探秘海底的宝藏—黑烟囱

初识“黑烟囱”

“地球上的生命是如何起源的？”是人类最关心的问题之一。这也是全世界科学家一直致力于研究但仍没有定论的课题。2017年3月，国际学术权威刊物《自然》杂志发表的一项研究成果称（Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates）：至少37.7亿年前，远古时代的深海热液喷口及其周围存在微生物活动的证据，这可能代表着地球上最早期的生命形式，这一发现为生命起源的探索增加了新的认识。

这项研究中提到的深海热液喷口是什么呢？其实可以简单地和陆地上的天然温泉类比，只不过它是位于海底的热泉。其形成过程可以这样理解：海水沿海底裂隙向下渗流，受岩浆热源的加热，再集中向上流动，并喷发，形成了深海热液喷口。截止2002年，已在全球各大洋底发现 150 余处深海热液喷口，主要位于深海底 1000～4000米深处。热液由水和一些化学物质组成，喷出温度为60-400℃，多形成“烟囱”，周围海洋生物资源和矿产资源丰富。根据海底热液温度及喷出的矿物成分，一般将海底热液烟囱划分为黑烟囱、白烟囱和低温喷口。一般海水温度达300～400℃时，形成黑烟囱，是暗色硫化物矿物堆积所致；而海水温度为100～300℃时，则形成白烟囱，主要由硫酸盐矿物和二氧化硅组成。

海底“黑烟囱”一般形成于大洋中脊这样热液活动的区域；在地形上表现为柱状圆丘，喷出的黑烟富含高浓度的硫化物。现代海底黑烟囱的研究开始于1978 年，美国的阿尔文号载人深潜器上的地质学家们首次在东太平洋洋中脊采得由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年阿尔文号在同一地点深度约1650～2610米的海底，发现数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，以及金属硫化物组成的堆积体。约200～400 ℃的含矿热液从直径约 15厘米的烟囱中以每秒几米的速度喷出。矿液刚喷出时为澄清溶液，与周围海水混合后，很快产生沉淀变为“黑烟”或“白烟”。之后科学家在大西洋、印度洋、北冰洋 、红海等大洋也发现了许多黑烟囱及其热液硫化物。

在正常的海底条件下，黑烟囱形成后，可以在海底存在几千年至几万年。随着热液活动的减弱和停止，海底黑烟囱也将逐渐发生溶解和坍塌，甚至完全消失。由于海底古热液区分布有限、标志不明显，古热液区的寻找和发现十分困难，至今在深海发现的古热液区数量十分有限。2018年5月我国科学家在南海两座海山上各发现一处古热液区，分别命名为“南溟”热液区和“楼兰”热液区，其中由富集古热液烟囱或热液沉淀物丘构成的“南溟”热液区范围至少有700米长。

黑烟囱写真神器—深潜器

黑烟囱喷涌的烟雾可以上升到烟囱顶部100～300米高处，随洋流漂移可远离烟囱几公里到几十公里，对海水的浊度、温度、PH等产生重要影响。在对海洋海水化验、温度变化观测和多波束地形分析的基础上，可以确定海底黑烟囱的大致分布范围。利用深潜器深入海底可以实地直接观察黑烟囱，并进行相关的观测和取样，是揭开黑烟囱神秘面纱的重要法宝。直接观察海底“黑烟囱”要求非常先进的技术手段、潜水和取样设备。目前，世界上仅有少数国家有能力开展海底“黑烟囱”的研究。拥有6000米以上深度载人潜水器的国家更是凤毛麟角，包括美国、日本、法国、俄罗斯和中国。

美国是较早开展载人深潜的国家之一，1964年建造的“阿尔文”号（Alvin）载人潜水器是他们的代表作，可以下潜到4500米的深海。在发现黑烟囱之前，被刚服役没几年的“阿尔文”号还帮助美国海军捡回了落入海底的一枚氢弹！1985年，“阿尔文”号载人潜水器发现了泰坦尼克号沉船的残骸，它也因此神气地登上了美国《时代》周刊的封面。如今已经进行过近5000次下潜，是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。日本1989年建成了下潜深度为6500米的“深海6500”（Shinkai6500）潜水器，水下作业时间8小时，曾下潜到6527米深的海底，创造了载人潜水器深潜的纪录。它已对6500米深的海洋斜坡和大断层进行了调查，并对地震、海啸等进行了研究，已经下潜了1000多次。

我国虽然在该领域起步较晚，但后来者居上。2007年，“大洋一号”科考船在2800米深的西南印度洋中脊上发现了“黑烟囱”，并租用了类似“蓝鳍金枪鱼”的自主水下航行器进行仔细搜索，拍到了大量正在“冒烟”的“黑烟囱”喷口，命名为“龙旂”，并先后两次抓取了120多公斤样品，标志着我国已成为世界上发现洋中脊海底热液活动区的少数国家之一。2017年4月我国科学家利用中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器—“蛟龙号载人潜水器”，在西北印度洋卧蚕1号、卧蚕2号、天休、大糦4个热液区成功发现27处海底“黑烟囱”、多金属硫化物丘与黑暗生态系统。“蛟龙号载人潜水器”是我国自行设计、自主集成研制的深海载人潜水器。这个空重不超过22吨的家伙，整体造型像个长方体。其长度和鲸鲨差不多，达到8.2米，可以同时搭载3位科学家。它的功夫可是相当了得，2010年就实现了最大下潜深度7062.68米的目标，理论上它的工作范围可覆盖全球99.8%海洋区域。蛟龙号身手敏捷，可以轻松自如地前进后退、上下运动、侧移和悬停定位，能够对深海热液环境、多金属结核资源等进行近距离拍摄和遥控精确取样，堪称国之重器。

