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西南印度洋海底尋寶記

  • 發佈時間:2015-04-02 05:46:02  來源:經濟日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  馬達加斯加以南9000海裏外的西南印度洋,遠離大陸、島嶼和所有航線,水深2000至3000米,最深處可達5000米——這裡,正是中國大洋34航次、35航次科考的目的地。

  我國大洋科考主力船“大洋一號”執行大洋34航次任務,搭載我國首個載人深潛器“蛟龍號”的“向陽紅9號”執行大洋35航次任務,2014年12月至2015年2月,兩條船共同在這片海域進行科學考察,這是我國大洋科考史上首次出現的景象。

  西南印度洋究竟蘊藏著什麼奧秘?我國探秘深海海底,近年來又緣何頻頻鎖定西南印度洋?

  神秘的海底“黑煙囪”

  熱液噴口,被認為是二十世紀海洋科學最重要的發現之一。這種噴溢黑色熱液的煙囪狀黑色“岩石”,熱液測溫高達350℃至400℃。

  2月9日至3月20日,中國大洋34航次第3航段,擔任大洋34航次首席科學家的國家海洋局第二研究所研究員陶春輝從“向陽紅9號”轉到“大洋一號”工作。“搞了這麼多年熱液調查,親眼在海底看見大量冒著黑煙的‘黑煙囪’,還是非常激動。”在向9船期間,陶春輝曾4次搭乘“蛟龍號”下潛至海底。

  1977年,“Alvin”號深潛器在東太平洋洋中脊首次發現熱液噴口,被認為是20世紀海洋科學最重要的發現之一。1979年,美國科學家利用“Alvin”深潛器再次回到東太平洋海隆拉帕格斯擴張中心,觀測到正在噴溢黑色熱液的煙囪狀黑色“岩石”,熱液測溫高達350℃至400℃,這也就是人們常説的“黑煙囪”。

  “黑煙囪”是如何形成的,又有什麼價值?大洋34航次地質組長、多次參與我國大洋調查工作的中國地質大學教授蘇新介紹,海底熱液迴圈模式是比較公認的“黑煙囪”形成模式。由於板塊運動,大洋中脊的擴張中心産生很多斷裂和裂隙,低溫海水在這種高滲透的岩石中下滲到較深的地殼,被加熱後從周邊圍岩中淋濾出大量的礦物質,從而形成高溫並富含多種金屬組分的熱液流體。熱液流體受下伏岩漿物質上涌驅動或構造擠壓,就會沿裂隙上升噴發,在海底表面周圍與低溫海水混合時,溶解在其中的金屬成分就沉澱並形成多金屬硫化物或硫化物煙囪。

  陶春輝表示,多金屬硫化物由於含有鉛、鋅、銅、金、銀等多金屬元素且富集程度高,有望成為21世紀人類即將開發的重要海底礦産資源之一。這些富含銅、鋅、鉛、金和銀等金屬元素的硫化物與陸地上發現的火山成因塊狀硫化物資源具有緊密聯繫,也激起國際採礦界極大的興趣,一些國家開始將熱液硫化物作為一種潛在的礦産資源進行調查。

  熱液硫化物作為海底熱液活動的主要産物,按噴發時的溫度和顏色可分為黑煙囪、白煙囪和低溫噴口三種。一般認為黑煙囪可高達300至400℃,以金屬硫化物為主;白煙囪為100℃左右,以硫酸鹽、二氧化硅和閃鋅礦為主;低溫噴口在100℃以下,以碳酸鹽和二氧化硅為主。

  非常幸運的是,由“大洋一號”完成的17、19、20航次等多次環球科考,就已經幾乎發現了大部分形式的海底熱液區,如在東太平洋海隆和西南印度洋發現了以玄武岩為圍岩的“黑煙囪”、“白煙囪”和碳酸鹽岩煙囪,在西南印度洋發現了與超基性岩蛇紋石化有關的硫化物,併發現了“非活動”的硫化物。

  截至2014年,近30年來全球已經有300多個熱液區在全球的大洋中脊、弧後盆地和板內火山等不同構造環境中被發現,其中超過60%分佈在大洋中脊地區,其中40%位於國際海底區域。

  在洋中脊尋找硫化物

  海底多金屬硫化物分佈于大洋中脊和弧後盆地,我國的大洋調查研究證明,超慢速洋中脊有岩漿活動,形成多個熱液多金屬硫化物區。

  事實上,我國對西南印度洋的科學考察早在10年前就已啟動。2005年4月至2006年1月,“大洋一號”船完成了我國首次環球科考暨中國大洋科考17航次,首次在印度洋發現了熱液異常。2007年1月3月中國大洋19航次第I、II航段在西南印度洋發現了第一個活動熱液區——龍旂熱液區。

  “當時拍攝到了正在冒‘黑煙’的硫化物煙囪體和大量硫化物和生物照片,並取得了硫化物煙囪體、玄武岩及熱液生物等樣品。”親歷發現過程的陶春輝表示,龍旂熱液區是世界上第一個在超慢速擴張洋中脊發現的活動熱液區,對於研究超慢速擴張洋脊熱液活動類型、成礦作用、熱液生物分佈以及對大洋的熱質貢獻等具有重要的科學研究價值。

  此後,中國大洋調查航次在西南印度洋開展了5個航次的海底熱液活動調查,發現了10余處熱液區。

  海底多金屬硫化物分佈于大洋中脊和弧後盆地,熱液區在太平洋、大西洋也有發現,但我國為何將西南印度洋作為研究重點?

