海底的“迷失之城”
1977年，科学家乘坐深潜器“阿尔文号”在东太平洋的加拉帕戈斯洋脊2500米水深处，第一次发现了海底热液。那里水温非常高，大约在300～400℃。但由于那里海水压力很大，所以海水并不沸腾。
“烟囱”是怎么来的
海底怎么会有烟囱呢?因为海底下面是大洋地壳，它并非密不透水，其实是“漏”的!海底基岩中存在大量的裂隙，海水顺着裂隙下渗，可以渗入到海底以下四五千米的深处，并和炽热的熔岩接触发生一系列化学反应。这使得下渗海水的成分发生了巨大变化，溶解了大量的含金属元素的化学物质。在岩浆房的加热下，原来正常的海水“摇身一变”成为了高温的热液，密度也变得比海水要轻，因此会向上运动。它们最终从海底喷发而出，形成了海底热液。
高温的热液从海底喷出后，会与冰冷的海水混和，导致压力骤减、水温下降。于是，大量的金属矿物从水中析出，如同“烟雾”一般。冷却下来的金属硫化物在喷口沉淀下来，层层叠叠形成了“黑烟囱”。
大部分海底烟囱是黑的
自从第一个海底热液喷口被发现以来，科学家一直努力寻找更多的热液喷口。迄今为止，已经发现活动的热液区约有140个，共计约520个活动热液喷口。它们平均水深为2500米。从地理位置上说，海底热液系统的分布，太平洋占75%，大西洋占16%，印度洋占3%，其他海洋占6%左右。另外，科学家发现海底热液系统的分布并不均衡：超过一半的热液喷口分布在洋中脊扩张中心，是喷发黑烟的“黑烟囱”。
海底也有白烟囱
由于热液中所含矿物成分的不同，呈现出不同的颜色。黑烟囱喷出的是滚滚浓烟，是热液活动中最壮观的一种。因为热液中含有大量的硫化物，所以呈现出黑色。但除了岩浆活动可以引起热液喷发之外，其他机制也可以引起海水与岩石的化学反应，产生温度较底的热液。这种低温热液活动一般不会形成金属硫化物组成的“黑烟囱”，而是形成其他颜色的烟囱。例如，由碳酸盐矿物构成的“白烟囱”。但从数量和规模上看，其他颜色的海底烟囱远不能与黑烟囱相比拟。不过，有一种白烟囱特别状观，被人们称为“迷失之城”。
特殊的白烟囱——“迷失之城”
2000年12月，美国和瑞士的科学家组团对大西洋中脊进行了科学考察。他们意外地在北纬30°附近的一个海底山丘上发现了一个非常特殊的海底热液场。
这个山丘名叫亚特兰蒂斯，位于水下700米，距离中大西洋中脊15千米处。其实，亚特兰蒂斯山丘更像一座高山，它位于大西洋中脊与大西洋转换断层的交叉点上的西北侧，而这个热液场就发育在这座高山的顶部。亚特兰蒂斯是古希腊传说中沉没到海底的城市。因此，这个新发现的海床热液喷口又被称为“失落的城市”，即“迷失之城”热液场。
探究“迷失之城”
在“迷失之城”热液场的中间位置，矗立着一个体积巨大的活动热液喷口，名为“波塞冬”。它的高度超过60米，延展范围超过100米，是目前所知最大的海底热液喷口。其塔尖喷发的稠密而又滚烫的热液流体温度高达75℃。在波塞冬边上的一个小尖锥状喷口，喷发着高达91℃的热液流体，保持着该区最高温度的纪录。
跟热液区一样，在“迷失之城”中，也存在着独特的生态系统。由于“迷失之城”热液场的流体呈碱性(pH值在9～11之间)、温度不太高(40～75℃)，所以那里是耐高温的微生物的极佳生存环境。在“迷失之城”热液场的热液喷发区域有非常稠密的微生物群落。这些群落通常形成长数厘米、颜色为白至浅灰色的纤维状丝状物。在烟囱壁的孔洞也栖息着各种各样的微生物。但是，“迷失之城”的大生物并没有像其他喷口那样呈现一派欣欣向荣的景象。那里既没有东太平洋热液场特有的大型红色管状蠕虫、喷口蛤蜊或贻贝类，也没有大西洋中脊热夜场成群的虾。直到2003年，在“迷失之城”烟囱体的顶端发现了一些不足20厘米长的动物。虽然这些喷口乍看相当的贫瘠，但在碳酸盐结构的裂缝处及空洞中可见到各种生物。在“迷失之城”热液喷口栖息的宏生物区系，到目前为止已发现超过70个物种，它们分别代表13个类群。其中，小型的甲壳动物、端足类和腹足类动物是优势物种。
这些白烟囱是怎样保存下来的
如此壮观的白烟囱群落是如何在海底保存下来的呢?这主要有两个原因。
第一，由于“迷失之城”热液呈碱性，钙离子的浓度是海水的三倍之多，因此喷出后与海水中的碳酸盐和重碳酸盐结合沉淀，形成文石和方解石。方解石的烟囱比较牢，不容易倒塌，可以长得很高。
第二，由于“迷失之城”热液场位于水下700米处，浅于大西洋“碳酸钙的补偿深度”(4000米，在补偿深度之下，由于压力增大，海水中碳酸钙处于不饱和状态，碳酸钙将被溶解)，因此这些碳酸盐结构的烟囱体得以完整保存，从而使这个海底“迷失之城”的地貌呈现出十分壮观的景象。
“迷失之城”存在了多长时间
虽然2000年“迷失之城”才被发现，但它至少喷发了25000年。科学家对“迷失之城”热液场中碳酸盐烟囱体进行了14C年代测定，结果表明该热液场最老的灰色残留烟囱体距今25000年，而一些活动的喷口样品十分年轻，其年龄在500年以内。这些数据显示，自25000年前以来，“迷失之城”热液场的热液活动一直持续喷发至今。二万多年对于我们来说是一个漫长的过程，但与1.5亿年前形成的古老洋壳相比，“迷失之城”热液场则相对年轻。
引发的研究
“迷失之城”热液区的发现打破了人们对热液系统的常规认识。这种新的热液活动类型吸引了全世界科学家。在此之前，人们只在海脊区域(海底隆起部分)发现过热液喷口，即黑烟囱。
传统的观点认为，驱动热液活动的热源都和下面的岩浆有关。“迷失之城”低温热液场距离大西洋扩张中脊有15千米远，驱动该热液场的热源与岩浆活动的关系不大。研究发现，相对于玄武岩热液系统，“迷失之城”热液活动区含有超镁铁质的岩石，在部分地区它们直接从海底露出，与海水接触并发生蛇纹岩化作用，形成蛇纹岩化的橄榄岩。橄榄岩蛇纹石化这一水岩反应过程会释放出大量的热量，从而为形成这一独特的海底热液系统提供了必要的热源。“迷失之城”热液场的发现表明，海底热液喷口可能比人们原先想象的更为普遍，种类也更多，其成因也不只是地底岩浆加热了海水，也可能是上地幔的岩石遇到海水发生化学反应，放出热量而形成的。这极大地拓展了全球洋底存在热液场的范围和数量。
黄维 摘自《十万个为什么》2023.7-8
