中的海洋知识,深海秘境

个人随笔 作者:

四月底,著名科学杂志Science刊发了我为联合作者的一篇文章,这个工作主要讲了海洋表面的漩涡对海洋深处的生物群落迁徙的影响。简单的说,就是海底生物群落如何搭乘海洋表面漩涡的“顺风车”搬家的故事。

洋中脊,为何成海洋研究“香饽饽”

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近几十年来,随着各种海洋勘探工具的快速发展,人类对海洋的认识也迅速从二维进展到三维、四维,获取了不同深度、时间上不同类型的大量数据资料,逐步揭开了其神秘面纱,海洋也在不断地惊艳着我们。从变幻多彩的海平面、到美丽繁华的热带浅海生物,再到漆黑荒凉的深海海底,又到奇形怪状的深渊生物,我们的海洋观不断地被刷新。今天,就给大家介绍下深海里的两种神秘的特殊环境——热泉和冷泉。

大洋中脊——海底黑烟囱的发源地

这个故事先要从大洋中脊说起。大洋中脊是海洋深处的巨大山脉,那里同时也是生成新的海洋洋壳的地方。在洋中脊火山口,灼热的岩浆由地幔向上涌,逐渐冷却,结合周围已软化的岩石形成新的洋壳,新生成的洋壳挤压洋中脊两边已有的地壳,不断向外扩张,最终在板块的交界边缘俯冲回地幔去。因此,洋壳在洋中脊出生,在板块与板块的撞击中消亡,这样代谢不止。

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【全球大洋中脊的分布位置(来源:USGS)。】

 

与大洋中脊相伴的有很多的海底火山,有时候这些火山会露出海面形成岛屿,最著名的便是冰岛。尽管大洋中脊是如此巨大的地形结构,但直到20世纪50年代,通过大量的海洋调查,科学家们才对其分布有了比较全面的认识。

正是因为大洋中脊深处岩浆不断上升,所以中脊附近有一种特殊的地质奇观——热液出口——这种结构类似陆地上的温泉。它是这样形成的:冷的海水顺着海底岩石的缝隙进入洋壳的深部,接触到被岩浆灼热的岩石后发生反应。反应后的海水变成高温高压富含矿物质的水,称为“热液”。上涌的热液喷出洋壳顶部,与冰冷的海水相遇。热液冷却过程中,矿物从其中析出,并且就近沉淀在喷出口的四周,日积月累下来就形成了一个个高高低低的像烟囱般的喷口。“烟囱”喷出来的热液如果有丰富的金属离子和硫离子,当热液与冷的海水混合时,黑色的金属硫化物迅速沉淀下来,就会形成“浓烟滚滚”的“黑烟囱”;也有一些小的烟囱喷出的热液温度稍低、流速较小、且其中含有较多的硅离子和钙离子,就会成为冒出二氧化硅和石膏的“白烟囱”。

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【左图:黑烟囱形成过程示意图。1)冰冷的海水通过缝隙渗到海底的地层中;2)高温的海水与海底地层的岩石发生一系列化学反应,海水变成了成分复杂的热液;3)热液的密度较小,从而穿过海底岩层上升;4)热液离开了烟囱口与冰冷的海水混合,黑色的金属硫化物迅速沉淀,形成黑色的“浓烟”(来源:WHOI)。右图:正冒着黑烟的海底黑烟囱(来源:wikipedia)。】

 

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MG线上娱乐游戏,海贼王是一部非常不错的励志漫画,其故事和画工在众多漫画中都属于上乘之作,因此也拥有大量的粉丝。从第604话(原文602话有误)开始,主人公路飞一伙开始向深海进军。漫画家尾田荣一郎在草帽海贼团驶向海底的历险中把众多的海洋知识融汇到漫画当中,比如:海洋垂向的温度变化海流的变化深海生物以及深海热液出口等海洋科学知识。虽然漫画本身并不是科学知识的准确再现,但仍然把握住了其中很多重要的知识点。咱们现在就来看看漫画中都有哪些是对的,哪些是错的。

海底热泉系统的发现是以1948年瑞典科学家利用“信天翁号”(Albatross)考察船在红海发现高温高盐溶液为标志。1963-1965年国际印度洋调查期间,在红海的轴部及中央盆地中识别出层化的高温高盐溶液,发现了热液多金属软泥,从而揭开了海底热液活动研究的序幕。在随后的调研中,在大洋中脊多处发现了黑烟囱、块状硫化物及喷口生物,海底热液活动也成了科学家了解地球深部构造及地球生命起源的一个重要窗口。

