[科普中国]-海底热泉

海底热泉是指海底深处的喷泉，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。1979年，美国科学家比肖夫博士首次在太平洋2500米接近海底时，看到这一奇异的景象：蒸汽腾腾，烟雾缭绕，烟囱林立。经过仔细观察发现在"烟囱林"中有各种生物生存。

简介实际上，海底热泉的活动并不一定形成烟囱。早在20世纪60年代，科学家们在红海发现了许多奇异的现象，比如水温和盐度偏高，接着就出现了高温卤水。1967年，在一处海渊中发现了在热泉周围形成的海底多金属软泥。从此，揭开了人类研究现代热液矿产资源的新篇章。1988年，我国科学家与德国科学家联合考察了马里亚纳海沟。

他们通过海底电视看到，在水下3700米左右的海底岩石上有枯树桩一样的东西，它高2米，直径50到70厘米不等，周边还有块状、碎片状和花朵状的东西，在这些喷溢海底热泉的出口处，沉淀堆积了许多化学物质，他们采集了1000公斤的岩石样品，主要是黄褐色，间杂黑色、灰白色、蓝绿色。经过化学分析和鉴定，人们确认这就是海底热泉活动的残留物，叫做烟囱。它们大多是硫化矿物。除了大量铜、锌、锰、钴、镍外，还有金、银、铂等贵重金属。更加令人吃惊的是，在那些活动热泉附近，甚至聚集了大量的人类不曾认识的新生物物种。这些，都需要今后人类的艰苦努力去探索。1

发现过程1977年，美国“阿尔文”号深潜器再次对位于太平洋东部的附近洋底进行考察。这个由13个大岛及数百个小岛组成的群岛，全是由火山喷发的熔岩堆积而成的，形成时间不到200万年，其中大部分都只有100万年左右，从海上看，各岛都耸立着一座座高大的火山堆，有的还不时发出低沉的轰鸣声。踏上一些岛后，还会看到地上布满了黝黑色的玄武岩。整个加拉帕戈斯群岛共有大小火山口2000多个，并且相当规律地排列在纵横交错的断裂纹上，大约每隔35千米一个。

这些群岛上如此众多的火山，早就引起了地质学家和海洋科学家的注意。后来他们才知道：原来这些岛屿正好位于东太平洋洋隆中大裂谷的附近，这里因太平洋板块的移动而被撕裂成许多巨大的裂谷和许多小断裂，地球深部地幔柱的炽热岩浆和上地幔对流活动从裂谷和断裂处不断地向上喷涌岩浆，形成了座座火山，散布在太平洋上，构成加拉帕戈斯群岛，并且发现了最为壮出的海底热泉。

形态特征位于北纬21度附近的东太平洋隆起的脊轴上的热泉，在一条长7千米、宽约200-300米的狭长型条状区，分布有25个以上的热泉“烟囱”，各“烟囱”的热泉温度变化各异。其中东北段热泉新喷出的水温较低，为5-20℃，水质也较清流澈，因而此处生物繁茂。而西南段喷口新喷出的水温较高，有的竟达400℃左右，水质中所含成分十分复杂，致使喷口处形成了块状硫化物堆积。堆积物将喷口围成1-5千米高的圆形状，形成“黑烟囱”。后经分析发现“黑烟囱”喷出的水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，。在部分“烟囱”顶端所采的样品中，主要由闪锌矿、黄铁矿和黄铁矿在带交替组成。海底热泉的发现，成为20世纪科学领域中最重要的事件之一。2

神奇之处海底热泉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℃左右。大西洋的大洋中脊裂谷底，其热泉水温度最高可达400℃。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。

海底热泉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。

产生原因经分析发现“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”。海底热泉为什么出现在大洋中脊呢？原来，洋中脊是多火山多地震区，岩石破碎强烈，海水能通过破碎带向下渗透，渗入的冷海水受热后，以热泉形式从海底泄出。在冷海水不断渗入、热海水不断排出的循环过程中，洋底玄武岩中铁、锰、铜、锌等元素溶于热海水中，成为富含金属元素的热液而喷涌出来。由于洋中脊是大洋板块的分离部位，那里的岩石圈地壳最薄弱，因此又是地幔柱最好的突破口。热泉水带上来的物质多金属硫化物或氧化物，它们沉淀在热泉喷口周围，形成具有经济价值的“热液矿床”。

海底热泉的发现与研究，打破了人们对深海大洋的传统看法，在认识海洋、开发海洋方面提出了一系列新的问题。在地质学方面，海底热泉是人们能够看到的海水在洋壳里不断循环的现象。3

生命起源对于生命是最先诞生于地球表面，还是起源于海洋底部的热泉，科学界仍在争论。24日出版的英国《自然》杂志刊载的美国科学家的一项新成果，为海底热泉生命起源说提供了新证据。

早在本世纪20年代，科学家就提出在出现生命前的原始海洋里存在有机分子构成的原始汤。经过多年探索，科学家们认识到氨基酸是构成有机体的最主要成分，而氮又是构成氨的基本成分，因此氮怎样转变成氨就成为生命起源过程中必要的一步。

