海洋，地球資源的大寶藏，在陸地資源日益枯竭的今天，將越來越成為人類未來生產(chǎn)和生活的依靠。從海洋中引發(fā)的許多問題和思考，還促進(jìn)了科學(xué)理論和技術(shù)的不斷向前發(fā)展，如板塊構(gòu)造理論，就是在對海洋的研究中不斷完善和發(fā)展起來的。自20世紀(jì)中期以來，大規(guī)模的海洋調(diào)查如大洋鉆探計(jì)劃的開展，深海觀測技術(shù)如深潛器的應(yīng)用，使得人類對海洋的研究無論從深度還是廣度上，都得到了長足的進(jìn)步。現(xiàn)代海底黑煙囪及其熱液礦藏的發(fā)現(xiàn)，就是全球海洋地質(zhì)調(diào)查近十年中取得的最重要的科學(xué)成就。

海底黑煙囪的發(fā)現(xiàn)

現(xiàn)代海底黑煙囪的研究開始于1977年，美國的阿爾文(Alrin)號載人深潛器上的地質(zhì)學(xué)家在東太平洋洋中脊(北緯21°)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了深海的生物世界，1978年又在洋中脊的軸部首次采得了由黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦組成的硫化物。1979年又在同一地點(diǎn)約1650～2610米深的海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個冒著黑色和白色煙霧的煙筒，以及附近由銅、鐵、鋅的硫化物堆積形成的丘體。約200℃～400℃的含礦熱液從直徑約15厘米的煙囪中噴出，與周圍的低溫海水(約2℃)混合后，很快產(chǎn)生沉淀變?yōu)?ldquo;黑煙”，“黑煙”主要由極細(xì)粒灰色黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦顆粒組成。這些海底硫化物堆積形成直立的柱狀圓丘，稱為“黑煙囪”;而噴發(fā)“白煙”(由極細(xì)粒的二氧化硅、氧化鋇、黃鐵礦組成)的柱狀圓丘，被稱為“白煙囪”。此外還有一些泥煙囪等低溫噴口，熱液溫度低于100℃，主要為碳酸鹽或非晶質(zhì)二氧化硅。

黑煙囪活動時間從幾年至幾百年，熄滅后將被海水溶蝕，并在重力作用下倒塌，在海底可以堆積形成大小如體育館規(guī)模的硫化物角礫，而在丘體內(nèi)部和地下將持續(xù)發(fā)生熱液滲流和交代成礦作用。黑煙囪下伏丘體的壽命可達(dá)2萬至5萬年，隨后被深海沉積或玄武巖埋藏覆蓋或被海水氧化而消亡。

此外，在黑煙囪周圍還發(fā)現(xiàn)了極端環(huán)境下生存的獨(dú)特生物群落，它們區(qū)別于陸地和淺海已知的生命活動生態(tài)體系，主要由一些嗜熱硫細(xì)菌，以及多毛類管狀蠕蟲、雙殼類、腕足類、腹足類等無脊椎動物組成，形成了獨(dú)特的“深海綠洲”。新發(fā)現(xiàn)的這些生物群落，是研究生命起源的理想環(huán)境。同時這些極端環(huán)境下的生物資源，還具有巨大的生物醫(yī)學(xué)價值，人類可以從中提取高溫酶，對于制藥具有重大的意義。

海底黑煙囪周圍的物理、化學(xué)、生物等環(huán)境，與地史時期(古生代)的海洋環(huán)境有著驚人的相似之處，可以說，現(xiàn)代的海底黑煙囪環(huán)境，就是遠(yuǎn)古水下世界的模板。對現(xiàn)代海底黑煙囪的研究極大地推動了對海底礦產(chǎn)資源的勘察，也加深了人們對陸地上金屬硫化物成礦過程和機(jī)制的認(rèn)識。現(xiàn)代海底黑煙囪還對全球氣候變化、海水化學(xué)成分演化、大洋熱平衡產(chǎn)生重要影響。神奇而富有魅力的海底黑煙囪，將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而逐步成為21世紀(jì)地球科學(xué)研究的重心。