“玫瑰花园”——神奇的热液生态圈

大洋中脊不仅孕育了海底黑烟囱这样的地质奇观,更令人惊奇的是,在这个被阳光“遗忘”的角落,还存在着一类特殊的生物群落。1977年,世界著名的载人潜水器阿尔文号(ALVIN)在东太平洋的加拉帕戈斯(Galapogos)群岛洋中脊地带考察热液活动时,意外地发现了在热液出口附近,有一片甚至比热带雨林更为生气勃勃的生物群落。——那是一片很美丽的景色,有着如雪片般密集的微生物,白色的贝、蟹,紫色的鱼、虾,最奇妙的是那里有大片大片红白相间的如同盛开的玫瑰一般绚烂的“花朵”,于是科学家们给这里取了一个美丽的名字——“玫瑰花园”(Rose garden)。

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【热液出口附近的玫瑰花园(来源:National Geographic, Photograph by Emory Kristof)。】

 

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【美丽的“玫瑰”,就是现在几乎已经成为海底热液生态系统典型代表的管状蠕虫(tubeworm)。管状蠕虫是一种大型环节动物,生活在热液口附近温度为15℃~20℃的地方(来源:WHOI)。】

 

寂寞的海底从此因为有了“玫瑰花园”而热闹了起来。

和我们常见的基于光合作用的生态系统不同,热液出口处的生态系统是基于化能合成作用的。在这个小系统中,能够利用热液里面的硫化物获取能量的细菌是最基本的生物。在这些细菌提供的能量的基础上,热液出口处还生活着多种其他生物。2007年,我也有幸乘坐阿尔文号下到2400多米的东太平洋中脊。在那里,亲眼目睹了长达2米的管状蠕虫、贝类、白色大螃蟹还有粉紫色的大丑鱼,都活得很惬意的样子。

海底摄像拖体 本报记者 刘园园摄

随着海盗船的下沉,娜美提醒大家加点衣服,因为深海比较冷。娜美果然是不错的航海士,对海洋的垂向特征有准确的理解。现实中,海水的温度随着深度的增加一般是呈现变冷的趋势,到达深海之后,水温也就是几度的样子。据说以前航海的人就是利用这个特征,放个篮子到海里来冰镇大西瓜的。下面这幅漫画还提到了著名的热量传输带,就是最下面那个联通四海的带状结构。这个贯穿几大洋的传输带把物质和热量在不同的纬度之间输送,其对全球的气候变化有着极其重要的意义。不过应当注意的是,这个图只是个概念上的结构,真正的大洋环流要比这个复杂的多。

海底热液活动在离散板块边界和汇聚板块边界均可出现,但都集中在拉张性构造带上,主要分布于洋中脊、弧后扩张中心等。其形成的机理是:海水沿裂谷张性断裂或裂隙渗入洋壳内部,受炽热的熔岩影响后与基底玄武岩发生反应,形成酸性、还原且富硫化物与成矿金属的热液,温度高达350~400℃。反应程度随温度和压力的增加而增加,直到岩石变得难以渗透,含矿热液就上升回到海底。当它们从喷口涌出时与冷海水相遇,导致黄铁矿、黄铜矿、纤锌矿、闪锌矿等硫化物及钙、镁硫酸盐的快速沉淀,最后不断堆积成一种烟囱状的地貌。烟囱高低粗细各不相同,高的可以达到一百多米,矮的也有几米到几十米。因温度和组分差异,形成白烟囱或黑烟囱:当热液温度为100~350℃时,形成主要由硫酸盐矿物、二氧化硅和白铁矿组成的白烟囱。当温度≥350℃时,形成由暗色硫化物如磁黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿等堆积而成的黑烟囱。

海洋大漩涡——搬家的顺风车

美丽的事物总是短暂的,同样,靠抽热液出口的“烟”活着的玫瑰花园并不长久。热液出口不稳定,有时候会突然大规模地喷发。随着研究的不断深入,海洋学家们发现了一个奇怪的现象:发生比较大型的喷发时,热液出口附近的几乎所有生物都会死亡,但等喷发过去后,生物群落很快又会重新出现在新的热液出口。

也许你会觉着新群落的出现是很自然的现象,但其实海底生物群落中与化能合成细菌共生、处于最基础营养级的管状蠕虫个要“搬个家”并不那么容易。首先,海底的温度非常低。在我们观测的东太平洋海底,水温大概为2℃左右。而管状蠕虫的幼虫在这么低的温度下,并不能存活很久,大概只有一个月左右。另外,这些生物幼虫几乎没有游泳的能力,所以它们不可能自己游到新的热液出口。曾经认为的一个比较可能的原因是大洋中脊附近的海流把幼虫带过去的,不过,后来科学家们观测海底的海流非常弱,距离我们观测到的喷发后又有生物出现的热液出口最近的生物群落也有300多公里,非常弱的海流是不可能在幼虫死亡之前把它们运到这么远的地方去的。

