深海“炊煙”：海底熱液口的秘密

徐利強 程玉潔

地球系統科學是當前地學的指導思想，其核心要義是地球各圈層的相互作用，使地球保持生機和活力。即使是在萬米深淵，巖石圈、水圈和生物圈的交互作用也廣泛存在。大洋深處的水火交融，形成了奇特的地質景觀——深海煙囪，也孕育了別樣的生態系統，這為地球系統書寫了特殊的篇章。

黑煙囪與白煙囪的發現

上天、入地、下海一直是人類的夢想，數千年來人類不曾停下探索海洋的步伐，但即使是在今天，我們對海底世界的認識也還不及對火星和月球表面的了解。在人類探索海底過程中，載人潛水器發揮了非常重要的作用，正是有了載人潛水器，人類對海底世界的認知才有了重大的突破。1964年，美國軍方制造的阿爾文號（Alvin）載人潛水器開始下水工作，這艘 “深海精靈”為人類探索海底世界做出了突出貢獻。目前阿爾文號下潛次數已經超過4700次，除了在1966年成功打撈美軍遺留在地中海的氫彈、1986年發現泰坦尼克號沉船外，阿爾文號還曾有過一個震驚世界的發現，這便是海底熱液噴口。

20世紀70年代，地學的革命性理論板塊構造問世。根據板塊構造理論，海洋地質學家推測地球深部的熱量能夠沿板塊邊界滲透進入海洋，因此板塊邊界處可能存在深海熱液區。研究人員最早在紅海觀測到熱液活動的痕跡，阿爾文號的科考活動進一步證實了海底熱液的存在。1977年，阿爾文號在東太平洋加拉帕戈斯附近海區下潛時，發現了低溫熱液，并在熱液區發現了大量高等海洋生物，包括管狀蠕蟲、雙殼類生物、螃蟹等，這些生物形成了極為特殊的深海生態系統。1979年，阿爾文號再次下潛到東太平洋中隆21°N處2500多米深時，發現了一些冒黑煙的特殊地質結構，噴出物的熱液溫度達到了350℃。研究人員將這種地質結構命名為熱液噴口（hydrothermal vent，亦稱熱液口或深海熱泉），因海底熱液口的噴出物顏色多偏黑，且沉積物不斷累積增高形似煙囪，因而又被稱作“黑煙囪”（black smoker）。

黑煙囪的形成與海底巖漿活動有關，當巖漿能量足夠大時，在海底噴發形成火山，大洋中脊就是這樣形成的。當巖漿的能量不足以沖破洋殼時，可將海水加熱形成熱水噴流，這些噴出物富含金屬元素，且逐漸在噴出口形成金屬硫化物（如黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦等）沉積，而硫化物礦物的顏色整體偏深，導致海底熱液口沉積多呈黑色。

很多科學讀物中常將熱液噴口沉積與海底黑煙囪混為一談，實際上黑煙囪只是熱液噴口沉積的形式之一。如前文所述，當熱液口沉積的物質為金屬硫化物時形成黑煙囪，但如果熱液沉積的化學成分發生變化，可形成另外一種形式的沉積——白煙囪。白煙囪之所以呈現白色，是因為其沉積物主要為方解石構成的碳酸鹽類沉積，有時也富含鋇和硅元素，這使得沉積物整體表現為白色。與黑煙囪相比，由碳酸鹽礦物構成的白煙囪結構更穩定，不易倒塌，因此普遍比黑煙囪要高，甚至可以達到60米。最為知名的海底白煙囪位于大西洋失落之城（Lost City）海區[1]。

黑煙囪和白煙囪可同時存在于深海熱液活動區，但白煙囪一般形成于熱液衰退階段。除顏色和化學成分上的差異外，白煙囪與黑煙囪還存在另外一個顯著的差別——二者的形成溫度不同。越靠近熱液源區，溫度越高，越易形成黑煙囪；離熱液源區越遠，溫度變得相對越低，則越易形成白煙囪。在海洋中，底層海水的溫度一般為2℃左右，而熱液口的溫度范圍可在幾十到近500℃之間。它們是地球存在板塊構造活動的重要證據。

海底熱液生物群和黑（白）煙囪的發現，是20世紀地球科學最重要的發現之一，也是20世紀自然科學的重大進步，提升了人類對自然（尤其是海底世界）的認知水平。在太陽系中，除地球上存在深海熱液活動外，研究人員也一直嘗試在地外行星上尋找熱液活動，并取得了一些進展。近些年來，有學者發現木星的衛星（木衛二，Europa）和土星的衛星（土衛二，Enceladus）的海洋中也可能存在熱液活動[2]。雖然火星上未觀測到活動的熱液噴口，但研究人員推測歷史上火星的熱液活動可能異常活躍。此外，海洋里還存在深海冷泉（cold seeps）系統，也是一種特殊的海底地質結構，并同樣發育了特殊的生態群落，但這種結構的形成主要與天然氣水合物的溢出有關，不受熱液活動控制。

