深海“丹炉”：海底热液口物质循环.pdf

WeChat:kexuemag11SPECIALTOPIC专是题“海底热液口”专题深海“丹炉：海底热液口物质循环徐利强海底热液口的过程研究不断刷新人们对海底世界的认知，从而奠定了其在物质循环界的“江湖地位物质和能量交换是一个系统保持活力的基础，作为一颗生命星球，地球的物质和能量交换广泛存在于各个尺度的过程中。大洋深处水与火的交融形成了热液喷口系统，该处发育了特殊的生态系统。这个系统就像一个小型“炼丹炉”，对来自海水和洋壳的物质进行混合加工，这个过程会对“水-岩”界面的物质循环产生显著影响生物地球化学循环任何一个生命体都需要从外界摄取物质和能量，这是生命活动的基本规律。从宏观来看，地球上的生物与环境构成统一体，形成具有极强自我修复和自我调节的复杂系统。从某种意义上来说，地球是一颗“活的”星球（学界称为盖娅假说或盖娅理论）。物质循环是一颗星球“活着”的证据，物质在地球上的循环因而成为地球科学的重要研究内容，相关研究对于理解地球的形成和演化，以及生命与环境的协同进化具有重要意义。生态系统从大气圈、水圈、岩石圈等环境中获得所徐利强：副教授，合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥230026,Xu Liqiang:Associate Professor,School of Resources andEnvironmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230026.0含量高10002.5（/）20002.0(米）1.530001.040000.550000含量低150W140W130W120W110W0含量高4000干米1.410001.2（/汇）室20001.0(米）30000.840000.650000.4含量低150W140W130W120W110W热液口喷出物中铁（上）和氢（下，热液活动的指示性同位素）的远距离传输（据文献【1 修改）需要的物质（包括水和元素），在系统内传输后最后归还于环境中，这被称为生物地球化学循环。因为远离地表，阳光无法透过厚层海水为生命过程提供能量。即便如此，热液喷口在特殊的化学条件下，仍然发育了繁荣的生态系统，形成了独特的生物地球化学循环过程。连接地球深部的海底热液口能够“喷云吐雾”，将大量地球深部的物质传输至深层海水中。热液口存在活跃的物理、化学和生物过程，在很大程度上控制了元素在洋壳与海水之间的传输。这个传输过程的时空跨度相当大，如热液与海水的混合可在1 分钟内完成，而热液口喷出的流体（热液羽流）传输至几干干米远的地方，75卷3 期122023年5月科学SCIENCE则需花上数十年的时间。自2 0 世纪7 0 年代首个热液喷口被发现以来，人们已在全球所有大洋中都找到了深海热液喷口。除传输某些元素外，热液口喷出的物质也具有独特的同位素特征，可能会影响全球尺度的海水同位素组成。因此，地球历史时期曾经存在过的和当前仍在活跃的热液口活动，都会对全球海洋的生物地球化学循环产生大尺度且久远的影响。同时，伴随海底热液口物质循环的还有岩石圈与水圈之间的能量传输。热液口在海底广泛分布，是地热能在海底的一种重要体现。部分海底热液口的传热功率可高达6 0 兆瓦，与核电站一个发电机组的功率相当，因此具有巨大的能源资源潜力 2 。尽管工程专家设计了热液口处多种形式的发电系统，但目前深海热液能源资源的利用尚处于设想阶段，还未实现真正意义上的开采热液口元素循环海洋生产力的高低对于人类社会发展来说至关重要。随着海洋学研究的深人，研究人员逐渐意识到微量元素循环会对全球海洋初级生产力产生重要影响，从而进一步影响全球环境质量。为提升对大尺度海洋环境中微量元素及其同位素生物地球化学循环的认知水平，包括我国在内的世界上35个主要国家于2 0 1 0 年正式启动了“海洋微量元素及其同位素生物地球化学循环研究计划”（简称GEOTRACES计划），该计划目前仍在持续开展中，有望在物质循环方面取得突破性进展 3。GEOTRACES计划的主要关注对象为海洋微量元素及其同位素，关注区域覆盖了全球所有海区。GEOTRACES计划涉及的微量元素和同位素有数十种，其中重点关注对象包括铁、锌、镉、铜等多个微量元素。因其特殊的构造环境和生物群落，热液喷口处的生物地球化学过程备受GEOTRACES计划的关注，成为该计划的核心研究内容成矿元素循环热液口的成矿过程已被广泛认知，该过程喷流出来的一些金属离子，能够形成海底热液多金属硫化物沉积。因此，从物质循环的角度来说，热液系统既可以是“源”，也可以是“汇”。多金属硫化物沉积包括黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等，这些矿物含有高浓度的铜、铅、锌、银、金、钴、锰、汞等元素，部分海域达到开采品位要求，具有较高的商业开发价值。过去几十年来，人们对该成矿过程开展了大量的研究，取得的认识和理解相对成熟。此外，热液口沉积也富含稀土元素，是潜在的稀土矿产。开采海底热液口矿产资源被认为是缓解人类资源困境的途径之一，相关工作正在有序进行中。另外，这些元素还能够以溶解态的形式存在于海洋中，从而进一步影响海水的地球化学特征。这意味着海底热液口活动能够对重金属和稀土元素在岩石圈和水圈之间的循环产生重要影响。