美国华盛顿卡内基研究所地球物理实验室黑普及其同事在《自然》杂志上介绍说，他们进行的实验发现，在高温和高压下利用金属矿物质作为催化剂，氮分子可以与氢发生还原反应生成由一个氮原子和三个氢原子组成的具有活性的氨分子。黑普等在研究中发现，如果以金属矿物质作为催化剂，氮分子还原生成氨分子的条件为温度300至800℃，压力为0.1至0.4千兆帕斯卡，而这些条件正是早期地壳和海底热泉系统的典型特征。

研究人员指出，作为生命起源的前奏，氮分子向氨分子的转换过程很可能发生在大量溶解了矿物质的海底热泉周围。而一个富含氨分子的环境比一个氮分子占主导的环境，能更有效地满足早期生命起源对氮元素的需求。另外黑普等在研究中还发现，在800℃以上的环境下，氮元素只有以分子形式存在才能保持稳定，从而排除了早期地球大气中大量产生氨分子的可能。因为在地球形成的早期，由于小行星的撞击，地球表面温度要超出800℃。

研究人员推测说，海底热泉在地球早期如果能够产生足够的氨分子，通过海洋与大气的水和气体交换，氮分子占主导的早期地球大气中氨分子会逐渐增多。由于氨属于温室气体，能够对地球表面起到保暖作用，这同时也解释了为什么在当时太阳能量不足的情况下，地球上的海洋仍能保持液态。

周边奇特生物概况不同纬度、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。

在一九七九年以前，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。但是一九七九年，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。二零零零年十二月四日，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。

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。

依照研究热泉生物的了解，它们的生长速度非常快。以贝壳来说，由于它们是滤食性动物，会有鳃、消化系统及进出水口器官；可是海底热泉的贝壳不一样，它们消化系统及进出水口已经呈退化现象，海底细菌则会住在它们的鳃里面，等到繁殖多了，就会被贝体利用，于是贝壳的生长速度也变得非常有效率。

庞贝蠕虫原始细菌可以在比我们能想象到的更加恶劣的环境中生存。但高等一些的生命对环境都相当挑剔，有谁听说除某些细菌以外还有哪种生物能耐百度的高温？可科学家惊讶地发现，地球上还真有这样的生物存在！

在东太平洋海底，那儿有一条长长的地壳活动带，发现有许多的海底热泉。有些热泉在冒出地面时会在出口处形成烟囱似的石柱。从“石头烟囱”里冒出来的热液，温度常能超过百度。就是在这样的沸水环境里，在这些冒着沸水的烟囱外壁上，生活着一种毛绒绒的软体动物，专家们叫它为“庞贝蠕虫”(Alvinella pompejana)。它们用分泌物自石头烟囱的岩基上堆起一条细长的管子，就像珊瑚虫一样，身体就蛰居在里面，生物学家们通过水下仪器及电视看到，这些蠕虫有时会爬出管居而在四周游荡。经测量，那里的中心水温高达105℃，但专家们仍不敢相信，像蠕虫这样高级的动物，竟能生活在如此的高温环境之中。他们想，也许庞贝蠕虫有一种特殊的隔热本领，就像消防服和宇航服那样能保护身体免受高温或真空环境的伤害。可是研究表明，庞贝蠕虫并没有这样的天然防护机能。于是又想到，或许地下热液直窜上方，对周围并没有造成太高的温度，就像冬季烤火，在铁皮烟囱管周围稍远一点，就不会感到太明显的热度一样。2

研究发现1995年11月至1996年4月，美国生物专家利用著名的深海潜水器“阿尔文”号下潜到海底，仔细查看了3根冒着热液的“海底烟囱”：它们高5-7米，外壁上密密地长满了庞贝蠕虫的白色石管，观察人员用一根特制的温度计伸进石管测量了温度，结果发现，在管口温度是20～24℃，而在管底，也就是贴在烟囱壁处的石底部为62～74℃，最高值测到81℃。于是了解到，这种体长6-8厘米的蠕虫，居然生活在头尾温差高达40～50℃（最高达到60℃）的管子里。这还不算，蠕虫们还时不时地来到“室外”，在离它们的“居室”约1米的范围内游荡，而在1米处的水温已接近海底冷水，只有2℃左右。作为对照，专家们还测量了已被遗忘的空石管，这些空管，口、底的温度与有蠕虫生活的“居室”并无二致。证明这些庞贝蠕虫既没有自身的“隔热服”，也没有什么“用冷却水”降温的本领，它们确确实实地既不怕热也不怕冻，是目前所知地球上最耐高温、最耐温差的动物。

在庞贝蠕虫发现之前，公认为最耐热的动物是生活在撒哈拉大沙漠的一种蚂蚁(Cataglyphis)，那里白天的温度有55℃，可与庞贝蠕虫相比还差得远呢！这种蠕虫的生存能力还不仅在温度一项，在那种热液泉的环境里，海水中有高浓度的有毒硫化物和重金属元素。

那么庞贝蠕虫以什么为食呢？原来它与珊瑚虫一样，是一种共栖动物，与它“相依为命”的还有一种丝状细菌，它们依存在蠕虫的背部，蠕虫为细菌提供培养基并保持细菌周围的水不断地更新，蠕虫则依靠细菌的分泌物为生。科学家们正以极大的兴趣对它们进行深入的研究，或许能从中得到有益于人类的某种启发。

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院