海底黑烟囱：中国水下机器人首次成功取样巨大海底奇观

中国科学家在河北省的长城附近采集的矿石标本中，找到了距今14亿年前的海底原始生命的遗迹。专家认为，该发现对揭示生命起源和探寻外星生物都具有积极意义。

北京大学地球与空间研究学院教授李江海在分析从河北省兴隆县离长城约10千米处带回的硫化物矿石时，他和同事借助电子显微镜发现了“已经成为化石的球状和丝状细菌”。

中国科学家研究后认为，这些大小只有几微米，甚至更小的细菌化石，存在于14.3亿年前的“海底黑烟囱”（堆积在海底火山附近的硫化物）中。李江海说：“它们（细菌）不但可以适应高温、高压、没有阳光和缺乏氧气的极端环境，而且可能借助‘黑烟囱’喷发的硫化氢等物质，把对普通生命有毒的气体转化为养分。”此次发现的古细菌遗迹在中国已发现的同类细菌中是最古老的，它不但动摇了“万物生长靠太阳”的传统理论，而且为“地球早期生命起源于‘海底黑烟囱’”的推论提供了地质证据。

“海底黑烟囱”周围的海底生物

现在，科学界关于生命起源的普遍疑问是，早期地球大气圈缺乏氧气，也没有臭氧层来抵御能杀死陆地和浅海生物的太阳紫外线，原始生命如何在此条件下生存繁衍。对此，中国科学家认为长城脚下的发现支持了“海底深处是地球早期生命避难所”的观点。“接下来尚有大量工作需要开展，包括对野外地质的深入考察，对细菌遗迹特征、类型的甄别。”这位科学家说，“另外，还需要与其他原始生命记录，以及现代‘海底黑烟囱’周围的微生物进行对比研究。”

据资料记载，此前，国外一些科学家曾在现代“海底黑烟囱”中发现大量活动的微生物及其化石遗迹。经过科学测试后证实，这些细菌的基因组是所有地球生物中最原始的。

此外，李江海还认为，在长城附近的发现“还为人类寻找外星低级生命的努力展现了良好前景”。他说，既然早期地球上曾生存着无需氧气和阳光的细菌，那么不排除在其他星球上也将找到这种能忍受“极端条件”的低等生命及其化石记录的可能，“因为它们依靠硫化物的化学合成过程就可以生存”。

这位科学家说，目前国际同行大量的研究表明，在与地球早期环境最接近的火星、木星的欧罗巴卫星上很可能发现此类原始生命的痕迹，“因为这些星球早期都可能有过‘海底黑烟囱’的环境，具备早期生命起源和生存的地质条件”。与地表的火山喷发一样，在海底也存在类似的释放热量和能量的地壳运动形式。当海底喷出的岩浆的外围遇到冷的海水时会发生凝固，而内部由于高热和气体喷射，同时未受低温冷却的缘故却继续上升，这样就会形成烟囱状结构，这就是所谓的海底烟囱。

与此同时，海水是存在静水压的，海水每加深10米就相当于增加了1个大气压。目前已经探明的海底最深处为12000米，也就是1200个大气压，相当于120兆帕，而大多数地方的海底深度都在3000～8000米之间，也就是存在30～80兆帕的压力。此外，烟囱周围的海水由于受岩浆的加热，温度会升至200～500℃，甚至更高。这样在海底烟囱附近就形成了一个高温高压的热液区环境。

在如此的高温高压条件下，一些火山气体如CO2、CO、H2S等在岩浆矿物的作用下会发生反应生成一些简单有机物，包括一些生物分子的合成；随着溶液和岩浆的扩散，在烟囱中心与常温海水之间会存在一个温度场，在离烟囱中心较远温度相对较低的附近区域，生物分子趋于稳定，分子之间通过相互作用可能生成大分子体系，如蛋白、核酸等；在一些特殊的孔状结构的矿物中，新合成的生物分子沿着矿物表面扩展和延伸，则会产生原始细胞膜结构，这种细胞膜在孔状结构中发生闭合，将其他生物分子包裹在，这样最原始的生命就以单细胞的形式出现了。

