熱液硫化物

熱液硫化物（Volcanogenic massive sulphide ore deposits， 或作 VMS） 是一種含有銅、鋅、鉛、金、銀等多種元素的重要礦產資源，主要出現在大洋中脊和斷裂活動帶上。熱液活動區生物群落奇異的生命表現，改變了傳統的極端環境下無生命存在的認識，豐富了深海生物基因庫，在工業、醫藥、環保等領域有廣泛的套用前景。

基本介紹

• 中文名：熱液硫化物
• 英文名：Volcanogenic massive sulphide ore deposits
• 別稱：VMS
• 最早發現：1948年

簡介

“熱液硫化物”（Volcanogenic massive sulphide ore deposits， 或作 VMS） 主要出現在2000米水深的大洋中脊和斷裂活動帶上，是海水侵入海底裂縫，受地殼深處熱源加熱，溶解地殼內的多種金屬化合物，再從洋底噴出的煙霧狀的噴發物冷凝而成的，被形象地稱為：“黑煙囪”。

熱液硫化物是以下礦物之一大來源：銅、鋅、鉛、金與銀礦，且副產物（co- or by-products）有 鈷Co、錫Sn、Ba、硫S、硒Se、 Mn、Cd、銦In、Bi、Te、鎵Ga 與鍺Ge。據初步估算，僅紅海中的熱液硫化物中就有鐵2400萬噸、銅106萬噸、鋅以及伴生的鉛、銀和金290萬噸。“熱液硫化物”是日益受到國際關注的海底礦藏。

這些億萬年前生長在海底的“黑煙囪”不僅能噴“金”吐“銀”、形成海底礦藏，具有良好的開發遠景。而且很可能和生命起源有關，並具有巨大的生物醫藥價值。

發現歷史

英國科學家Revelle1952年第一次在論文中報導了包括沉積物熱傳導的整個大洋熱通量的測量結果，美國科學家Elder隨後在1965年認為洋中脊熱通量測量只能通過洋殼和循環海水的對流冷卻來解釋。正是他們的開創工作使人們逐漸意識到海底熱液循環可以用於地球內部熱量散失的解釋，而後逐步發現了相應的證據。

最早的證據源於1948年“信天翁”號在紅海調查發現的海水溫度與鹽度異常，但這一異常沒有引起注意。到1963－1966年的印度洋調查，途經紅海，再次觀測到海水的異常之後，這種現象才引起人們的重視。隨後，通過采水樣和沉積物樣，人們發現了含金屬懸浮顆粒的熱液和含金屬的沉積物。

1972—1973年間在大西洋洋中脊裂谷區發現近海底存在溫度異常後，1972年在TAG區又獲得了低溫熱液礦物樣品———氧化錳結殼，給熱液提供了直接的證據。直到1977年著名的“阿爾文”號深潛器在東太平洋海隆－加拉帕哥斯洋脊區獲得了第一批高溫熱液區的資料後，人們才真正重新認識到海底熱液活動的普遍性、特殊性和存在的重要科學價值。

形成原因

海水從地殼裂隙滲入地下，遇到熔岩被加熱，熱水溶解了周圍岩層中的金、銀、銅、鐵、鋅、鉛等金屬後從地下噴出。這些金屬經過化學反應形成硫化物沉積在附近的海底，形成幾千噸至上億噸的塊狀海底礦床。海底熱液活動還形成像煙囪一樣的奇特景觀。在“煙囪”周圍，生活著耐高溫高壓的生物群落，它們獨特的生物特徵也有廣闊的套用前景。現時，已開發國家都非常重視相關的研究。在紅海2000多米深的中央海槽里，當初海洋科學家發現了著名的“熱滷水沉積物”，即熱液硫化物。

礦產資源

熱液硫化物在海底形成的"黑煙囪"噴出了熾熱溶液，這些溶液富含銅、鐵、硫、鋅，還有少量的鉛、銀、金、鈷等金屬和其他一些微量元素。當這些熱液與4攝氏度的海水混合後，原來無色透明的溶液就成了黑色的金屬硫化物溶液。

熱液硫化物形成的金屬結核

這些物質往上跑不了多高，就會像天女散花般地從煙柱頂端四散落下，沉積於煙囪的周圍，從而形成含量很高的礦物堆。這一過程歷經的時間很短，一般來說，從一個“黑煙囪”開始噴發到最終“死亡”，只要十幾年到幾十年，不過在這么短的時間裡，它卻可以累積造礦近百噸。

與此相比，人類開採的石油、煤、鐵等礦產，則經歷了更長的歷史，大多要若干萬年才能成礦。而“黑煙囪”通過化學作用來造礦，就大大地縮短了成礦的時間。而且這種礦，基本沒有土、石等雜質，都是些含量很高的多種金屬的化合物，稍加分解處理，就可以利用。

科學家描述的“海底圖畫”為：全球大洋底長達4萬公里的大洋中脊首尾相接，其上不斷有濃密的黑煙（熱液）噴發，形成了無數的金屬硫化物“黑煙囪”，然後它們又不斷地生長坍塌，形成了海底礦床；在海底火山口處有鈷結殼；廣袤的海底盆地也大量地分布著許多金屬結核。

生物環境

科學家初步推斷，生活在熱液區的生物具有厭氧、運動緩慢、運動器官退化、體態比較柔軟、不能進行光合作用、食物量少、食物鏈簡單、生物體多為透明有些甚至可以自己發光、視覺退化、觸覺或味覺會比較發達、生物體記憶體在嗜熱酶等特性。

