深海极端环境深部生物圈微生物学研究综述

20世纪下半叶是人类进行自然探索最为活跃的一段时期。新发现、新技术和新概念层出不穷，大大拓展了人们对宇宙和生命的视野和认识。在海洋学领域，深海热液喷口化能自养(chemolithoautotrophy)系统的发现大大激发了人们对洋底生物多样性及生命形式、过程、起源和进化的兴趣和热情(Baross et al.，1985)。最近30年相继开展的国际深海钻探计划(deep sea drilling project，DSDP)和大洋钻探计划(ocean drilling program，ODP)为我们揭示了一个以前未曾想象到的埋藏在海底沉积物和上部洋壳中的海底深部生物圈(subseafloor deep biosphere)微生物世界。近期研究表明， 深海热液系统中的嗜热和极端嗜热古菌据推测就来源于海底深部生物圈(Delaney et al.，1998;Summit et al.，2001)，由此推断，生命的真正起源就发生在地球深部生物圈内。巨大的深度和广度，使得海底深部生物圈容纳了大量的微生物生物量和新颖独特的代谢潜力(Whitman et al.，1998)。由于洋壳板块运动而产生的海底地质构造和过程的异质性、洋壳地球化学过程的复杂性，以及在漫长地质年代中的气候变迁和海洋真光层颗粒物沉降输出的历史和地理差异性，埋藏在海底沉积物和上部洋壳中的生命赖以维持和繁衍的能量供给形式具有高度的多样性， 海底深部生物圈蕴育着丰富多样的代谢形式和新颖的生理生化机制(IPSC，2001)。海洋深部生物圈内的古菌群落将作为特定地质微生物标志(geomicrobiological signature)，用来指示过去和现代海洋的地球化学变化和地质环境变迁(inagaki et al.，2001)。海洋微生物生态学研究在最近的20年中取得了一些重要进展，与全球海洋地质历史、地质事件、地质过程和地质作用相关的深海微生物生态学研究，已发展成为一门具有独特魅力的新兴学科，即海洋“地质微生物学”(geomicrobiology)。在46亿年的地球历史中，地圈和生物圈的协同进化过程主要是在微生物的作用下完成的，微生物在海洋沉积物和洋壳中的生物地球化学作用，既是微生物的生态学，又是沉积地质过程和洋壳蚀变的动力学，许多原来以为“无机” 的地质过程，其实都是生命活动的结果(汪品先，2003)。在过去的10年中，分子、遗传、生化和基因组学等现代生物技术被引入地质微生物学的研究中，不但揭示了许多地质环境的微生物多样性，而且阐明了微生物在生物地球化学过程中所发挥的独特作用及环境和生态功能(Newman et al.，2002)。海洋深部生物圈微生物的研究已成为新世纪海洋领域中地学和生物学交叉互补、综合研究前沿的一个新热点和生长点，被列入刚刚启动的国际综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program，IODP)研究项目的首选(IPSC，2001；中国大洋钻探学术委员会，2003)。尽管这一领域的研究才刚刚起步，却已显示了旺盛的生命力和发展应用前景。     

大洋科学钻探的贡献

历经３０年的大洋科学钻探（ＤＳＤＰ和ＯＤＰ）取得了惊人的发现,首先,它验证了根据地球物理资料提出的板块构造学说,诞生和发展了古海洋学。同时,它还有另外两个重要发现:在海洋沉积和洋壳中发现了深部生物圈,以及直接采集到了天然气水合物样品。深海钻探发现,在大洋沉积和洋壳中存在微生物,在数量上占地球微生物总量的三分之二。现在的问题是,这些微生物在确定大气成分（及这样的气候）方面起什么作用？它在油气生成中起什么指示作用？另外,在这样严酷的环境中这种有机物是怎样生存的,它们是否保存数百万年前生命的原始秘码,以及对地球生…     

冲绳海槽地壳结构与性质研究进展和新认识

冲绳海槽是张裂于东亚大陆边缘的弧后盆地,对其地壳结构性质的研究具有重要的理论和现实意义。本文在总结冲绳海槽重力场、广角反射/折射地震探测、海底磁异常条带以及火山岩和岩浆作用这4个方面研究成果的基础上,对海槽的地壳结构、地壳性质和所处的构造演化阶段进行了探讨。认为冲绳海槽绝大部分地区地壳厚度大于正常洋壳,应属减薄的陆壳,由裂陷作用形成;但海槽中段和南段中央地堑地壳速度结构与洋壳类似,发育条带状磁异常,且已有大量幔源物质参与了地壳的组成,具备初始扩张作用的特征。对于海槽内是否存在洋壳,仍需进一步调查和研究。     