科学家经研究还发现，很多古菌是生存在高热（经常100℃以上）、高盐、强酸或强碱等极端环境中的，这可以解释为古菌诞生于原始地球的极端恶劣环境。在一些高热体系中，如我国云南境内的腾冲热泉和美国黄石国家森林公园中的地热区，都发现有古菌的大量生存。当然也有些古菌能够在沼泽、废水和土壤中被发现。还有一些产甲烷的古菌生存在动物的消化道中，如反刍动物、白蚁或者人类。但是更多的古菌有嗜热倾向，在海底烟囱附近就发现有大量古菌。所以有理由相信海底热液区是地球生命共同祖先古菌的诞生地，也就是说地球生命起源于海底烟囱。

关于这一假说，还有两个侧面的间接证据。其一，地质古生物学研究表明，地球生命诞生于35亿年前，而这个时期地球是频繁遭受大量级的陨石撞击的，这种大规模的撞击事件对地球生物有着致命的打击，其产生的冲击波和热量足以摧毁任何形式的地面生物。这个时候地球最早的生命形式假设是诞生于海底，则无疑可以躲避这种灾难。其二，现有研究表明原始地球大气不同于现在，是缺乏氧气的（氧气含量的大幅度提升大约发生在23亿年前）。没有氧气也就谈不上臭氧层，没有臭氧层的保护，如果地球早期生命是诞生于陆地或地表，毫无疑问其将完全暴露于紫外线尤其是近紫外的辐射之下，这将会导致生物物种的灭亡。相反，如果他们是深藏在海底，则将可以安全地渡过地球无氧期。

据2009年10月28日新华网报道，我国首次用水下机器人发现海底巨大“黑烟囱”。我国自主研制的水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆海底发现罕见巨大“黑烟囱”并成功取样。这使我国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。

中国“大洋一号”科考船使用“海龙2号”太平洋赤道附近洋中脊扩张中心，找到高26米、直径约4.5米的巨大“黑烟囱”，并用五功能机械手准确抓获约7千克“黑烟囱”喷口的硫化物样品，顺利置放在样品框中带回科考船进行研究。

海底“黑烟囱”是指富含硫化物的高温热液活动区，因热液喷出时形似“黑烟”而得名。海底热液活动区被视为海洋科学近几十年来最为重要的科学发现之一，寻找海底“黑烟囱”并对硫化物进行分析，也是“大洋一号”科考的重要任务。

据介绍，“海龙2号”是我国自主研制的水下机器人，高约3.8米，长宽均为1.8米，能最大提取250千克的物品，是我国当前仅有的能在3500米水深、海底高温和复杂地形的特殊环境下开展海洋调查和作业的最高精技术装备。

“大洋一号”发现的海底黑烟囱

海底烟囱又称海底烟筒。在大洋中脊或弧后盆地扩张中心的热液作用过程中，由于热液与周围冷的海水相互作用，使热液喷出口附近形成几米至几十米高的羽状固体—液体物质柱子，形似烟囱，故名。

因组分和温度差异，形成黑、白两种不同的烟囱：一般海水温度达300～400℃时，形成黑烟囱，是暗色硫化物矿物堆积所致，主要矿物有磁黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿；而温度为100～300℃时，则形成白烟囱，主要由硫酸盐矿物（硬石膏、重晶石）和二氧化硅组成，在烟囱附近散落有暗色硫化物和硫酸盐矿物并形成基地小丘、分散小丘等。

海底烟囱，可反映热液作用不同阶段的物质来源和温度条件，在其附近水温达300℃以上，压力亦甚大，但周围生长有许多奇特的蠕虫、贝类生物群体，似白烟雪球。它们有时会消失得无影无踪，可能与热液喷口周围温度及物质变化有关。这种生物现象，被认为是当代生物学的“奇迹”，已有不少学者以此作为探索生命起源和演化的重要场所。

火山爆发是可怕的自然灾害，具有惊人的杀伤力。1815年，当印度尼西亚的松B瓦火山爆发时，整个爪哇甚至加里曼丹、新几内亚和澳大利亚也都听到它喷发的声音，火山喷射物甚至飞落到离该火山460千米远的苏门答腊海岸。