海底黑煙囪的形成

科學(xué)家已在全球各大洋洋底發(fā)現(xiàn)約150余處黑煙囪及其硫化物丘體，主要位于海底1000～4000米深處，極少數(shù)位于淺海和湖泊中。現(xiàn)代的海底黑煙囪主要分布在大西洋、印度洋、紅海以及日本海一些地區(qū)，目前還在南極的冰海之下發(fā)現(xiàn)了黑煙囪。另外，相對于洋中脊，廣大的深海盆地尚是海底黑煙囪研究的巨大空白。近期在大西洋洋底新發(fā)現(xiàn)了一些熱液丘體及其煙囪構(gòu)造，距離大西洋中脊軸部15公里。它們主要由方解石、文石及水鎂石組成，丘體高10～30米，頂部出現(xiàn)樹枝狀的煙囪，最高達(dá)60米，研究表明它們與較低溫(40℃～75℃)的熱液噴口有關(guān)。

在黑煙囪的形成過程中，首先是煙囪外壁的形成，高溫?zé)嵋号c海水混合后，硫酸鹽或硫化物快速沉淀形成煙囪外壁，噴發(fā)的黑煙物質(zhì)也主要在噴口附近沉積。隨著煙囪外壁及丘體的不斷生長，熱液開始與海水分隔，兩者的物理化學(xué)交換逐漸減弱，熱液在相對封閉條件下活動，煙囪內(nèi)壁開始形成，出現(xiàn)了一些結(jié)晶溫度較高的硫化物晶體(如黃鐵礦、閃鋅礦等)。通道內(nèi)熱液持續(xù)活動，發(fā)生重結(jié)晶或礦物生長，形成一些結(jié)晶程度較好的黃銅礦和磁黃鐵礦。煙囪內(nèi)的熱液還可能發(fā)生多期活動及溫度變化，隨后由于熱液供給的逐漸減少，通道內(nèi)結(jié)晶或充填一些較低溫礦物(如硅質(zhì)、碳酸鹽、重晶石等)。當(dāng)通道被充填或阻塞時，熱液流體可能改變方向，而沿其他裂隙噴出或爆破形成新的通道。當(dāng)熱液活動停止，煙囪在海水和重力的作用下將發(fā)生垮塌，堆積形成丘體，并在丘體內(nèi)持續(xù)沉淀結(jié)晶硫化物，而表面發(fā)生滲流作用。

黑煙囪的形成一般解釋為海水及相關(guān)金屬元素在洋殼內(nèi)的水-熱循環(huán)。由于新生洋殼溫度較高，海水沿新生洋殼中的裂隙向下滲透可達(dá)幾公里，在地殼深部巖漿房附近加熱升溫后，其中溶解了硫和多種金屬元素(如銅、鋅、鐵、金等)，又沿著其他裂隙對流上升并噴發(fā)到海底。黑煙囪的形成要求具備多種條件。首先是合適的構(gòu)造環(huán)境，要求洋殼下具備巖漿侵入體熱源或較高的地?zé)崽荻龋蟮仔纬缮煺雇莸兀员４媪蚧锒逊e。其次煙囪構(gòu)造的形成還要求熱液沿一定的通道(斷層或裂隙)集中地快速噴發(fā)，而不發(fā)生滲流。最后，快速沉積埋藏或致密蓋層可以保持流體聚集成礦，以及不被氧化破壞。新生洋殼或裂谷環(huán)境均為有利于成礦的構(gòu)造環(huán)境。

在海底噴口附近及熱液通道淺部沉淀的這些硫化物顆粒，形成了許多具有重要經(jīng)濟(jì)價值的多金屬(鐵、銅、鋅、鉛、汞、鋇、錳、銀等)礦產(chǎn)。黑煙囪的成礦速度非常快，只要幾年的時間，就可形成上百萬噸級的礦藏，完全打破了地質(zhì)成礦需要數(shù)百萬甚至上億年的傳統(tǒng)觀念，這對于傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)來說，也是一個巨大的沖擊。