深海熱液系統的結構與特征

黑（白）煙囪是一個獨特的海底熱液系統，具有特殊且完整的結構?？傮w而言，熱液噴口系統由熱液流體、熱液沉積和生物群落等構成，這幾種結構元素共同造就了繁榮的深海生態系統。

熱液口存在的本質原因是地球內部活躍的巖漿活動。來自地球深部的熱量能夠將洋殼的巖石熔化形成巖漿，溫度可達到1000多攝氏度。在深海洋盆，海水在洋殼深處不斷循環，冰冷的海水（有時也包括變質水和巖漿水）沿斷層或沉積物孔隙等海底裂隙下滲，遭遇巖漿后被迅速加熱，形成溫度達幾百攝氏度的特殊流體上涌。目前已知的熱液流體溫度最高可達464℃，地點是位于大西洋洋中脊處的姐妹峰（Sisters Peak）[3]。幾千米深的海水中，壓力可達到數百甚至上千大氣壓。在大洋深處如此巨大的靜水壓力條件下，熱液口的海水能夠以特殊的液態或超臨界態的形式存在。目前，這種界于氣態和液態之間的超臨界狀態流體已在多個熱液口被觀察到。

隨著溫度的增加，水巖反應過程形成的特殊高溫流體能夠將溶解在巖漿中的硫和一些重金屬（如銅、鋅、鐵等）元素帶出，這些元素（離子）遇海水冷卻，形成以硫化物沉積為主體的煙囪壁（黑煙囪）。當熱液堿性增加時，流體中富含甲烷、氫氣等氣體，但幾乎不含金屬元素，此時形成以碳酸鹽沉積為主的白煙囪。不管是黑煙囪還是白煙囪，隨著沉積物的逐漸積累，煙囪壁都會不斷加高。從生物合成化學的角度來看，由于白煙囪具有特殊的堿性環境，相比黑煙囪而言，其能夠為生命的起源創造更為有利的條件[4]。

熱液口煙囪的生長速度非?？?，在長到一定高度或停止噴發后，煙囪在重力的作用下會倒塌，形成高出海床、但又相對平緩的熱液丘（hydrothermal mound）。

深海熱液噴口的分布及分類

深海熱液噴口一般位于巖漿活動比較劇烈的板塊邊界，最為典型的區域為大洋中脊，這也是年輕洋殼形成的地方。在板塊內部，有時也存在巖漿通道，并持續噴發形成島嶼（如夏威夷群島），這種通道被稱為火山熱點。少數熱液口位于板塊內部的火山熱點附近，但數量較少。

一般來說，確認海底熱液活動最直接的辦法是水下現場觀測，這種方式發現的熱液口被稱為“確認熱液口”。然而，直接的海底觀測耗時耗力、效率低下，且需要大量的財力支撐。因此，通過這種方式來開展對海底世界的探索還十分有限。盡管如此，研究人員可以通過間接手段來尋找海底熱液活動。深海熱液流體的溫度很高，這種高溫信號能夠被儀器探測到；或通過分析熱液沉積物來識別熱液口，利用這些手段發現的熱液噴口被稱為“推測熱液口”。此外，還有少數熱液噴口因得不到持續的熱源補充，已經壽終正寢，不再噴發流體，這種被稱為“非活躍熱液口”。目前在全球已經發現（含推測）的活躍熱液噴口有660多個，其中包括“確認熱液口”304個，“推測熱液口”362個，“非活躍熱液口”50多個。這些熱液口在全球海洋的分布與板塊邊界基本吻合。

按照顏色將海底熱液噴口沉積劃分為黑煙囪和白煙囪是一種簡單粗暴的方法，更精準科學的分類需要借助其他方法。根據構造環境來對其進行劃分是一種較為科學的方法，以此為出發點，人們將海底熱液口劃分為如下幾種類型。

大洋中脊型

主要發育于大洋內部的離散型板塊邊界，是最主要的熱液噴口類型。最為知名的大西洋熱液區和東太平洋中隆熱液區均屬于此類型，目前發現的大洋中脊型熱液口為404個，約占熱液噴口總數的56%。

火山弧型

位于會聚型（又稱聚斂型）板塊邊界，板塊碰撞俯沖引起火山噴發形成火山弧。這些火山也能夠為熱液活動提供能量，從而形成火山弧型熱液口。日本和印度尼西亞附近海域、地中海地區的熱液噴口，多為火山弧型。這種類型的熱液口數量排在第二位（共150個），約占總數量的20%。