1883年，当印度尼西亚的克拉卡陶火山爆发时，地下爆炸所产生的冲击气浪竟环绕地球转了3圈。克拉卡陶火山爆发的吼声，传到了周围数千千米远的地方；海水先是打着漩儿迅速退离海岸，然后又以排山倒海之势猛冲上岸来！因海底爆炸而掀起的滚滚巨浪，冲过太平洋，一直抵达美洲和非洲海岸，并绕过好望角冲到了英国和法国海岸！高达30～40米的海浪撞击在英吉利海峡两岸，吞没了这一带的村庄和森林，冲倒了阻挡它前进的山丘！因这次水灾而死亡的人数多达3.6万余人。

最厉害的火山爆发之一

事后，目睹这次灾难的一些海员们说，当时，他们的轮船正停泊在苏门答腊岛的海湾里。突然间，只见可怕的乌云遮住了太阳，火山灰铺天盖地地从天而降，后来竟变成了油乎乎的黏东西。海员们感到呼吸困难，透不过气来。天色越来越黑，海面像开了锅似的沸腾不止。当时，许多海员都认为世界要完蛋了！

这次火山爆发后形成的大量尘埃向西方运动。一个月之后，火山灰形成的乌云绕地球上空一圈，又过了两个月以后，整个地球的大气层里都充满了火山灰微粒，使全世界一度变得天昏地暗。甚至在好几年内，在欧洲仍可以观察到火山灰云。

据统计，在最近9000年以内，地球上一共发生过大约5500次火山爆发事件。其中某些火山的大爆发，甚至改变了地球上一些地区的历史进程。倒如，公元前1470年地中海的圣托林岛上发生过一次强大的火山爆发，竟毁灭了这个古代文明社会。有些人认为，关于大西洲的神话传说就是因这次灾难而产生的。

火山来自“乌勒坎”一词，在拉丁语中是“火”和“火焰”的意思。在古罗马神话中有一位“火神”，它是分管火与铁匠的神仙（不过，应该在古希腊神话中寻找它的“家谱”——就和罗马万神殿里的诸神一样；在古希腊神话里，火神与赫菲斯特是一个人）。古人相信，火神在地底下有一个打铁坊；他们甚至还能知道它的准确位置在位于意大利海岸附近蒂勒尼安海里的一个不大的岛上。

这个岛上有一座山，山顶上有一个深深的陷坑。每当火神在自己的打铁坊里开始工作的时候，山口里就吐烟喷火！于是，罗马人就把这个岛连同岛上的那座山，通统都叫做“乌勒坎诺”——火神。

后来人们就将凡是吐烟喷火的山都叫做“乌勒坎”——火山了。从这个词又引伸出了“火山学”——专门研究有关火山情况的一门新学科。

历史文献上说，早在公元前500年左右，人们就对研究火山发生了兴趣，研究火山的第一位“冠军”，是来自阿格里琴托（意大利西西里岛上的一个城市）的希腊唯物主义哲学家恩培多克勒。

思培多克勒关于万物皆由四个“根源”（即土、水、空气和火）所组成的学说，在以后好几个世纪里得到了几代哲学家们的不断发展。在古希腊罗马哲学中，恩培多克勒最早阐述了大自然中诸矛盾的辩证思想。他认为，诸元素的结合与分离都是“爱”和“憎”这两种不可调和的力量相互斗争的结果。有人还说，恩培多克勒天才地悟出了动物进化的规律性——达尔文将其总结出了生物进化论的这个无可辩驳的自然选择规律。

为了认清火山的本来面目，这位伟大的古希腊哲学家的晚年，一直是在西西里岛上的埃特纳火山旁度过的。据有关人士推测，恩培多克勒本人就是在公元前430年的埃特纳火山爆发中不幸身亡的。那次火山爆发时所形成的火山口，现在就叫做“哲学家之塔”。(www.xing528.com)

地球上大约有几千座火山——正在活动着的火山，很久以前或不久以前爆发过的火山，沉睡的、说不定是什么时候就会爆发的死火山。其中的某些火山已经变得面目全非了，只有科学家们根据种种迹象才能判断出它们曾经是火山。

