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远古海底世界的模板(四)
更新时间:2024-04-19 04:25:29

海洋,地球资源的大宝藏,在陆地资源日益枯竭的今天,将越来越成为人类未来生产和生活的依靠。从海洋中引发的许多问题和思考,还促进了科学理论和技术的不断向前发展,如板块构造理论,就是在对海洋的研究中不断完善和发展起来的。自20世纪中期以来,大规模的海洋调查如大洋钻探计划的开展,深海观测技术如深潜器的应用,使得人类对海洋的研究无论从深度还是广度上,都得到了长足的进步。现代海底黑烟囱及其热液矿藏的发现,就是全球海洋地质调查近十年中取得的最重要的科学成就。

海底黑烟囱的发现

现代海底黑烟囱的研究开始于1977年,美国的阿尔文(Alrin)号载人深潜器上的地质学家在东太平洋洋中脊(北纬21°)地区发现了深海的生物世界,1978年又在洋中脊的轴部首次采得了由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年又在同一地点约1650~2610米深的海底熔岩上,发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟筒,以及附近由铜、铁、锌的硫化物堆积形成的丘体。约200℃~400℃的含矿热液从直径约15厘米的烟囱中喷出,与周围的低温海水(约2℃)混合后,很快产生沉淀变为“黑烟”,“黑烟”主要由极细粒灰色黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿颗粒组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱状圆丘,称为“黑烟囱”;而喷发“白烟”(由极细粒的二氧化硅、氧化钡、黄铁矿组成)的柱状圆丘,被称为“白烟囱”。此外还有一些泥烟囱等低温喷口,热液温度低于100℃,主要为碳酸盐或非晶质二氧化硅。

黑烟囱活动时间从几年至几百年,熄灭后将被海水溶蚀,并在重力作用下倒塌,在海底可以堆积形成大小如体育馆规模的硫化物角砾,而在丘体内部和地下将持续发生热液渗流和交代成矿作用。黑烟囱下伏丘体的寿命可达2万至5万年,随后被深海沉积或玄武岩埋藏覆盖或被海水氧化而消亡。

此外,在黑烟囱周围还发现了极端环境下生存的独特生物群落,它们区别于陆地和浅海已知的生命活动生态体系,主要由一些嗜热硫细菌,以及多毛类管状蠕虫、双壳类、腕足类、腹足类等无脊椎动物组成,形成了独特的“深海绿洲”。新发现的这些生物群落,是研究生命起源的理想环境。同时这些极端环境下的生物资源,还具有巨大的生物医学价值,人类可以从中提取高温酶,对于制药具有重大的意义。

海底黑烟囱周围的物理、化学、生物等环境,与地史时期(古生代)的海洋环境有着惊人的相似之处,可以说,现代的海底黑烟囱环境,就是远古水下世界的模板。对现代海底黑烟囱的研究极大地推动了对海底矿产资源的勘察,也加深了人们对陆地上金属硫化物成矿过程和机制的认识。现代海底黑烟囱还对全球气候变化、海水化学成分演化、大洋热平衡产生重要影响。神奇而富有魅力的海底黑烟囱,将随着科学技术的发展而逐步成为21世纪地球科学研究的重心。

海底黑烟囱的形成

科学家已在全球各大洋洋底发现约150余处黑烟囱及其硫化物丘体,主要位于海底1000~4000米深处,极少数位于浅海和湖泊中。现代的海底黑烟囱主要分布在大西洋、印度洋、红海以及日本海一些地区,目前还在南极的冰海之下发现了黑烟囱。另外,相对于洋中脊,广大的深海盆地尚是海底黑烟囱研究的巨大空白。近期在大西洋洋底新发现了一些热液丘体及其烟囱构造,距离大西洋中脊轴部15公里。它们主要由方解石、文石及水镁石组成,丘体高10~30米,顶部出现树枝状的烟囱,最高达60米,研究表明它们与较低温(40℃~75℃)的热液喷口有关。

在黑烟囱的形成过程中,首先是烟囱外壁的形成,高温热液与海水混合后,硫酸盐或硫化物快速沉淀形成烟囱外壁,喷发的黑烟物质也主要在喷口附近沉积。随着烟囱外壁及丘体的不断生长,热液开始与海水分隔,两者的物理化学交换逐渐减弱,热液在相对封闭条件下活动,烟囱内壁开始形成,出现了一些结晶温度较高的硫化物晶体(如黄铁矿、闪锌矿等)。通道内热液持续活动,发生重结晶或矿物生长,形成一些结晶程度较好的黄铜矿和磁黄铁矿。烟囱内的热液还可能发生多期活动及温度变化,随后由于热液供给的逐渐减少,通道内结晶或充填一些较低温矿物(如硅质、碳酸盐、重晶石等)。当通道被充填或阻塞时,热液流体可能改变方向,而沿其他裂隙喷出或爆破形成新的通道。当热液活动停止,烟囱在海水和重力的作用下将发生垮塌,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洋壳内的水-热循环。由于新生洋壳温度较高,海水沿新生洋壳中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,其中溶解了硫和多种金属元素(如铜、锌、铁、金等),又沿着其他裂隙对流上升并喷发到海底。黑烟囱的形成要求具备多种条件。首先是合适的构造环境,要求洋壳下具备岩浆侵入体热源或较高的地热梯度,洋底形成伸展洼地,以保存硫化物堆积。其次烟囱构造的形成还要求热液沿一定的通道(断层或裂隙)集中地快速喷发,而不发生渗流。最后,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。新生洋壳或裂谷环境均为有利于成矿的构造环境。