那还会有什么力量更强大的“顺风车”呢?2004年到2005年,我们在东太平洋中脊区域放置了10几个海流计,把它们都挂在锚定在海底的浮子上面,这样它们就能测量海底不同深度的海流变化。此外,我们还布放了可以测量生物幼虫数目及沉积物的仪器。通过观测,我们发现大多数时候,大洋中脊附近的流场比较弱,也很稳定,但在某段时间流速会突然反向并强度明显增强。当我们分析同时期的卫星资料时发现,在海底流速变化的时候,有一个直径300多公里的中尺度涡旋正好经过我们的观测点。然后,结合数值模型及生物幼虫和沉积物的观测数据,我们推测出:正是海面的那个大涡旋影响到几千米深的海底,它导致的海流让热液口的蠕虫幼虫搭上了搬家的顺风车。

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【研究区域的地理位置,图中白色五角星显示的是研究观测点。由特旺特佩克地峡海湾和帕帕加约海湾产生的中尺度漩涡影响着东太平洋海隆。East Pacific Rise: 东太平洋海隆;Mexico:墨西哥;Gulf of Tehuantepec: 特旺特佩克地峡海湾;Gulf of Papagayo:帕帕加约海湾(来源:Adams et al., 2011, Science)】

 

我们的工作除了解释了热液出口生物群落的迁徙问题外,还发现了另外一个问题。在太平洋东部的这些中尺度涡旋的强度和数量,跟给人类带来众多灾难的厄尔尼诺现象之间有一定关系。这就是说,当厄尔尼诺现象发生时,不但我们人类会受到影响,连躲在海底几千米的生物也会通过这些大涡旋被间接的影响到。这也告诉我们,地球是一个高度耦合的系统,真算得上是“牵一发而动全身”。

地球上最大、最宽的山脉在哪里?不在陆地上,而是在海洋里,它就是海底洋中脊。

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洋中脊分布在四大洋,它们互相连通,加起来一共8万公里长,占全球海洋面积的三分之一。这里是洋壳的新增长点,也是海洋科学家们关注的热点。

漫画中,布鲁克中提到“深层海流”以缓慢的速度流向海底,到再次见到阳光需要两千年的时间。从海水的年龄上来看,这个数字大体上是对的。海洋学家们通过对海水里示踪物质的研究发现,从北大西洋生成的大洋深层水从下沉,然后传输和扩散到各个大洋,最后再回到海面的时间大概在千年量级上。不过这个过程并不是像漫画中描绘那样直接,而是包含了海流传输和混合等多个复杂过程。这个问题也正是海洋学中最重要的问题之一。

海底热液区示意图

当地时间3月22日,执行中国大洋49航次科考任务的“向阳红10”船在工作区内完成海底摄像拖体第一条测线工作后,开始进行多波束地形测线作业。它的工作区域正位于西南印度洋洋中脊。

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“洋中脊是地质活动非常活跃的地区。”中国大洋49航次第三航段地质组组长杨振博士告诉科技日报记者,地球内部存在高温液态的岩浆,它可以顺着板块之间的缝隙往上涌并喷发出来,洋中脊就是地球上规模最大的岩浆上涌喷发通道。

大家接着又谈到了大洋深处海水形成的原理。正如娜美所说,海水要沉下去,密度必须要大,而海水密度主要取决于其温度和盐度(盐分)。又冷又"咸"的海水更容易下沉。正因为大西洋北部海水具备这两个特征,所以那边是深层水形成的主要区域。当然,超级冷的南极大陆边缘也贡献了很多大洋深处的海水。另外,海水结冰时会把盐分排出,这会使未结冰的海水更“咸”更容易下沉。

海底黑烟囱

由于位于两个板块分离的位置,洋中脊以一定的速率扩张,而且不同的洋中脊扩张速率不尽相同。有的每年扩张80毫米以上,被称为快速扩张洋中脊,如东太平洋海隆。其次是中速扩张洋中脊和慢速扩张洋中脊。而西南印度洋洋中脊每年扩张16毫米以下,比指甲的生长速度都慢,被称为超慢速扩张洋中脊。

