想必大家都读过法国作家儒勒·凡尔纳写的《海底两万里》。笔者曾无数次幻想自己是鹦鹉螺号上的一员,随着船长周游神秘的海底世界,一起经历各种惊险奇遇。关于海底的初印象就是在那时候逐渐建立起来的。长大接触到地球科学以后,才对大洋洋底有了更科学、更进一步对认识。今天,笔者就将和大家一起探秘大洋洋底最具有活力的地质景观之一 —— 黑烟囱。

图1:洋底黑烟囱

在传统认知中,太阳能是万物生长的能量来源,离开了太阳生物将无法生存。所以在电影《流浪地球》中,当太阳寿终要变成红矮星的时,为了人类能够继续繁衍,地球要离开太阳系,寻找另一个“太阳”。

但是,在几千米深处的大洋海底,有一片被称为海底热液区的地方,这里无光、无氧、高压,却生活着许多生物。这片海域看起来像是一个魔幻的世界,不断地有滚滚黑烟从洋底喷出进入到海水中。这些喷出口就是大名鼎鼎的的“黑烟囱”。

图2:黑烟囱附近的生物

图3:蛟龙号机械手采集附着在烟囱体上的海葵

“黑烟囱”是指海底富含硫化物的高温热液活动区。看到的黑烟实则不是烟,而是从洋底喷出的热液。这些从黑烟囱中喷出的热液温度可达300-400°C,汇入洋底温度为2-4°C的海水中

图4:机械臂在黑烟囱附近取样

如何产生的

形成黑烟囱的根本原因是大洋地壳板块张裂。冰冷的海水沿裂隙向下渗透可达几公里,在洋壳深部加热升温。当海水温度达到400°C左右时,就会与周围的岩石发生水岩反应。水岩反应使得海水溶解了周围岩石中多种金属元素,成分发生了巨大的变化,此时的液体被称为热液。热液随后又沿着裂隙对流上升,最终喷出洋壳顶部重新注入海水。由于喷出时环境温度的骤降,导致大量包含金、铜、锌、铅、汞、锰、银等各种金属硫化物的析出,形成了所谓的“黑烟”。如果析出的主要是二氧化硅、石膏等物质,就会形成“白烟”。析出物沉积在喷出口附近,日积月累下来就形成了像烟囱般的喷口。

图5:黑烟囱形成过程示意图

黑烟囱的意义

洋底黑烟囱对岩石圈向地球大洋输送热量和地球化学通量,对地球环境的形成具有很大的贡献。

黑烟囱四周有种类和数量都十分丰富的海洋生物,有一套独立的生态系统。它们位于大洋深处,依赖于黑烟囱所携带的热能和丰富的硫化物为它们的生命活动提供能量来源。这些生物耐高温、耐高压,具有很高的科研价值和应用价值。

黑烟囱附近生物的生存环境,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。有科学家推测地球生命的最初起源很可能就是从黑烟囱开始的。因此对黑烟囱及周围生物的研究还有助于我们揭开生命起源的秘密。

除此之外,黑烟囱周围析出的金属硫化物包含金、铜、锌、铅、汞、锰、银等各种金属元素,是非常丰富的金属矿产,具有极高的经济价值。

参考资料及图片来源:

1、Damm V , L K . Seafloor Hydrothermal Activity: Black Smoker Chemistry and Chimneys[J]. Annu.rev.earth Planet.sci, 1990, 18(1):173-204.

2、胡经国,《漫话地球大洋海底黑烟囱》

5、图3来源:

7、图5来源:

撰稿:苏雪

美编:李莹

石头科普工作室出品