在海底喷口附近及热液通道浅部沉淀的这些硫化物颗粒,形成了许多具有重要经济价值的多金属(铁、铜、锌、铅、汞、钡、锰、银等)矿产。黑烟囱的成矿速度非常快,只要几年的时间,就可形成上百万吨级的矿藏,完全打破了地质成矿需要数百万甚至上亿年的传统观念,这对于传统地质学来说,也是一个巨大的冲击。

目前已在海底发现了许多达百万吨级以上的金属硫化物堆积,如东太平洋的加拉帕格斯黑烟囱丘体,其经济价值可达39亿美元,它们将成为人类21世纪重要的矿产资源之一。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,同时科学家还在西南太平洋劳恩海盆中的黑烟囱上发现原生自然金颗粒,在新西兰海湾的热液喷口发现了天然水银等,这些“喷金吐银”的海底黑烟囱更是成为关注的焦点。

海底黑烟囱周围的生物群落

海底黑烟囱除了为人类提供丰富的海底矿产资源外,更引人注目的是其周围出现的丰富的生物资源。这些生物资源以其独特的生物多样性和极高的生存密度,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学和医学价值,它们远远超过了黑烟囱的地质矿产对于人类的意义。

长期以来,深海环境一直被认为是生命的禁区,这里水深数千米,阳光无法到达海底,光合作用不能进行,生物缺乏食物来源。然而,在世界各地深海黑烟囱喷口周围,却都发现了密集的生物群落。在这些生态系统中新发现的生物种类已经达到10个门的500多个种属,它们依靠化能自养细菌(硫细菌和甲烷细菌)生存,形成独特的食物链,区别于浅海和陆地上依靠光合作用为基础生产力的食物链。主要生物有细菌、管状蠕虫、蛤、贻贝、虾、螃蟹、鱼等,它们构成化能自养的生态体系,各种生物之间形成复杂的共生现象。其中,黑烟囱周围高温环境广泛存在古生菌尤其引入注目,被科学家们称为生命的第三界。古生菌极端嗜热,可以生存于高温(80℃~120℃)、高压(2000~3000米水深)、有毒(硫化氢)的环境中。基因组测序表明,它们为古老生命的孓遗,是靠近生命源头的共同祖先。这些科学发现都极大地拓展了对生命现象的认识。

黑烟囱喷出的热水温度高达350℃,在海底高压下保持液态,它们与周围海水交换后形成350℃~0℃变化的温度梯度。喷出物质的浓度也从喷口附近向外渐变,并有大量的非生物有机合成原料(各种气体如二氧化碳、甲烷、硫化氢等),如此环境可以满足各类生物化学反应,有利于原始生命的生存。黑烟囱中排放的还原组分如硫化铁、硫化氢等,有利于微生物通过氧化作用获得所需的生物能,并通过对二氧化碳的固定获得碳元素,使海底喷溢气体变为生物化学能。随着活动烟囱熄灭,周围生物也很快死亡,证明是黑烟囱提供了生物必须的能量,同时硫化物在这些生物的代谢过程中具有重要意义。

地球早期由于缺乏富氧大气层的保护,经历过陨石强烈轰炸(约38亿年前)。另外,早期大气层中二氧化碳含量很高,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和最合适的生存环境。远古海洋广泛的热水活动,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,并以化能无机自养为代谢方式,可能代表了最原始的古老生命。这些研究成果均表明,原始生命很有可能是起源于海底黑烟囱周围,可能就是嗜热微生物,目前科学家正在对此进行持续深入的研究。

发现14亿年前的海底黑烟囱

在正常的海底条件下,黑烟囱形成后,仅在海底存在几千至几万年。低温而氧化的海水与硬石膏和硫化物之间在化学上存在不平衡;将使黑烟囱发生退变溶解,仅下部的块状硫化物和网脉带保留于地层中。为此,地史时期块状硫化物黑烟囱构造很少保留。海底地质观察也表明,随着热液活动的减弱和停止,海底黑烟囱也将逐渐瓦解和消亡,海底黑烟囱不断发生溶解和坍塌,最终只是形成各种硫化物角砾堆积。因此黑烟囱仅是成矿过程中短时的地质现象,在地史时期的块状硫化物内因而很少保留良好的黑烟囱。目前已在乌拉尔、塞浦路斯、爱尔兰、澳大利亚等地发现了一些地史时期的黑烟囱构造,主要保留于块状硫化物内,并且规模较小,可能代表较下部层次(刚开始发育的)的黑烟囱构造,明显不同于现代海底大规模黑烟囱。

