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。     

大洋岩石圈板块俯冲构造背景下流体的地质作用

地幔中存在着大量的“水”(存在形式:H₂O、H+和(HO)?)已是不争的事实,这些“水”既可以以流体或熔体的形式存在,又可以存在于含水矿物、名义上的无水矿物和致密含水镁硅酸盐中。在本文中,“流体”是指以水为主体包括溶解于水中或随水迁移的元素和化合物。在俯冲带的地震作用、地幔部分熔融、岩浆作用以及海底热液活动等重大地质作用过程中,流体都发挥着重要的作用。俯冲带是水化了的大洋岩石圈板块俯冲进入地球深处的关键部位,也是壳幔相互作用的重要地带。在俯冲带,流体随俯冲的岩石圈板块进入地球深部,部分在挤压和摩擦热的作用下脱逸俯冲的岩石圈板块,连同岩石矿物变质所产生的水进入上覆地幔楔,从而降低上覆地幔物质的熔点,产生岩浆;岩浆上升一方面加热了沿裂隙或物质间隙下渗的海水,另一方面也会因岩浆冷却产生岩浆作用后期热液流体,这些加热的下渗海水和岩浆作用后期流体构成了现代海底热液活动的物质基础;海底热液活动不仅将大量地下元素或物质输入大洋水体从而影响了大洋海水的物质组成及生态环境,而且在海底形成了具有重要经济价值的热液多金属矿体。因此,流体是贯穿板块俯冲及其所产生的各种重要地质作用过程的介质,从而成为研究这些重要地质作用的示踪剂。本文在分析了大洋岩石圈板块俯冲构造背景下流体的主要地质作用过程的基础上,探讨了流体在俯冲带地震发生机制、岩浆作用过程、现代海底热液活动模式及俯冲带流体成矿作用等方面的作用,并进一步提出近期研究工作应主要集中在4个方面:(1)进一步准确地定量评估通过板块俯冲作用进入地球深部的“流体”通量,为最终解决全球地球化学或物质循环问题作出贡献;(2)全面、准确地描述俯冲作用中流体的物理和化学行为,建立俯冲带流体地质作用的理论模型;(3)充分利用现代化的测试分析手段,重点获取矿物原位微区分析、矿物流体包裹体物理化学指标测试、稳定和放射性同位素分析等方面的精细准确数据,用于查明当前取样观测手段无法触及的地下深处物质状态和作用过程;(4)发展数值模拟技术,建立俯冲带流体地质作用的理论模型。     

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。     

海底“三极”与地表“三极”:动力学关联

地球地表环境3个极端分别为南极、北极和青藏高原,被誉为地表"三极"。本文提出深地动力系统的"三极",分别为Tuzo、Jason和东南亚环形俯冲系统,这"三极"主体发育于海底之下的深部地幔,因此称为海底"三极"。地表"三极"和海底"三极"统称地圈"六极",是全球变化(变暖或变冷)、深时地球、深地动力、地球系统、宜居地球等地球科学前沿研究领域难以回避的研究对象,是地球多圈层相互作用的6个纽带和突破口,也是寻求地球系统动力学机制的关键所在。Tuzo和Jason是现今分别位于大西洋、太平洋之下的大型横波低速异常区(LLSVP),它们控制了大火成岩省、微板块的形成和演化,也控制了集中式火山去气作用,进而引起大气循环变化;它们还不断衍生微板块,并将其向北驱散,这些微板块围绕东亚环形俯冲系统不断聚集,导致大量物质深俯冲,促进深部物质循环,同时,在岛弧地带释放大量温室气体,改变地表系统大气环流;板块聚散伴随海陆格局变迁,同时,也改变着全球海峡通道、高原隆升和垮塌,调节着地表流体系统的运行:包括海洋环流和大气环流。冰盖形成与演化也受其控制。海底"三极"也是地史时期超大陆聚散的根本控制因素,而地表系统的百万年内的多尺度周期性变化主要受公转偏心率、地轴斜率和岁差控制,气候变化受热带驱动和冰盖驱动双重控制。总之,尽管早期地球以后逐渐具有地球宜居性,但地圈-生物圈相互作用极其复杂,地圈"六极"研究可作为宜居地球研究的突破口和生长点。     

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。     

海底水合物冰丘的特征及意义

海底水合物冰丘是一种特殊的海底构造,外观表现从平滑浑圆的陡峭丘状体变化到粗糙不平的缓斜丘状体。地震剖面上,内部常表现为空白反射,并与似海底反射(BSR)紧密相关。归纳了前人对海底水合物冰丘的研究。综合分析认为规模较大的海底水合物冰丘通常形成于高通量汇聚型流体运移通道附近;海底水合物冰丘的出现可能指示了下部水合物及油气藏的赋存和大陆边缘汇聚型流体的运移;同时,在汇聚型流体运移条件下,伴随着流体向上运移的深部热流和高盐度水可能导致BSR深度变浅;此外,水合物冰丘的形成与发育为动态过程,其形成过程可分为水合物成核、聚集/冰丘型以及分解/冰丘垮塌3个阶段。开放型流动系统中形成的水合物丘的气体来源于"深部"沉积物渗滤的外部流体,可形成规模较大、高饱和度的水合物矿产,具有勘探价值。为更好地认识海底水合物冰丘演化史以及其与汇聚型运移通道、BSR分布位置等之间的关系,需要进一步开展海底调查、高精度多道地震调查,并结合地球化学等方法进行综合评价研究。     

