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| 海底熱泉 | |
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海底熱泉，是指海底深處的噴泉，原理和火山噴泉類似，噴出來的熱水就像煙囪一樣，發現的熱泉有白煙囪、黑煙囪、黃煙囪。1979年，美國科學家比肖夫博士首次在太平洋2500米接近海底時，看到這一奇異的景象:蒸汽騰騰，煙霧繚繞，煙囪林立。經過仔細觀察發現在"煙囪林"中有各種生物生存。
簡介
實際上，海底熱泉的活動並不一定形成煙囪。早在20世紀60年代，科學家們在紅海發現了許多奇異的現象，比如水溫和鹽度偏高，接着就出現了高溫滷水。1967年，在一處海淵中發現了在熱泉周圍形成的海底多金屬軟泥。從此，揭開了人類研究現代熱液礦產資源的新篇章。1988年，我國科學家與德國科學家聯合考察了馬里亞納海溝。
他們通過海底電視看到，在水下3700米左右的海底岩石上有枯樹樁一樣的東西，它高2米，直徑50到70厘米不等，周邊還有塊狀、碎片狀和花朵狀的東西，在這些噴溢海底熱泉的出口處，沉澱堆積了許多化學物質，他們採集了1000公斤的岩石樣品，主要是黃褐色，間雜黑色、灰白色、藍綠色。[1]
經過化學分析和鑑定，人們確認這就是海底熱泉活動的殘留物，叫做煙囪。它們大多是硫化礦物。除了大量銅、鋅、錳、鈷、鎳外，還有金、銀、鉑等貴重金屬。更加令人吃驚的是，在那些活動熱泉附近，甚至聚集了大量的人類不曾認識的新生物物種。這些，都需要今後人類的艱苦努力去探索。[2]
發現過程
1977年，美國"阿爾文"號深潛器再次對位於太平洋東部的附近洋底進行考察。這個由13個大島及數百個小島組成的群島，全是由火山噴發的熔岩堆積而成的，形成時間不到200萬年，其中大部分都只有100萬年左右，從海上看，各島都聳立着一座座高大的火山堆，有的還不時發出低沉的轟鳴聲。踏上一些島後，還會看到地上布滿了黝黑色的玄武岩。整個加拉帕戈斯群島共有大小火山口2000多個，並且相當規律地排列在縱橫交錯的斷裂紋上，大約每隔35千米一個。
這些群島上如此眾多的火山，早就引起了地質學家和海洋科學家的注意。後來他們才知道:原來這些島嶼正好位於東太平洋洋隆中大裂谷的附近，這裡因太平洋板塊的移動而被撕裂成許多巨大的裂谷和許多小斷裂，地球深部地幔柱的熾熱岩漿和上地幔對流活動從裂谷和斷裂處不斷地向上噴涌岩漿，形成了座座火山，散布在太平洋上，構成加拉帕戈斯群島，並且發現了最為壯出的海底熱泉。
形態特徵
位於北緯21度附近的東太平洋隆起的脊軸上的熱泉，在一條長7千米、寬約200-300米的狹長型條狀區，分布有25個以上的熱泉"煙囪"，各"煙囪"的熱泉溫度變化各異。其中東北段熱泉新噴出的水溫較低，為5-20℃，水質也較清流澈，因而此處生物繁茂。而西南段噴口新噴出的水溫較高，有的竟達400℃左右，水質中所含成分十分複雜，致使噴口處形成了塊狀硫化物堆積。
堆積物將噴口圍成1-5千米高的圓形狀，形成"黑煙囪"。後經分析發現"黑煙囪"噴出的水中含有大量的硫磺鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅、鐵的硫化物等物質，。在部分"煙囪"頂端所采的樣品中，主要由閃鋅礦、黃鐵礦和黃鐵礦在帶交替組成。海底熱泉的發現，成為20世紀科學領域中最重要的事件之一。
神奇之處
海底熱泉是地殼活動在海底反映出來的現象。它分布在地殼張裂或薄弱的地方，如大洋中脊的裂谷、海底斷裂帶和海底火山附近。
大西洋、印度洋和太平洋都存在大洋中脊，它高出洋底約3000米，是地殼下岩漿不斷噴湧出來形成的。洋脊中都有大裂谷，岩漿從這裡噴出來，並形成新洋殼。兩塊大洋地殼從這裡張裂並向相反方向緩慢移動。在洋中脊里的大裂谷往往有很多熱泉，熱泉的水溫在300℃左右。大西洋的大洋中脊裂谷底，其熱泉水溫度最高可達400℃。
在海底斷裂帶也有熱泉，有火山活動的海洋底部，也往往有熱泉分布。除大洋中脊有火山活動外，在大陸邊緣，受洋殼板塊俯衝擠壓形成山脈的同時，往往有火山噴發，在它的附近海底也會有熱泉分布。