现代海底热液场低温弥散流区微生物生态的研究进展

现代海底低温热液弥散流区微生物生态的发育情况已经成为当前热液系统研究关注的热点之一。大量的分析表明在低温热液弥散流区赋存着丰富的化能自养微生物,以硫、铁等元素的氧化还原反应获取新陈代谢能量,这些微生物的分布与低温热液流体的物理化学条件有着密切的联系。这些发现极大地丰富了我们对低温弥散流区微生物生态、关键地球化学过程与微生物新陈代谢耦合关系的认识。此外,低温热液流体是研究洋壳深部生物圈的窗口,通过这个窗口可以了解地壳内部生命的新陈代谢方式,进而理解地球内部微生物与洋壳内部流体、岩石之间的相互作用机制。     

与岩浆作用相关的具中等扩张速度的胡安·德富卡洋中脊裂谷地形

洋中脊洋壳的形成与上地幔通过绝热熔化和多孔熔岩流的连续过程形成熔融物是分不开的。熔岩一旦到达洋壳,就会被不连续的事件所控制;来自于中层洋壳熔岩体的岩墙侵入构成了上地壳的席状岩墙,同时,近地壳的熔岩构建了下地壳的层状辉长岩(Kelemen等,1997)。由地幔运移和抽取而来的熔岩也许是间歇性的;一些关于洋中脊轴部结构和熔岩化学方面的研究显示,洋壳在间歇的岩浆期内增长(Lewis,1979;等)。Kappel和Ryan(1986)把沿着胡安.德富卡洋中脊形态的显著变化归因于由岩浆活动与构造作用的转换所致的不稳定的洋壳增长;因此,在争论地壳形成稳定型…     

冷、暖俯冲变质作用的地震结果:以日本西南部和东北部为例

在俯冲作用期间 ,洋壳中易变的含水玄武岩和辉长岩转化成榴辉岩 ,这是一种密度较大的主要由石榴石和榴辉石组成的岩石（Ｎａ -Ｃａ单斜辉石类）。含水变质玄武岩转化成榴辉岩释放出大量的Ｈ２Ｏ ,因而增加了俯冲板块的密度。Ｋｉｒｂｙ 等指出脱水反应触发了中等深度（５０～３００ｋｍ）的板内地震 ,并且指出在冷俯冲带观测到的较深板内地震可能反映了榴辉岩形成的动力阻挡作用。对某个俯冲带来说 ,榴辉岩形成的深度和性质以及板块的脱水作用依赖于俯冲洋壳所造成的压力（Ｐ） -温度（Ｔ）条件。俯冲带温度随深度而异是因为聚合速度、热结…     

西太平洋侏罗纪海洋地壳断裂特征及其成因机制*

侏罗纪洋壳为现存最古老的海洋地壳, 残留在地球表面上很少, 目前对于侏罗纪洋壳的断裂特征和构造变形了解很少。本文利用高分辨率的反射地震剖面精细解释了位于西太平洋的侏罗纪洋壳基底、沉积地层和断裂结构, 发现在研究区存在基底断层、沉积断层和垮塌断层三种类型的断裂构造, 并对其走向、倾角、断距等几何参数与变形特征进行了推测和定量研究。研究还发现, 基底断层是洋壳受到板块伸展拉张而产生的, 在后期海底沉积过程中持续发育并错断上覆沉积物, 在海底形成明显的断层陡坎。沉积断层是沉积地层自身重力作用的产物,受到沉积地层岩石性质的控制。垮塌断层是岩浆侵出或者侵入形成海山, 导致洋壳及其上覆沉积局部抬升并向两侧推移, 引起先存的基底断层和沉积断层重新错动产生的。研究区内切断洋壳基底和上覆沉积的活动断层的推测走向大体符合侏罗纪洋壳基底面起伏、重力异常骤变界面以及地磁异常条带等的走向, 表明这些断裂从侏罗纪洋中脊的海底扩张中演变而来, 并且持续活动至今。这些发育在古老洋壳上的断层能够长时间让水进入岩石圈并进入俯冲带及地球内部, 从而促进地球水循环。尽管目前尚未发现这些断裂产生大地震, 但这些断层可能随着板块俯冲而演变成俯冲带地震大断裂, 今后研究应该关注这类断层在靠近海沟之前的演化规律和潜在地震风险。     

南海——我国深海研究的突破口

近两年来,海内外和海峡两岸的中国科学家围绕深海研究进行反复研讨,一致认为南海是我国深海研究的首选,并初步形成了“南海深部计划”的研究方案,提出以“构建边缘海的生命史”为主题,从洋壳深海盆的演化、深海沉积、生物地球化学过程三方面开展研究的建议方案。他们建议：利用现代技术重新测定南海磁异常条带,争取钻探大洋壳,系统研究火山链;观测现代深部海流和海底沉积过程,从深海沉积中提取边缘海盆演化的信息;认识海底溢出流体与井下流体的分布与影响,揭示微型生物在深海碳循环中的作用。争取在科学和技术全国性合作的基础上,在南海实现我国深海研究的突破。     

