海底黑烟囱

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”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。

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。

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。

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”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”。

不同纬度、地形和深度的海洋，具有不同的物理及化学条件，因此造就了特色不一、各式各样的海洋生物。在1979年以前，许多科学家都认为深海海底是永恒的黑暗、寒冷及宁静，不可能有所谓的生命。但是1979年，科学家首次在 2，700 公尺的海底发现热泉，并观察到和已知生命极为不同的奇特生命形式，进而改变了对地球生命进化的认知。2000年12月4日，科学家又在大西洋中部发现另一种热泉，结构完全不同，他们把它命名为失落的城市，再度引发了科学家对海底热泉的研究热潮。海底热泉是指海底喷泉，原理和火山喷泉类似，喷出来的热水就像烟囱一样，发现的热泉有白烟囱、黑烟囱、黄烟囱。在宜兰龟山岛所发现不断往上喷出的海底热泉，是一种黄烟囱，这是因为海底冒出大量硫磺所造成的现象，也是近年来发现最大的近海海底热泉，水深从二、三公尺到三十几公尺，约有八、九处之多。在深海热泉泉口附近均会发现各式各样前所未见的奇异生物，包括大得出奇的红蛤、海蟹、血红色的管虫、牡蛎、贻贝、螃蟹、小虾，还有一些形状类似蒲公英的水螅生物。

即使在热泉区以外像荒芜沙漠的深海海底，仍出现了蠕虫、海星及海葵这些生物。热泉生物能够生存完全是依靠化学自营细菌的初级生产者。在黑烟囱喷出的热液里富含硫化氢，这样的环境会吸引大量的细菌聚集，并能够使硫化氢与氧作用，产生能量及有机物质，形成化学自营现象。这类细菌会吸引一些滤食生物，或者是形成能与细菌共生的无脊椎动物共生体，以氧化硫化氢为营生来源，一个以化学自营细菌为初级生产者的生态系便形成了。

2009年2月，中科院院士、同济大学海洋学系教授汪品先表示，近30年来随着深海生物科研的不断深入，科学界有看法认为：生命可能起源于深海“黑烟囱”；而英国杰出的生物学家、进化论的主要奠基人达尔文自己也曾假设过，生命可能起源于“一小滩热水”。

2009年2月12日是达尔文诞辰200周年，达尔文的著作《物种起源》发表至今也有150周年。汪品先说，人类对深海生物的认识基本上都是在最近30多年里形成的，科学家在世界各地的大洋海底相继发现海底热液和“黑烟囱”，并在“黑烟囱”旁发现很多生物，形成与人们常识迥异的生物群和食物链。其中，最具有代表性的生物是3米长的管状蠕虫。这类蠕虫没有口腔和肛门，靠体内的硫细菌供给营养。

巧合的是，科学家最早发现海底“黑烟囱”的加拉帕戈斯群岛，达尔文在19世纪30年代环球考察时也曾停留过。他在那里观察燕雀，发现不同种群燕雀的喙尖形状不同。那段时间是达尔文形成进化论思想的关键时期。汪品先说，“黑烟囱”附近生物链的基础是细菌，细菌通过化学作用吸取地热带出来的能量，形成各级生物链的营养源。“黑烟囱”附近生物链的生存环境，与太古代生命起源时期类似。太古代时期没有绿色植物，没有光合作用产生的大量氧气。

光合作用也可能起源于深海。科研人员在大西洋深海热液口发现，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起来了，把生物的演化往前推进。”

汪品先说，达尔文在1871年给一个人的信里面讲到，生命最早很可能在一个热的小的池子里面，也就是后人讲的“原始汤”。达尔文生活的年代对深海基本还是一无所知，这个想法经过很多年都没有证实。近30年来深海生物科研的重大突破则是对这种设想的佐证。汪品先表示，海底生物的丰富性远远超出人们的想像。根据估计，地球上活的生物量，有30%是在海底地下，原核生物（细菌）有55%到85%是生活在地底下。在近海地区，一立方厘米海水中就有1亿个微生物。陆地生物的活动范围基本在0米到30米高空之间，而海水的平均深度是3800米，海水地下生物的分布也有若干千米。

生命起源的古老物质拥有巨大经济价值，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。海底黑烟囱的形成很不易，长几十米高要用几千年时间，以现在的开采速度，这些矿点十几年就会成废矿。

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，仅有美、德、法、加、日等少数国家有能力开展研究。科学家于是将目光投向了陆地上的“黑烟囱”化石，但迄今仅在俄罗斯、爱尔兰发现3亿至4亿年前的“黑烟囱”残片。

继2005年发现古老大洋地壳残片后，2007年长期在野外奔波的北京大学李江海课题小组首先在山西五台山地区发现了古海底“黑烟囱”残片。2007年当年10月终于又在河北兴隆发现了保存完整的古老“黑烟囱”,初步判断其地质年龄约有14.3亿“岁”。

专家描述道:14亿多年前,华北地区仍是一片汪洋大海,河北兴隆一带正处于大陆裂谷最深的海底上。在海水循环加热后,这些两到三厘米高的“黑烟囱”成为黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等地壳内部矿物质喷涌而出的通道,“黑烟囱”周围聚集了蓬勃的微生物群落。中国出版的《岩石学报》封面上刊登的我国科学家发现的完整的海底“黑烟囱”切面；“黑烟囱”周围繁衍生存着不需要阳光也能够生存的深海微生物。

另据推测，中国国甘肃和云南地区，应该有几亿年前的海底黑烟囱的迹象。