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，還促進了科學理論和技術的不斷向前發(fā)展，如板塊構造理論，就是在對海洋的研究中不斷完善和發(fā)展起來的。自20世紀中期以來，大規(guī)模的海洋調查如大洋鉆探計劃的開展，深海觀測技術如深潛器的應用，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)，就是全球海洋地質調查近十年中取得的最重要的科學成就。

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學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、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制的認識。現(xiàn)代海底黑煙囪還對全球氣候變化、海水化學成分演化、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，將隨著科學技術的發(fā)展而逐步成為21世紀地球科學研究的重心。

海底黑煙囪的形成

科學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60米，研究表明它們與較低溫(40℃～75℃)的熱液噴口有關。

在黑煙囪的形成過程中，首先是煙囪外壁的形成，高溫熱液與海水混合后，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，兩者的物理化學交換逐漸減弱，熱液在相對封閉條件下活動，煙囪內壁開始形成，出現(xiàn)了一些結晶溫度較高的硫化物晶體(如黃鐵礦、閃鋅礦等)。通道內熱液持續(xù)活動，發(fā)生重結晶或礦物生長，形成一些結晶程度較好的黃銅礦和磁黃鐵礦。煙囪內的熱液還可能發(fā)生多期活動及溫度變化，隨后由于熱液供給的逐漸減少，通道內結晶或充填一些較低溫礦物(如硅質、碳酸鹽、重晶石等)。當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，并在丘體內持續(xù)沉淀結晶硫化物，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金屬元素在洋殼內的水-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。首先是合適的構造環(huán)境，要求洋殼下具備巖漿侵入體熱源或較高的地熱梯度，洋底形成伸展洼地，以保存硫化物堆積。其次煙囪構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)地質學來說，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)濟價值可達39億美元，它們將成為人類21世紀重要的礦產(chǎn)資源之一。一些發(fā)達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注的焦點。

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和醫(yī)學價值，它們遠遠超過了黑煙囪的地質礦產(chǎn)對于人類的意義。

長期以來，深海環(huán)境一直被認為是生命的禁區(qū)，這里水深數(shù)千米，陽光無法到達海底，光合作用不能進行，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)達到10個門的500多個種屬，它們依靠化能自養(yǎng)細菌(硫細菌和甲烷細菌)生存，形成獨特的食物鏈，區(qū)別于淺海和陸地上依靠光合作用為基礎生產(chǎn)力的食物鏈。主要生物有細菌、管狀蠕蟲、蛤、貽貝、蝦、螃蟹、魚等，它們構成化能自養(yǎng)的生態(tài)體系，各種生物之間形成復雜的共生現(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。這些科學發(fā)現(xiàn)都極大地拓展了對生命現(xiàn)象的認識。

黑煙囪噴出的熱水溫度高達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。噴出物質的濃度也從噴口附近向外漸變，并有大量的非生物有機合成原料(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反應，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，經(jīng)歷過隕石強烈轟炸(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，地表火山活動強烈，并有強烈紫外線輻射，均使地表不適合生物生存，而深海可能是最安全和最合適的生存環(huán)境。遠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菌，并以化能無機自養(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，目前科學家正在對此進行持續(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上存在不平衡;將使黑煙囪發(fā)生退變溶解，僅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造很少保留。海底地質觀察也表明，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現(xiàn)象，在地史時期的塊狀硫化物內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造，主要保留于塊狀硫化物內，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，并對其開展相關科學研究，卻具有重要意義。黑煙囪構造為海底環(huán)境形成的塊狀硫化物礦床的特征構造，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，在查閱大量地質資料的基礎上，我國北京大學地球與空間科學學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地質調查。太行山地區(qū)氣象條件復雜多變、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)進行了3個星期的野外科學考察，詳細調查了太行-五臺山約60平方公里的高山地區(qū)，考察了20余處礦點及礦井，還進入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的硫化物。

有了上述重大的發(fā)現(xiàn)，研究組開始把目光轉向其他地區(qū)。根據(jù)以往的科學積累及現(xiàn)有的文獻資料，華北大陸在地史時期也具有形成海底黑煙囪的地質環(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。2002年11月，研究組來到河北興隆縣高板河地區(qū)進行野外地質考察。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了高板河地區(qū)的一些礦點。然而野外考察并非如想像中那樣一帆風順，研究組在幾個礦點考察了很長時間，卻根本沒有發(fā)現(xiàn)有類似現(xiàn)代海底黑煙囪構造特征的硫鐵礦礦石，也沒有找到膠狀結構、疊層狀結構的硫鐵礦。許多礦點因為深處大山內部，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)風化了的黃色硫鐵礦，一副荒涼的景象。因此雖然采了一些標本，但大多標本因為表面風化的緣故，已無從判別其結構特征。

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本。7號礦井位于安子嶺鄉(xiāng)北山，研究組到達礦井的時候，礦井里正往外運送新采的礦石，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、結構清晰可見，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構的硫鐵礦礦石，還找到了一些類似黑煙囪構造的丘體。

野外回來后對采集到的標本進行檢查，發(fā)現(xiàn)了更多很有價值的硫鐵礦礦石結構特征，但仍然沒有確認找到黑煙囪。于是把那些類黑煙囪標本切開，一看其內部具有現(xiàn)代海底黑煙囪描述的良好結晶顆粒和分層特征。通過進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驗室，通過深潛器到海底可以實地觀察和監(jiān)測黑煙囪地質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展，已先后在烏拉爾南部、塞浦路斯蛇綠巖的塊狀硫化物內，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域進行必要的科學積累，在現(xiàn)代成礦理論和生命起源的交叉領域取得重要進展，以盡快填補我國相關研究領域的空白。另一方面，也將為我國載人深潛器開展太平洋海底實地科學考察，在黑煙囪硫化物研究中進行前期實驗積累和樣品對比參照，為海底黑煙囪研究提供科學理論指導。