作者：孙美静、刘杰
编辑：小柒
烟囱给大家留下的印象，大概是一根根平地高耸、不断产生黑色或白色浓烟的空心大柱子。然而，自然界里存在着一种天然的、不断喷涌“浓烟”的“烟囱”，它们非常壮观，但对普通人来说可能一辈子都没机会亲眼看到。
冒着浓烟的工厂烟囱。图片来源：pixabay
初识“黑烟囱”
这样的“烟囱”被称为 深海热液喷口 ，它们是深藏海底的 热泉，近 似于陆地上的天然温泉。当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，就形成了“烟囱”一样的深海热液喷口。
黑烟囱形成机制示意图。图片来源：Wikipedia
就像人类工厂的烟囱一样，海底的“烟囱”也会冒出不同颜色的“烟”。根据海底热液温度及喷出的矿物成分的不同，一般将海底热液烟囱划分为 黑烟囱 、 白烟囱 和 低温喷口 。
东太平洋发现的黑烟囱（左图）， 马里亚纳海海沟西北部Eifuku 火山附近的白烟囱(右图)。 图片来源：www.thirteen.org（ 左图 ）， Wikipedia（右图）。
海底“黑烟囱”，通常位于大洋中脊这样热液活动的区域，在300-400℃海水温度下形成。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。
1979年，科学家在加拉帕戈斯群岛（就是促使达尔文获得生命进化论灵感的那个地方！）首次发现了海底“黑烟囱”。当时，美国的阿尔文号（ Alvin ）载人深潜器正在该岛附近深度约1 650—2 610m的海底进行探测，突然发现数十个冒着黑色和白色烟雾的液流喷涌而出，蔚为壮观。在此之后，科学家们在大西洋、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。
全球热液喷口位置分布。图片来源：国际大洋中脊协会网站
科学家发现，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。许多古老的“黑烟囱”分布有限、标志不明显，因而十分难被发现，至今在深海发现的古热液区数量也及其有限。
2018年5月我国科学家有幸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。
中国科考队首次在南海发现的古热液烟囱。图片来源：同济大学
黑烟囱写真神器——深潜器
想要直接观察海底“黑烟囱”也没那么简单，需要借助非常先进的技术手段、潜水和取样设备。而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。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，目前包括美国、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，刚刚服役没几年的“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，阿尔文号已经进行过近5000次下潜，是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。
从1964年到如今，几经变迁的Alvin号潜水器。图片来源：我是科学家演讲
日本19 89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。
日本的深海6500载人潜水器。 图片来源：我是科学家演讲
我国虽 然在该领域起步较晚，但是后来居上。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。
说起蛟龙号，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，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“技能满满”的国之重器。
“蛟龙”号活跃在西北印度洋
“蛟龙”号拍摄的印度洋海底黑暗生态系统
“蛟龙号”拍摄的热液喷口照片
蛟龙号在黑烟囱上采集到的盲虾样品
图片来自中国国家海洋局网站海底的“开心农场”——黑矿养殖
黑烟囱虽说其貌不扬，却却能够喷“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，能够形成极具经济价值的矿产资源。科学家已在海底发现许多百万吨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，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。
近些年，一些发达国家开始探究一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新方向。
研发阶段的黑矿培养装置概念图
带套管的人工钻孔C0016B上黑矿培养情况照片
图片来源：日本海洋科学与技术中心网站黑烟囱的“生命绿洲”
然而，黑烟囱的神秘之处远不止于此——在这个没有阳光照射、了无生机的深海中， 黑烟囱海底创造出一个神秘的“生命绿洲” 。这里的“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。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，它们身上有若干嗜硫细菌。作为热液生态系统的源头，这些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。
东斯科蒂海脊附近喷口上生长的藤壶群（右上角）和盲视雪蟹。图片来源：Wikipedia
尽管黑烟囱活动区的温度极高，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，生机盎然的黑烟囱成为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。
加拉帕戈斯裂谷周围的巨型管状蠕虫（ Riftia pachyptila ）。图片来源：Wikipedia
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，而硫氧化菌“吃”硫的特性，已经被应用在治理石油污染等环保领域。这些都远远超过了黑烟囱的地质矿产价值。
除此以外，黑烟囱也为生命起源的探索增加了新的认识。根据最新的研究发现，至少在37.7亿年前，远古时代的深海热液喷口及其周围就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。为揭开生命的起源，也有了重要的参考。
作者介绍：
1. 孙美静：国土资源部广州海洋地质调查局，工程师，长期从事海洋地质、构造地质、环境地质方面的调查研究工作。
2. 刘杰：中科院广州能源研究所，助理研究员，从事深水沉积、天然气水合物勘探等方面的研究工作
排版：毛毛
题图来源： pixabay
参考文献：
[1] Dodd M S, Papineau D, Grenne T, et al. Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates[J]. Nature, 2017, 543(7643):60-64. https://www.nature.com/articles/nature21377
[2] Nozaki T, Ishibashi J, Shimada K, et al. Rapid growth of mineral deposits at artificial seafloor hydrothermal vents[J]. Scientific Reports, 2015, 6:22163.
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[5] 李江海, 牛向龙, 冯军. 海底黑烟囱的识别研究及其科学意义[J]. 地球科学进展, 2004, 19(1):17-025.
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