深海秘境——海底熱泉和冷泉

近幾十年來，隨著各種海洋勘探工具的快速發展，人類對海洋的認識也迅速從二維進展到三維、四維，獲取了不同深度、時間上不同類型的大量數據資料，逐步揭開了其神秘面紗，海洋也在不斷地驚艷著我們。從變幻多彩的海平面、到美麗繁華的熱帶淺海生物，再到漆黑荒涼的深海海底，又到奇形怪狀的深淵生物，我們的海洋觀不斷地被刷新。今天，就給大家介紹下深海里的兩種神秘的特殊環境——熱泉和冷泉。

海底熱泉（又稱海底熱液）系統的發現是以1948年瑞典科學家利用「信天翁號」(Albatross)考察船在紅海發現高溫高鹽溶液為標誌。1963-1965年國際印度洋調查期間，在紅海的軸部及中央盆地中識別出層化的高溫高鹽溶液，發現了熱液多金屬軟泥,從而揭開了海底熱液活動研究的序幕。在隨後的調研中，在大洋中脊多處發現了黑煙囪、塊狀硫化物及噴口生物，海底熱液活動也成了科學家了解地球深部構造及地球生命起源的一個重要窗口。

海底熱液活動在離散板塊邊界和匯聚板塊邊界均可出現，但都集中在拉張性構造帶上，主要分布於洋中脊、弧後擴張中心等。其形成的機理是：海水沿裂谷張性斷裂或裂隙滲入洋殼內部，受熾熱的熔岩影響後與基底玄武岩發生反應，形成酸性、還原且富硫化物與成礦金屬的熱液，溫度高達350～400℃。反應程度隨溫度和壓力的增加而增加，直到岩石變得難以滲透，含礦熱液就上升回到海底。當它們從噴口湧出時與冷海水相遇，導致黃鐵礦、黃銅礦、纖鋅礦、閃鋅礦等硫化物及鈣、鎂硫酸鹽的快速沉澱，最後不斷堆積成一種煙囪狀的地貌。煙囪高低粗細各不相同，高的可以達到一百多米，矮的也有幾米到幾十米。因溫度和組分差異，形成白煙囪或黑煙囪：當熱液溫度為100～350℃時，形成主要由硫酸鹽礦物(硬石膏、重晶石)、二氧化硅和白鐵礦組成的白煙囪。當溫度≥350℃時，形成由暗色硫化物如磁黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦等堆積而成的黑煙囪。

海底熱液區示意圖

海底黑煙囪

熱液生態系統與陸地-淺海光合作用為基礎的生命體系有根本區別，它們形成以嗜熱硫還原細菌為基礎生產力的食物鏈，構成一個自養自給的共生系統，目前認為海底熱液是其營養物質的初始來源。這一環境內的生物組成主要有細菌、雙殼類、鎧甲蝦，與細菌共生的巨型管棲動物、管水母、腹足類和一些魚類，這在壓力巨大、一片漆黑的海底形成了一片繁華的生命奇景。這一群落隨著「熱液」的長消而出沒，當「熱液」停止噴發，這一群落也隨著消失。當新的「熱液」產生時，又能形成新的群落。

多金屬硫化物礦床是熱液活動的產物，富含Cu、Zn、Fe、Mn、Pb、Ba、Ag、Au、Co、Mo等金屬和稀有金屬，賦存於2000～3000米水深的海底，是繼大洋錳結核和結殼之後發現的又一具有巨大開發遠景的海底礦產資源。它和深海熱液噴口生物、大洋多金屬結核、富鑽結殼、天然氣水合物等新型資源一起被譽為21世紀人類可持續發展的戰略接替資源，具有很好的科研與商業應用前景。

海底冷泉從發現到現在已經近40年，是繼海底熱液之後的又一重大發現，二者都反映了海底的極端環境。來自海底沉積界面之下的以水、碳氫化合物 （天然氣和石油）、硫化氫、細粒沉積物為主要成分的流體以噴涌或滲漏方式從海底溢出，併產生系列的物理、化學及生物作用，這種作用及其產物稱為冷泉。既然海底熱泉是熱的，那麼冷泉也是冷的嘍？其實，海底冷泉的溫度與周圍海水溫度相近，約2～4℃。冷泉常呈線性群產出，主要集中在斷層和裂隙較發育地區，經常伴隨著大量自生碳酸鹽岩、生物群落、泥火山、麻坑、泥底辟等較為宏觀的地質現象。

導致冷泉形成的因素主要包括：

海底沉積物埋藏或者沉積物滑動、運移及重新沉積；

全球氣候變冷或變暖引起海平面的升降，從而使海底壓力和溫度變化；

構造抬升或海平面下降使壓力降低；

與地震有關的壓力快速變化、火山噴發、地溫梯度升降；

海底底層水變暖或溫鹽環流變化，冬季變冷和夏季升溫引起的海底環境變化?

冷泉的流體可能來自於下部地層中長期存在的油氣系統，也可能是海底天然氣水合物分解釋放的烴類（CH4等）。因此，當上述因素出現時，流體會沿著泥火山?構造面或沉積物裂隙向上運移和排放，便會形成甲烷冷泉?根據冷泉流體溢出速度的不同，將其分為快速冷泉和慢速冷泉。快速冷泉常產自泥火山，流體為富甲烷的流體攜帶大量細粒沉積物；慢速冷泉流體富油或氣，在空間上快速和慢速冷泉常過渡伴生。冷泉流體的流量在時間和空間上也是不斷變化的，控制因素主要有潮汐作用、構造作用、孔隙流體與海水的濃度差產生的對流、生物泵作用（海底生物活動改造流體的流動方式）等。

甲烷氣柱噴溢現象

冷泉生物系統是指示海底冷泉非常直接的標誌。甲烷氧化菌和硫酸鹽還原菌參與到冷泉流體中的甲烷與硫酸根離子的缺氧甲烷氧化反應中，為化能自養生物提供了碳源和能量，成為冷泉生態系的初級生產者。在其基礎上又發育著菌席和深海雙殼類（貽貝類和蛤類）及蠕蟲（管狀群蠕蟲和冰蠕蟲）多毛類動物以及海星、海膽、海蝦等一級消費者，其中管狀蠕蟲只出現在冷泉流速較低的環境。二級消費者有魚、螃蟹、扁形蟲、冷水珊瑚等。所以冷泉活動區域一般都是海底生命極度活躍的地方，和熱液生態系統並稱為「深海綠洲」。

繁茂的冷泉生物群落

白色的潛鎧蝦和深色的貽貝

全球海洋環境中可能發育有900多處海底冷泉活動區，每年釋放大量 CO2和 CH4等烴類氣體到大氣中，而 CH4的溫室效應是相同質量 CO2的20倍以上，因此是全球變化的重要影響因子。我國近海冷泉區主要有 7個，其中南海海域分布6個，東海沖繩海槽1個。2015年「海馬」號 ROV 在珠江口盆地西部海域發現了海底巨型活動性「冷泉」，被命名為「海馬冷泉」。該冷泉淺表層富含天然氣水合物、自生碳酸鹽岩大量出露、冷泉生物群廣泛發育，是非常典型冷泉系統。

研究冷泉具有重要的科研意義。冷泉是探尋天然氣水合物的重要標誌之一；冷泉生態系統是研究地球深部生物圈的窗口；冷泉溢出的 CH4和 CO2是可能造成全球氣候變化的重要因素；同時，研究全球圈層相互作用和全球變化也是科學前沿之一。

來源：中國科學院深海科學與工程研究所

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