深海“丹爐”：海底熱液口物質循環

徐利強

物質和能量交換是一個系統保持活力的基礎，作為一顆生命星球，地球的物質和能量交換廣泛存在于各個尺度的過程中。大洋深處水與火的交融形成了熱液噴口系統，該處發育了特殊的生態系統。這個系統就像一個小型“煉丹爐”，對來自海水和洋殼的物質進行混合加工，這個過程會對“水—巖”界面的物質循環產生顯著影響。

生物地球化學循環

任何一個生命體都需要從外界攝取物質和能量，這是生命活動的基本規律。從宏觀來看，地球上的生物與環境構成統一體，形成具有極強自我修復和自我調節的復雜系統。從某種意義上來說，地球是一顆“活的”星球（學界稱為蓋婭假說或蓋婭理論）。物質循環是一顆星球“活著”的證據，物質在地球上的循環因而成為地球科學的重要研究內容，相關研究對于理解地球的形成和演化，以及生命與環境的協同進化具有重要意義。

生態系統從大氣圈、水圈、巖石圈等環境中獲得所需要的物質（包括水和元素），在系統內傳輸后最后歸還于環境中，這被稱為生物地球化學循環。因為遠離地表，陽光無法透過厚層海水為生命過程提供能量。即便如此，熱液噴口在特殊的化學條件下，仍然發育了繁榮的生態系統，形成了獨特的生物地球化學循環過程。連接地球深部的海底熱液口能夠“噴云吐霧”，將大量地球深部的物質傳輸至深層海水中。熱液口存在活躍的物理、化學和生物過程，在很大程度上控制了元素在洋殼與海水之間的傳輸。這個傳輸過程的時空跨度相當大，如熱液與海水的混合可在1分鐘內完成，而熱液口噴出的流體（熱液羽流）傳輸至幾千千米遠的地方[1]，則需花上數十年的時間。自20世紀70年代首個熱液噴口被發現以來，人們已在全球所有大洋中都找到了深海熱液噴口。除傳輸某些元素外，熱液口噴出的物質也具有獨特的同位素特征，可能會影響全球尺度的海水同位素組成。因此，地球歷史時期曾經存在過的和當前仍在活躍的熱液口活動，都會對全球海洋的生物地球化學循環產生大尺度且久遠的影響。

同時，伴隨海底熱液口物質循環的還有巖石圈與水圈之間的能量傳輸。熱液口在海底廣泛分布，是地熱能在海底的一種重要體現。部分海底熱液口的傳熱功率可高達60兆瓦，與核電站一個發電機組的功率相當，因此具有巨大的能源資源潛力[2]。盡管工程專家設計了熱液口處多種形式的發電系統，但目前深海熱液能源資源的利用尚處于設想階段，還未實現真正意義上的開采。

熱液口元素循環

海洋生產力的高低對于人類社會發展來說至關重要。隨著海洋學研究的深入，研究人員逐漸意識到微量元素循環會對全球海洋初級生產力產生重要影響，從而進一步影響全球環境質量。為提升對大尺度海洋環境中微量元素及其同位素生物地球化學循環的認知水平，包括我國在內的世界上35個主要國家于2010年正式啟動了“海洋微量元素及其同位素生物地球化學循環研究計劃”（簡稱GEOTRACES計劃），該計劃目前仍在持續開展中，有望在物質循環方面取得突破性進展[3]。GEOTRACES計劃的主要關注對象為海洋微量元素及其同位素，關注區域覆蓋了全球所有海區。GEOTRACES計劃涉及的微量元素和同位素有數十種，其中重點關注對象包括鐵、鋅、鎘、銅等多個微量元素。因其特殊的構造環境和生物群落，熱液噴口處的生物地球化學過程備受GEOTRACES計劃的關注，成為該計劃的核心研究內容。

成礦元素循環

熱液口的成礦過程已被廣泛認知，該過程噴流出來的一些金屬離子，能夠形成海底熱液多金屬硫化物沉積。因此，從物質循環的角度來說，熱液系統既可以是“源”，也可以是“匯”。多金屬硫化物沉積包括黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、方鉛礦等，這些礦物含有高濃度的銅、鉛、鋅、銀、金、鈷、錳、汞等元素，部分海域達到開采品位要求，具有較高的商業開發價值。過去幾十年來，人們對該成礦過程開展了大量的研究，取得的認識和理解相對成熟。此外，熱液口沉積也富含稀土元素，是潛在的稀土礦產。開采海底熱液口礦產資源被認為是緩解人類資源困境的途徑之一，相關工作正在有序進行中。另外，這些元素還能夠以溶解態的形式存在于海洋中，從而進一步影響海水的地球化學特征。這意味著海底熱液口活動能夠對重金屬和稀土元素在巖石圈和水圈之間的循環產生重要影響。正是由于熱液口富集某些元素，人們可以根據海底沉積物中的元素含量和比值來間接識別熱液活動，許多熱液噴口的位置由此推測得到。近年來，借助水下觀測和地球化學分析，人們在熱液口的物質循環方面取得了一些新的進展，其中包括對鐵、碳和氫元素，以及放射性核素循環過程的新認識。

