古海底黑煙囱

古海底黑煙囱的發現及其研究是全球海洋地質調查近十年取得的最重要的科學成就。

現代海底黑煙囱的研究始於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採得由黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦組成的硫化物。1979年又在同一地點約2610～1650米的海底熔岩上，發現了數十個冒着黑色和白色煙霧的煙囱，約350℃的含礦熱液從直徑約15釐米的煙囱中噴出，與周圍海水混合後，很快產生沉澱變為“黑煙”，沉澱物主要由磁黃鐵礦、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“黑煙囱”。

海底黑煙囱的形成主要與海水及相關金屬元素在大洋地殼內熱循環有關。由於新生的大洋地殼温度較高，海水沿裂隙向下滲透可達幾公里，在地殼深部加熱升温，溶解了周圍岩石中多種金屬元素後，又沿着裂隙對流上升並噴發在海底。由於礦液與海水成分及温度的差異，形成濃密的黑煙，冷卻後在海底及其淺部通道內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濟價值的金屬礦產。目前，世界各大洋的地質調查都發現了黑煙囱的存在，並主要集中於新生的大洋地殼上。

研究生命起源和大洋演化的指路燈

黑煙囱與含礦液體的運移通道共同組成了金屬硫化物的成礦環境，並可以在地層中保留下來，成為研究當時古大洋環境的重要樣本。

同時，大量的海底調查研究發現，在海底黑煙囱周圍廣泛存在着古細菌，這些古細菌極端嗜熱，可以生存於350℃的高温熱水及2000－3000米的深水環境中，為古老生命的孑遺。黑煙囱噴出的礦液温度可高達350℃，並含有CH4、CN等有機分子，為非生物有機合成，如此環境可以滿足各類化學反應，有利於原始生命的生存。科學研究表明只有地球早期的環境才與此類似，科學家們為此提出了原始生命起源於海底黑煙囱周圍的理論，認為地球早期水熱環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記錄（蛇綠岩）進行廣泛的調查時，先後在日本、德國、美國、加拿大等地找到了古海底黑煙囱的殘片及相關塊狀硫化物。但是，大多數硫化物的時代很少大於6億年，老於25億年古海底黑煙囱記錄還不多見，儘管在加拿大和澳大利亞發現了26億－27億年前的金屬硫化物礦產，但尚無海底黑煙囱殘片的報道。為此尋找古老的黑煙囱殘片具有重要的科學價值。

海底黑煙囱成因探秘

20世紀70年代以來，工業化生產一直保持迅猛發展勢頭，能源消耗連年遞增，發達國家高聳入雲的大煙囱日以繼夜地噴湧着濃重的煙塵。對陸地有限的自然資源連續多年大規模機械化採掘和源源不斷地燃燒已使其貯量日趨枯竭。為此，世界各國紛紛將人類未來資源的希望傾注于海洋，並開始了海底探礦尋寶的熱潮。

自1977年10月美國伍茲霍爾海洋研究所所屬深海潛艇“阿爾文”號在加拉帕戈斯羣島海域率先發現海底熱泉生態區以來，海洋學家又先後在墨西哥西部沿海以北的北緯10°海底和北緯21°的胡安·德富卡海隆下勘察到大規模熱泉區並分別進行過數次綜合考察。胡安·德富卡海底熱泉區中擁有多處噴湧升騰礦物質的黑煙囱。這些奇異的自然景觀引起了科學家極大的興趣和關注，他們近期的科學考察又獲得新的收穫和重要的發現。

距西雅圖以西300英里處太平洋海下，胡安·德富卡板塊不斷與太平洋板塊碰撞，因此造成沿胡安·德富卡海隆海底地層出現坼裂和擴張，地球內部源源不絕噴湧而出的熔岩冷卻固着成新的海底地殼並將古老的海牀置於其下並取而代之。海水在地心引力作用下傾瀉深入地裂中，同時形成海底環流將熔岩中大量的熱能和礦物質攜帶和釋放出來。當熾熱的海水再度噴射到裂縫上冰冷的海水中，其中的礦物質被溶解並形成一縷縷漆黑的煙霧。礦物質遇冷收縮最終沉積成煙囱狀堆積物，地裂中熱液順煙道噴湧而出形成景緻奇異、妙趣橫生的海底熱泉。

加利福尼亞州蒙特雷水族生物研究所海洋地質學家德布拉·斯特克斯確悉，海底黑煙囱的構築絕非僅僅是地質構造活動的結果。其中神奇莫測的熱泉生物建築師的艱辛勞作也功不可沒，不容忽視在熱泉口周圍擁聚生息着種類繁多的蠕蟲，其中管足蠕蟲可長到18英寸，它們獨具特色的生存行為特別引人注目。斯特克斯和助手特里·庫克發現這些底棲生物在營造煙囱中起着至關重要的作用。

為查明黑煙囱礦物成分，斯特克斯從3座黑煙囱內採集了18英寸長的岩心，經潛心研究後才揭示了其中奧秘。他們發現岩心上佈滿了含有硫酸鋇亦稱重晶石的凹陷管狀深孔，研究人員確認這些管狀孔穴系蠕蟲長期生存行為的結果。鑑於熱泉口旁蠕蟲遍佈，因此尚難斷定究竟哪些蠕蟲擅長打洞築巢。

從管洞外形來看極有可能是活躍喜遷居的管足蠕蟲長期挖掘作業的產物。解剖分析表明，管足蠕蟲內臟中的細菌可從熱液所含亞硫酸氫鹽中獲取氫原子維持生命，細菌還可把海水中的氫、氧和碳有機地轉化生成碳水化合物，為蠕蟲提供生存所需的食物。這種化學反應的結果遺留下硫元素，蠕蟲排泄的硫又促使海水中的鋇和硫酸發生催化反應。常此以往蠕蟲死後便在熔岩中遺留下管狀重晶石穴坑。

斯特克斯推測一座座海底煙囱演化生成過程可能在蠕蟲聚集熱泉口周圍就早已開始了，胡安·德富卡海隆下蠕蟲建築師精心創造的自然奇觀令人歎為觀止。它們開鑿的洞穴息息相通猶如礁岩迷宮，從而使熱液將礦物質源源不斷地輸送上來並堆集煙道。當黑煙囱在熱泉周圍落成後，熔岩上深邃的管狀洞口穴就成為礦物熱液外流的通道從而形成海底黑煙熱泉奇觀，直到通道自身被礦物結晶體堵塞才告停息。從多處海底熱泉採樣分析來看，礦產資源豐饒種類繁多品位極高。據悉美國科學家正加緊研製大型深海考察潛艇並準備對深海熱泉進行全面研究，同時向國際社會發出呼籲：要求設立深海熱泉自然保護區。