[科普中国]-深海热液喷口

发现过程

1979年阿尔文号在东太平洋洋中脊深度约2610-1650 m的海底熔岩上首次发现数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，以及附近的铜、铁、锌硫化物堆积形成的丘体，并观察到约200-400℃的含矿热液从直径约15 cm的烟囱中以每秒几米的速度喷出。

后来在其他大洋（大西洋、印度洋、北冰洋、红海）、西太平洋弧后盆地也发现了许多黑烟囱及其热液硫化物，其中以东太平洋洋隆和大西洋洋脊的黑烟囱研究程度最高，并开展了浅部钻探。近期又在深水湖泊（东非裂谷、贝加尔）或海湾（新西兰、希腊）底部也发现黑烟囱及其金属硫化物。

2013年，英国科学家在加勒比海的开曼海沟，深达5000m的海底一个未曾探测过的区域，发现了一系列热液喷口。是目前发现的最深的海底热液喷口。1

“烟囱”海底“烟囱”主要集中于新生大洋地壳（如洋中脊和弧后盆地扩张中心）上，常出现于洋脊轴部地堑或转换断层与洋脊交汇的位置。根据海底热液温度及喷出的矿物成分，一般将海底热液“烟囱”划分为：

1、黑烟囱，热液温度为320-400℃ ，以硫化物为主；

2、白烟囱，热液温度为100-320℃，以硫酸盐(重晶石、硬石膏)、非晶质SiO2及闪锌矿为主；

3、低温喷口，热液温度低于100℃，主要为碳酸盐或非晶质SiO2。2

在深海底部，沿着地壳裂隙，约200-400℃的含矿热液从直径约15 cm的烟囱中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（约2℃）混合后，很快产生沉淀变为“黑烟”（由极细粒灰色磁黄铁矿、闪锌矿、黄铁矿颗粒组成）或“白烟”（极细粒的SiO2、氧化钡、黄铁矿），沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜-铁硫化物组成。

黑烟囱主要地质特征1、几何形态与通道构造：烟囱通道直径为数厘米到两米；高度变化较大，从数厘米到数十米。最高的黑烟囱出现于东太平洋，达50 m。烟囱上部常形成树枝状形态，保留喷口构造。烟囱合并或分支现象非常普遍，常见多个烟囱聚集形成复杂形态，或一个烟囱内部由多个次级烟囱或多孔硫化物组成。中央普遍保留一个或多个通道构造，通道有时被后期矿物充填。

2、矿物成分、结构和构造分带：在水平切面上，黑烟囱常显示特征的同心圈状或复杂的矿物分带现象。烟囱表面主要矿物为硫化物、碳酸盐(文石、方解石)、硅质以及硫酸盐(重晶石)等。烟囱外壁由硬石膏、石膏和硫酸镁或白铁矿和黄铁矿组成。烟囱外壁多孔构造发育，多为细粒结构，淬火作用形成树枝状矿物集合体。蜂窝状管壁上常沉淀非晶质二氧化硅。内壁常由粗粒闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿组成，板状矿物垂直内壁生长，呈同心状向外放射状排列。通道中央普遍充填或镶边有黄铜矿或磁黄铁矿，通道周围矿物交代重结晶也非常普遍。

3、矿物成分：主要由铜、锌、铁、铅硫化物、重晶石、硬石膏、铁氧化物、非晶质二氧化硅、碳酸盐组成，各种矿物组成的比例可以变化很大。黑烟囱中的黄铁矿、白铁矿常早于黄铜矿和磁黄铁矿结晶。磁黄铁矿和黄铜矿常发育于通道核部或内壁。硫化物角砾或烟囱残片常出现于烟囱基座或喷口周围。白烟囱外壁主要由重晶石和少量闪锌矿、硬石膏组成，内壁出现黄铜矿。

4、特征构造：海底硫化物丘体和黑烟囱表层的硫化物矿石常显示多孔构造，并充填硫化物（自形白铁矿和黄铁矿）或硫酸盐。多孔构造与海水溶蚀有关。在显微尺度下，硫化物常见胶体构造、原生条带、树枝构造、镶边构造及晶洞构造等。烟囱常保留通道构造，周围出现烟囱残片或各种同沉积滑塌构造。