在這些熾熱的熱液硫化物形成的"黑煙囪"周圍活躍著一個嶄新的生物群落--熱水生物，比如長達三米而無消化器官，全靠硫細菌提供營養的蠕蟲，加上特殊的瓣鰓類、螃蟹之類，說明地球上不僅有人們所習慣的，在常溫和有光的環境下通過光合作用生產有機質“有光食物鏈”，還存在著依靠地球內源能量即地熱支持，在深海黑暗和高溫高壓的環境下，通過化合作用生產有機質的“黑暗食物鏈”。從而構成了繁榮的深海生物圈。換言之，因為處在海洋深處，陽光無法照射到那裡，它們不能依靠光合作用來合成生命物質，只能通過自身的化學反應類合成生命物質來生存。

熱液區生存的生物

在這裡，海水的水溫高達350攝氏度，生物生活在既無氧也無光的高溫高壓環境下，並依靠氧化大量有毒有害的硫化物獲得生命的能量。這種生存環境，很類似地球早期環境的極端高溫環境：熱泉水溫高達350攝氏度，周圍水溫為2攝氏度、水深兩三千米，缺氧，遍布還原性的有毒氣體和金屬離子。 一些生物基因組的研究也發現，這些生物非常原始，接近所有生命的共同祖先。為此科學界的一部分科學家有了新的看法：深海熱液可能就是生命起源地方。

另外，海底熱液周圍生物的多樣性和生物密度也可與熱帶雨林相媲美，目前新發現的生物種類已經達到了10個門類500多個種屬。

探測情況

目前（截止到2012年）已探知的海底熱液地區有：Mohna海嶺、南大西洋海嶺、卡爾斯伯格海嶺、巴布亞紐幾內亞的Ambitle島、加拉帕戈斯群島、南大西洋洋中脊。

前蘇聯在20世紀60年代中期開展研究。

美國

美國國家海洋大氣局制訂了1983~1988年的5年計畫，把處在美國200海里專屬經濟區內的胡安德富卡海脊作為海底熱液礦床的重點研究和開發對象。1983年，美國海洋地質專家們用"阿爾文森"號潛艇對東太平洋海隆上北緯10°~13°的海域進行了調查。1984年夏天，又調查了胡安德富卡海脊。1988年，斯克里普斯海洋研究所又對東太平洋一塊新海域進行調查，發現了24個熱液湧出口，並在一海山的南坡水深2440米~2620米處，發現一個南北長500米，東西寬200米的硫化礦物沉積層。此外，美國還與法國合作進行海洋調查，並計畫合作開採海底熱液礦床。

在印度洋找到熱液硫化物礦石樣本

日本

日本投資75億日元，建造了能下潛2000米的"深海2000"號深潛器，專門用於海底熱液礦物的調查。從1983年開始，日本的海洋地質專家們對馬里亞納海槽、四國海盆等地的熱液礦床進行調查。日本地質調查所還執行了一個新的5年計畫，對伊豆一小笠原島弧、四國海盆等處的熱液礦床進行調查。日本海洋開發中心用7年時間，投資220億~230億日元，建造能下潛6000米的深潛器--"6500"號，用於海底熱液礦床的調查。與此同時，日本還積極研製從勘探到開採海底礦床的各種技術設備，計畫在2000年之前，開始商業性採礦和試生產

加拿大

1985年初，加拿大多倫多大學的斯科特教授領導的一個調查隊乘“潘德拉2號”潛艇，對溫哥華島以西約200千米的海脊進行了調查。他們共發現了17個海底熱液礦床沉積層，有3個沉積帶的寬度超過了150米，厚度超過了7米，據估計，其總量可能超過150萬噸。

80攝氏度高溫的深海熱液噴口處生存

英國

2013年2月據媒體報導，英國科學家在對加勒比海海底的考察中，發現了一組令人驚嘆的熱液噴口，這是目前為止人類發現的最深的熱液口。該發現位於開曼海溝。利用遙控的深潛器，科學家在偶然之中發現了這些噴口，其水深將近5000米。從海面科考船接收到的視頻和圖片看，這些深海的“黑煙囪”有將近10米的高度。新發現的熱液口中噴出的水溫度達到401攝氏度，這是迄今為止發現的溫度最高的熱液。此次探險由自然環境研究理事會資助，搭乘的是“詹姆斯·庫克”號科考船。

中國

中國在1997年後，大洋協會組織“大洋一號”和廣州海洋地質調查局“海洋四號”進行了9個航次的海底資源調查與科考。2008年8月23日、24日“大洋一號”科考船於在東太平洋海隆赤道附近發現兩處海底熱液活動區，這是世界上首次在東太平洋海隆赤道附近發現海底熱液活動區。

2011年12月11日，"大洋一號"科考船返回青島。科考人員在此航次共發現了16處海底熱液區，幾乎等於中國之前已知海底熱液區的總和。 當地時間2012年11月1日凌晨，執行大洋26航次第五航段科考任務的“大洋一號”，在南大西洋洋中脊發現一處海底熱液活動區，並獲取1.2噸多金屬硫化物樣品。這是中國大洋多金屬硫化物資源調查歷史上，單次成功獲得多金屬硫化物樣品量最多的一次，也是獲取樣品類型最為豐富的作業之一。