太平洋诸岛和沿岸地区的火山特别多。科学家们开玩笑地把它们统称为“火项链”。这个“火项链”包括了堪察加、千岛群岛、日本、菲律宾、印度尼西亚、新西兰和美洲西海岸等地区的所有火山；最后，这条“项链”在阿拉斯加和阿留申群岛一带合拢在一起了。

火山的活动期和“沉睡”期是交替进行着的；有时，它竟要“沉睡”数百年之久呢！然后，说不上那一天又会突然“醒”过来。公元79年，维苏威火山就是如此；1952年，千岛群岛中的一个岛上的克列尼增火山也是如此——人们都以为它是一座死火山呢，却突然爆发起来。

地质学家们知道，有些地方看起来根本不是火山，但实际上却不然，有时看来只是个小山丘，但昔日在这里的确曾有过惊天动地的火山爆发。

在上述地区，人们通常能发现一些丰富的金属矿床——凝固在地球表层不很深处的岩浆矿脉。因此，古火山地质学家对古老火山的研究是特别仔细的，并且竭力搞清它们在矿区形成中所起的作用。

用通俗的科学理论来说的话，对火山活动可以做出以下解释。

地球内部的温度非常之高，压力非常之大。据估计，地心的温度可高达4000～5000℃。地心的压力就更加难以想象。据推测，在如此高压下，即使温度再高，组成地核的物质仍然是处于固体状态的；只有地核的“外部”才呈现出液体状态。在接近地面的那些地方——在地壳内或科学家们称做地幔的地层内，温度要低一些，压力也大大减小；于是，在这里就可以产生形成火山源的条件。岩浆就是在这里形成的——由组成地幔和地壳的那些物质熔化后而形成的。因为地壳的成分中有80%都是硅酸盐，所以岩浆主要是由熔化了的硅酸盐所形成的。

地球外壳是从来没有停止运动的，大陆板块在缓慢地移动，不停地上升或下降，由此而形成了一条条深深的裂缝和通道；而这些裂缝与通道中灌满了岩浆。岩浆在其中被周围物质挤压着，只得沿着空隙奔流不止，最后就以岩脉的形式凝结了；岩浆在上层障碍比较薄弱的地方冲出地面来，于是便形成了火山爆发。

岩浆里含有大量气体，当它到达地壳表层时，这些气体就首先喷出地面。正因为如此，每当火山开始爆发时，火山口上空总是首先升起烟柱——它是水蒸气、热气和火山灰的混合物。

和“烟柱”同时冲出地面的是一些火山灰和石块之类的杂物。火山内部的压力是如此之大，以致能使其中的石块像炮弹似的弹上8～9千米的高空。然后才喷出岩浆，炽热的、耀眼的和沸腾着的岩浆溢出火山口，一条条火河冲下山坡来，烧毁了它前进道路上所遇到的一切东西。

人们将溢出地面的、排泄了其中大部分气体的岩浆称做熔岩。

火山喷发流出的岩浆

考察结果证明，火山源常常是在50～100千米深的地壳中形成的；但是，也不排除下列情况：火山源“吞食”着从更深处——地幔与地壳分界处上升起来的物质，而这些地方大约要深达3000千米！

由此可见，火山爆发的基本“起动机制”与岩浆中的气体积累情况有关，当岩浆中的气体压力高于压迫它的地层压力时，一场可怕的火山爆发就在所难免了！

英国科学家认为，人类有可能在一次超强度的火山喷发中毁灭。大不列颠公共大学的斯蒂芬·塞尔夫在一次答杂志记者问时称，目前还没有任何办法可以阻止这种灾难。当前科学家们正在忙着制定种种抵抗“外部威胁”的战略，比如说如何阻止小行星同地球相撞，却很少去考虑主要危险有可能来自地球内部。

地球物理学家们断言，有些火山的喷发强度要比过去的大好几百倍，而且地球在出现文明前不久曾经历过如此大规模的灾难。

美国地质学家早些时候曾在黄石国家公园发现了不太深的火山灰死层，认为其形成的原因是发生在62万年前的一次超级火山喷发，结果是至今这里还可以见到一些漏斗形的大坑，它们都是那些毁灭性火山喷发后形成的火山口。

