在现代地球科学研究中,海底热液系统因其独特的地质和生态特征备受关注。近年来,西太平洋近穆索海沟区域的昆仑热液系统被发现为迄今为止全球最大的富氢海底热液管群之一,其规模和地质背景均远超过去著名的"失落之城"。这一系统以蛇纹石化过程为核心驱动力,生成高浓度氢气丰富的碱性热液流,展现了活跃的地质活动和丰富的生物多样性,对理解海洋氢气资源及生命起源具有非凡意义。 昆仑热液系统位于东喀罗来纳板块的穆索海沟附近,是一片直径数百米、呈圆形或椭圆形的海底坑洼结构群,总面积约11.1平方公里,相当于"失落之城"的百余倍。通过载人潜水器奋进者号的多次潜航调查发现,四个规模较大的坑洼壁陡深达130米,形态类似于陆地上的金伯利岩管,坑底则分布有多样的生物群落。现场利用激光拉曼光谱技术,测得热液流体中分子氢含量高达5.9至6.8毫摩尔每千克,换算整体氢气通量达4.8×10¹¹摩尔每年,约占全球海底非生物氢气通量的5%以上。
该热液系统展现出典型的蛇纹石化特征。蛇纹石化是岩石在水与矿物作用下的水化过程,特别是橄榄石与水反应生成蛇纹石,同时释放大量氢气和碱性流体。昆仑区域海底构造形态复杂,年轻的喀罗来纳板块在穆索古沟一带发生强烈弯曲与断层作用,深裂缝使得海水深入地幔岩石,促进蛇纹石化反应持续进行。该过程不仅驱动富氢碱性热液的大规模生成,也形成了由方解石和白云石为主的碳酸盐沉积物,大量推翻的碳酸盐盖层碎块散落于管底,揭示了这一系统经历了多次氢气驱动的爆发事件。 科学家通过高分辨率多波束声呐绘制出丰富的海底地形,确认了昆仑热液管群内多达20个大小各异但排列紧密的坑洼结构,覆盖范围约80公里×50公里。深入水下的勘探揭示,这些管道内具有裂隙发育且贯穿热液流动通道,喷涌的热液中富含氢气及碳酸盐矿物的沉淀特征,进一步佐证了蛇纹石化主导的地质过程。
此外,现场观测到的多样生命形态,包括深海对虾、扳手蟹、海葵及管虫等,充分体现出热液系统不仅是独特的地质现象,也是深海生物栖息和进化的重要场所。 从热液温度角度来看,昆仑系统的流体温度虽最高仅约18.2℃,低于传统的黑烟囱热液系统,但远高于周围海水温度的1.5℃,这与蛇纹石化产生的低温碱性热液特征一致。碳酸盐沉积的类型也随着温度变化而呈现多样性,热源较强时主要形成白云石及方解石交织分布,温度降低则以方解石为主,体现了复杂的化学反应环境。 在化学成分上,热液流体的硫酸盐浓度明显低于周围海水,表明热液流体为淡化状态,且未发现显著的甲烷和二氧化碳信号,进一步证实气体组分中氢气的优势地位。通过分析流体的氢气浓度与裂隙流出速度,以及开口流域面积等因素,科学家估算出昆仑系统的氢气总释放量,为全球海洋非生物氢气供给贡献了显著比重。 该系统形成的地质背景极具特色。
作为一个发轫中的俯冲带古沟,穆索海沟区域的构造不断演化,板块弯曲产生了深刻的正常断层和裂缝,这些地质缺陷为海水向地幔渗透并促成蛇纹石化反应提供了路径。同时,地震地质和岩石学证据均显示该地区上部地幔大量被蛇纹石化矿物所占据,伴随着具有变形特征的透闪石系角闪石矿物的形成。这样的地质历程强化了蛇纹石化是驱动该巨型富氢热液管群形成的关键因素。 昆仑热液管群与陆地上的"仙女圈"有部分外形上的相似性,但其管道的深度和规模远远超过陆地"仙女圈",且成因截然不同。昆仑的坑口一般深达30米以上,甚至超过130米,深度直径比远高于在地表仅有数米甚至几十厘米深度的陆地气体凹陷。这也印证了昆仑管群为氢气爆炸所致的海底结构,而非缓慢沉降过程所形成的地貌。
从生态学的视角来看,昆仑热液系统的稳定氢气供应为海底化能自养生态系统提供了理想能量源。测量中分别在各大管道底部发现了丰富的生命形态,包括偏好高温的深海对虾和广泛分布的海葵、管虫等,暗示该系统具备维持复杂生物群落的潜力。氢气作为驱动海底微生物化能代谢的重要底物,对探寻生命起源和海洋地下生物圈边界具有启示意义。 此外,昆仑富氢热液系统的能源潜力不容忽视。随着全球绿色能源需求的急剧上升,海洋中的清洁氢气资源成为科学关注的热点。昆仑系统作为一个地下氢气储藏和释放的自然实验场,展现了氢气大规模生成、迁移和释放的过程,为研发生物和化学制氢的新技术提供了源头实例,并可能为未来开采海洋氢能源指明方向。
研究人员对系统进行了详细的多学科观测和分析,包括水下三维地形测绘、载人潜航器深度观测、原位拉曼光谱测定和物理参数监测。多源数据相互补充,构建了昆仑热液系统运行的综合地质模型。该模型揭示了氢气积累导致大规模爆炸形成热液管道,紧接着氢气富集的热液沿裂隙逸出形成大小不一的群体热液喷口碳酸盐沉积,随后热液活动逐渐衰减,管道被沉积物覆盖,完成生命周期。 综合来看,昆仑蛇纹石化驱动的富氢海底热液系统打破了传统海底热液活动仅限于中洋脊和火山弧的认知,展示了年轻洋壳中的复杂地热和地球化学过程。它不仅丰富了我们对深海地下环境多样性的认识,也凸显了海洋氢气资源和生命起源研究的新方向。 未来,随着深海探测技术的进步和海洋能源需求的推动,对类似昆仑这样大型蛇纹石化富氢系统的调查、监测和评估将成为热点研究领域。
学界和产业界需联合开展跨学科合作,深入解析其地质化学机制、生物生态体系构成和氢气资源开发潜力,推动海洋科学与绿色能源产业的协同发展。全球碳中和目标和海洋可持续发展战略中,这类独特地质系统必将发挥愈加关键的作用,为人类社会提供宝贵的新能源和科学启示。 。