超慢速扩张洋中脊岩浆形成和迁移汇聚动力学研究

超慢速扩张洋中脊具有不同于其他扩张速率洋中脊的特征,表现为剧烈变化的洋壳厚度和典型的非岩浆段。本文对前人研究的洋中脊岩浆形成关键因素和迁移聚集模式进行综合分析,结合实际地球物理和地球化学的观测数据,探讨了超慢速扩张洋中脊岩浆从地幔源区形成、迁移汇聚、形成洋壳的整个地质过程,进一步指出了影响洋壳结构的关键控制因素。研究结果表明,超慢速扩张洋中脊沿轴洋壳厚度的变化受岩浆补给量和迁移汇聚的共同制约。其中,岩浆补给量受控于洋中脊的地幔潜热、地幔成分和扩张速率的变化;岩浆迁移和汇聚过程则与超慢速扩张洋中脊密集的分段特征和阻渗层的空间结构密切相关。     

海洋岩石圈磁结构及动力学

古地磁学在20世纪极大地促进了板块构造理论的诞生和全球大洋钻探计划的发展。对洋壳的磁性研究是这场地学革命的突破点之一。从磁学性质上,洋壳磁性包括洋壳中所含磁性矿物本身的性质以及这些矿物携带的古地磁信息。从介质性质上,洋壳包含下部岩石层(包括枕状玄武岩、辉长岩和橄榄岩)和上部沉积物。文章首先总结洋壳的磁性结构,并对其代表的动力学意义进行深入探讨,主要包括应用磁异常条带进行年代学、地球深部动力学、大洋洋壳的板块运动学以及热点演化等研究,详细总结了国内相关研究中南海洋壳的磁性研究进展。最后对研究中遇到的相关难点和关键科学问题进行了回顾与展望。     

下洋壳的冷却

洋壳是由地幔熔融物在扩张洋脊处的结晶作用形成的,熔融物携带的热会在传导和热液循环中消除掉。虽然热液流为海洋提供了一个莺要的地球化学通量,但是人们对洋壳内热液冷却的分布了解得并不多（Schultz和Elder—field,1997;Mottl,2003）。我们对活动扩张脊进行地球物理、地质、岩石学研究,将研究结果用来研制快速扩张脊洋壳增生的概念模式（Quick和Denlinger,1993;Boudier等,1996;Kelemen等,1997）。     

河口及近岸海域底边界层生物地球化学过程研究进展

河口及近岸海域底边界层的生物地球化学过程在很大程度上影响着陆源物质的迁移转化及向海洋的输送通量,是陆海相互作用研究、海洋碳的"源、汇"研究以及氮、磷循环研究的关键。本文对河口及近岸海域底边界层生物地球化学过程研究进展进行了综述,重点介绍了底边界层中移动泥的特点和功能及微生物在其生物地球化学过程中的作用,并对今后的研究进行了展望。     

大洋型地壳

大洋型地壳,亦称洋壳,是深海或大洋底部特有的地壳类型。洋壳与陆壳不同,洋壳缺失花岗岩层(硅铝     

海洋锶物质来源及其同位素组成研究的进展及应用

自1948年瑞典地质学家Wickman提出锶同位素地层学开始,海洋碳酸盐岩的锶同位素在探索地质历史过程中的古海平面、古气候变化和全球性构造运动方面,具有非常重要的应用价值。本文简述了目前海洋锶同位素的应用,并回顾了海洋锶物质来源及其同位素组成的研究历史,综述了近十年来的研究进展。自上世纪70年代以来,海洋锶物质来源研究一直是海洋地质学研究的热点之一。早期以陆源锶研究为主,获得了大陆众多主要河流的锶同位素组成数据,并估算了全球河流锶通量和组成特征。90年代以后,在大洋钻探计划和深海钻探计划的带动下,幔源锶研究得到了很大的发展,集中探讨了洋中脊高温热液与洋壳玄武岩的作用机制和向海洋输入的锶通量,初步认为海水与洋壳玄武岩主要发生同位素交换,同位素交换率随深度而降低,但玄武岩锶含量基本不变。与此同时,洋中脊侧翼和与弧相关环境洋壳的低温热液系统锶同位素组成的研究也取得了一定的成果。     

氧化锰集合体的生物矿物微结构

关于生物因素在矿物生成中的作用已从不同的角度进行了广泛的讨论。微生物被认为是在一定的条件下一系列矿物形成时所需元素的沉淀剂。在物质表面生成生物薄膜时,微生物起着积极的作用。最后,微生物本身在其生命活动时期,也能形成某些矿物,然而,它们对风化过程也有着实质性的影响。     