海底熱泉是一個非常奇異的現象:蒸汽騰騰，煙霧繚繞，煙囪林立，好象重工業基地一樣。而且在"煙囪林"中有大量生物圍繞着煙囪生存。煙囪里冒出的煙的顏色大不相同。有的煙呈黑色，有的煙是白色的，還有清淡如暮靄的輕煙。
產生原因
經分析發現"煙囪"噴出的物質中含有大量的硫磺鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅、鐵的硫化物等物質，對硫磺鐵礦的液體進行測定表明，其外壁由石膏、硬石膏、硫酸鎂組成，而與熱水接觸的內壁，則為粗大的結晶黃銅礦和黃鐵礦。最外層富含重晶石、非晶質二氧化硅。"煙囪"底部有黑色細粒沉澱物，其中含有閃鋅礦、硫磺鐵礦、黃鐵礦及鉛鋅礦和硫等。在其周圍的水樣中氦-3和氫錳的含量較高。
海底熱泉並不只是這一處。科學家們在太平洋、印度洋、大西洋的中脊和紅海等地相繼發現了許多正在活動的和已經死亡的"煙囪"。海底熱泉為什麼出現在大洋中脊呢?原來，洋中脊是多火山多地震區，岩石破碎強烈，海水能通過破碎帶向下滲透，滲入的冷海水受熱後，以熱泉形式從海底泄出。
在冷海水不斷滲入、熱海水不斷排出的循環過程中，洋底玄武岩中鐵、錳、銅、鋅等元素溶於熱海水中，成為富含金屬元素的熱液而噴湧出來。由于洋中脊是大洋板塊的分離部位，那裡的岩石圈地殼最薄弱，因此又是地幔柱最好的突破口。熱泉水帶上來的物質多金屬硫化物或氧化物，它們沉澱在熱泉噴口周圍，形成具有經濟價值的"熱液礦床"。
海底熱泉的發現與研究，打破了人們對深海大洋的傳統看法，在認識海洋、開發海洋方面提出了一系列新的問題。在地質學方面，海底熱泉是人們能夠看到的海水在洋殼裡不斷循環的現象。
生命起源
對於生命是最先誕生於地球表面，還是起源于海洋底部的熱泉，科學界仍在爭論。24日出版的英國《自然》雜誌刊載的美國科學家的一項新成果，為海底熱泉生命起源說提供了新證據。
早在本世紀20年代，科學家就提出在出現生命前的原始海洋里存在有機分子構成的原始湯。經過多年探索，科學家們認識到氨基酸是構成有機體的最主要成分，而氮又是構成氨的基本成分，因此氮怎樣轉變成氨就成為生命起源過程中必要的一步。
美國華盛頓卡內基研究所地球物理實驗室黑普及其同事在《自然》雜誌上介紹說，他們進行的實驗發現，在高溫和高壓下利用金屬礦物質作為催化劑，氮分子可以與氫發生還原反應生成由一個氮原子和三個氫原子組成的具有活性的氨分子。黑普等在研究中發現，如果以金屬礦物質作為催化劑，氮分子還原生成氨分子的條件為溫度300至800℃，壓力為0.1至0.4千兆帕斯卡，而這些條件正是早期地殼和海底熱泉系統的典型特徵。
研究人員指出，作為生命起源的前奏，氮分子向氨分子的轉換過程很可能發生在大量溶解了礦物質的海底熱泉周圍。而一個富含氨分子的環境比一個氮分子占主導的環境，能更有效地滿足早期生命起源對氮元素的需求。另外黑普等在研究中還發現，在800℃以上的環境下，氮元素只有以分子形式存在才能保持穩定，從而排除了早期地球大氣中大量產生氨分子的可能。因為在地球形成的早期，由於小行星的撞擊，地球表面溫度要超出800℃。
研究人員推測說，海底熱泉在地球早期如果能夠產生足夠的氨分子，通過海洋與大氣的水和氣體交換，氮分子占主導的早期地球大氣中氨分子會逐漸增多。由於氨屬於溫室氣體，能夠對地球表面起到保暖作用，這同時也解釋了為什麼在當時太陽能量不足的情況下，地球上的海洋仍能保持液態。
周邊奇特生物
概況
不同緯度、地形和深度的海洋，具有不同的物理及化學條件，因此造就了特色不一、各式各樣的海洋生物。
在一九七九年以前，許多科學家都認為深海海底是永恆的黑暗、寒冷及寧靜，不可能有所謂的生命。但是一九七九年，科學家首次在 2,700 公尺的海底發現熱泉，並觀察到和已知生命極為不同的奇特生命形式，進而改變了對地球生命進化的認知。二零零零年十二月四日，科學家又在大西洋中部發現另一種熱泉，結構完全不同，他們把它命名為「失落的城市」，再度引發了科學家對海底熱泉的研究熱潮。
