知识窗▏奇特的海底“黑烟囱”

多年来，人们对海洋的探索从未间断过，但是海洋的复杂性也让科学家十分困惑。一位美国科学家在加拉帕戈斯群岛的海底发现了一种冒着烟雾的柱状圆丘，被命为海底“黑烟囱”。科学家认为，地球生命就是从这个“黑烟囱”开始的。那么这个“黑烟囱”是什么？它有着怎样奇特之处？

不妨先来观看央视10套《地理中国》栏目的视频“＇水下谜团＇黑烟囱之谜”，视频长度26分28秒，请在wifi条件下收看。

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一、概述

现代海底“黑烟囱”的研究始于1977年，当时，美国的阿尔文(Alrin)号载人潜艇在东太平洋洋中脊的轴部采得由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年又在同一地点约2610～1650米的海底熔岩上，发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，约350℃的含矿热液从直径约15厘米的烟囱中喷出，与周围海水混合后，很快产生沉淀变为“黑烟”，沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜-铁硫化物组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱状圆丘，称为“黑烟囱”。海底“黑烟囱”的发现及其研究是全球海洋地质取得的最重要的科学成就。

 海底“黑烟囱”海底“黑烟囱”的形成主要与海水及相关金属元素在大洋地壳内热循环有关。由于新生的大洋地壳温度较高，海水沿裂隙向下渗透可达几公里，在地壳深部加热升温，溶解了周围岩石中多种金属元素后，又沿着裂隙对流上升并喷发在海底。由于矿液与海水成分及温度的差异，形成浓密的黑烟，冷却后在海底及其浅部通道内堆积了硫化物的颗粒，形成金、铜、锌、铅、汞、锰、银等多种具有重要经济价值的金属矿产。世界各大洋的地质调查都发现了黑烟囱的存在，并主要集中于新生的大洋地壳上。

二、黑烟囱的成因与研究意义

“黑烟囱”是耸立在海底的硫化堆积物，呈上细下粗的圆筒状，形似烟囱，所以被科学家形象地称为“黑烟囱”。它们的直径从数厘米到2米，高度从数厘米到50米不等。专家们认为，海底“黑烟囱”的形成过程很复杂，主要与海水及相关金属元素在大洋地壳内热循环有关。由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳的温度较高，海水沿裂隙向下渗透可这几公里，在地壳深部加热升温后，淋滤并溶解岩石中的多种金属元素，又沿着裂隙对流上升并喷发在海底。它们刚喷出时为澄清的溶液，与周围的海水混合后，很快冷凝成“黑烟”，并在海底及其浅部通道内堆积成硫化物。“黑烟囱”喷出的溶液富含铜、铁、硫、锌，还有少量的铅、银、金、钴等金属和其他一些微量元素。这些物质往上跑不了多高，就会像天女散花般地从烟柱顶端四散落下，沉积于烟囱的周围，从而形成含量很高基本没有土石等杂质的矿物堆。除了矿物质，这些“黑烟囱”让科学家们兴奋的更重要原因是，它的周围活跃着一个崭新的生物群落——热水生物，比如长达3米而无消化器官，全靠硫细菌提供营养的蠕虫，又如白螃蟹之类。说明地球上不仅有人们所熟悉的，在常温和有光的环境下通过光合作用生产有机质的“有光食物链”，还存在着依靠地球内源能量即地热支持，在深海黑暗和高温高压的环境下，通过化合作用生产有机质的“黑暗食物链”，从而构成了繁荣的深海生物圈。换言之，因为处在海洋深处，阳光无法照射到那里，它们不能依靠光合作用来合成生命物质，只能通过自身的化学反应合成生命物质来生存。在这里，海水的水温高达350℃，生物生活在既无氧也无光的高温高压环境下，并依靠氧化大量有毒有害的硫化物获得生命的能量。这种生存环境，很类似地球早期环境的极端高温环境：热泉水温高达350℃，周围水温为2℃，缺氧，遍布还原性的有毒气体和金属离子。一些生物基因组的研究显示，这些生物非常原始，接近所有生命的共同祖先。海底“黑烟囱”周围生物的多样性和生物密度也可与热带雨林相媲美，目前新发现的生物种类已经到了10个门类500个种属。另外，科研人员在大西洋深海的“黑烟囱”，发现有一种虾的背上有感光区，能够感知蓝绿光线。另外，美国科学家在5000米深的海底曾关闭深潜器灯光5 分钟，在热液口发现光线。“这种光显然被最早的某一种生物利用了，这个时候光合作用效率高的优越性就显示出来了，把生物的演化往前推进。科学家们为此提出：生命莫非就是起源于这些“黑烟囱”的周围？

