一步了解和研 究参考。希望能够得到读者朋友们的喜欢和指教！本文目录一、海底“黑烟囱”的概念与成因二、现代海底“黑烟囱”的分布三、地史时期海底“黑烟囱”及其演化四、海底“黑烟囱”的研究意义五、中国海底热液活动调查研究简介一、海底“黑烟囱”的概念与成因地球大洋海底“黑烟囱”是20世纪海

2、洋科学特别是海洋地质科学最重大发 现之一。海底“黑烟囱”的探测和研究已成为国际前沿研究热点课题。在地球大洋底部，海水渗入大洋中脊地壳下被高温岩浆加热成温度高达 400C的含矿热液，通常从因岩石圈板块推挤而隆起的海底山脊上喷出，形成高 温热喷泉。这些含矿热液刚从海底地下喷出时为澄清热液，当其与周围冰冷海 水混合后，其中的金属硫化物很快产生沉淀，在热液喷口处形成呈黑色等颜色 的烟囱状堆积丘体，大洋海底“黑烟囱”因此而得名。形成海底“黑烟囱”的“黑烟”主要由极细粒灰色黄铁矿、磁黄铁矿、闪 锌矿等矿物颗粒组成。这些随着海底热液喷出来的金属硫化物颗粒，经长时间 堆积形成直立柱状体，外形极像农村房屋上的烟

3、囱，故称为“黑烟囱”。“黑 烟囱”主要由黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿等矿物成分组成，还含有一些 硫酸盐如重晶石、硬石膏等矿物。如果，从海底热液喷发沉淀出来的是极细粒 的二氧化硅、氧化钡、黄铁矿等矿物颗粒，就形成“白烟”。相应地，由其形 成的烟囱状柱状体，贝y称为“白烟囱”。此外，还有一些“低温烟囱体”，主 要形成于温度低于100C的低温热液喷口处，主要由碳酸盐或非晶质二氧化硅 组成。可见，海底“烟囱”是多种多样的。海底“黑烟囱”形成的根本原因是大洋地壳板块张裂。大洋地壳扩张分离 运动形成大洋地壳张性断裂，海水沿之渗入地壳深部和地幔遭遇炽热岩浆加热 形成地下热液。由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳

4、的温度较高，海水沿着张性 断裂通道向海底下渗透可达几公里。海水在地壳深部和地幔被岩浆加热升温、 淋滤并溶解岩石中多种金属元素后形成的地下含矿热液，又沿着大洋地壳扩张 分离运动形成的张性断裂通道出口喷出海底。由于热液流体与海水成分、温度 的差异，形成黑色烟囱状水柱，热液携带着矿物质返回大海。海底热液喷出海 底后遇到冰冷的海水，热液中溶解的金属硫化物等矿物质便遇冷凝固沉淀。凝 固沉淀的矿物颗粒在热液喷口周围海底和通道浅部内侧不断堆积，从而形成了 巨大的海底“黑烟囱”。它们在大洋海底形成具有重要经济价值的多金属（铜、锌、铅、金、银等）矿床，成为新世纪人类潜在的矿产资源。有意思的 是，科学家还在一些海

5、底“黑烟囱”上发现了原生的自然金颗粒和天然水银。二、现代海底“黑烟囱”的分布全球海底长达4万公里的大洋中脊首尾相接，其上不断有海底热液喷发， 形成了无数的海底“黑烟囱”。海底“黑烟囱”热液喷口通常范围很小，只有 几十米、上百米的范围，要在二、三千米深的海底下发现它非常困难。目前， 全球已经报道的海底“黑烟囱”只有140多个。1、太平洋海底“黑烟囱”的发现及其研究是全球海洋地质调查近30年来取得的最重 要的科学成就之一。现代海底“黑烟囱”的研究开始于1977年，美国的阿尔文 （Alvin）号载人深潜器上的地质学家，在东太平洋海隆（北纬21）地区发现了 深海的生物世界。1978年，在东太平洋洋中脊

6、的轴部首次采得了由黄铁矿、闪 锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年，在同一地点约16502610米深的海底熔 岩上，发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的“烟囱”，以及附近由铜、铁、锌 的硫化物沉淀形成的堆积丘体。这些“烟囱”直径约15厘米左右，喷出约200C400C的含矿热液，当其与周围低温海水（约2C）混合后，很快产生沉 淀变为“黑烟”。海底“黑烟囱”的分布，实际上是海底热液的分布。近30年来，深海海底 热液矿床和生物群落调查研究表明，其主要产出在太平洋和大西洋，其中以太 平洋的出露点最多。据不完全统计，规模较大的有近20处。太平洋有加拉帕戈 斯断裂带、东太平洋海隆、瓜伊马斯海盆、胡安德富卡洋中