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热液生态系统与陆地-浅海光合作用为基础的生命体系有根本区别,它们形成以嗜热硫还原细菌为基础生产力的食物链,构成一个自养自给的共生系统,目前认为海底热液是其营养物质的初始来源。这一环境内的生物组成主要有细菌、双壳类、铠甲虾,与细菌共生的巨型管栖动物、管水母、腹足类和一些鱼类,这在压力巨大、一片漆黑的海底形成了一片繁华的生命奇景。这一群落随着“热液”的长消而出没,当“热液”停止喷发,这一群落也随着消失。当新的“热液”产生时,又能形成新的群落。

中国大洋49航次首席科学家陶春辉介绍,洋中脊正在“透露”着地球深部的大量秘密,因此是了解地球深部的重要窗口。它的有趣之处不仅仅在于孕育着频繁的火山、地震活动,还在于发育着大量的海底热液活动和生命系统。

再往下走,草帽海贼团就到了阳光到不了的深海了。不过,正如布满繁星的天空一样,深海并不是漆黑一片,那里也有无数的“星星”。漫画里,路飞他们就被鮟鱇鱼的小灯给忽悠了,差点葬身鱼腹。其实海洋里,尤其深海,类似的生物发光现象非常常见。从简单的微生物到复杂的鱼类、头足类,很多都有发光的本事。要看发光的海洋生物,请看TED上最受欢迎的视频之一:http://t.cn/hkJMS

多金属硫化物矿床是热液活动的产物,富含Cu、Zn、Fe、Mn、Pb、Ba、Ag、Au、Co、Mo等金属和稀有金属,赋存于2000~3000米水深的海底,是继大洋锰结核和结壳之后发现的又一具有巨大开发远景的海底矿产资源。它和深海热液喷口生物、大洋多金属结核、富钻结壳、天然气水合物等新型资源一起被誉为21世纪人类可持续发展的战略接替资源,具有很好的科研与商业应用前景。

1977年,美国的阿尔文号载人深潜器在东太平洋加拉帕戈斯群岛海域观测到第一个热液喷口。此后,在快速扩张的东太平洋海隆和慢速扩张的大西洋洋中脊发现大量的热液活动。西南印度洋洋中脊扩张得最慢,科学家曾以为这里不会发育热液活动。然而2007年我国科学家陶春辉等在这里找到了地球上首个位于超慢速扩张洋中脊的活动热液区。

另外,漫画中的大鮟鱇应该是雌的,雄鮟鱇一般体型要小得多,也不会发光,一般靠吸他老婆的血为生。

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洋中脊的热液活动之所以如此受瞩目,要从它的奇特之处讲起。

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海底冷泉从发现到现在已经近40年,是继海底热液之后的又一重大发现,二者都反映了海底的极端环境。来自海底沉积界面之下的以水、碳氢化合物 、硫化氢、细粒沉积物为主要成分的流体以喷涌或渗漏方式从海底溢出,并产生系列的物理、化学及生物作用,这种作用及其产物称为冷泉。既然海底热泉是热的,那么冷泉也是冷的喽?其实,海底冷泉的温度与周围海水温度相近,约2~4℃。冷泉常呈线性群产出,主要集中在断层和裂隙较发育地区,经常伴随着大量自生碳酸盐岩、生物群落、泥火山、麻坑、泥底辟等较为宏观的地质现象。

杨振介绍,洋中脊的岩石具有渗透性,海水会沿着缝隙渗透下去,被灼热的岩浆加热后,会与周边的岩石发生交换反应,被加热后的海水被称为“热液”。热液将岩石中的金属元素溶解出来,继而再顺着缝隙往上涌,最后在海底喷涌而出,经过持续的喷发、冷却、沉淀后,形成了形似烟囱的东西,滚滚地冒着“黑烟”。这些烟囱状的物体被称为“黑烟囱”,而冒出的“黑烟”就是从海底喷出的热液。它们之所以是黑色,是由于富含各种金属元素。

终于,路飞他们快到海底了。在这里,他们也见到了“热水矿床”,冒着滚滚浓烟的大 “烟囱”和超大的“食肉蠕虫”。这些奇怪的东东在真实的海底是存在的,所谓“热水矿床”的准确名称是“Hydrothermal Vents”,好像译作“热液出口”。其附近有着奇怪的生物群落,典型的生物之一就是图中红色的“管状蠕虫”,不过他们可不是什么食肉动物,而是依靠寄生在体内的能进行化能合成作用的细菌生活。值得注意的是这种基于化能合成作用的系统跟咱们常见的基于光合作用的生态系统有着本质的区别,所有也有科学家认为生物的起源其实就是这些个“热液出口”。值得指出的一点,并不是所有的海底有“热液出口”。这种有趣的结构一般出现在大洋中脊,也就是大洋海底的巨型山脉上。所以从这点上说,路飞一伙还蛮有运气的,一下海就下到了大洋中脊上。这概率比中500万大点,不过也很有限。