 海底“黑烟囱”是20世纪海洋科学最重大发现

三、黑烟囱的科考史

20世纪70年代以来，工业化生产一直保持迅猛发展势头，能源消耗连年递增，发达国家高耸入云的大烟囱日以继夜地喷涌着浓重的烟尘。对陆地有限的自然资源连续多年大规模机械化采掘和源源不断地燃烧已使其贮量日趋枯竭。为此，世界各国纷纷将人类未来资源的希望倾注于海洋，并开始了海底探矿寻宝的热潮。自1977年10月美国伍兹霍尔海洋研究所所属深海潜艇“阿尔文”号在加拉帕戈斯群岛海域率先发现海底热泉生态区以来，海洋学家又先后在墨西哥西部沿海以北的北纬10°海底和北纬21°的胡安·德富卡海峡下勘察到大规模热泉区并分别进行过数次综合考察。胡安·德富卡海底热泉区中拥有多处喷涌升腾矿物质的黑烟囱。这些奇异的自然景观引起了科学家极大的兴趣和关注，他们近期的科学考察又获得新的收获和重要的发现。距西雅图以西300英里处太平洋海下，胡安·德富卡板块不断与太平洋板块碰撞，因此造成沿胡安·德富卡海峡海底地层出现坼裂和扩张，地球内部源源不绝喷涌而出的熔岩冷却固着成新的海底地壳并将古老的海床置于其下并取而代之。海水在地心引力作用下倾泻深入地裂中，同时形成海底环流将熔岩中大量的热能和矿物质携带和释放出来。当炽热的海水再度喷射到裂缝上冰冷的海水中，其中的矿物质被溶解并形成一缕缕漆黑的烟雾。矿物质遇冷收缩最终沉积成烟囱状堆积物，地裂中热液顺烟道喷涌而出形成景致奇异、妙趣横生的海底热泉。加利福尼亚州蒙特雷水族生物研究所海洋地质学家德布拉·斯特克斯确悉，海底黑烟囱的构筑绝非仅仅是地质构造活动的结果。其中神奇莫测的热泉生物建筑师的艰辛劳作也功不可没，不容忽视在热泉口周围拥聚生息着种类繁多的蠕虫，其中管足蠕虫可长到18英寸，它们独具特色的生存行为特别引人注目。斯特克斯和助手特里·库克发现这些底栖生物在营造烟囱中起着至关重要的作用。为查明黑烟囱矿物成分，斯特克斯从3座黑烟囱内采集了18英寸长的岩心，经潜心研究后才揭示了其中奥秘。他们发现岩心上布满了含有硫酸钡亦称重晶石的凹陷管状深孔，研究人员确认这些管状孔穴系蠕虫长期生存行为的结果。鉴于热泉口旁蠕虫遍布，因此尚难断定究竟哪些蠕虫擅长打洞筑巢。 

 黑烟囱的科学考查从管洞外形来看极有可能是活跃喜迁居的管足蠕虫长期挖掘作业的产物。解剖分析表明，管足蠕虫内脏中的细菌可从热液所含亚硫酸氢盐中获取氢原子维持生命，细菌还可把海水中的氢、氧和碳有机地转化生成碳水化合物，为蠕虫提供生存所需的食物。这种化学反应的结果遗留下硫元素，蠕虫排泄的硫又促使海水中的钡和硫酸发生催化反应。常此以往蠕虫死后便在熔岩中遗留下管状重晶石穴坑。它们开凿的洞穴息息相通犹如礁岩迷宫，从而使热液将矿物质源源不断地输送上来并堆集烟道。当黑烟囱在热泉周围落成后，熔岩上深邃的管状洞口穴就成为矿物热液外流的通道从而形成海底黑烟热泉奇观，直到通道自身被矿物结晶体堵塞才告停息。从多处海底热泉采样分析来看，矿产资源丰饶种类繁多品位极高。