海底的“开心农场”—黑矿养殖

黑烟囱可以说是其貌不扬，但这些形似枯树桩的烟囱能够喷“金”吐“银”。黑烟囱在海底喷口附近沉淀黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等多种硫化物。这些硫化物含有高品位的金、银、铜、铅等金属元素，并和石膏、重晶石与沸石类矿物伴生，能够形成具有经济价值的矿产资源。科学家已在海底发现许多达百万吨级以上规模的金属硫化物，如东太平洋加拉帕戈斯群岛发现的一个黑烟囱丘体，该矿床长1000米，宽200米，高35米，其中35%的质量为铁，10%为铜，0.1%为锌，并含有银、锗等，总储量约为2500万吨，可谓价值连城。

海底热液硫化物主要为结晶状矿物组分。与锰结核和锰结壳相比，虽然锰结壳赋存水深和热液硫化物大体相当，但因其基本矿物成分皆为非晶质或隐晶质的Fe、Mn物质，冶炼工艺复杂。相比之下，热液金属硫化物矿床易于开采和冶炼的优点是锰结核（壳）所不可比拟的。一些发达国家已开始了深海黑烟囱矿产开发的先期研究，如日本、加拿大鹦鹉螺矿业公司(Nautilus Minerals)。2010年9月，日本海洋研究开发机构的研究小组利用深海探测船，在冲绳岛西北约150公里的冲绳海沟中部深约1000米的海底热水活动区域，钻了4个直径约50厘米、深45米的人工喷口｡喷口中涌出的热水､岩浆等所含矿物质在附近不断堆积｡其中一处矿石堆在16个月后达到11米高，而在自然界需要数十至数千年才能达到这种高度｡研究小组利用无人深海探测器收集堆积物，分析发现矿石堆积物含有纤维锌矿､闪锌矿､方铅矿､黄铜矿等成分｡研究小组认为，通过在海底热水活动区域钻出喷口收集海底的矿物资源，成本和环境代价极低，未来有望在技术层面实现日本周边海底矿物资源的商业化开采。

 这种从海底人工热水喷口收集矿物资源的方法，被称为“黑矿养殖计划”。比起传统的海底探矿与开采，黑矿养殖可谓海底的开心农场，如同种植农作物一般，他们选择养分丰富的地方（金属离子的浓度高的区域），利用人工钻孔给予发芽（矿物长晶）的机会，接着放置成矿培养平台，给予适当的环境生长（海水降温沉积），使其持续沉积矿物，最后达到一定量后将其“收成”。利用这些人工烟囱的矿物学特性可以选择性沉淀和提取相应的元素。这为在低勘探成本和低环境负担下获得海底矿产资源提供了未来。

黑烟囱的科研价值

与光合作用维持的生物群落不同，在没有阳光照射的深海中存在一个神秘的生物世界。这个生物群落的“居民”依靠黑烟囱等海底热液口释放的地热和物质而生活，称为“黑暗生物圈”。在黑烟囱的喷发口中，有大量的气体、金属离子喷出，且形成了温度和化学物质浓度梯度，这与地球早期的环境相似，这种环境为周围的化能自养型微生物提供充足的能量。热液群落中的其它动物可以依靠这些微生物合成的有机物作为其食物来源。以热液群落中的盲虾为例，其身上有若干黑点，被证实是嗜硫细菌。作为热液生态系统的源头，嗜硫细菌把剧毒硫化物转化为能量，寄生在盲虾身上。盲虾取食身体表面的细菌，数量较少的热液鱼则以盲虾等为食。尽管黑烟囱活动区的温度极高，利用深海摄像，我们能够清楚地观测到：在这个生命绿洲的四周却存活着蠕虫、蛤类、贻贝类、蟹类、水母、藤壶等生物群落。可以说生机盎然的黑烟囱是了解地球上生物群落的一扇新窗口。据统计，科学家在海底热液区新发现的物种已达10个门、500多个种属，大部分为热液环境所独有。

深海热液口极端的生态环境以及丰富的生物资源，使得深海热液口微生物及其次生代谢产物在抗肿瘤、抗衰老、抗氧化等领域具有重要的研究价值，成为未来宝贵的生物基因和医药资源，它们远超过了黑烟囱的地质矿产价值。以黑烟囱生态系统中的硫氧化菌为例。硫化氢是比较常见的有毒物质，但是在深海热液喷口环境中，各种硫氧化菌获取代谢能量的最重要的营养来源却是硫化氢。硫氧化菌“吃”硫的特性，已经被应用在治理石油污染等环保领域。