但是,寻找地史时期的黑烟囱残片记录,并对其开展相关科学研究,却具有重要意义。黑烟囱构造为海底环境形成的块状硫化物矿床的特征构造,记录了高温流体与冷却海水之间的混合、冷却,以及快速结晶形成硫化物及硫酸盐的过程,是研究地史时期成矿作用、古大洋环境及热液活动的重要样本。黑烟囱周围还可能保留极端环境下形成的生物化石,对于研究生命起源也具有重要价值。为了寻找到地史时期的黑烟囱残片,在查阅大量地质资料的基础上,我国北京大学地球与空间科学学院的研究组首先把目光聚焦在太行山与五台山交界区,并于2002年7月开展了密集的野外科学地质调查。太行山地区气象条件复杂多变、山高林密、交通不便,但研究组克服困难,采集了第一批金属硫化物的岩石标本300多块,并在其中发现了黑烟囱残片。8月份研究组再次对该区进行了3个星期的野外科学考察,详细调查了太行-五台山约60平方公里的高山地区,考察了20余处矿点及矿井,还进入1000多米的矿山巷道深处,先后采集了约500公斤的岩石样品。经过一段时间的室内研究工作,研究组确定找到了太行山地区25亿年前与海底黑烟囱有关的硫化物。

有了上述重大的发现,研究组开始把目光转向其他地区。根据以往的科学积累及现有的文献资料,华北大陆在地史时期也具有形成海底黑烟囱的地质环境,因此该地区也很快成了研究组野外考察的第二个地点。2002年11月,研究组来到河北兴隆县高板河地区进行野外地质考察。该地区的地层主要是长城系的灰岩地层,而高板河地区的硫铁矿、铅锌矿的开采历史已有数十年。硫铁矿、铅锌矿是黑烟囱周围主要的也是最重要的矿产,因此研究组一开始就瞄准了高板河地区的一些矿点。然而野外考察并非如想像中那样一帆风顺,研究组在几个矿点考察了很长时间,却根本没有发现有类似现代海底黑烟囱构造特征的硫铁矿矿石,也没有找到胶状结构、叠层状结构的硫铁矿。许多矿点因为深处大山内部,且由于矿井效益问题,早已废弃多年。研究组所到的许多矿井,摆在眼前的不是矿工们走后遗留的破旧工房,就是表面已经风化了的黄色硫铁矿,一副荒凉的景象。因此虽然采了一些标本,但大多标本因为表面风化的缘故,已无从判别其结构特征。

后来研究组打听到7号矿井正在开采硫铁矿,马上意识到那里可能会找到有用的标本。7号矿井位于安子岭乡北山,研究组到达矿井的时候,矿井里正往外运送新采的矿石,先前开采出的硫铁矿堆成了一座小山。由于新出的硫铁矿石保留了新鲜的截面,其上纹理、结构清晰可见,经过在矿堆里的一番寻找,研究组找到了许多胶状和叠层状结构的硫铁矿矿石,还找到了一些类似黑烟囱构造的丘体。

野外回来后对采集到的标本进行检查,发现了更多很有价值的硫铁矿矿石结构特征,但仍然没有确认找到黑烟囱。于是把那些类黑烟囱标本切开,一看其内部具有现代海底黑烟囱描述的良好结晶颗粒和分层特征。通过进一步的观测和对比研究后,研究组确信找到了14亿年前的海底黑烟囱。

研究意义

全球海底和陆上已发现上千个块状硫化物矿床,构成人类现在和未来的铜、锌、铅、金、银等金属元素和硫酸原料的主要矿物来源。海底黑烟囱相关硫化物,极大地改变了人类对海洋中矿产和生物资源的认识。海底黑烟囱还是研究金属成矿过程与极端环境下生命活动的理想实验室,通过深潜器到海底可以实地观察和监测黑烟囱地质活动及其对生物的影响。通过与陆地上保存的块状硫化物对比,可以解释古老矿产的形成过程,指导矿产勘探与开发。围绕海底黑烟囱周围生物活动记录的研究也取得了重要进展,已先后在乌拉尔南部、塞浦路斯蛇绿岩的块状硫化物内,发现类似海底活动黑烟囱周围的管状蠕虫、腹足类和双壳类的化石,证实地史时期黑烟囱对生命活动具有重要影响。

我国目前正在加紧研制载人深潜器,以便在不久的将来能向海洋进军,而加快陆上古海底黑烟囱及其生物化石的寻找和研究尤其重要。一方面,在海底黑烟囱研究的前缘领域进行必要的科学积累,在现代成矿理论和生命起源的交叉领域取得重要进展,以尽快填补我国相关研究领域的空白。另一方面,也将为我国载人深潜器开展太平洋海底实地科学考察,在黑烟囱硫化物研究中进行前期实验积累和样品对比参照,为海底黑烟囱研究提供科学理论指导。

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