  洋中脊全長5萬多公里,是全球最長、最複雜的構造體系,在洋殼增生和板塊運動過程中扮演著關鍵角色。大西洋的洋中脊在洋盆中心,而太平洋的洋中脊偏洋盆東側,臨近美洲;印度洋的洋中脊則是人字形。“簡單地理解,洋中脊就是大洋中的山脈,是地殼物質增生的地方,而海溝則是地殼物質消亡的地方。”蘇新説。

  “西南印度洋洋中脊屬於超慢速擴張洋中脊。”蘇新介紹,不同擴張速率的大洋中脊具有不同的地形地貌、構造特徵和岩漿活動等,直到上世紀末,絕大部分針對洋中脊海底熱液活動的調查研究集中在太平洋和大西洋的快速和中慢速擴張洋中脊,對於超慢速擴張的西南印度洋中脊(SWIR)和北冰洋的Gakkel洋中脊海底熱液活動的研究程度尚十分薄弱。

  過去科學家一般認為,超慢速洋中脊地殼岩漿活動不頻繁,因而難以形成“黑煙囪”硫化物。“但在快速洋中脊,由於板塊構造活動頻繁,形成的物質會不斷破壞,而慢速和超慢速洋中脊形成的硫化物不易被破壞,且地幔深部物質更容易與海水發生長週期反應,形成富含金屬的流體被帶上海底表層。中國的大洋調查研究也證明,超慢速洋中脊有岩漿活動,形成多個熱液多金屬硫化物區。”蘇新説。

  2011年,我國與國際海底管理局簽署西南印度洋《硫化物資源勘探合同》,獲得1萬平方公里具有專屬勘探權的多金屬硫化物資源礦區。2014年11月至2015年6月進行的中國大洋34次科考,正是繼大洋30航次後執行合同開展的第二個大洋調查航次,標誌著我國在西南印度洋的科學考察工作從科學調查走向了勘探。

  獨特的熱液生態系統

  在此生態系統中,初級生産者是能利用海底熱液流體中還原性物質合成有機物的微生物,這些化能自養微生物能為其共生的生物提供賴以生存的大分子有機物質,從而形成一個化學能量生態系統。

  我國對西南印度洋深海海底的探索,意義並不僅僅在於尋找多金屬硫化物。採集及研究大洋洋中脊中深海熱液生態系統的生物,從而獲取獨特的生物基因資源,是西南印度洋科考的另一重要目的。

  大洋深處被稱為“地球最後的秘境”。1977年,科學家們在東太平洋洋中脊觀測到海底熱液口時,更意外的重大發現是在約2500米處的海底第一次發現了熱液生態系統。此前人們認為深海底沒有生命,因為沒有光、溫度低、壓力大、氧氣也不夠,但熱液噴口附近居然有眾多不依賴陽光的熱液生物,給當時的地學界和生物界帶來了巨大震動。

  “深海熱液生態系統的發現,打破了以往‘萬物生長靠太陽’的定論。在此生態系統中,初級生産者是能利用海底熱液流體中還原性物質合成有機物的微生物,相當於光合生命系統中植物的作用。” 中國大洋34航次首席科學家助理、國家海洋局第三海洋研究所副研究員董純明告訴記者,它們能在高壓高溫極端條件下生存,這些化能自養微生物能為其共生的生物,如熱液盲蝦、熱液蟹、貽貝、海蝸牛和藤壺等提供生存繁衍所必需的大分子有機物質,從而形成了一個高效物質流及能量流的化學能量生態系統。

  高溫、高壓、黑暗、低氧濃度、劇烈變化的溫度、鹽度等水文因子及多種重金屬以及其他毒類物質的存在,使深海熱液口生態環境顯得非常嚴酷和不穩定。但令人驚奇的是,熱液區的生物量和棲息密度都很高,通常是其他深海環境的500至1000倍,這與熱液口化能自養微生物的高生産力有關,有科學家估計可能是光合作用量的2至3倍。

  中國大洋34航次第三航段生物組組長、國家海洋局第三海洋研究所施曉峰博士介紹,深海熱液噴口周圍存在多個漸變梯度帶:一個是向四週漸低的溫度梯度帶,第二個是多種化學物質濃度向四週漸低的化學梯度帶,這促使第三個梯度帶的形成——以噴口為中心向四週呈環帶狀分佈的熱液生物梯度帶。“在噴口附近水溫為60至110℃的區域,以古細菌和嗜熱細菌為主;在溫度為20至40℃的區域,以嗜熱的多毛類為主,代表物種為龐貝蟲;在溫度為2至15℃的區域,生物種類繁多。”

  “截至目前,已描述的熱液生物新種已近600種,這一數據還在不斷刷新。在過去30年間,平均每個月,全球就有兩個深海熱液生物新物種被發現。”施曉峰説。

  “我們在大洋26航次時,就曾經在南大西洋洋中脊抓取過熱液生物。可以説海底熱液活動區是天然的海底實驗室,是當今科學研究前沿。”董純明表示,對熱液大型生物和微生物的基因資源研究、開發和利用,是目前國際海洋生物學研究的前沿領域和熱門課題,從這些深海極端生物中開發在醫學、工業、環保領域中具有特殊功能的高科技生物産品,具有巨大的發展空間和經濟前景。

  與此同時,熱液區給從事基礎研究的科學家們提供了重要啟迪——“黑煙囪”周圍有毒、高溫、酸化的環境很像地球形成初期的環境,這為人類認識地球結構和演化、海洋環境變化、生命起源等提供了全新的窗口。

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