7、脊区、马里亚纳 海槽区、北斐济海盆、劳海盆、冲绳海槽等；大西洋有大西洋洋中脊等。2、大西洋2008年8月4日，瑞士和挪威科学家宣布，他们在北冰洋极北地区海域发 现了被称为海底“黑烟囱”的热喷泉。它们不仅能喷“金”吐“银”，形成海 底矿藏，而且很可能和生命起源有关。据美国生活科学网站报道，挪威卑尔根大学一支由地质学家组成的探险 队对北极海底“黑烟囱”热液喷口进行了探索研究，并用遥控设备拍下了海底 热液喷出的场景。此次发现的共5个海底“黑烟囱”，均位于格陵兰岛与挪威 之间的大西洋洋中脊之上。其中最高的海底“黑烟囱”有4层楼高。这是迄今 为止人类发现的位置最北端的海底热液喷口，距离其它已知海底热液喷

8、口还要 向北190多公里。根据探测设备的测量，这几个海底“黑烟囱”热喷泉位于 2400米深的海底，完全照不到阳光，像煮沸的醋一样的400摄氏度的热液不断 喷射出来。在北极海域新发现的活跃海底“烟囱”大部分都呈黑色，从热液中沉淀出 来的矿物质表面覆盖着一层白色的细菌。由于铁元素被氧化，老“烟囱”已逐 渐变得斑斑驳驳。在北冰洋底发现的“黑烟囱群”周围，已经形成一个体积庞 大的金属硫化物堆积丘体，其底部直径达252米，顶部直径也有90多米。从金 属硫化物堆积丘体的规模推测，这些海底热喷泉必定已存在数万年之久。一般情况下，地理位置越靠北，大洋地壳扩张运动的速度越慢。在极北地 区，大洋地壳扩张运动速度非

9、常之慢，竟然还会产生如此之多的海底“黑烟 囱”热液喷口，实属罕见。3、印度洋有记者从中国大洋第19航次科学考察队“大洋一号”科学考察船了解到， 中国科学家在西南印度洋洋中脊发现了新的海底“黑烟囱”热液活动区，确定 了海底热液喷口位置，并在东南印度洋洋中脊发现了新的海底“黑烟囱”热液 异常区。这是中国科学家首次完全靠自己的力量，在大洋中脊发现新的海底 “黑烟囱”热液活动区,也是世界上首次在西南印度洋洋中脊和超慢速洋中脊发 现正在活动的新的海底“黑烟囱”热液活动区。中国这一新发现的海底“黑烟囱”热液活动区，位于超慢速扩张的大洋中 脊上。它有可能形成大型矿床，同时对于海底“黑烟囱”热液活动对比研究具

10、 有重要科学意义。这一新发现对于中国积极参与制定国际海底新的勘探规章制 度、提高中国大洋中脊研究水平和国际地位具有重要意义。三、地史时期海底“黑烟囱”及其演化在正常的海底条件下，“黑烟囱”形成后，一般只能在海底存在几千年至 几万年。低温而氧化的海水与硬石膏和硫化物之间在化学上存在不平衡，将使 “黑烟囱”发生蜕变溶解，仅下部的块状硫化物和网脉带保留于地层中。因 此，地史时期块状硫化物“黑烟囱”构造很少被保留下来。海底地质观察也表 明，随着热液活动的减弱和停止，海底“黑烟囱”也将逐渐瓦解和消亡。海底 “黑烟囱”不断发生溶解和坍塌，并形成各种硫化物碎块堆积。“黑烟囱”仅 是成矿过程中短时的地质现象，

11、在地史时期的块状硫化物内很少保留良好的 “黑烟囱”。目前，已在乌拉尔、塞普路斯、爱尔兰、澳大利亚等地发现了一 些地史时期的“黑烟囱”构造。它们主要保留于块状硫化物内，并且规模较 小，可能代表较下部层次（刚开始发育的）的“黑烟囱”构造，明显不同于现代 大规模的海底“黑烟囱”。寻找地史时期的“黑烟囱”残片记录，并对其开展相关科学研究，具有重 要的意义。“黑烟囱”构造是在海底环境形成的、块状硫化物矿床的特征构 造，记录了高温流体与冷却海水之间的混合、冷却，以及快速结晶形成硫化物 及硫酸盐的过程。它是研究地史时期的成矿作用、古大洋环境及海底热液活动 的重要样本。地史时期“黑烟囱”周围，还可能保留有极端