目前已在海底發(fā)現(xiàn)了許多達(dá)百萬噸級以上的金屬硫化物堆積，如東太平洋的加拉帕格斯黑煙囪丘體，其經(jīng)濟(jì)價值可達(dá)39億美元，它們將成為人類21世紀(jì)重要的礦產(chǎn)資源之一。一些發(fā)達(dá)國家已開始了在西南太平洋深海黑煙囪礦產(chǎn)開發(fā)的勘察研究，同時科學(xué)家還在西南太平洋勞恩海盆中的黑煙囪上發(fā)現(xiàn)原生自然金顆粒，在新西蘭海灣的熱液噴口發(fā)現(xiàn)了天然水銀等，這些“噴金吐銀”的海底黑煙囪更是成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

海底黑煙囪周圍的生物群落

海底黑煙囪除了為人類提供豐富的海底礦產(chǎn)資源外，更引人注目的是其周圍出現(xiàn)的豐富的生物資源。這些生物資源以其獨(dú)特的生物多樣性和極高的生存密度，成為未來寶貴的生物基因和醫(yī)藥資源，具有難以估價的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)價值，它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了黑煙囪的地質(zhì)礦產(chǎn)對于人類的意義。

長期以來，深海環(huán)境一直被認(rèn)為是生命的禁區(qū)，這里水深數(shù)千米，陽光無法到達(dá)海底，光合作用不能進(jìn)行，生物缺乏食物來源。然而，在世界各地深海黑煙囪噴口周圍，卻都發(fā)現(xiàn)了密集的生物群落。在這些生態(tài)系統(tǒng)中新發(fā)現(xiàn)的生物種類已經(jīng)達(dá)到10個門的500多個種屬，它們依靠化能自養(yǎng)細(xì)菌(硫細(xì)菌和甲烷細(xì)菌)生存，形成獨(dú)特的食物鏈，區(qū)別于淺海和陸地上依靠光合作用為基礎(chǔ)生產(chǎn)力的食物鏈。主要生物有細(xì)菌、管狀蠕蟲、蛤、貽貝、蝦、螃蟹、魚等，它們構(gòu)成化能自養(yǎng)的生態(tài)體系，各種生物之間形成復(fù)雜的共生現(xiàn)象。其中，黑煙囪周圍高溫環(huán)境廣泛存在古生菌尤其引入注目，被科學(xué)家們稱為生命的第三界。古生菌極端嗜熱，可以生存于高溫(80℃～120℃)、高壓(2000～3000米水深)、有毒(硫化氫)的環(huán)境中。基因組測序表明，它們?yōu)楣爬仙逆捱z，是靠近生命源頭的共同祖先。這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)都極大地拓展了對生命現(xiàn)象的認(rèn)識。

黑煙囪噴出的熱水溫度高達(dá)350℃，在海底高壓下保持液態(tài)，它們與周圍海水交換后形成350℃～0℃變化的溫度梯度。噴出物質(zhì)的濃度也從噴口附近向外漸變，并有大量的非生物有機(jī)合成原料(各種氣體如二氧化碳、甲烷、硫化氫等)，如此環(huán)境可以滿足各類生物化學(xué)反應(yīng)，有利于原始生命的生存。黑煙囪中排放的還原組分如硫化鐵、硫化氫等，有利于微生物通過氧化作用獲得所需的生物能，并通過對二氧化碳的固定獲得碳元素，使海底噴溢氣體變?yōu)樯锘瘜W(xué)能。隨著活動煙囪熄滅，周圍生物也很快死亡，證明是黑煙囪提供了生物必須的能量，同時硫化物在這些生物的代謝過程中具有重要意義。

地球早期由于缺乏富氧大氣層的保護(hù)，經(jīng)歷過隕石強(qiáng)烈轟炸(約38億年前)。另外，早期大氣層中二氧化碳含量很高，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，地表火山活動強(qiáng)烈，并有強(qiáng)烈紫外線輻射，均使地表不適合生物生存，而深海可能是最安全和最合適的生存環(huán)境。遠(yuǎn)古海洋廣泛的熱水活動，非常類似現(xiàn)今大洋底部黑煙囪周圍的環(huán)境。現(xiàn)代深海極端嗜熱的古細(xì)菌，并以化能無機(jī)自養(yǎng)為代謝方式，可能代表了最原始的古老生命。這些研究成果均表明，原始生命很有可能是起源于海底黑煙囪周圍，可能就是嗜熱微生物，目前科學(xué)家正在對此進(jìn)行持續(xù)深入的研究。