鐵循環

不同的生物體對營養元素的需求量也不同，因此，大洋中某些含量低的關鍵元素成為海洋初級生產力的限制性因子，鐵是最廣為人知的限制因子之一。海洋浮游生物生長都需要鐵，但鐵在遠洋地區海水中的含量普遍較低，導致氮、磷等營養鹽無法被海洋生物充分吸收，這在很大程度上制約了海洋初級生產力的水平。研究發現，大氣粉塵的遠距離傳輸是大洋中鐵的重要來源。通過在缺鐵海域人工添加鐵元素（即施鐵肥），海洋生產力確實有所增加，且該過程能夠吸收大氣二氧化碳。該實驗證實了鐵元素對海洋初級生產力的控制性作用。向海洋施鐵肥是個很大膽的科學嘗試，但其對生態系統的影響存在很大的不確定性和未知風險，還有很多問題有待解決，因此在學術界存在很大爭議。除依靠遠距離風力傳輸外，海水中的鐵還有另外一個潛在的來源——熱液噴口。最新的研究表明，熱液羽流中富鐵的膠體和顆粒的形成與埋藏控制了熱液口向海洋傳輸的溶解態鐵的物理化學條件和輸送量。熱液噴口是海洋中不可忽視的鐵來源，對鐵循環產生重要影響[4]。與人工施肥相比，熱液口噴出的鐵是自然系統內部過程，也是地球系統自我調節的體現，是一種對生態系統和諧、友好的方式，給海洋生態系統帶來的風險也較低。

碳循環

在元素周期表一百多種元素中，碳元素因其特殊的化學性質，成為地球生命的“骨架”。因此，熱液口頻繁的生命活動會對碳循環產生影響。同時，該過程也有助于促進氮、磷、硫等生命元素在深海的循環。根據前人研究，熱液口是深海中黑碳的來源，因此其可以作為“源”將碳釋放到海水中，但也可以將溶解態有機碳從海水中去除，這意味著熱液口同時又是碳“匯”。熱液口微生物活動也會介入熱液環境的碳循環。一項來自美國科學家的研究表明，熱液口原生生物是連接初級生產者和高營養級生物之間的紐帶，其攝食活動是深海熱液口食物網中碳循環的關鍵，深海原生生物群落在深海碳循環中發揮著極為重要的作用[6]。在全球變暖的背景下，世界各主要經濟體都提出了各自的碳中和戰略，進一步研究熱液口的“碳源—碳匯”過程和循環機理，對于碳中和戰略的實施而言具有重要的理論和實踐意義。

此外，借助深海激光拉曼光譜原位探測系統，我國科學家于2020年在沖繩海槽深海熱液區首次觀測到超臨界二氧化碳流體的噴發，噴發流體中含有大量氮氣，并大概率含有大量有機物質。這對于深入理解深海碳循環具有重要意義，也為地球早期有機質的合成和生命起源提供了新的啟示。總體而言，我們在深海熱液口碳循環方向取得了一些初步的認識，但相關研究尚處在起步階段，更多深入的研究工作有待進一步開展。值得一提的是，熱液口微量元素和碳元素的循環并非是獨立的，而是相互作用、耦合在一起的。如鐵、銅、鋅等營養元素能夠提高海洋初級生產力、促進生態系統的發育，這會加快碳、氮、磷、硫等生命元素和其他微量元素在海洋系統內的循環。

氫循環

生命過程需要能量，太陽輻射在地表擔當了這個重任。然而，熱液口遠離地面，接收不到太陽光，因此生命發育必須另辟蹊徑。地球深部含有大量的氫元素，這些氫元素能夠隨深海熱液口噴出，使得該元素在熱液口系統極度富集。熱液口含有一些能將氫（氫氣、硫化氫）氧化的微生物，這些微生物在將氫原子氧化時釋放能量，這些能量是海底熱液口生物最為重要的能量來源之一，也是海底熱液口生態系統發育的物理學根本[6]。熱液口的微生物活動及其生物地球化學過程影響氫代謝，從而進一步影響氫循環，是氫循環過程中一個不能被忽略的重要因素。

放射性環境核素循環

熱液口除了是海水中微量元素的重要來源外，也能夠釋放高濃度的長半衰期天然放射性環境核素（如鈾系衰變產生的鐳，半衰期約1600年）。這些核素能夠隨食物鏈進入熱液口生物體內，造成生物富集，帶來潛在的生態風險。如基于東太平洋洋隆和大西洋洋中脊的調查，研究人員發現熱液口生物群落普遍富集238鈾、235鈾和234鈾等核素[7]。高含量的重金屬和放射性核素可能意味著二者之間存在耦合性。熱液噴口處的地球化學組成是生態結構的控制性因素，借助地球化學手段研究熱液噴口處的物質循環依然是未來研究工作的發展方向[8]。