12、环境下形成的生物 化石，这对于研究生命起源也具有重要科学价值。四、海底“黑烟囱”的研究意义在海底“黑烟囱”热液活动区，热液中的金属硫化物沉淀到烟囱和附近海 底上。这些硫化物富含大量铜、铅、锌、金、银等贵金属，可以在海底形成几 千吨甚至上亿吨的矿床，有望成为21世纪人类即将开发的重要海底矿产资源之 一。在海底“黑烟囱”热液活动区喷口附近，还发现能在高温高压极端环境下 生存的生物，存在有助于生命起源研究的海洋生物基因，对于生命起源这一重 大科学课题的研究具有重要意义，并且具有医药开发前景。同时，海底“黑烟 囱”热液活动产生的巨大热能是地球的能量来源，它可能对全球气候变化也会 产生一定影响。因此，海

13、底“黑烟囱”探测和研究，已成为世界许多先进国家 争相研究的重大前沿地球科学课题。1、海底“黑烟囱”与海洋矿产资源科学家发现，在海底“黑烟囱”附近，通常有大规模的沉淀矿物堆积丘 体，其中包括铁、铜、锌、铅、汞、钡、锰、银等金属硫化物矿产，甚至还有 原生的自然金颗粒和天然水银。据中国“大洋一号”科考船船长甄松刚介绍，在大洋中脊进行海底“黑烟 囱”金属热液硫化物资源探查，是一项大海捞针式的需要高科技支撑的探索性 工作。2009年，“大洋一号”本航次第二航段主要是在第一航段成果的基础 上，进一步扩大战果，利用水下自制机器人开展扫面式的详细调查，争取拍到 正在冒烟的海底“黑烟囱”热液喷口，用带电视的抓斗

14、取样器取到金属热液硫 化物样品和生物样品。从海底“黑烟囱”中喷出来的含矿热液流体，可以形成大型海底热液矿 床。目前，从资源量方面，已发现了多处百万吨级以上的海底热液矿床。例 如，东太平洋海隆北段，勘探到海脊块状硫化物堆积体，直径为200米，厚为 10米，储量大于1.5兆吨。北胡安德富卡海脊有7处活动热液堆积体，直径达 400米，咼为60米，估计每个堆积体的块状硫化物至少有1.0兆吨。红海的阿特 兰蒂斯II海渊有直径10公里的海盆，它们不断积聚的多金属软泥的金属含量至 少有94.0兆吨。大西洋洋中脊TAG热液场的椭圆形堆积体，宽度为250米，高 度为50米，块状硫化物储量达5.0兆吨。2、海底“

15、黑烟囱”与生命起源科学家在北冰洋海底“黑烟囱群”附近，发现了很多细菌和微生物。此前 的研究显示，海底“黑烟囱”周围广泛存在古细菌。它们极端嗜热，可直接生 存于80C120C的海水环境中。这种细菌曾发现于美国黄石公园的高温热泉 中。它们在现代海底生存的环境，类似地球早期环境的极端高温环境。基因组 测序发现，这些古细菌非常原始，处于生命树源头的位置上。科学家因此提出 原始生命起源于海底“黑烟囱”周围的理论，认为地球早期的生命可能就是嗜 热微生物。因此，寻找地史时期古老的海底“黑烟囱”，将可能为地球生命演 化提供重要的科学证据。虽然在海底缺少生命所必须的阳光，但是海底“黑烟囱”热液喷口却可以 为某些

16、独特的生物提供温暖的安乐窝，热液中的化学物质还可以为这些海底生 物提供养分。因此，在海底“黑烟囱”热液喷口的周边区域生活着大量的微生 物。前期观测结果表明，北极海域热液喷口周边的生态系统，与其他地区热液 喷口的生态系统有着明显的不同。一些科学家甚至认为，海底“黑烟囱”热液 喷口可能是地球生命起源的最理想环境。由于巨大的热通量、海底热液生物、“黑暗生物链”等与生命起源有关因 素的存在，海底“黑烟囱”热液活动区域已成为天然的海底实验室。尽管海底 “黑烟囱”热液活动区的海水温度极高，但在 “黑烟囱”周围却存活着长管 虫、蠕虫、蛤类、贻贝类、蟹类、水母、藤壶等特殊的生物群落。有人将这样 五彩缤纷、生机勃勃的海底生物世界称为海底“生命绿洲”。据京华时报报道，2002年8月，以北京大学地球与空间科学学院李江 海教授为首的研究组，在对中国五台山与太行山交界区进行中、美、加专家联 合