發(fā)現(xiàn)14億年前的海底黑煙囪

在正常的海底條件下，黑煙囪形成后，僅在海底存在幾千至幾萬年。低溫而氧化的海水與硬石膏和硫化物之間在化學(xué)上存在不平衡;將使黑煙囪發(fā)生退變?nèi)芙猓瑑H下部的塊狀硫化物和網(wǎng)脈帶保留于地層中。為此，地史時期塊狀硫化物黑煙囪構(gòu)造很少保留。海底地質(zhì)觀察也表明，隨著熱液活動的減弱和停止，海底黑煙囪也將逐漸瓦解和消亡，海底黑煙囪不斷發(fā)生溶解和坍塌，最終只是形成各種硫化物角礫堆積。因此黑煙囪僅是成礦過程中短時的地質(zhì)現(xiàn)象，在地史時期的塊狀硫化物內(nèi)因而很少保留良好的黑煙囪。目前已在烏拉爾、塞浦路斯、愛爾蘭、澳大利亞等地發(fā)現(xiàn)了一些地史時期的黑煙囪構(gòu)造，主要保留于塊狀硫化物內(nèi)，并且規(guī)模較小，可能代表較下部層次(剛開始發(fā)育的)的黑煙囪構(gòu)造，明顯不同于現(xiàn)代海底大規(guī)模黑煙囪。

但是，尋找地史時期的黑煙囪殘片記錄，并對其開展相關(guān)科學(xué)研究，卻具有重要意義。黑煙囪構(gòu)造為海底環(huán)境形成的塊狀硫化物礦床的特征構(gòu)造，記錄了高溫流體與冷卻海水之間的混合、冷卻，以及快速結(jié)晶形成硫化物及硫酸鹽的過程，是研究地史時期成礦作用、古大洋環(huán)境及熱液活動的重要樣本。黑煙囪周圍還可能保留極端環(huán)境下形成的生物化石，對于研究生命起源也具有重要價值。為了尋找到地史時期的黑煙囪殘片，在查閱大量地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，我國北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院的研究組首先把目光聚焦在太行山與五臺山交界區(qū)，并于2002年7月開展了密集的野外科學(xué)地質(zhì)調(diào)查。太行山地區(qū)氣象條件復(fù)雜多變、山高林密、交通不便，但研究組克服困難，采集了第一批金屬硫化物的巖石標(biāo)本300多塊，并在其中發(fā)現(xiàn)了黑煙囪殘片。8月份研究組再次對該區(qū)進(jìn)行了3個星期的野外科學(xué)考察，詳細(xì)調(diào)查了太行-五臺山約60平方公里的高山地區(qū)，考察了20余處礦點(diǎn)及礦井，還進(jìn)入1000多米的礦山巷道深處，先后采集了約500公斤的巖石樣品。經(jīng)過一段時間的室內(nèi)研究工作，研究組確定找到了太行山地區(qū)25億年前與海底黑煙囪有關(guān)的硫化物。

