深海熱液噴口

1979年阿爾文號在東太平洋洋中脊深度約2610-1650 m的海底熔岩上首次發現數十個冒着黑色和白色煙霧的煙囱，以及附近的銅、鐵、鋅硫化物堆積形成的丘體，並觀察到約200-400℃的含礦熱液從直徑約15 cm的煙囱中以每秒幾米的速度噴出。

後來在其他大洋（大西洋、印度洋、北冰洋、紅海）、西太平洋弧後盆地也發現了許多黑煙囱及其熱液硫化物，其中以東太平洋洋隆和大西洋洋脊的黑煙囱研究程度最高，並開展了淺部鑽探。近期又在深水湖泊（東非裂谷、貝加爾）或海灣（新西蘭、希臘）底部也發現黑煙囱及其金屬硫化物。

2013年，英國科學家在加勒比海的開曼海溝，深達5000m的海底一個未曾探測過的區域，發現了一系列熱液噴口。是發現的最深的海底熱液噴口。 ^[1] 

海底“煙囱”主要集中於新生大洋地殼（如洋中脊和弧後盆地擴張中心）上，常出現於洋脊軸部地塹或轉換斷層與洋脊交匯的位置。根據海底熱液温度及噴出的礦物成分，一般將海底熱液“煙囱”劃分為：

1、黑煙囱，熱液温度為320-400℃ ，以硫化物為主；

2、白煙囱，熱液温度為100-320℃，以硫酸鹽(重晶石、硬石膏)、非晶質SiO2及閃鋅礦為主；

3、低温噴口，熱液温度低於100℃，主要為碳酸鹽或非晶質SiO2。 ^[2] 

在深海底部，沿着地殼裂隙，約200-400℃的含礦熱液從直徑約15 cm的煙囱中以每秒幾米的速度噴出。礦液剛噴出時為澄清溶液，與周圍海水（約2℃）混合後，很快產生沉澱變為“黑煙”（由極細粒灰色磁黃鐵礦、閃鋅礦、黃鐵礦顆粒組成）或“白煙”（極細粒的SiO2、氧化鋇、黃鐵礦），沉澱物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅-鐵硫化物組成。

1、幾何形態與通道構造：煙囱通道直徑為數釐米到兩米；高度變化較大，從數釐米到數十米。最高的黑煙囱出現於東太平洋，達50 m。煙囱上部常形成樹枝狀形態，保留噴口構造。煙囱合併或分支現象非常普遍，常見多個煙囱聚集形成複雜形態，或一個煙囱內部由多個次級煙囱或多孔硫化物組成。中央普遍保留一個或多個通道構造，通道有時被後期礦物充填。

2、礦物成分、結構和構造分帶：在水平切面上，黑煙囱常顯示特徵的同心圈狀或複雜的礦物分帶現象。煙囱表面主要礦物為硫化物、碳酸鹽(文石、方解石)、硅質以及硫酸鹽(重晶石)等。煙囱外壁由硬石膏、石膏和硫酸鎂或白鐵礦和黃鐵礦組成。煙囱外壁多孔構造發育，多為細粒結構，淬火作用形成樹枝狀礦物集合體。蜂窩狀管壁上常沉澱非晶質二氧化硅。內壁常由粗粒閃鋅礦、黃鐵礦、黃銅礦組成，板狀礦物垂直內壁生長，呈同心狀向外放射狀排列。通道中央普遍充填或鑲邊有黃銅礦或磁黃鐵礦，通道周圍礦物交代重結晶也非常普遍。

3、礦物成分：主要由銅、鋅、鐵、鉛硫化物、重晶石、硬石膏、鐵氧化物、非晶質二氧化硅、碳酸鹽組成，各種礦物組成的比例可以變化很大。黑煙囱中的黃鐵礦、白鐵礦常早於黃銅礦和磁黃鐵礦結晶。磁黃鐵礦和黃銅礦常發育於通道核部或內壁。硫化物角礫或煙囱殘片常出現於煙囱基座或噴口周圍。白煙囱外壁主要由重晶石和少量閃鋅礦、硬石膏組成，內壁出現黃銅礦。

4、特徵構造：海底硫化物丘體和黑煙囱表層的硫化物礦石常顯示多孔構造，並充填硫化物（自形白鐵礦和黃鐵礦）或硫酸鹽。多孔構造與海水溶蝕有關。在顯微尺度下，硫化物常見膠體構造、原生條帶、樹枝構造、鑲邊構造及晶洞構造等。煙囱常保留通道構造，周圍出現煙囱殘片或各種同沉積滑塌構造。