在写给英国政府自然灾害工作小组的报告中，对这种超级火山喷发所造成后果曾有过详细的描述：很大一片地域会被熔岩覆盖，而且撒向大气层的尘土和灰烬将会使不少阳光到达不了地球表面，这无疑会使全球性的气候发生变化。

据纽约大学的迈克尔·拉姆皮诺称，发生于7.4万年前的苏门答腊火山的超强度喷发曾导致全球变冷和北半球3/4的植物毁于一旦。

中国最早记录的活火山是山西大同聚乐堡的昊天寺，它在北魏（公元5世纪）时还在喷发（据《山海经据》记载）；东北的五大连池火山在1719年至1721年，还猛烈喷发过，其情景是“烟火冲天，其声如雷，昼夜不绝，声闻五六十里，其飞出者皆黑石硫磺之类，经年不断，热气逼人30余里”（据《宁古塔记略》）；1916年和1927年，台湾东部海区的海底火山先后爆发过两次，呈现出“一半是海水，一半是火焰”，蔚为壮观；1951年5月，新疆于田以南昆仑山中部有一座火山爆发，当时浓烟滚滚，火光冲天，岩块飞腾，轰鸣如雷，整整持续了好几个昼夜，堆起了一座145米高的锥状体；至于台湾北部海拔1130米的活火山——七星山，迄今还在喷发着大量硫磺热气体。

汤加海底火山爆发

2008年5月2日，柴滕火山突然活动加剧，喷发出大量气体和火山石，与此同时开始喷射岩浆。火山爆发还引发了地震，周围的居民被紧急疏散。科学家通过研究揭开了柴藤火山爆发如此迅猛的原因。

智利柴滕火山爆发

柴滕火山邻近柴滕市，位于智利首都圣地亚哥以南约1200千米。柴腾火山喷发如此突然，主要是因为它属于流纹熔岩火山。这种火山的岩浆富含二氧化硅、处于不断的流动之中，经过一段时间的能量积累后，很容易在瞬间爆发。当时，火山附近的柴滕、富塔莱乌富及帕莱纳等区市的8000多居民在智利军警的帮助下成功撤离。但是，科学家警告说，生活在其他地区流纹熔岩火山附近的人可能未必就这么幸运了。瞬间发生的火山喷发使人们没有逃生的时间，很快会将他们的家园吞噬。

根据英国《自然》杂志发表的研究报告，柴腾火山的岩浆以每秒钟3英尺（约0.9米）的速度向上喷涌，在大约4小时内从深度超过5千米的地下喷发到火山口表面。柴腾火山的巨大破坏力和爆发突然性及其罕见程度，使它成为第一个能够利用科学手段进行评估测度的流纹熔岩火山。然而，还有很多巨大的流纹熔岩火山区分布在美国的怀俄明州、加利福尼亚州和墨西哥州以及日本诸岛和新西兰的陶波火山带等地。科学家认为，尽管流纹熔岩火山喷发并不常见，研究结果对于增强对潜在活火山喷发的监控仍然具有重要的预警作用。

最新科学发现表明，火山喷发产生的气体可能是过去5.45亿年间大量物种——包括恐龙——灭绝的原因。

现在印度境内的德干岩群是一系列火山喷发活动后的产物。6500万年前的火山喷发使空气中充满硫磺，并对地球的气候造成了极具破坏性的影响。

大型的火山喷发还形成了“洪流玄武岩”，并且是造成史上周期性大量物种灭绝的两个主要原因之一。

另外一个原因是小行星活动的影响，这被认为是6500万年前恐龙灭绝的最重要原因。

从前，研究人员对火山的杀伤力一直心存怀疑，因为他们不知道火山喷发究竟能释放多少有毒气体。但是在对德干岩石的研究中，一支英国考察队发现了至关重要的线索，揭开了原始火山气体成分的神秘面纱。

他们在《科学》杂志上撰文总结道，火山喷发释放的含有大量硫磺和氯气的气体，很可能对环境产生“严重”影响，“在大片洪流玄武岩形成的同时，许多物种神秘地消失了”。