有了上述重大的發(fā)現(xiàn)，研究組開始把目光轉(zhuǎn)向其他地區(qū)。根據(jù)以往的科學(xué)積累及現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，華北大陸在地史時期也具有形成海底黑煙囪的地質(zhì)環(huán)境，因此該地區(qū)也很快成了研究組野外考察的第二個地點(diǎn)。2002年11月，研究組來到河北興隆縣高板河地區(qū)進(jìn)行野外地質(zhì)考察。該地區(qū)的地層主要是長城系的灰?guī)r地層，而高板河地區(qū)的硫鐵礦、鉛鋅礦的開采歷史已有數(shù)十年。硫鐵礦、鉛鋅礦是黑煙囪周圍主要的也是最重要的礦產(chǎn)，因此研究組一開始就瞄準(zhǔn)了高板河地區(qū)的一些礦點(diǎn)。然而野外考察并非如想像中那樣一帆風(fēng)順，研究組在幾個礦點(diǎn)考察了很長時間，卻根本沒有發(fā)現(xiàn)有類似現(xiàn)代海底黑煙囪構(gòu)造特征的硫鐵礦礦石，也沒有找到膠狀結(jié)構(gòu)、疊層狀結(jié)構(gòu)的硫鐵礦。許多礦點(diǎn)因?yàn)樯钐幋笊絻?nèi)部，且由于礦井效益問題，早已廢棄多年。研究組所到的許多礦井，擺在眼前的不是礦工們走后遺留的破舊工房，就是表面已經(jīng)風(fēng)化了的黃色硫鐵礦，一副荒涼的景象。因此雖然采了一些標(biāo)本，但大多標(biāo)本因?yàn)楸砻骘L(fēng)化的緣故，已無從判別其結(jié)構(gòu)特征。

后來研究組打聽到7號礦井正在開采硫鐵礦，馬上意識到那里可能會找到有用的標(biāo)本。7號礦井位于安子嶺鄉(xiāng)北山，研究組到達(dá)礦井的時候，礦井里正往外運(yùn)送新采的礦石，先前開采出的硫鐵礦堆成了一座小山。由于新出的硫鐵礦石保留了新鮮的截面，其上紋理、結(jié)構(gòu)清晰可見，經(jīng)過在礦堆里的一番尋找，研究組找到了許多膠狀和疊層狀結(jié)構(gòu)的硫鐵礦礦石，還找到了一些類似黑煙囪構(gòu)造的丘體。

野外回來后對采集到的標(biāo)本進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)了更多很有價值的硫鐵礦礦石結(jié)構(gòu)特征，但仍然沒有確認(rèn)找到黑煙囪。于是把那些類黑煙囪標(biāo)本切開，一看其內(nèi)部具有現(xiàn)代海底黑煙囪描述的良好結(jié)晶顆粒和分層特征。通過進(jìn)一步的觀測和對比研究后，研究組確信找到了14億年前的海底黑煙囪。

研究意義

全球海底和陸上已發(fā)現(xiàn)上千個塊狀硫化物礦床，構(gòu)成人類現(xiàn)在和未來的銅、鋅、鉛、金、銀等金屬元素和硫酸原料的主要礦物來源。海底黑煙囪相關(guān)硫化物，極大地改變了人類對海洋中礦產(chǎn)和生物資源的認(rèn)識。海底黑煙囪還是研究金屬成礦過程與極端環(huán)境下生命活動的理想實(shí)驗(yàn)室，通過深潛器到海底可以實(shí)地觀察和監(jiān)測黑煙囪地質(zhì)活動及其對生物的影響。通過與陸地上保存的塊狀硫化物對比，可以解釋古老礦產(chǎn)的形成過程，指導(dǎo)礦產(chǎn)勘探與開發(fā)。圍繞海底黑煙囪周圍生物活動記錄的研究也取得了重要進(jìn)展，已先后在烏拉爾南部、塞浦路斯蛇綠巖的塊狀硫化物內(nèi)，發(fā)現(xiàn)類似海底活動黑煙囪周圍的管狀蠕蟲、腹足類和雙殼類的化石，證實(shí)地史時期黑煙囪對生命活動具有重要影響。

我國目前正在加緊研制載人深潛器，以便在不久的將來能向海洋進(jìn)軍，而加快陸上古海底黑煙囪及其生物化石的尋找和研究尤其重要。一方面，在海底黑煙囪研究的前緣領(lǐng)域進(jìn)行必要的科學(xué)積累，在現(xiàn)代成礦理論和生命起源的交叉領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，以盡快填補(bǔ)我國相關(guān)研究領(lǐng)域的空白。另一方面，也將為我國載人深潛器開展太平洋海底實(shí)地科學(xué)考察，在黑煙囪硫化物研究中進(jìn)行前期實(shí)驗(yàn)積累和樣品對比參照，為海底黑煙囪研究提供科學(xué)理論指導(dǎo)。