洋底是“漏”的

人类认识地球，一个漫长的过程。“天涯海角”，当人们只在陆地上活动时，以为海岸就是地球的尽头；“石沉大海”，当人们进入海洋后，以为海底是地球上一切活动的终结。现在人类可以在几千米深的海底下面再钻进上千米的时候，发现深海的海底下面还有着另一个世界，一个我们还没有认识的世界。

是的，洋底下面是大洋地壳，洋壳的顶层是玄武岩。不过玄武岩是洋壳岩石里渗透性最高的，覆盖在玄武岩上的沉积岩更具有渗透性。海水顺着洋底的断层、裂隙下渗，可以渗入到洋底以下四、五千米的深处和炽热的熔岩接触，在与地球深部进行热量的物质交换后返回上来，既可以从火山口喷发出来，也以可作为“深海热液”从洋底喷发出来（图1）。可见洋底其实是“漏”的，只不过大洋的水太多、渗漏的口太小，全大洋的海水从洋底漏下去再回上来转一圈，总共大约要一百多万年。但是这种洋底下面海水的循环，带来了人类刚刚开始认识的又一个世界：海底下面的海洋；而且“深海热液”的喷出，给人类带来了闻所未闻的海底奇观。

图1：海底是“漏”的：海水通过海底岩石圈中的断层、裂隙和渗透性岩石渗入海底，可以深达数千米与上地幔相接触和交换物质、能量，然后通过火山（左）或洋中脊热液活动（中右）泄出。

1977年“阿尔文”号深潜器在东太平洋中隆2500m水深的加拉帕戈斯裂谷，发现有高温（300~400^oC）、轻质（比重0.7g/cm²）、富硫的热液以每秒数米的速度喷出，状如黑烟。这种“烟”并不是我们所常见的工厂或烧饭所产生的烟，它其实就是一种水，由于高温而轻，而且含不少金属元素，就像烟一样从海底喷出。热液喷出后与冰冷的海水相遇，会发现化学反应，所携带的金属硫化物在喷口附近沉淀下来，并逐渐向上生长，形成烟囱状，我们叫它为“黑烟囱”或“白烟囱”。这些烟囱耸立在海底，一般有十来米高，它的形成和生长都十分迅速，也会很快的倒塌，形成一片金属硫物矿床（图2）。有些国家的科学家已经尝试把这些烟囱吊了上来，进行科学研究（图3）。对热液矿床的研究，解决了困扰地质学家们很久的难题，就是陆地上多金属矿床是如何形成的。原来热液矿床就是陆地多金属矿床的前身，只是由于地壳的运动，本来位于深海的热液矿床被抬升成为大陆的一部分。这类热液矿不仅对成矿理论具有重要价值，它本身就是正在形成着的活金属矿床，是一个宝藏。同时，热液地区是地球内部和地球表层交换物质的窗口，这也有助于我们对地球内部的了解，因为通常我们是无法直接看到地球内部的情况的。

图2

图3：1998年美国、德国分别从海底取“黑烟囱”样（中、左），在扫描电子显微镜下观察，“烟囱”表面面满了硫细菌（右）

“万物”以外的生命

其实1977年深海热液发现所引起轰动，原因还不在矿物，而在生物。上面所说的“黑烟囱”，如果在扫描电子显微镜下放大观察，就可以看到表面上密密麻麻面布满着细菌。这些细菌靠热液带出的硫进行化合作用制造有机质，和我们习惯的靠光合作用产生的生物有着根本的区别。热液区生物的密度比周围的深海海底高出一万倍到十万倍，可以比作沙漠中的绿洲。

热液生物中最引人注目的就是3米长的蠕虫管子，这些蠕虫既没有口也没有消化器官，全靠硫细菌提供营养（图4）。硫细菌是热液生物圈存在的基础，它从热液中取得地热的能量，支持着这种特殊的热液生物群。热液生物群中除蠕虫外还有瓣鳃类、螃蟹等等。而且热液动物的新陈代谢特别快，远远高于靠阳光生长的生物群。比如瓣鳃类的贝壳之大，就是十分独特的（图5）。

图4：热液生物群中三米长的蠕虫：既没有口也没有肛门

图5：热液生物群中巨大的瓣鳃类贝壳

“万物生长靠太阳”，通常我们接触的生物确实是依靠太阳辐射，通过光合作用制造有机质。而深海热液生物群最大的独特之处在于不靠太阳，是“万物”以外的另一类生命。它们在深海没有光线和高温条件下形成生物、制造有机质，属于另外一种生物世界。我们平时习惯的光合作用靠太阳能，在常温下进行，而现在新发现的深海海底生物靠地热；我们靠氧，它靠硫。这样，深海研究的结果发现今天地球上有两类生物群、两种食物链：一类是我们习惯的靠外源能量即太阳能支持的，在常温和有光的环境下靠光合作用产生有机质；另一类则是靠地球内源能量即地热支持，在高温和黑暗的环境下靠化合作用维持（图6）。这两类生物群的能量来源和合成有机质的机理完全不同，在地质历史上的地位也大不相同。在地球演化的早期大气属于还原性，氧气的含量极少，不可能有靠光合作用的生物群，相当于现在热源生物群、依靠地球内热的生物是当时地球上唯一的生命。因此，认识热液生物群对于研究生命起源具有特殊意义。

图6：大洋里存在着两大食物链：依靠着太阳辐射能的光合作用食物链和依靠地球内部能量的化合作用食物链

海底的“可燃冰”