正是由于热液口富集某些元素，人们可以根据海底沉积物中的元素含量和比值来间接识别热液活动，许多热液喷口的位置由此推测得到。近年来，借助水下观测和地球化学分析，人们在热液口的物质循环方面取得了一些新的进展，其中包括对铁、碳和氢元素，以及放射性核素循环过程的新认识。铁循环不同的生物体对营养元素的需求量也不同，因此，大洋中某些含量低的关键元素成为海洋初级生产力的限制性因子，铁是最广为人知的限制因子之一。海洋浮游生物生长都需要铁，但铁在远洋地区海水中的含量普遍较低，导致氮、磷等营养盐无法被海洋生物充分吸收，这在很大程度上制约了海洋初级生产力的水平。研究发现，大气粉尘的远距离传输是大洋中铁的重要来源。通过在缺铁海域人工添加铁元素（即施铁肥），海洋生产力确实有所增加，且该过程能够吸收大气二氧化碳。该实验证实了铁元素对海洋初级生产力的控制性作用。向海洋施铁肥是个很大胆的科学尝试，但其对生态系统的影响存在很大的不确定性和未知风险，还有很多问题有待解决，因此在学术界存在很大争议。除依靠远距离风力传输外，海水中的铁还有另外一个潜在的来源一一热液喷口。最新的研究表明，热液羽流中富铁的胶体和颗粒的形成与埋藏控制了热液口向海洋传输的溶解态铁的物理化学条件和输送量。热液喷口是海洋中不可忽视的铁来源，对铁循环产生重要影响 41 。与人工施肥相比，热液口喷出的铁是自然系统内部过程，也是地球系统自我调节的体现，是一种对生态系统和谐、友好的方式，给海洋生态系统带来的风险也较低。碳循环在元素周期表一百多种元素中，碳元素因其特殊的化学性质，成为地球生命的“骨架”。因此，热液口频繁的生命活动会对碳循环产生影响。同时，该过程也有WeChat:kexuemag13SPECIALTOPIC专题助于促进氮、磷、硫等生命元素在深海的循环。根据前人研究，热液口是深海中黑碳的来源，因此其可以作为“源”将碳释放到海水中，但也可以将溶解态有机碳从海水中去除，这意味着热液口同时又是碳“汇”。热液口微生物活动也会介人热液环境的碳循环。一项来自美国科学家的研究表明，热液口原生生物是连接初级生产者和高营养级生物之间的纽带，其摄食活动是深海热液口食物网中碳循环的关键，深海原生生物群落在深海碳循环中发挥着极为重要的作用 6 。在全球变暖的背景下，世界各主要经济体都提出了各自的碳中和战略，进一步研究热液口的“碳源-碳汇”过程和循环机理，对于碳中和战略的实施而言具有重要的理论和实践意义。此外，借助深海激光拉曼光谱原位探测系统，我国科学家于2 0 2 0 年在冲绳海槽深海热液区首次观测到超临界二氧化碳流体的喷发，喷发流体中含有大量氮气，并大概率含有大量有机物质。这对于深入理解深海碳循环具有重要意义，也为地球早期有机质的合成和生命起源提供了新的启示。总体而言，我们在深海热液口碳循环方向取得了一些初步的认识，但相关研究尚处在起步阶段，更多深入的研究工作有待进一步开展。值得一提的是，热液口微量元素和碳元素的循环并非是独立的，而是相互作用、耦合在一起的。如铁、铜、锌等营养元素能够提高海洋初级生产力、促进生态系统的发育，这会加快碳、氮、磷、硫等生命元素和其他微量元素在海洋系统内的循环氢循环生命过程需要能量，太阳辐射在地表担当了这个重任。然而，热液口远离地面，接收不到太阳光，因此生命发育必须另辟蹊径。地球深部含有大量的氢元素，这些氢元素能够随深海热液口喷出，使得该元素在热液口系统极度富集。热液口含有一些能将氢（氢气、硫化氢）氧化的微生物，这些微生物在将氢原子氧化时释放能量，这些能量是海底热液口生物最为重要的能量来源之一，也是海底热液口生态系统发育的物理学根本 6 。热液口的微生物活动及其生物地球化学过程影响氢代谢，从而进一步影响氢循环，是氢循环过程中一个不能被忽略的重要因素。放射性环境核素循环热液口除了是海水中微量元素的重要来源外，也能够释放高浓度的长半衰期天然放射性环境核素（如铀系衰变产生的镭，半衰期约1 6 0 0 年）。这些核素能够随食物链进人热液口生物体内，造成生物富集，带来潜在的生态风险。如基于东太平洋洋隆和大西洋洋中脊的调查，研究人员发现热液口生物群落普遍富集2 38 铀、2 35铀和2 34铀等核素【7 。高含量的重金属和放射性核素可能意味着二者之间存在耦合性。热液喷口处的地球化学组成是生态结构的控制性因素，借助地球化学手段研究热液喷口处的物质循环依然是未来研究工作的发展方向 8 热量铅、钻、银等成矿元素水深海热液口碳、氮、硫、氢铁、铜、锌等等生命元素微量完素深海热液喷口系统物质能量传输和物质循环示意图简言之，深海热液喷口对能量传输和物质循环都会产生一定程度的影响人类活动对热液口生态及物质循环的影响生命是物质运动的最高等形式，也是最为高效的能量和物质传输方式，海底热液口生物群落会对深海物质循环产生相当大的影响。因此，所有能够影响热液口生物的过程都会对物质循环产生干扰。深海热液喷口原本是一片净土，远离人类活动区，然而，随着工业化时代以来人类活动的日益增强，人类活动对偏远地方的生态环境也会产生影响，这其中也包括海底热液区。自然过程和人为过程都会对热液口环境产生影响，但人为影响尺度更大、波及范围更广、持续时间更长，更应该受到关75卷3 期142023年5月科学SCIENCE注。深人认识人类活动对自然系统的影响一直以来也都是地球科学的核心。