[科普中国]-黑烟囱

“黑烟囱”是指海底富含硫化物的高温热液活动区，因热液喷出时形似“黑烟”而得名。喷溢海底热泉的出口，由于物理和化学条件的改变，含有多种金属元素的矿物在海底沉淀下来，尤其是喷溢口的周围连续沉淀，不断加高，形成了一种烟囱状的地貌，叫做黑烟囱。

简介喷溢海底热泉的出口往往能够形成黑烟囱1。由于物理和化学条件的改变，含有多种金属元素的矿物在海底沉淀下来，尤其是喷溢口的周围连续沉淀，不断加高，形成了一种烟囱状的地貌。烟囱高低粗细各不相同，高的可以达到一百多米，矮的也有几米到几十米。烟囱的直径因喷溢口的大小而不同，小烟囱的口一般只有几十厘米，大烟囱的口可以达到几米。喷发剧烈的喷溢口四周的沉积物也多，往往形成了小丘，高度有的高达100多米。其实，在海水冲击的作用下，烟囱的高度很难无限升高。尤其那些长年不活动的喷溢口，烟囱往往经不住海水的冲击而垮塌。

成因黑烟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。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。

生物黑烟囱四周有种类和数量都十分丰富的海洋生物。一般深海的温度只有0℃，而海底热泉活动频繁的黑烟囱附近水温却高达350℃到400℃。据推算，水深每增加10米，水压就会增大1个大气压，好比在水深4000米的海底，一个成年人身上要承受上百吨的压力。在这样恶劣的环境下，怎么可能还有生物呢？为了解开这个谜，科学家们进行了艰苦卓绝的探索。1980年，日本科学家乘坐考察船在太平洋加拉帕戈斯群岛附近考察，在一个海渊里90℃的热水中，发现了僵死的细菌。科学家们继续下潜探察细菌的来源，在2650米深处，发现了活动力极强的细菌。而这里的水温为250℃，水压为2700万帕斯卡。原来，那些90℃的热水中发现的僵死细菌，是被热水推到水深较浅的水域"冻死"的或者是忍受不了内部的压力"爆炸"而死的。

矿产现代海底的黑烟囱的研究始于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℃的含矿热液从烟囱中喷出，与周围海水混合后，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”。

科考1871年，达尔文在一封信里这样写道：“生命最早很可能在一个热的小的池子里面。”后来，这个“热的小池子”被称做“原始汤”。但是由于当时条件限制，对于“原始汤”的研究一直没有进展。直到100多年之后的1977年，美国科学家在加拉巴戈斯群岛海底找到了它。海底“黑烟囱”的发现及其研究是全球海洋地质调查近几十年取得的最重要的科学成就。

1977年，美国“阿尔文号”深潜器潜到了加拉巴戈斯群岛深海，在那里测得深层海水高达8摄氏度，同时海底出现白色的巨型蛤类。这种反常的现象引起专家们的关注，到了1979年，“阿尔文号”又重新来到这里，并且还带了很多生物学家一同前往。正是这次的研究，揭开了“深海热液生物群”的神秘面纱。

科学家们发现，海底热液带出大量硫化物，遇水冷却后形成巨大的“黑烟囱”，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。

2009年10月中国自主研制的水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆海底发现罕见巨大“黑烟囱”并成功取样，中国“大洋一号”科考船于10月23日使用“海龙2号”太平洋赤道附近洋中脊扩张中心，找到高26米、直径约4.5米的巨大“黑烟囱”，并获约7公斤“黑烟囱”喷口的硫化物样品。2

自1977年后30年里，科学家在世界各地的大洋海底相继发现海底热液和“黑烟囱”，包括台湾东北角的龟山岛。并在“黑烟囱”旁发现很多生物，形成与人们常识迥异的生物群和食物链。最具有代表性的生物是3米长的管状蠕虫，这类蠕虫没有口腔和肛门，靠体内的硫细菌供给营养。个体大有利于一次性大量取食，也有利于迅速运动到达食物源，能够忍耐长期饥饿。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。

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。

“黑烟囱”附近生物链的生存环境，与太古代生命起源时期类似。太古代时期没有绿色植物，没有光合作用产生的大量氧气。此外，光合作用也可能起源于热液的“黑烟囱”。科研人员在大西洋深海的“黑烟囱”，发现有一种虾的背上有感光区，能够感知蓝绿光线。另外，美国科学家在5000米深的海底曾关闭深潜器灯光5 分钟，在热液口发现光线。“这种光显然被最早的某一种生物利用了，这个时候光合作用效率高的优越性就显示出来了，把生物的演化往前推进。由此，科学家预测生命的起源很可能就是从海底的‘黑烟囱’开始的。”

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学