四、海底黑烟囱的分布范围

海底“黑烟囱”是地壳活动，在海底反映出来的现象。它分布在地壳张裂或薄弱的地方，如大洋中脊的裂谷、海底断裂带和海底火山附近。大西洋、印度洋和太平洋都存在大洋中脊，它高出洋底约3000米，是地壳下岩浆不断喷涌出来形成的。洋脊中都有大裂谷，岩浆从这里喷出来，并形成新洋壳。两块大洋地壳从这里张裂并向相反方向缓慢移动。在洋中脊里的大裂谷往往有很多热泉，热泉的水温在300摄氏度左右。大西洋的大洋中脊裂谷底，其热泉水温度最高可达400摄氏度。在海底断裂带也有热泉，有火山活动的海洋底部，也往往有热泉分布。除大洋中脊有火山活动外，在大陆边缘，受洋壳板块俯冲挤压形成山脉的同时，往往有火山喷发，在它的附近海底也会有热泉分布。

 海底黑烟囱的分布区域海底“黑烟囱”是一个非常奇异的现象：蒸汽腾腾，烟雾缭绕，烟囱林立，好象重工业基地一样。而且在“烟囱林”中有大量生物围绕着烟囱生存。烟囱里冒出的烟的颜色大不相同。有的烟呈黑色，有的烟是白色的，还有清淡如暮霭的轻烟。经分析发现“烟囱”喷出的物质中含有大量的硫磺铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜、铁的硫化物等物质，对硫磺铁矿的液体进行测定表明，其外壁由石膏、硬石膏、硫酸镁组成，而与热水接触的内壁，则为粗大的结晶黄铜矿和黄铁矿。最外层富含重晶石、非晶质二氧化硅。“烟囱”底部有黑色细粒沉淀物，其中含有闪锌矿、硫磺铁矿、黄铁矿及铅锌矿和硫等。在其周围的水样中氦-3和氢锰的含量较高。海底热泉并不只是这一处。科学家们在太平洋、印度洋、大西洋的中脊和红海等地相继发现了许多正在活动的和已经死亡的“烟囱”。

 海底黑烟囱的声学探测示意图

五、海底黑烟囱与白烟囱

海底喷发的富含硫化物的热液与周围的海水混合后，很快产生沉淀变为‘黑烟’。由于矿液与海水成分、温度的差异,形成浓密的黑烟，遇到冷的海水后迅速降温，带出的矿物质结晶而形成烟囱状，高度可达10米，耸立于海底，根据颜色称之为‘黑烟囱’或‘白烟囱’。黑烟囱喷出的流体呈黑色，烟囱体主要由硫化物矿物构成；白烟囱喷出的流体呈白色，烟囱体主要由硫酸盐矿物构成；黄烟囱喷出的流体呈黄色，烟囱体主要由自然硫构成；喷出流体的温度黑烟囱一般高于白烟囱。

黑烟囱与生命起源说

六、海底黑烟囱的研究利用价值

海底黑烟囱的研究极大地推动了对海底矿产资源的勘察，以及对金属硫化物成矿过程的认识。黑烟囱周围还发现极端环境下的生命活动及其独特的生命体系，并以此提出生命起源于海底黑烟囱周围的新理论。现在陆地上的矿物质已经开采将尽，各国都把眼光集中到了海底开采，尤其是含矿物质最丰富的海底“黑烟囱”，而实际上，这些矿石含金，而且可以综合利用，冶炼出更多宝贵物质，现在却被大量浪费着。海底黑烟囱硫化物矿体富集程度高、贵金属含量高、成矿过程快，它们将成为人类未来海底矿产资源的重要部分。另外，现代海底黑烟囱的研究还将对全球气候变化、海水化学成分演化、大洋热平衡产生重要影响。近些年来，海底热液活动及其多金属硫化物、生物资源为国际社会常年关注，成为国际科学前沿的课题。虽然对热液硫化物的探索和开发谈不上争夺，但各国科学家们都很明确，谁对“黑烟囱”的了解更多，谁就有可能在生物和基因科学中取得先机，谁就有可能揭开生命起源之谜。因此，对深海的进一步探索和了解，各国都不甘落后。