人类在海洋存在多种形式、多个尺度的活动，不同类型的人类活动对热液喷口生物群落的影响程度也存在差异 9 。例如，水下记录片拍摄、深海大洋钻探、海底拖网等过程都会对热液口产生不同程度的影响。在相关人类活动中，深海采矿对热液口物质循环的影响最为特殊。迫于矿产资源短缺的压力，人类对深海热液矿床“”已久。2 0 0 6 年，澳大利亚的鹦鹉螺矿业公司（NautilusMinerals）与PlacerDome公司合作，首次从热液口取回1 0 吨硫化物矿物，开创了深海采矿的先河。2 0 0 7 年，同属澳大利亚的海王星矿业公司（NeptuneMinerals）改进了采样设备，也成功将热液口沉积运送回地面，但总体采样规模有限。由于本国矿产资源的乏，日本成为早期关注深海采矿的几个国家之一。2 0 1 7 年，日本国家石油天然气和金属公司（JOGMEC）在冲绳海槽首次实现海底热液矿床的规模化开采，揭开了人类开采自然资源新的篇章。这些采矿活动会改变热液口的生态结构、干扰热液口物质循环过程，相关活动对热液口环境的影响近年来也渐受关注，并取得了一些进展。尽管热液口之间有一定的距离，但这些热液口并非完全独立，而是存在“交流”：热自然过程对热液口生态系统的影响较大程度影响中等程度影响轻微影响火山喷发水热循环板块运动可忽略的影响矿化作用通道堵塞影响增大潮汐波动发生频率降低人为活动对热液口生态系统的影响较大程度影响中等程度影响轻微影响深海采矿深海钻探可忽略的影响海底拖网水下采样热能开采光污染疾病传播地质测绘水下监测水下拍照水下旅游垃圾排放记录片拍摄自然过程和人类活动对热液口的影响（据文献【9 修改）液口生物幼体可在洋流的作用下，扩散到其他热液口，并在那里“安家立业”。最近一项来自西北太平洋地区的研究表明，深海采矿除对采样点热液口的生物群落产生影响外，还可能会产生连锁反应，将这种不良影响传递到数百干米外的其他喷口地点，并对其产生威胁1 1 0 。结语无论是从无机界的循环，还是从生命演化的角度来看，深海热液喷口系统都是一个特殊且美丽的存在，它是我们认识和观察地球内部的窗口，具有十分重大的研究价值。关注深海生态系统，关爱我们的地球，促进人与自然的和谐相处，追求可持续发展，是人类永恒的目标。1 German C R,Casciotti K A,Dutay J C,et al.Hydrothermal impactson trace element and isotope ocean biogeochemistry.PhilosphicalTransactions,2016,374(2081):20160035.2 Aryadi Y,Rizal I S,Fadhli M N.Electricity generationfrom hydrothermal vents.IOP Conference Series:Earth andEnvironmental Science,2016,42(1):012019.3 Anderson R F.GEOTRACES:Accelerating research on the marinebiogeochemical cycles of trace elements and their isotopes.AnnualReview of Marine Science,2019,12(1):1-37.4 Lough A J M,Connelly D P,Homoky W B,et al.Diffusehydrothermal venting:a hidden source of iron to the oceans.Frontiers in Marine Science,2019,6:329.5 Hu S K,Herrera E L,Smith A R,et al.Protistan grazing impactsmicrobial communities and carbon cycling at deep-sea hydrothermalvents.PNAS,2021,118(29):e2102674118.6 Adam N,Perner M.Microbially mediated hydrogen cycling indeep-sea hydrothermal vents.Frontiers in Microbiology,2018,9:2873.7 Charmasson S,Sarradin P M,Faouder A L,et al.High levelsof natural radioactivity in biota from deep-sea hydrothermalvents:a preliminary communication.Journal of EnvironmentalRadioactivity,2009,100(6):522-526.8 Gartman A,Findlay A J.Impacts of hydrothermal plume processeson oceanic metal cycles and transport.Nature Geoscience,2020,13(6):396-402.19 Van Dover C L.Impacts 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