The Innovation | 深渊地质、环境与生命之谜

导 读

本文从深渊地质、深渊环境与深渊生命三方面及其相互作用进行评述，总结了国际深渊科学的最新研究进展。首次通过学术期刊发布中国万米载人潜水器“奋斗者”号海底科考高清影像，揭示了马里亚纳深渊独特的地质与生命现象，指出未来深渊科学发展的主要突破点，强调高技术与国际合作是深渊科学腾飞的推动力（图1）。

图1 图文摘要

海斗深渊（简称深渊），指海洋中深度大于6000米的海沟区域。全球共有深渊37个，其中5个万米级深渊（图2）。从北到南依次为：千叶-堪察加海沟、马里亚纳海沟、菲律宾海沟、汤加海沟和克马德克海沟。

图2 全球海斗深渊分布图

极端的深海环境孕育着地球上最神秘的生态系统。压力大、温度低、黑暗无光、构造活跃、地震密集、生命奇特是深渊环境的主要特征。深渊与上层海洋、海底之间存在着广泛的物质和能量交换，是驱动地球系统演化的关键一环（图3）。每个海沟的俯冲板块年龄、形成年代、地理位置、沉积物厚度及上层水体营养状况等方面存有差异，导致深渊地质环境的多样性。

图3 深渊地质、深渊环境与深渊生命过程及其相互作用

板块俯冲是深渊区域地质过程的主要驱动力（图4）。板块俯冲造成板块弯折，产生大量裂隙，巨量海水得以下渗至岩层深处。海水下渗的深度可达洋壳深处20余公里，甚至可下渗至上地幔内5-7公里，导致大规模洋壳水合作用和上地幔水合作用的发生，后者也被称为地幔橄榄岩蛇纹石化。已发生俯冲板块水合作用的岩石圈在继续俯冲的过程中，会进一步发生脱水，释放出大量流体，导致深渊区域密集的中深层地震。

图4 深渊构造地质模型与流体活动

俯冲板块脱水释放的流体极大地影响着上覆板块流体活动（图4）。大部分流体进入上覆板块后，迫使弧前地幔发生蛇纹石化作用，形成的蛇纹石泥浆和流体沿上覆板块裂隙上升至海底，在弧前区域形成大型蛇纹石化泥火山构造。部分地幔楔因俯冲产生的构造挤压也可直接出露于深渊海底，与海水反应发生蛇纹石化后可以支撑Lost City型碱性低温热液流体活动。最新研究表明，俯冲板块洋壳上部基性岩石水合也可导致俯冲板块内浅层流体和泥浆的产生，在构造挤压力驱动下，可直接在海底喷发，形成新型伊丁石化泥火山。

深渊地质、生命与环境之间存在着复杂的相互作用。与超基性岩蛇纹石化相关的流体活动释放支撑了深渊底部化能自养生态系统。新的证据表明，与基性岩水合/蚀变相关的流体活动，亦可孕育深渊岩石圈内的生命，而这些生命可能在地下14公里处仍能存活，可能是地球上最深的生物圈生命形式。俯冲板块的脱水作用可能诱发地震，进而影响深渊有机质的输入。水合/蚀变形成的沉积物质可为深渊底部带来大量碳、铁等重要元素，进而影响深渊底部生物地球化学循环（了解“化能自养”，请见下方知识点）。

众多新奇的底栖动物栖息在深渊环境中，它们对深度具有明显依赖性，主要依靠上层海洋沉降的有机质维持生命，化能合成有机质也可能是深渊底部有机质的贡献者之一。目前，有关深渊生命的起源、演化及环境适应之谜尚未完全破解。值得注意的是，人类排放的多种污染物已在最深的海洋出现，深渊环境对人为污染展现出明显的富集与放大效应。这意味着在我们居住的地球上，已不存在真正意义上的“净土”。

总结和展望

最新研究揭示了深渊发生的独特地质、生命与环境现象及过程。然而，我们对深渊的了解只是冰山一角。除少数几个深渊外，全球大部分深渊尚未被人类触及，深渊环境是地球上探索度最低且最神秘的生境。因此，它已成为当今地球科学最前沿的研究领域之一。深渊地质、环境与生命相互作用将是未来深渊科学发展的一个重要突破点。

视频1 “看见”深渊 (Hadal Trench)

化能自养知识点

不同于陆地以及浅海“万物生长靠太阳”，由于黑暗无光，深海微生物需要从化学反应中获取能量，这类微生物被称为化能自养微生物。深海冷泉、深海热液以及深渊流体活动释放大量的气体和金属离子等供这些微生物“吃”，从而支撑了深海/深渊底部特殊的化能自养生态系统。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00034-5

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将以Review发表的“Geology, environment and life of the deepest part of the world’s ocean” (投稿: 2021-01-08；接收: 2021-03-15；在线刊出: 2021-04-30)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100109

引用格式：Du M., Peng X., Zhang H., et al. (2021). Geology, environment and life of the deepest part of the world’s ocean. The Innovation. 2(2),100109.

作者简介

杜梦然，中科院深海科学与工程研究所研究员，深海科学研究部副主任。致力于深海深潜科学与探测技术研究，积极推动深潜科学与工程技术的交叉融合，随载人潜水器“蛟龙”号、“深海勇士”号下潜20余次。先后承担国家重点研发计划深海专项、国家自然科学基金等项目，在深海/深渊极端环境生命与地质相互作用方面取得了突破性成果，研发了一系列深海原位高性能化学探测设备和生物地球化学原位实验系统，研究成果发表于Science、ES&T和GPL等国际一流期刊。

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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 1）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有182位编委会成员，来自21个国家；51%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。

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