导致冷泉形成的因素主要包括:

热液中的多金属硫化物不断被冷却、沉淀,同时“黑烟囱”不断形成、倒塌,天长日久便成了多金属硫化物矿藏。在陆地矿产资源储量日益紧张的情况下,这些静静躺在海底的多金属硫化物矿就成了人类未来的宝贵资源。

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①海底沉积物埋藏或者沉积物滑动、运移及重新沉积;

“更不可思议的是,活动的热液区附近存在着十分独特的不依赖于光合作用的生态系统。”国家海洋局第二海洋研究所王春生研究员介绍,热液喷口附近高温、高压、剧毒,然而竟然生存着异常密集的化能自养微生物。这些微生物养活了多毛类、腹足类、甲壳类和鱼类等生物,形成完整而独特的生态系统。科学家正不断在这些生态系统发现见所未见的新种,令人大开眼界。

漫画中,路飞一伙比较背,一到海底就碰上了火山喷发,还是跟陆地上一个模样的喷发。

②全球气候变冷或变暖引起海平面的升降,从而使海底压力和温度变化;

无怪乎陶春辉说,对科学家而言,洋中脊是研究地球最重要的区域之一,也是地球上最活跃、最神奇的区域之一。

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③构造抬升或海平面下降使压力降低;

(科技日报“向阳红10”船3月22日电)

话说科学家们咋就没这么幸运呢?海底观测无数次了,真正有视频记录下来的海底喷发也没几次。再者,海底火山喷发好像跟陆地火山的喷发很不一样。有兴趣的可以看看这个跟怪物一样的海底爆发视频http://v.youku.com/v\_show/id\_XMjc0NjcxOTc2.html

④与地震有关的压力快速变化、火山喷发、地温梯度升降;

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⑤海底底层水变暖或温盐环流变化,冬季变冷和夏季升温引起的海底环境变化。

文章转载自:科学松鼠会

冷泉的流体可能来自于下部地层中长期存在的油气系统,也可能是海底天然气水合物分解释放的烃类。因此,当上述因素出现时,流体会沿着泥火山、构造面或沉积物裂隙向上运移和排放,便会形成甲烷冷泉。根据冷泉流体溢出速度的不同,将其分为快速冷泉和慢速冷泉。快速冷泉常产自泥火山,流体为富甲烷的流体携带大量细粒沉积物;慢速冷泉流体富油或气,在空间上快速和慢速冷泉常过渡伴生。冷泉流体的流量在时间和空间上也是不断变化的,控制因素主要有潮汐作用、构造作用、孔隙流体与海水的浓度差产生的对流、生物泵作用(海底生物活动改造流体的流动方式)等。

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甲烷气柱喷溢现象

冷泉生物系统是指示海底冷泉非常直接的标志。甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌参与到冷泉流体中的甲烷与硫酸根离子的缺氧甲烷氧化反应中,为化能自养生物提供了碳源和能量,成为冷泉生态系的初级生产者。在其基础上又发育着菌席和深海双壳类及蠕虫(管状群蠕虫和冰蠕虫)多毛类动物以及海星、海胆、海虾等一级消费者,其中管状蠕虫只出现在冷泉流速较低的环境。二级消费者有鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等。所以冷泉活动区域一般都是海底生命极度活跃的地方,和热液生态系统并称为“深海绿洲”。

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繁茂的冷泉生物群落

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白色的潜铠虾和深色的贻贝

全球海洋环境中可能发育有900多处海底冷泉活动区,每年释放大量CO2和CH4等烃类气体到大气中,而CH4的温室效应是相同质量CO2的20倍以上,因此是全球变化的重要影响因子。我国近海冷泉区主要有 7个,其中南海海域分布6个,东海冲绳海槽1个。2015年“海马”号ROV在珠江口盆地西部海域发现了海底巨型活动性“冷泉”,被命名为“海马冷泉”。该冷泉浅表层富含天然气水合物、自生碳酸盐岩大量出露、冷泉生物群广泛发育,是非常典型冷泉系统。

研究冷泉具有重要的科研意义。冷泉是探寻天然气水合物的重要标志之一;冷泉生态系统是研究地球深部生物圈的窗口;冷泉溢出的CH4和CO2是可能造成全球气候变化的重要因素;同时,研究全球圈层相互作用和全球变化也是科学前沿之一。