黑煙囪是什么？“黑煙囪”是指海底富含硫化物的高溫熱液活動區(qū)，因熱液噴出時形似“黑煙”而得名。噴溢海底熱泉的出口，由于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淀下來，尤其是噴溢口的周圍連續(xù)沉淀，不斷加高，形成了一種煙囪狀的地貌，叫做黑煙囪。
黑煙囪的簡介
噴溢海底熱泉的出口往往能夠形成黑煙囪。由于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淀下來，尤其是噴溢口的周圍連續(xù)沉淀，不斷加高，形成了一種煙囪狀的地貌。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(fā)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，在海水沖擊的作用下，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(jīng)不住海水的沖擊而垮塌。
黑煙囪的成因
黑煙囪的形成主要與海水及相關(guān)金屬元素在大洋地殼內(nèi)熱循環(huán)有關(guān)。由于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，溶解了周圍巖石中多種金屬元素后，又沿著裂隙對流上升并噴發(fā)在海底。由于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(nèi)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(jīng)濟價值的金屬礦產(chǎn)。世界各大洋的地質(zhì)調(diào)查都發(fā)現(xiàn)了黑煙囪的存在，并主要集中于新生的大洋地殼上。
黑煙囪的生物
黑煙囪四周有種類和數(shù)量都十分豐富的海洋生物。一般深海的溫度只有0℃，而海底熱泉活動頻繁的黑煙囪附近水溫卻高達350℃到400℃。據(jù)推算，水深每增加10米，水壓就會增大1個大氣壓，好比在水深4000米的海底，一個成年人身上要承受上百噸的壓力。在這樣惡劣的環(huán)境下，怎么可能還有生物呢？為了解開這個謎，科學家們進行了艱苦卓絕的探索。1980年，日本科學家乘坐考察船在太平洋加拉帕戈斯群島附近考察，在一個海淵里90℃的熱水中，發(fā)現(xiàn)了僵死的細菌。科學家們繼續(xù)下潛探察細菌的來源，在2650米深處，發(fā)現(xiàn)了活動力極強的細菌。而這里的水溫為250℃，水壓為2700萬帕斯卡。原來，那些90℃的熱水中發(fā)現(xiàn)的僵死細菌，是被熱水推到水深較淺的水域"凍死"的或者是忍受不了內(nèi)部的壓力"爆炸"而死的。
黑煙囪的礦產(chǎn)
現(xiàn)代海底的黑煙囪的研究始于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采得由黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦組成的硫化物。1979年又在同一地點約2610～1650米的海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個冒著黑色和白色煙霧的煙囪，約350℃的含礦熱液從煙囪中噴出，與周圍海水混合后，產(chǎn)生沉淀變?yōu)?ldquo;黑煙”，沉淀物主要由磁黃鐵礦、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”。
黑煙囪的科考
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里面。”后來，這個“熱的小池子”被稱做“原始湯”。但是由于當時條件限制，對于“原始湯”的研究一直沒有進展。直到100多年之后的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(fā)現(xiàn)及其研究是全球海洋地質(zhì)調(diào)查近幾十年取得的最重要的科學成就。
1977年，美國“阿爾文號”深潛器潛到了加拉巴戈斯群島深海，在那里測得深層海水高達8攝氏度，同時海底出現(xiàn)白色的巨型蛤類。這種反常的現(xiàn)象引起專家們的關(guān)注，到了1979年，“阿爾文號”又重新來到這里，并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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生沉淀變?yōu)?ldquo;黑煙”，沉淀物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅-鐵硫化物組成。
2009年10月中國自主研制的水下機器人“海龍2號”在東太平洋海隆海底發(fā)現(xiàn)罕見巨大“黑煙囪”并成功取樣，中國“大洋一號”科考船于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”，并獲約7公斤“黑煙囪”噴口的硫化物樣品。
自1977年后30年里，科學家在世界各地的大洋海底相繼發(fā)現(xiàn)海底熱液和“黑煙囪”，包括臺灣東北角的龜山島。并在“黑煙囪”旁發(fā)現(xiàn)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(nèi)的硫細菌供給營養(yǎng)。個體大有利于一次性大量取食，也有利于迅速運動到達食物源，能夠忍耐長期饑餓。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(huán)境，并可以在地層中保留下來，成為研究當時古大洋環(huán)境的重要樣本。
大量的海底調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，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，可以生存于350℃的高溫熱水及2000－3000米的深水環(huán)境中，為古老生命的孑遺。黑煙囪噴出的礦液溫度可高達350℃，并含有CH4、CN等有機分子，為非生物有機合成，如此環(huán)境可以滿足各類化學反應(yīng)，有利于原始生命的生存。科學研究表明只有地球早期的環(huán)境才與此類似，科學家們?yōu)榇颂岢隽嗽忌鹪从诤５缀跓焽柚車睦碚摚J為地球早期水熱環(huán)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(zhì)記錄（蛇綠巖）進行廣泛的調(diào)查時，先后在日本、德國、美國、加拿大等地找到了古海底黑煙囪的殘片及相關(guān)塊狀硫化物。但是，大多數(shù)硫化物的時代很少大于6億年，老于25億年古海底黑煙囪記錄還不多見，盡管在加拿大和澳大利亞發(fā)現(xiàn)了26億－27億年前的金屬硫化物礦產(chǎn)，但尚無海底黑煙囪殘片的報道。
“黑煙囪”附近生物鏈的生存環(huán)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(chǎn)生的大量氧氣。此外，光合作用也可能起源于熱液的“黑煙囪”。科研人員在大西洋深海的“黑煙囪”，發(fā)現(xiàn)有一種蝦的背上有感光區(qū)，能夠感知藍綠光線。另外，美國科學家在5000米深的海底曾關(guān)閉深潛器燈光5 分鐘，在熱液口發(fā)現(xiàn)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(yōu)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。”