海底天然气水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术

海底天然气水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部甲烷等烃类气体运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环过程的重要一环。冷泉通常与海底天然气水合物藏分解密切相关,是深源或浅层气及水合物分解气在海底发生渗漏的现象。该文根据国内外天然气水合物及冷泉系统勘查的最新动向,综述了与水合物及冷泉流体渗漏相关的羽状流、运移通道、海底微地形地貌等要素的海底原位观测技术,主要包括：走航式及坐底式原位观测、海面及低空渗漏甲烷观测、海底可视化观测、与水合物及冷泉相关的海底观测网络等。综合使用原位观测技术可以更细致、全面地描绘水合物和冷泉系统的时空“景象”,更好地协助厘清海底渗漏甲烷的归趋,拓展人类对深海独特生命绿洲的认知。     

现代海底超镁铁质岩系热液系统与地质意义

现代海底热液循环与洋中脊地质过程一直是国际洋中脊计划研究的热点.海底热液系统多数都与海底玄武岩及其水-岩反应直接相关,而一类与深海橄榄岩的产出及其蛇纹石化作用有关的海底热液系统——超镁铁质岩系热液系统,以具有高浓度H2和CH4异常而低SiO2浓度为显著特征,主要分布在慢速扩张大西洋中脊和超慢速扩张北冰洋Gakkel洋脊和西南印度洋中脊.超镁铁质岩系热液系统在流体组成、构造背景和硫化物成矿方面与玄武岩热液系统有很大差异,主要表现在地幔来源超镁铁质岩石的普遍出露、喷口流体高的H2和CH4异常以及硫化物中高Co/Ni比值.超镁铁质岩系热液系统的发现丰富了全球洋中脊热液系统的研究内容,对洋中脊地质过程、海底热液活动及其成矿作用研究具有重要意义.     

深海冷泉古菌厌氧甲烷氧化研究进展

在富含甲烷水合物的海相冷泉沉积物中, 古菌厌氧甲烷氧化作用(anaerobic oxidation of methane, AOM)越来越受到人们的重视。目前普遍认为, AOM是由嗜甲烷古菌和硫酸盐还原菌共同调节的生物地球化学过程。16S rRNA基因分析表明, 包括AEME-1、AEME-2和AEME-3在内的多种甲烷古菌参与了AOM的过程, 它们广泛分布于全球大洋海底缺氧带。AOM过程与全球环境变化密切相关, 从深海底部冷泉区向上渗漏的甲烷气体, 绝大部分在穿透缺氧带沉积层过程中被甲烷氧化古菌所消耗, 有效减少了具有强烈温室效应的甲烷气体向大气的释放。对AOM生物地球化学过程的研究, 在认识冷泉系统碳酸盐的形成机理、控制强温室气体甲烷从海底的渗漏和开发可燃冰新能源等方面具有重要意义。     

南京大学海洋地球化学研究中心

南京大学海洋地球化学研究中心成立于2003年,该中心以南京大学地球科学系为依托单位,以成矿作用国家重点实验室为平台,中心成员来自南京大学地球科学系、大地海洋科学系和生命科学院等院系,具有多学科交叉的特色。现任研究中心主任为教育部长江学者特聘教授蒋少涌博士,学术委员会主任为同济大学海洋与地球科学学院汪品先院士。本研究中心目前确立的3个主要研究方向为:(1)海洋矿产资源地球化学研究,主要致力于我国海域天然气水合物的地球化学勘查与研究;大洋铁锰结核和结壳资源研究;以及古代和现代大洋底热液活动和硫化物成矿作用地球化学研究。(2)海洋生物资源和生物地球化学研究,以海底“深部生物圈”和海底热液作用与极端生态系统为研究对象,探讨大洋底微生物的地球化学效应、物质循环、环境演变和基因资源。(3)古海洋环境研究,通过海洋沉积记录,追溯物质与能量的交换,研究岩石圈、水圈和生物圈在不同时间尺度(构造尺度、轨道尺度、海洋尺度)上的相互作用,揭示其对全球环境变迁的影响。目前,侧重于新元古代—寒武纪生命大爆发时期的古海洋环境地球化学示踪研究和大洋富钴结壳高分辨率时序元素和同位素演化与新生代古海洋环境变迁研究。