在宜蘭龜山島所發現不斷往上噴出的海底熱泉，是一種黃煙囪，這是因為海底冒出大量硫磺所造成的現象，也是近年來發現最大的近海海底熱泉，水深從二、三公尺到三十幾公尺，約有八、九處之多。
在深海熱泉泉口附近均會發現各式各樣前所未見的奇異生物，包括大得出奇的紅蛤、海蟹、血紅色的管蟲、牡蠣、貽貝、螃蟹、小蝦，還有一些形狀類似蒲公英的水螅生物。即使在熱泉區以外像荒蕪沙漠的深海海底，仍出現了蠕蟲、海星及海葵這些生物。
熱泉生物能夠生存完全是依靠化學自營細菌的初級生產者。在黑煙囪噴出的熱液里富含硫化氫，這樣的環境會吸引大量的細菌聚集，並能夠使硫化氫與氧作用，產生能量及有機物質，形成「化學自營」現象。這類細菌會吸引一些濾食生物，或者是形成能與細菌共生的無脊椎動物共生體，以氧化硫化氫為營生來源，一個以「化學自營細菌」為初級生產者的生態系便形成了。
依照研究熱泉生物的了解，它們的生長速度非常快。以貝殼來說，由於它們是濾食性動物，會有鰓、消化系統及進出水口器官;可是海底熱泉的貝殼不一樣，它們消化系統及進出水口已經呈退化現象，海底細菌則會住在它們的鰓裡面，等到繁殖多了，就會被貝體利用，於是貝殼的生長速度也變得非常有效率。
原始細菌可以在比我們能想象到的更加惡劣的環境中生存。但高等一些的生命對環境都相當挑剔，有誰聽說除某些細菌以外還有哪種生物能耐百度的高溫?可科學家驚訝地發現，地球上還真有這樣的生物存在!
在東太平洋海底，那兒有一條長長的地殼活動帶，發現有許多的海底熱泉。有些熱泉在冒出地面時會在出口處形成煙囪似的石柱。從"石頭煙囪"里冒出來的熱液，溫度常能超過百度。就是在這樣的沸水環境裡，在這些冒着沸水的煙囪外壁上，生活着一種毛絨絨的軟體動物，專家們叫它為"龐貝蠕蟲"(Alvinella pompejana)。
它們用分泌物自石頭煙囪的岩基上堆起一條細長的管子，就像珊瑚蟲一樣，身體就蟄居在裡面，生物學家們通過水下儀器及電視看到，這些蠕蟲有時會爬出管居而在四週遊盪。經測量，那裡的中心水溫高達105℃，但專家們仍不敢相信，像蠕蟲這樣高級的動物，竟能生活在如此的高溫環境之中。
他們想，也許龐貝蠕蟲有一種特殊的隔熱本領，就像消防服和宇航服那樣能保護身體免受高溫或真空環境的傷害。可是研究表明，龐貝蠕蟲並沒有這樣的天然防護機能。於是又想到，或許地下熱液直竄上方，對周圍並沒有造成太高的溫度，就像冬季烤火，在鐵皮煙囪管周圍稍遠一點，就不會感到太明顯的熱度一樣。
研究發現
1995年11月至1996年4月，美國生物專家利用著名的深海潛水器"阿爾文"號下潛到海底，仔細查看了3根冒着熱液的"海底煙囪":它們高5-7米，外壁上密密地長滿了龐貝蠕蟲的白色石管，觀察人員用一根特製的溫度計伸進石管測量了溫度，結果發現，在管口溫度是20~24℃，而在管底，也就是貼在煙囪壁處的石底部為62~74℃，最高值測到81℃。
於是了解到，這種體長6-8厘米的蠕蟲，居然生活在頭尾溫差高達40~50℃(最高達到60℃)的管子裡。這還不算，蠕蟲們還時不時地來到"室外"，在離它們的"居室"約1米的範圍內遊蕩，而在1米處的水溫已接近海底冷水，只有2℃左右。作為對照，專家們還測量了已被遺忘的空石管，這些空管，口、底的溫度與有蠕蟲生活的"居室"並無二致。
證明這些龐貝蠕蟲既沒有自身的"隔熱服"，也沒有什麼"用冷卻水"降溫的本領，它們確確實實地既不怕熱也不怕凍，是目前所知地球上最耐高溫、最耐溫差的動物。
在龐貝蠕蟲發現之前，公認為最耐熱的動物是生活在撒哈拉大沙漠的一種螞蟻(Cataglyphis)，那裡白天的溫度有55℃，可與龐貝蠕蟲相比還差得遠呢!這種蠕蟲的生存能力還不僅在溫度一項，在那種熱液泉的環境裡，海水中有高濃度的有毒硫化物和重金屬元素。
那麼龐貝蠕蟲以什麼為食呢?原來它與珊瑚蟲一樣，是一種共棲動物，與它"相依為命"的還有一種絲狀細菌，它們依存在蠕蟲的背部，蠕蟲為細菌提供培養基並保持細菌周圍的水不斷地更新，蠕蟲則依靠細菌的分泌物為生。科學家們正以極大的興趣對它們進行深入的研究，或許能從中得到有益於人類的某種啟發。