热液在海洋里的烙印

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热液循环改变了海洋的成分。这些化学工厂维持着微生物的生命,同时也改变了进入海水的热液化学性质。针对这个复杂的交换过程的研究已经进行了10 年。在首次发现海底热液喷口之后不久,研究人员将其他系统的特征描述为“集邮”。热液循环被认为是热洋壳和海水这样两种居于相对均匀的物质之间的反应,可能产生有限的一系列地球化学产物。一般认为水热化学主要受无机反应控制,对海洋化学影响不大。但最近10 年已经颠覆了这些观点。2010 年,Tagliabue 等人在《自然·地球科学》杂志上写道,只有在深海中加入热液循环时,才能重现南大洋的铁浓度。而在2011 年,Wankel 等人的研究表明微生物活动会影响到深海的热液循环。大量从热液喷口进入深海海水的重金属只在局部有影响。由于是局部性的迅速沉淀,研究人员认为它们不会对全球海洋的成分有重大贡献(图1)。然而,一些热液铁质也会逃逸并沉淀,被搬运到了远离热液喷口的地方。此外,整个海盆中溶解铁的浓度与热液示踪3He 的浓度具有相关性,进一步表明热液喷口对远洋化学的影响远远超出了想象。上升洋流将这些深水热源的铁运输到海底表面。这种从深处输送的能力提高了海洋表面的初级生产力,并在千年时间的尺度上影响了全球碳循环。Tagliabue 等人(2010年)汇总了全球范围的溶解Fe 和3He 比值和全球海洋模型,进而评估热液对全球海洋溶解铁的影响。他们发现热液输入对南大洋的影响最大。在这里,由热液输入的溶解铁至少占南大洋碳排放总量的5%~15%。热液铁通量的全球重要性已经被广泛证实。在每个海洋盆地中都检测到了溶解的热液铁,有时离源头超过4000km。无机硫铁矿纳米粒子,小到足以在水柱中保持悬浮,并且与有机物密切结合,使金属得以运移并离扩散中心很远。

认识到有机铁络合作用的潜在意义,关于热液循环思想的第二个重大转变应时而生:它强调了微生物在介导海底流体化学过程中的重要性。以铁为例,有机体(在被称为化学固碳作用的过程中)通过无机化合物的氧化获得能量可以提供有助于稳定并使其长距离运移的有机物质。因此,这些流体绝不是水岩反应的无菌输出。相反,它们显示出明显的生物活性印记。除铁以外,微生物还会改变热液流体的挥发分和碳含量,并产生可分解组分,从而可以揭示地下发生的反应。一个值得注意的生物活性影响的实例是Wankel 等人于2011 年撰写的《自然·地球科学》上的一篇文章。测量现场流体的流速和挥发分,并将热液喷口处的高温流体(这里温度高到生物不能存活)与附近冷却的与海水混合过的弥漫性流体相比较。虽然微生物群落在弥漫性流体中生存被广泛发下,但这项研究能够量化弥散性热液喷口的氢气,结果比预测的低50%~80%。这种氢气亏损归因于微生物消耗和生物氧化。尽管先前研究已经显示出生物活性化学物种的类似行为,但Wankel 等人证明了热液喷口处的生物影响对于流入海洋总流量的定量化非常关键。

这些系统的复杂性不仅仅在于微生物间的相互作用,将与热液循环有关的地球化学通量全面整合到海洋和全球元素循环中更加困难,因为它们在空间和时间上是不均匀的。早期的研究表明,新的岩浆注入或地震活动等偶发性事件,实际上可以在几个月的时间内向海洋输送一年的地球化学物质;通过蛇纹岩循环的海水与通过玄武岩和辉长岩循环的海水是不同的,其流体的pH 值、温度、挥发性、金属和碳含量差别很大;大部分热液循环发生在远离洋脊轴的老地壳中,而在较低的温度下,流体不会显著地改变海水的特征。化学特征和微生物活动将反映岩石类型、温度和深海海水混合程度的变化。单个的热液活动区无法代表所有热液循环,并且一个航次也不可能捕获热液活动区的时间变化趋势。

表征空间和时间变化以及热液循环的生物地球化学相互作用所面临的挑战在许多前沿杂志都有所提及。新型的原位化学传感器的持续进步有望捕捉到多个系统的时间变化性,特别是当与有线观测平台相连时。在原地温度和压力下的微生物培养的设备,可以更好地了解地球化学通量改变的生长速率和代谢变化。迄今为止,受到较少关注的热液流体化学物质(如有机碳,氮和磷),其特征将对上述基本关系提供更多的见解。最后,确定物质和能量如何从地幔转移到深海,需要对水、岩石和微生物之间的相互作用有一种机制性的理解。认识和刻画热液系统的时间和空间变化,对于理解海洋化学认知并达成一个可行的目标都是至关重要的。

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