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「黑煙囪」是指海底富含硫化物的高溫熱液活動區,因熱液噴出時形似「黑煙」而得名。噴溢海底熱泉的出口,由於物理和化學條件的改變,含有多種金屬元素的礦物在海底沉澱下來,尤其是噴溢口的周圍連續沉澱,不斷加高,形成了一種煙囪狀的地貌,叫做黑煙囪。

1 黑煙囪 -概述

黑煙囪黑煙囪

現代海底的黑煙囪的研究始於1978年,當時,美國的阿爾文(Alrin)號載人潛艇在東太平洋洋中脊的軸部採得由黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦組成的硫化物。1979年又在同一地點約2610~1650米的海底熔岩上,發現了數十個冒著黑色和白色煙霧的煙囪,約350℃的含礦熱液從直徑約15厘米的煙囪中噴出,與周圍海水混合后,很快產生沉澱變為「黑煙」,沉澱物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅-鐵硫化物組成。這些海底硫化物堆積形成直立的柱狀圓丘,稱為「黑煙囪」。

煙囪高低粗細各不相同,高的可以達到一百多米,矮的也有幾米到幾十米。煙囪的直徑因噴溢口的大小而不同,小煙囪的口一般只有幾十厘米,大煙囪的口可以達到幾米。噴發劇烈的噴溢口四周的沉積物也多,往往形成了小丘,高度有的高達100多米。其實,在海水衝擊的作用下,煙囪的高度很難無限升高。尤其那些長年不活動的噴溢口,煙囪往往經不住海水的衝擊而垮塌。

2 黑煙囪 -形成原因

黑煙囪海底「黑煙囪」是20世紀海洋科學最重大發現

黑煙囪的形成主要與海水及相關金屬元素在大洋地殼內熱循環有關。由於新生的大洋地殼溫度較高,海水沿裂隙向下滲透可達幾公里,在地殼深部加熱升溫,溶解了周圍岩石中多種金屬元素后,又沿著裂隙對流上升並噴發在海底。由於礦液與海水成分及溫度的差異,形成濃密的黑煙,冷卻后在海底及其淺部通道內堆積了硫化物的顆粒,形成金、銅、鋅、鉛、汞、錳、銀等多種具有重要經濟價值的金屬礦產。目前,世界各大洋的地質調查都發現了黑煙囪的存在,並主要集中於新生的大洋地殼上。

3 黑煙囪 -發現歷史

1871年,達爾文在一封信里這樣寫道:「生命最早很可能在一個熱的小的池子裡面。」後來,這個「熱的小池子」被稱做「原始湯」。但是由於當時條件限制,對於「原始湯」的研究一直沒有進展。直到100多年之後的1977年,美國科學家在加拉巴戈斯群島海底找到了它。海底「黑煙囪」的發現及其研究是全球海洋地質調查近幾十年取得的最重要的科學成就。

黑煙囪黑煙囪

1977年,美國「阿爾文號」深潛器潛到了加拉巴戈斯群島深海,在那裡測得深層海水高達8攝氏度,同時海底出現白色的巨型蛤類。這種反常的現象引起專家們的關注,到了1979年,「阿爾文號」又重新來到這裡,並且還帶了很多生物學家一同前往。正是這次的研究,揭開了「深海熱液生物群」的神秘面紗。

科學家們發現,海底熱液帶出大量硫化物,遇水冷卻后形成巨大的「黑煙囪」,約350℃的含礦熱液從直徑約15厘米的煙囪中噴出,與周圍海水混合后,很快產生沉澱變為「黑煙」,沉澱物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅-鐵硫化物組成。

2009年10月中國自主研製的水下機器人「海龍2號」在東太平洋海隆海底發現罕見巨大「黑煙囪」並成功取樣,中國「大洋一號」科考船於10月23日使用「海龍2號」太平洋赤道附近洋中脊擴張中心,找到高26米、直徑約4.5米的巨大「黑煙囪」,並獲約7公斤「黑煙囪」噴口的硫化物樣品。

4 黑煙囪 -科學研究

自1977年後30年裡,科學家在世界各地的大洋海底相繼發現海底熱液和「黑煙囪」,包括台灣東北角的龜山島。並在「黑煙囪」旁發現很多生物,形成與人們常識迥異的生物群和食物鏈。最具有代表性的生物是3米長的管狀蠕蟲,這類蠕蟲沒有口腔和肛門,靠體內的硫細菌供給營養。個體大有利於一次性大量取食,也有利於迅速運動到達食物源,能夠忍耐長期飢餓。黑煙囪與含礦液體的運移通道共同組成了金屬硫化物的成礦環境,並可以在地層中保留下來,成為研究當時古大洋環境的重要樣本。

黑煙囪黑煙囪的發現

同時,大量的海底調查研究發現,在海底黑煙囪周圍廣泛存在著古細菌,這些古細菌極端嗜熱,可以生存於350℃的高溫熱水及2000-3000米的深水環境中,為古老生命的孑遺。黑煙囪噴出的礦液溫度可高達350℃,並含有CH4、CN等有機分子,為非生物有機合成,如此環境可以滿足各類化學反應,有利於原始生命的生存。科學研究表明只有地球早期的環境才與此類似,科學家們為此提出了原始生命起源於海底黑煙囪周圍的理論,認為地球早期水熱環境和嗜熱微生物可能非常普遍,地球早期的生命可能就是嗜熱微生物。

世界各地在對不同時代古大洋地質記錄(蛇綠岩)進行廣泛的調查時,先後在日本、德國、美國、加拿大等地找到了古海底黑煙囪的殘片及相關塊狀硫化物。但是,大多數硫化物的時代很少大於6億年,老於25億年古海底黑煙囪記錄還不多見,儘管在加拿大和澳大利亞發現了26億-27億年前的金屬硫化物礦產,但尚無海底黑煙囪殘片的報道。

5 黑煙囪 -生物學意義

黑煙囪黑煙囪

「黑煙囪」附近生物鏈的生存環境,與太古代生命起源時期類似。太古代時期沒有綠色植物,沒有光合作用產生的大量氧氣。此外,光合作用也可能起源於熱液的「 黑煙囪」。科研人員在大西洋深海的「黑煙囪」,發現有一種蝦的背上有感光區,能夠感知藍綠光線。另外,美國科學家在5000米深的海底曾關閉深潛器燈光5 分鐘,在熱液口發現光線。「這種光顯然被最早的某一種生物利用了,這個時候光合作用效率高的優越性就顯示出來了,把生物的演化往前推進。由此,科學家預測生命的起源很可能就是從海底的『黑煙囪』開始的。」

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