“海底下面的海洋”中又一个重大发现，是天然气水合物。我们接触到的甲烷天然气通常呈气态，然而在海底的低温、高压条件下可以与水结合呈固态埋藏在海底。这种天然气水合物是像冰一样的东西，一旦取上水面在常温常压下甲烷就会释出，所以是可以燃烧的“冰”。（图7）实际上这是在水分子中锁定了一个甲烷分子，呈冰的状态。由于这种固体只在温度低于7^oC、压力高于50个大气压下方才稳定，因此主要在上陆坡下埋深数百米处蕴藏。一旦温度、压力变化，天然气水合物会立刻分解，变成水和甲烷，1体积的天然气水合物可以放出160个体积的甲烷来，因此可以说，天然气水合物是甲烷的天然储库。

图7：海底的“可燃冰”：天然气水合物。这是甲烷分子锁在水分子格架中形成的“冰”。

图8：天然气水合物中有机碳的总储量，据估算占.地球上已知有机碳的一半以上

随着已知化石燃料能源的枯竭，各国正在寻找替代的新燃料。尽管海底天然气水合物的分布与储量估算还很不清楚，开发利用的技术也还正在研究，许多发达国家和一些发展中国家（如印度）已经投入巨大力量，进行天然气水合物的调查研究，我国的工作也已经开始。

天然气水合物还不仅是潜在的未来能源，而且也是地球上气候变化的重要因素。甲烷与CO₂一样，也是一种温室气体，但是甲烷的温室效应几乎是CO₂的十倍。由于海底的洋流改道、温度升高，或者由于海平面下降、海底压力减轻，或者由于其他原因使埋藏在海底下面的天然气水合物突然释放出来，就可以在短时期大幅度改变大气中的温室气体含量，引起气候突然变化，这类实例在地质历史上已经广泛发现。其实天然气水合物的环境效应不限于这类突然事件，平时海底少量放出的甲烷气也可以在海水层中形成甲烷“柱”，在释出区形成特殊的海底生物群（图9）。

图9：天然气从洋底的水合物中释出（下图：BSR为拟海底反射层，标志水合物和自由天然气层的界线）后，进入水层形成特殊的生物群和水化学（上图）

深部生物圈

我们所说的“海底下面的海洋”，其实只是岩石裂缝和孔隙里的流体，决不能和波涛汹涌的广阔海洋等同起来。但是你也许没有想到：在这黑暗而高温的海底孔隙里，居然存在着另一种生物世界——深部生物圈。

上面说过，在深海热喷出口的黑烟囱上分布着无数的细菌，其实这些细菌也生存在海底下面，不仅在埋深数百米的沉积物里，而且也在洋底地壳的玄武岩里。早在二十世纪二十年代，就有人认为地下深层有细菌存在，但是几十年来一直以为地下深处发现的微生物无非是地下水采样时的污染，而生物的活动只能限于接近地表或海底的沉积中。直到七十年代末和八十年代初，美国地调所和环保局要调查地下水的质量，美国能源部要交代埋藏核物质地下设置的安全程度，才开始认真对待地下微生物群存在与否的问题。

1987年美国在核材料处理地点打钻，采用种种方法避免和识别污染，终于发现在打钻的井底500m深处还有多种微生物，其中最多见的是细菌。后来发现地下2800m、地温已高达75oC的深处还有活着细菌。1993年在北海海底以下3000米、在阿拉斯加海底的石油钻井中，也发现有热液细菌，从岩芯中不受污染的中央部分，见有热液细菌在温度100℃下生活（图10）。国际大洋钻探计划（ODP）在太平洋钻探时也发现深部地层中有细菌分布，如发现日本海在水深900米的海底以下518米处每平方厘米沉积中含有1.1×10³枚细菌。不仅如此，大洋钻探还在洋底的玄武岩火山玻璃中也发现有微生物活动的证据（图11）。按此推算，如果洋底以下500米以内的地层中平均含有微生物量为1.5吨/公顷，那么全球洋底以下的深部生物圈生物量相当地球表层生物圈的1/10，占据全球微生物总量的2/3。生命科学发展到今天，居然我们把地球上如此巨大的生命世界“漏”掉，怪不得欧美的学术界把它作为基础研究中的头等大事来抓。

图10：海底油井中发现的热液细菌

图11：大洋钻探在深海海底玄武岩的火山玻璃中发现微生物的生命活动（暗色条）

深部生物圈的意义不仅在于量，而且在于质。深海热液生物群特殊基因库的发现，在生物技术上就有不可估量的价值，而深部生物圈的意义必然更加重大。深部生物圈生活在极端特殊的条件下，高温高压而且生存空间极小，新陈代谢极端缓慢，实际上处于休眠状态，但有的已经活了几十万、几百万年。它们在生物技术上的价值不可估量，将向人类提供现在完全不了解的基因库，无论在生物学理论或者生物技术实践中都有着极为诱人的前景，也很可能与我们寻找的外星上生物有共同点，因而引起来新兴学科“星球生物学”方面的兴趣。

海底下面的海洋，这二十世界末期的重大发现，给新世界的深海研究提出了一连串的新课题，即将开始的“整合大洋钻探（IODP）”国际计划（2003-2013）已经将它列在主要科学问题的首位。正在进入国际海洋科学前沿的中国学术界，能不能在新世纪的深海探索中有所作为呢？