海南岛鹿回头水尾岭海滩岩中的微生物岩

在海南岛的海滩岩中首次发现了微生物岩,这是一种发育在珊瑚(碎屑和砾块)骨骼孔穴中,少量在珊瑚碎块表面的微生物碳酸盐沉积,这些微生物碳酸盐沉积呈叠层或包壳状生长,可黏结细小的生物碎屑,具有独特的发育模式。微生物碳酸盐沉积在南海的发现支持海滩岩的胶结物部分是源于微生物成因的假设,进而肯定了微生物在碳酸盐沉积中所起的重要作用。结合海滩岩组分中微钻孔的发育特征和微生物岩发育模式的描述,在一定程度上填补了我国南方海滩岩中发育微生物碳酸盐沉积物的研究空白。     

试探马尼拉海沟的成因

本文认为,中新世以来,在太平洋板块北西西向推移、帕里西维拉海盆及马里亚纳海槽东西向扩张的共同作用下,使得菲律宾海板块向西推挤,由此推动吕宋微板块向西移动,并向南海洋壳上仰冲,从而形成了马尼拉海沟.     

洋壳蚀变过程中锂同位素行为研究进展

洋壳自洋中脊形成到俯冲进入地幔之前,与流体（如海水和热液流体）在海底表面及洋壳内部可以发生广泛的水-岩相互作用,通过对洋壳蚀变过程中元素迁移和同位素分馏行为的研究,可以帮助我们认识海底热液循环系统,探究地球表层和深部的物质及能量流通。锂（Li）元素对流体活动敏感,在很多地质过程中（如风化作用、海水及热液蚀变等）同位素分馏显著,因此其含量和同位素比值变化可以记录洋壳蚀变过程中的重要信息。但由于蚀变洋壳的直接测试数据仍很匮乏,已有的Li元素和同位素数据解释存在较大争议,导致关于洋壳蚀变过程中Li元素迁移和同位素分馏的机制尚未达成共识。本文主要汇总了近年来针对大洋钻探获取的基岩岩芯Li同位素行为研究资料,探讨了在玄武岩蚀变和深海橄榄岩蛇纹石化过程中影响Li元素迁移和同位素分馏的主要因素（如蚀变温度、蚀变流体的化学组成、水-岩比值、次生矿物沉淀等）,并进一步提出近期工作可以在以下方面加强：(1)继续完善Li储库和提高分析测试精度;(2)进行不同空间尺度下的Li同位素研究;(3)关注动力学分馏对高温蚀变过程中Li同位素行为的影响;(4)开展Li同位素与其他同位素体系的联用。     

低盐度形成的微生物膜对厚壳贻贝稚贝附着的影响

为研究环境因子在厚壳贻贝(Mytilus coruscus)稚贝附着过程中的调控作用, 作者探讨了低盐度对微生物膜生物构成、群落结构的影响及所形成微生物膜对厚壳贻贝稚贝附着的影响。在实验室条件下, 研究微生物膜的日龄与干质量、细菌密度和硅藻密度、叶绿素a含量的关系及其对厚壳贻贝稚贝附着的影响。通过DGGE指纹图谱技术对微生物膜中的细菌群落结构多样性进行了分析。研究发现,盐度13和23时形成的微生物膜能有效促进厚壳贻贝稚贝的附着, 且盐度23、28d时稚贝附着率最高, 达到72%。相关性分析表明, 微生物膜的诱导活性与盐度、干质量、细菌密度、硅藻密度、日龄呈显著正相关性, 与叶绿素a无相关性。微生物膜的干质量、附着细菌密度及底栖硅藻密度明显随着日龄的增加而增加, 叶绿素a含量与微生物膜日龄无显著相关性。细菌群落在厚壳贻贝稚贝附着过程中发挥重要调控作用。     

冲绳海槽断裂、岩浆构造活动和洋壳化进程

讨论了冲绳海槽断裂、岩浆构造活动特征和它们之间的关系,认为雁行排列的地堑斜交于陆架外缘隆起带,海槽北段断块隆脊、龙王构造带和海槽南段"棉花构造带"可能保留了海槽各幕断陷前的火山岩浆活动特征,而现在活动的吐噶喇火山岛弧可沿海槽南段岛坡追踪到台湾。吕宋岛向台湾的碰撞挤压引起的旋张活动加强了海槽南段的地壳拉张,诱发了地堑内火山岩浆活动,在洋壳化进程中起关键作用,其中最典型的八重山地堑已经形成洋壳。断裂和岩浆活动主要是单向地向岛弧侧迁移,由洋中脊扩张产生的对称条带状磁异常模式难以解释冲绳海槽的洋壳化进程。