黑烟囱形成条件1、合适的构造环境，具备浅层次的下伏岩浆侵入体热源或较高的地热梯度；地表形成伸展洼地，以保存硫化物堆积。

2、热液沿一定的通道（断层或裂隙）集中地快速喷发，而不发生渗流。高渗透性围岩有利于海水下渗。

3、快速沉积埋藏或致密盖层可以保持流体聚集成矿，以及不被氧化破坏。4、新生洋壳或裂谷环境均为有利成矿构造环境。

黑烟囱形成机制黑烟囱形成过程中，首先是烟囱外壁的形成，通过高温热液与海水混合快速沉淀硫酸盐或硫化物，喷发的黑烟物质也主要沉积在喷口附近。随着烟囱外壁及丘体的生长，热液开始逐渐与海水分隔，两者物理化学交换减弱，热液在相对封闭条件下活动，烟囱内壁及通道内部开始形成，并由结晶温度较高的硫化物矿物组成。通道内热液持续活动，发生重结晶或矿物生长。热液还可能发生幕式活动及温度变化，随后结晶或充填较低温矿物。当通道被充填或阻塞时，流体可能改变通道，而沿其他裂隙喷出或爆破形成新的通道。当热液活动停止，烟囱将发生垮塌，堆积形成丘体，并在丘体内持续沉淀结晶硫化物，而表面发生渗流作用。

黑烟囱的形成一般解释为海水及相关金属元素在大洋地壳内的水-热循环。由于新生洋壳温度较高，海水沿新生洋壳冷却或扩展形成的裂隙向下渗透可达几公里，在地壳深部岩浆房附近加热升温后，淋滤并溶解硫和多种金属元素（铜、锌、铁、金），又沿着其他裂隙对流上升并喷发到海底。由于矿液（200-400℃）与周围海水（2℃）成分及温度的巨大差异，热液快速沉淀，形成粒度细小的硫化物和硫酸盐，表现为形成浓密的黑烟或白烟。在海底喷口附近及热液通道浅部沉淀这些硫化物颗粒或矿脉，并构成具有重要经济价值的多金属（铁、铜、锌、铅、汞、钡、锰、银等）矿产。2

海底矿产海底黑烟囱周围的硫化物矿体具富集程度高、贵金属含量高、成矿过程快的特点。因此，黑烟囱形成大量具有经济价值的矿产，包括多种硫化物（黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等），还有大量的硫酸盐（重晶石、硬石膏）。

目前，已在海底发现许多达百万吨级以上规模的金属硫化物，如东太平洋的加拉帕格斯黑烟囱丘体的经济价值就达到了39亿美元。一些发达国家已开始了在西南太平洋深海黑烟囱矿产开发的勘察研究。

另外，在西南太平洋劳海盆中黑烟囱上发现原生自然金颗粒，在新西兰海湾的热液喷口还发现天然水银等。

海洋生物资源黑烟囱周围出现丰富的生物类型，特别是极端环境下的高温微生物，以其独特的生物多样性和极高生存密度，成为未来宝贵的生物基因和医药资源，具有难以估价的生物化学和医学价值，它们远超过了黑烟囱的地质矿产价值。

黑烟囱与生命起源深海环境一直被认为是生命的禁区，因为缺乏食物来源。然而，在世界各地深海底黑烟囱喷口周围，发现繁荣的生物群落。其中，黑烟囱周围高温环境广泛存在古菌(Archaea)，基因组测序表明，它们为古老生命的孑遗，是靠近生命源头的共同祖先。

地球早期由于缺乏富氧气大气圈的保护，经历强烈陨石轰炸(38亿年前)。另外，早期大气圈中CO2含量很高，产生温室效应，地表火山活动强烈，并有强烈紫外线辐射，均使地表不适合生物生存。而深海可能是最安全与合适的生存环境，海底广泛的热水活动，非常类似现今大洋底部黑烟囱周围的环境。现代深海极端嗜热的古细菌和甲烷菌代表最原始的古老生命，并以化学无机自养为代谢方式。

上述研究均支持生命起源于海底黑烟囱的理论，早期生命的祖先可能就是嗜热微生物。这一理论目前被科学界广泛接受，并持续开展深入研究。