海洋上的热液“邮戳”

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在海底热液喷口首次发现后不久,一位具有开拓性的研究者形容调查该热液系统的特点就像在“收集邮票”。由于热液循环发生在两个相对均匀的物质(即较热的洋壳和海水)之间,所以可能的地球化学产物的范围似乎是有限的。热液化学成分主要受无机反应控制,因而对海洋化学性质有一定的重要性。过去十年,完全颠覆了这些观点。在《Nature Geoscience》杂志上,2010年时,Tagliabue与其合作者提出,只有将来自热液循环中的铁考虑在内,才能解释南大洋的铁含量;2011年Wankel与其合作者则提出,微生物活动可以影响被传送到深海里的热液通量。

上升流体将这个来源于深部热液里的铁带到表面,改变了表面的铁的可供性,从而控制了那里的初级生产力。这种深部传输活动增加了海洋表层的初级生产力,并在千年时间尺度上影响着全球碳循环。 Tagliabue等(2010)整理了已溶解的Fe与3He比值数据,并建立了全球海洋模型,来评估了热液对世界海洋溶解铁的影响。他们发现南大洋对热液输入的响应居全球第一。在那里,由热液输入的溶解铁影响了南大洋碳输出总量的至少5~15%。

热液铁通量具有全球重要意义,这一点已被广泛认可。在每个海洋盆地中都检测出了已溶解的来自热液中的铁,有时甚至距离其喷出口超过了4000千米。无机黄铁矿纳米颗粒已经足够小,可以悬浮在水柱中,并与有机物密切络合,从而使金属可以离开扩散中心且向外扩散。

认识到有机物与铁之间可能存在络合作用,这就带来了有关热液循环理论的第二个显著变化:它强调了微生物在改变溢出海底的流体化学成分的重要性。就铁而言,生物体可通过无机化合物的氧化作用(一个被称为化能无机自养(chemolithoautotrophy)的过程)获得能量,并且提供有机物,从而有助于铁的稳定和使其长距离迁移。因此,这些流体远不是水岩反应(没有生产力的)的产物那么简单。相反,它们显示出生物活动的不可磨灭的印记。除铁之外,微生物还改变了热液流体的挥发分和碳含量,据此可推测出流体成分,并揭示相关的地下反应特征。

关于生物活动的影响,一个很明显的例子来自于Wankel与其合作者(《Nature Geoscience》,2011年)。通过原位流量速度与挥发性测量,他们对比了来自集中的、高温喷出口的流体(太热而不可能 有生命存在)与附近的低温扩散流体(已经由于传导冷却并与海水混合)。虽然已知低温扩散流体中存在有微生物群落,但在该项研究中,他们通过量化低温热液区的氢,发现其比预测的低50~80%。这种氢损失应归因于微生物消耗和生物氧化作用。虽然此前已经发现了类似的具有生物反应活性的化学物质的非保守行为,但Wankel与其合作者的研究表明,对热液喷出活动的生物影响主要体现在数量上,即决定了进入海洋的热液的总通量。

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