弧后擴張型

主要位于弧后火山鏈，在西太平洋地區最為典型，新西蘭和南極半島周邊海域的熱液噴口也多為這種類型?；『髷U張型熱液口數量與火山弧型相當（約147個），約占總數的20%。

板塊內嵌型

即分布于板塊內部的熱液口，這種類型的熱液噴口數量極少，零星分布在夏威夷、皮特凱恩群島、法屬玻里尼西亞等地區的周邊海域。此類型目前僅發現8個，約占總數量的1%。

其他：不屬于上述4種類型的熱液口

為方便海洋地質學家查詢，法國巴黎地球物理學院（IGBP）搜集整理了全球海洋中的熱液噴口，并建立了熱液噴口數據庫InterRidge Vents Database（https：//vents-data.interridge.org/），該數據庫經過歷次升級，目前最新版本為4.3。研究人員和海洋科學愛好者可通過該數據庫網站查詢全球目前已知的熱液噴口詳細數據，包括熱液噴口名稱、位置、類型、發現年份和發現過程等信息。

熱液噴口的研究價值

熱液噴口為我們打開了觀測深海的窗口，也讓我們對地球系統有了更深入的了解，具有重要的科學、哲學和美學價值。深海熱液口至少在如下三方面具有重要的研究意義。

生命起源

盡管深海噴口生態系統具有極端的溫度和壓力，且存在有毒物質，但微生物能夠通過化學反應為其他生物的生化過程提供能量，因此生命依然在海底熱液口蓬勃發展。熱液噴口棲息地的生命密度非常高，接近熱帶雨林和珊瑚礁生態系統的水平。此外，熱液口環境與地球早期的海洋環境（酸性、還原）極為相似，熱液及其過程能夠為生命活動提供能量，為生命的誕生提供了潛在的可能。鑒于熱液活動與生命的關系，研究人員在探索地外生命時，也十分關注地外星體的熱液跡象，是地外生命探索的重要關注點之一。此外，熱液口的生命代謝過程，能夠產生特殊的化合物，在治療阿爾茨海默病等疾病方面也具有一定的潛力。

生物地球化學循環

海洋的化學組成受陸源輸入、自生物質沉降、大氣傳輸等諸多因素影響，而深海熱液噴口也是一個重要的影響因素。海底熱液口是連接海洋與地球內部的通道，能夠將地球內部的熱量和化學物質傳輸至海洋中，從而在很大程度上影響全球海洋化學組成，以及海洋環境的演化。因此，熱液口會對很多元素的生物地球化學循環產生顯著影響，在海洋物質循環中占據非常重要的一環，研究熱液口的生物地球化學循環對于理解海洋系統具有重要意義。

深海礦產

在熱液噴口傳輸的物質中，一些元素可在海底形成金屬硫化物，這些硫化物富含鈷、金、銀、銅、鐵、稀土等有用元素，能夠達到足夠高的品位，形成一種特殊的礦床類型——海底塊狀硫化物礦床。在地表礦產資源逐漸枯竭、開采難度日益增加的情況下，深海熱液口的礦產資源開采成為支撐人類社會發展的新希望。目前，深海熱液口金屬礦產資源開采已取得初步的成功，并有望在未來實現大規模開采，這能夠在一定程度上緩解人類對礦產資源的需求壓力。但熱液口礦產資源的開采對海底生物群落可能產生不利影響，相關研究也漸受關注[6]。

[1]汪品先. 深海淺說. 上海： 上?？萍冀逃霭嫔?， 2020.

[2]Hsu H W， Postberg F， Sekine Y， et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature， 2015， 519： 207-210.

[3]Perner M， Gonnella G， Kurtz S， et al. Handling temperature bursts reaching 464℃： different microbial strategies in the sisters peak hydrothermal chimney. Applied and Environmental Microbiology， 2014， 80（15）： 4585-4598.

[4]Lane N. The Vital Question—Energy， Evolution， and the Origins of Complex Life. W. W. Norton & Company， 2015.

[5]Dissanayake A L， Yapa P D， Nakata K. Simulation of hydrothermal vents in the Izena Cauldron， Mid-Okinawa trough， Japan and other Pacific locations. Journal of Hydro-environment Research， 2014， 8（4）： 343-357.

[6]Brunner O， Chen C， Giguère T， et al. Species assemblage networks identify regional connectivity pathways among hydrothermal vents in the Northwest Pacific. Ecology and Evolution， 2022， 12（12）： e9612.

[7]Subramanian A， Baskar S. Geomicrobiology： an emerging science and way out to environmental and health problems. International Journal of Environmental and Health Sciences （IJEHS）， 2021， 3（1）： 10-15.

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