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 海底黑烟囱
 

海底黑烟囱的发现及其研究是全球海洋地质调查近十年取得的最重要的科学成就。
现代海底黑烟囱的研究始于1978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http://www.geology.sdsu.edu/how_volcanoes_work/Images/Noaa/black_smoker_crop_l.jpg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。目前,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。

研究生命起源和大洋演化的指路灯
黑烟囱与含矿液体的运移通道共同组成了金属硫化物的成矿环境,并可以在地层中保留下来,成为研究当时古大洋环境的重要样本。
同时,大量的海底调查研究发现,在海底黑烟囱周围广泛存在着古细菌,这些古细菌极端嗜热,可以生存于350℃的高温热水及2000-3000米的深水环境中,为古老生命的孑遗。黑烟囱喷出的矿液温度可高达350℃,并含有CH4、CN等有机分子,为非生物有机合成,如此环境可以满足各类化学反应,有利于原始生命的生存。科学研究表明只有地球早期的环境才与此类似,科学家们为此提出了原始生命起源于海底黑烟囱周围的理论,认为地球早期水热环境和嗜热微生物可能非常普遍,地球早期的生命可能就是嗜热微生物。  
世界各地在对不同时代古大洋地质记录(蛇绿岩)进行广泛的调查时,先后在日本、德国、美国、加拿大等地找到了古海底黑烟囱的残片及相关块状硫化物。但是,大多数硫化物的时代很少大于6亿年,老于25亿年古海底黑烟囱记录还不多见,尽管在加拿大和澳大利亚发现了26亿-27亿年前的金属硫化物矿产,但尚无海底黑烟囱残片的报道。为此寻找古老的黑烟囱残片具有重要的科学价值。

海底黑烟囱成因探
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。
http://big5.gov.cn/gate/big5/www.gov.cn/fwxx/kp/site1/20070607/00123f37914107d1995603.jpg   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?德富卡海隆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?德富卡海隆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。 http://cimg2.163.com/tech/2006/10/16/2006101609094416134.jpg
斯特克斯推测一座座海底烟囱演化生成过程可能在蠕虫聚集热泉口周围就早已开始了,胡安?德富卡海隆下蠕虫建筑师精心创造的自然奇观令人叹为观止。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。据悉美国科学家正加紧研制大型深海考察潜艇并准备对深海热泉进行全面研究,同时向国际社会发出呼吁:要求设立深海热泉自然保护区。

我国发现古海底“黑烟囱” 可能和生命起源有关
中外科学家将合作探索地球早期生命起源
据新华社北京2月23日电(记者王文韬李斌)我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。
这一成果以封面文章的方式近日刊登在《岩石学报》上。这一杂志是惟一入选美国《科学论文索引》(SCI)期刊源的中文地质学刊物。
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。
继两年前发现古老大洋地壳残片后,去年,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,当年10月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”。
在李江海教授的办公室,记者看到上百块“黑烟囱”硫化物的矿石标本,其切割面闪烁着金属般的光泽。一块高20厘米、宽10厘米的矿石内,竟保存了6个完整的圆锥状“黑烟囱”和多个“黑烟囱”倒塌而成的残片。
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。
“显微镜下,可见从通道中央向外壁有四五个矿物层,烟囱顶部多被数毫米厚黄铁矿充填,表明‘烟囱’被埋藏时已经熄灭。随着地壳运动造成的海陆变迁,这些‘黑烟囱’辗转出现在今天的华北古大陆上。”李江海说,通过对比上百个现代海底“黑烟囱”资料和初步的矿物成分鉴定,课题组确定这些矿石就是古海底“黑烟囱”。
目前,课题组正和英、美等国科学家合作,围绕“黑烟囱”开展微生物化石研究,探索极端条件下的生命活动,以进一步探索地球早期生命起源。

  -新闻资料
海底“黑烟囱”:20世纪海洋科学最重大发现之一
http://divediscover.sr.unh.edu/images/101-0160lg.jpg  科学家1979年在数千米深的海底首次发现了“黑烟囱”,随后又发现在“黑烟囱”附近生活着大量热水生物。这已成为20世纪海洋科学领域最重大发现之一。
1979年,继前一年采集到硫化物后,美国的“阿尔文”号载人深潜器在2610米至1650米的东太平洋海底熔岩上,发现数十个冒着黑色和白色烟雾的“烟囱”,附近出现大规模的硫化物堆积丘体。从直径约15厘米的“烟囱”中,约350摄氏度的含矿热液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”,沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿及其他铜铁硫化物组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱体及圆丘,被形象地称为“黑烟囱”。
科学家随后在各大洋发现了许多“黑烟囱”,它们主要集中于新生大洋地壳上,如洋中脊和弧后盆地扩张中心的位置上。
“黑烟囱”是如何形成的呢?专家指出,由于新生大洋地壳或海底裂谷地壳的温度较高,海水沿裂隙向下渗透可达几公里,在地壳深部加热升温后,淋滤并溶解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、温度的差异,形成浓密的黑烟,海底及其浅部通道内则堆积这些硫化物的颗粒沉积。它们在海底形成具有重要经济价值的多金属(铁、铜、锌、铅、汞、钡、锰、银等)矿产,成为新世纪人类潜在的矿产资源。有意思的是,科学家还在一些“黑烟囱”上发现了原生的自然金颗粒和天然水银。
大量海底调查发现,“黑烟囱”周围广泛存在古细菌,它们极端嗜热,可直接生存于80—120摄氏度的环境中。这种细菌最初发现于美国黄石公园的高温热泉中。它们在现在海底生存的环境,类似地球早期环境的极端高温环境中。
基因组测序发现,这些“黑烟囱”周围的古细菌非常原始,处于生命树源头的位置上。科学家因此提出原始生命起源于海底“黑烟囱”周围的理论,认为地球早期的生命可能就是嗜热微生物。正因为如此,寻找古老的海底“黑烟囱”,将可能为生命演化提供重要的科学证据。