七、中国的海底黑烟囱科考

中国科学家经过长期不懈的野外“追踪”，终于在世界上首次发现完整的古海底“黑烟囱”，这些亿万年前生长在海底的“黑烟囱”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。现代海底黑烟囱及其硫化物矿产的发现，是全球海洋地质调查近10年中取得的最重要的科学成就之一，因其和海底成矿、生命起源等重大问题有关而成为国际科学前沿。但因现代“黑烟囱”分布在海底，原来仅有美、德、法、加、日等少数国家有能力开展研究。随着我国新一代科考船的不断投入使用及技术手段的进步，我们已经开始了海底黑烟囱的研究，而且不断在取得突破。

 2005年4月，“大洋一号”进行首次环球科考线路图2007年8月执行中国大洋科考第19航次任务的“大洋一号”日前顺利返回。在这次科考活动中，研究人员在西南印度洋中脊成功发现了4个新的海底“黑烟囱”——富含硫化物的高温热液活动区，并先后两次抓取了120多公斤样品。这是全球首次在西南印度洋发现热液喷口。至此，全球“可能存在的热液硫化物”位置，由原来的93个改写为97个，也实现了我国在该领域探测零的突破。2008年08月26日，执行中国大洋20航次科考任务的“大洋一号”科考船，在东太平洋海隆赤道附近成功发现了2个新的海底“黑烟囱”——富含硫化物的高温热液活动区，并取回了珍贵样本。这是全球首次在东太平洋海隆赤道附近发现热液喷口，全球“可能存在的热液硫化物”位置又增加了2个。2011年2月17日，“大洋一号”首次正式使用我国自主研发的3500米无人缆控潜水器（ROV）进行2000米水深海底调查作业，成功采集海底硫化物和生物样品。在南大西洋中脊2700米深处的海底热液区，此次“大洋一号”科考还揭秘了一条海底生物链：除了发现热液鱼，科考船还捕获了盲虾。2014年4月17日，我国最新一代科考船科学号在西太平洋冲绳海槽进行综合科考时，获得了一张50公里×50公里的高分辨率海底地形图，参考以往科考资料，查清了热液区的位置，再用水下缆控潜水器（ROV）下潜作业，探测到了2个“黑烟囱”和4个热液溢流区。同时，在一些海底火山口发现了阿尔文虾和毛瓷蟹等聚集的群落。2016年03月12日，中国科考船“大洋一号”在西南印度洋中脊勘探合同区开展大洋第39航次第三航段的多金属硫化物资源勘探，继续探查“海底黑烟囱”。2011年，中国与国际海底管理局签署了《中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局多金属硫化物勘探合同》。在15年合同期内，中国享有西南印度洋中脊勘探合同区1万平方公里海域的专属勘探权。2016年03月25日，中国自主研发的水下机器人“潜龙二号”日前成功地对西南印度洋脊上的热液活动区开展了试验性应用探测。在这种被称为“海底黑烟囱”的复杂地带，“潜龙二号”获得了热液区的地形地貌数据、发现多处热液异常点，拍摄到硫化物、玄武岩和海洋生物等大量照片，取得大洋热液探测的突破，填补了中国深海硫化物热液区自主探测技术装备的空白。

“大洋一号”的探测手段示意图目前海底多金属硫化物已经成为各国的关注热点。一个海底“黑烟囱”就预示着一个宝藏，海底硫化物蕴藏珍贵金属资源，各国都已经将“黑烟囱”开发列上日程。海底硫化物矿床主要成分是铜、铁、锌、铅以及贵金属金、银、钴等，还包括铁锰氧化物、重晶石、石膏和黏土矿物等，每座矿体从数万吨到上千万吨不等，可谓价值连城。

【特别说明】本文参考资料来自中国百科网、百度百科、搜狗、中国海洋报、杭州日报、东方网、新华网、科技日报等，及文献“海底黑烟囱的识别研究及其科学意义”（《地球科学进展》， 李江海、牛向龙，冯军），图片来自网络，文中视频来自央视10套《地理中国》栏目，相关版权归原作者或刊物所有，用于学习与交流。

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