1、合適的構造環境，具備淺層次的下伏岩漿侵入體熱源或較高的地熱梯度；地表形成伸展窪地，以保存硫化物堆積。

2、熱液沿一定的通道（斷層或裂隙）集中地快速噴發，而不發生滲流。高滲透性圍巖有利於海水下滲。

3、快速沉積埋藏或緻密蓋層可以保持流體聚集成礦，以及不被氧化破壞。4、新生洋殼或裂谷環境均為有利成礦構造環境。

黑煙囱形成過程中，首先是煙囱外壁的形成，通過高温熱液與海水混合快速沉澱硫酸鹽或硫化物，噴發的黑煙物質也主要沉積在噴口附近。隨着煙囱外壁及丘體的生長，熱液開始逐漸與海水分隔，兩者物理化學交換減弱，熱液在相對封閉條件下活動，煙囱內壁及通道內部開始形成，並由結晶温度較高的硫化物礦物組成。通道內熱液持續活動，發生重結晶或礦物生長。熱液還可能發生幕式活動及温度變化，隨後結晶或充填較低温礦物。當通道被充填或阻塞時，流體可能改變通道，而沿其他裂隙噴出或爆破形成新的通道。當熱液活動停止，煙囱將發生垮塌，堆積形成丘體，並在丘體內持續沉澱結晶硫化物，而表面發生滲流作用。

黑煙囱的形成一般解釋為海水及相關金屬元素在大洋地殼內的水-熱循環。由於新生洋殼温度較高，海水沿新生洋殼冷卻或擴展形成的裂隙向下滲透可達幾公里，在地殼深部岩漿房附近加熱升温後，淋濾並溶解硫和多種金屬元素（銅、鋅、鐵、金），又沿着其他裂隙對流上升並噴發到海底。由於礦液（200-400℃）與周圍海水（2℃）成分及温度的巨大差異，熱液快速沉澱，形成粒度細小的硫化物和硫酸鹽，表現為形成濃密的黑煙或白煙。在海底噴口附近及熱液通道淺部沉澱這些硫化物顆粒或礦脈，並構成具有重要經濟價值的多金屬（鐵、銅、鋅、鉛、汞、鋇、錳、銀等）礦產。 ^[2] 

海底黑煙囱周圍的硫化物礦體具富集程度高、貴金屬含量高、成礦過程快的特點。因此，黑煙囱形成大量具有經濟價值的礦產，包括多種硫化物（黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、方鉛礦等），還有大量的硫酸鹽（重晶石、硬石膏）。

已在海底發現許多達百萬噸級以上規模的金屬硫化物，如東太平洋的加拉帕格斯黑煙囱丘體的經濟價值就達到了39億美元。一些發達國家已開始了在西南太平洋深海黑煙囱礦產開發的勘察研究。

另外，在西南太平洋勞海盆中黑煙囱上發現原生自然金顆粒，在新西蘭海灣的熱液噴口還發現天然水銀等。

黑煙囱周圍出現豐富的生物類型，特別是極端環境下的高温微生物，以其獨特的生物多樣性和極高生存密度，成為未來寶貴的生物基因和醫藥資源，具有難以估價的生物化學和醫學價值，它們遠超過了黑煙囱的地質礦產價值。

深海環境一直被認為是生命的禁區，因為缺乏食物來源。然而，在世界各地深海底黑煙囱噴口周圍，發現繁榮的生物羣落。其中，黑煙囱周圍高温環境廣泛存在古菌(Archaea)，基因組測序表明，它們為古老生命的孑遺，是靠近生命源頭的共同祖先。

地球早期由於缺乏富氧氣大氣圈的保護，經歷強烈隕石轟炸(38億年前)。另外，早期大氣圈中CO2含量很高，產生温室效應，地表火山活動強烈，並有強烈紫外線輻射，均使地表不適合生物生存。而深海可能是最安全與合適的生存環境，海底廣泛的熱水活動，非常類似現今大洋底部黑煙囱周圍的環境。現代深海極端嗜熱的古細菌和甲烷菌代表最原始的古老生命，並以化學無機自養為代謝方式。

上述研究均支持生命起源於海底黑煙囱的理論，早期生命的祖先可能就是嗜熱微生物。這一理論被科學界廣泛接受，並持續開展深入研究。