簡言之，深海熱液噴口對能量傳輸和物質循環都會產生一定程度的影響。

人類活動對熱液口生態及物質循環的影響

生命是物質運動的最高等形式，也是最為高效的能量和物質傳輸方式，海底熱液口生物群落會對深海物質循環產生相當大的影響。因此，所有能夠影響熱液口生物的過程都會對物質循環產生干擾。深海熱液噴口原本是一片凈土，遠離人類活動區，然而，隨著工業化時代以來人類活動的日益增強，人類活動對偏遠地方的生態環境也會產生影響，這其中也包括海底熱液區。自然過程和人為過程都會對熱液口環境產生影響，但人為影響尺度更大、波及范圍更廣、持續時間更長，更應該受到關注。深入認識人類活動對自然系統的影響一直以來也都是地球科學的核心。人類在海洋存在多種形式、多個尺度的活動，不同類型的人類活動對熱液噴口生物群落的影響程度也存在差異[9]。例如，水下記錄片拍攝、深海大洋鉆探、海底拖網等過程都會對熱液口產生不同程度的影響。在相關人類活動中，深海采礦對熱液口物質循環的影響最為特殊。

迫于礦產資源短缺的壓力，人類對深海熱液礦床“覬覦”已久。2006年，澳大利亞的鸚鵡螺礦業公司（Nautilus Minerals）與Placer Dome公司合作，首次從熱液口取回10噸硫化物礦物，開創了深海采礦的先河。2007年，同屬澳大利亞的海王星礦業公司（Neptune Minerals）改進了采樣設備，也成功將熱液口沉積運送回地面，但總體采樣規模有限。由于本國礦產資源的匱乏，日本成為早期關注深海采礦的幾個國家之一。2017年，日本國家石油天然氣和金屬公司（JOGMEC）在沖繩海槽首次實現海底熱液礦床的規模化開采，揭開了人類開采自然資源新的篇章。這些采礦活動會改變熱液口的生態結構、干擾熱液口物質循環過程，相關活動對熱液口環境的影響近年來也漸受關注，并取得了一些進展。盡管熱液口之間有一定的距離，但這些熱液口并非完全獨立，而是存在“交流”：熱液口生物幼體可在洋流的作用下，擴散到其他熱液口，并在那里“安家立業”。最近一項來自西北太平洋地區的研究表明，深海采礦除對采樣點熱液口的生物群落產生影響外，還可能會產生連鎖反應，將這種不良影響傳遞到數百千米外的其他噴口地點，并對其產生威脅[10]。

結 語

無論是從無機界的循環，還是從生命演化的角度來看，深海熱液噴口系統都是一個特殊且美麗的存在，它是我們認識和觀察地球內部的窗口，具有十分重大的研究價值。關注深海生態系統，關愛我們的地球，促進人與自然的和諧相處，追求可持續發展，是人類永恒的目標。

[1]German C R， Casciotti K A， Dutay J C， et al. Hydrothermal impacts on trace element and isotope ocean biogeochemistry. Philosphical Transactions， 2016， 374（2081）： 20160035.

[2]Aryadi Y， Rizal I S， Fadhli M N. Electricity generation from hydrothermal vents. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2016， 42（1）： 012019.

[3]Anderson R F. GEOTRACES： Accelerating research on the marine biogeochemical cycles of trace elements and their isotopes. Annual Review of Marine Science，2019， 12（1）： 1-37.

[4]Lough A J M， Connelly D P， Homoky W B， et al. Diffuse hydrothermal venting： a hidden source of iron to the oceans. Frontiers in Marine Science， 2019， 6： 329.

[5]Hu S K， Herrera E L， Smith A R， et al. Protistan grazing impacts microbial communities and carbon cycling at deep-sea hydrothermal vents. PNAS， 2021， 118（29）： e2102674118.

[6]Adam N， Perner M. Microbially mediated hydrogen cycling in deep-sea hydrothermal vents. Frontiers in Microbiology， 2018， 9： 2873.

[7]Charmasson S， Sarradin P M， Faouder A L， et al. High levels of natural radioactivity in biota from deep-sea hydrothermal vents： a preliminary communication. Journal of Environmental Radioactivity， 2009， 100（6）： 522-526.

[8]Gartman A， Findlay A J. Impacts of hydrothermal plume processes on oceanic metal cycles and transport. Nature Geoscience，2020， 13（6）： 396-402.

[9]Van Dover C L. Impacts of anthropogenic distributions at deep-sea hydrothermal vent ecosystems： a review. Marine Environmental Research， 2014， 102： 59-72.

[10]Brunner O， Chong 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.

關鍵詞：生物地球化學循環 深海采礦 人類活動 微量元素 ■