大洋中脊——海底黑煙囪的發(fā)源地

這個故事先要從大洋中脊說起。大洋中脊是海洋深處的巨大山脈，那里同時也是生成新的海洋洋殼的地方。在洋中脊火山口，灼熱的巖漿由地幔向上涌，逐漸冷卻，結(jié)合周圍已軟化的巖石形成新的洋殼，新生成的洋殼擠壓洋中脊兩邊已有的地殼，不斷向外擴張，最終在板塊的交界邊緣俯沖回地幔去。因此，洋殼在洋中脊出生，在板塊與板塊的撞擊中消亡，這樣代謝不止。

圖一：全球大洋中脊的分布位置（來源：USGS）。

與大洋中脊相伴的有很多的海底火山，有時候這些火山會露出海面形成島嶼，最著名的便是冰島。盡管大洋中脊是如此巨大的地形結(jié)構(gòu)，但直到20世紀(jì)50年代，通過大量的海洋調(diào)查，科學(xué)家們才對其分布有了比較全面的認識。

正是因為大洋中脊深處巖漿不斷上升，所以中脊附近有一種特殊的地質(zhì)奇觀——熱液出口——這種結(jié)構(gòu)類似陸地上的溫泉。它是這樣形成的：冷的海水順著海底巖石的縫隙進入洋殼的深部，接觸到被巖漿灼熱的巖石后發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)后的海水變成高溫高壓富含礦物質(zhì)的水，稱為“熱液”。上涌的熱液噴出洋殼頂部，與冰冷的海水相遇。熱液冷卻過程中，礦物從其中析出，并且就近沉淀在噴出口的四周，日積月累下來就形成了一個個高高低低的像煙囪般的噴口。“煙囪”噴出來的熱液如果有豐富的金屬離子和硫離子，當(dāng)熱液與冷的海水混合時，黑色的金屬硫化物迅速沉淀下來，就會形成“濃煙滾滾”的“黑煙囪”；也有一些小的煙囪噴出的熱液溫度稍低、流速較小、且其中含有較多的硅離子和鈣離子，就會成為冒出二氧化硅和石膏的“白煙囪”。

左圖:黑煙囪形成過程示意圖。1)冰冷的海水通過縫隙滲到海底的地層中。2)高溫的海水與海底地層的巖石發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，海水變成了成分復(fù)雜的熱液。3）熱液的密度較小，從而穿過海底巖層上升；4）熱液離開了煙囪口與冰冷的海水混合，黑色的金屬硫化物迅速沉淀，形成黑色的“濃煙”（來源：WHOI）。右圖：正冒著黑煙的海底黑煙囪（來源：wikipedia）。

“玫瑰花園”——神奇的熱液生態(tài)圈

大洋中脊不僅孕育了海底黑煙囪這樣的地質(zhì)奇觀，更令人驚奇的是，在這個被陽光“遺忘”的角落，還存在著一類特殊的生物群落。1977年，世界著名的載人潛水器阿爾文號（ALVIN）在東太平洋的加拉帕戈斯（Galapogos）群島洋中脊地帶考察熱液活動時，意外地發(fā)現(xiàn)了在熱液出口附近，有一片甚至比熱帶雨林更為生氣勃勃的生物群落?！鞘且黄苊利惖木吧?，有著如雪片般密集的微生物，白色的貝、蟹，紫色的魚、蝦，最奇妙的是那里有大片大片紅白相間的如同盛開的玫瑰一般絢爛的“花朵”，于是科學(xué)家們給這里取了一個美麗的名字——“玫瑰花園”（Rose garden）。

熱液出口附近的玫瑰花園（來源：National Geographic, Photograph by Emory Kristof）。

美麗的“玫瑰”，就是現(xiàn)在幾乎已經(jīng)成為海底熱液生態(tài)系統(tǒng)典型代表的管狀蠕蟲（tubeworm）。管狀蠕蟲是一種大型環(huán)節(jié)動物，生活在熱液口附近溫度為15℃～20℃的地方（來源：WHOI）。

寂寞的海底從此因為有了“玫瑰花園”而熱鬧了起來。

和我們常見的基于光合作用的生態(tài)系統(tǒng)不同，熱液出口處的生態(tài)系統(tǒng)是基于化能合成作用的。在這個小系統(tǒng)中，能夠利用熱液里面的硫化物獲取能量的細菌是最基本的生物。在這些細菌提供的能量的基礎(chǔ)上，熱液出口處還生活著多種其他生物。2007年，我也有幸乘坐阿爾文號下到2400多米的東太平洋中脊。在那里，親眼目睹了長達2米的管狀蠕蟲、貝類、白色大螃蟹還有粉紫色的大丑魚，都活得很愜意的樣子。

中尺度渦——搬家的順風(fēng)車

美麗的事物總是短暫的，同樣，靠抽熱液出口的“煙”活著的玫瑰花園并不長久。熱液出口不穩(wěn)定，有時候會突然大規(guī)模地噴發(fā)。隨著研究的不斷深入，海洋學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：發(fā)生比較大型的噴發(fā)時，熱液出口附近的幾乎所有生物都會死亡，但等噴發(fā)過去后，生物群落很快又會重新出現(xiàn)在新的熱液出口。

也許你會覺著新群落的出現(xiàn)是很自然的現(xiàn)象，但其實海底生物群落中與化能合成細菌共生、處于最基礎(chǔ)營養(yǎng)級的管狀蠕蟲個要“搬個家”并不那么容易。首先，海底的溫度非常低。在我們觀測的東太平洋海底，水溫大概為2℃左右。而管狀蠕蟲的幼蟲在這么低的溫度下，并不能存活很久，大概只有一個月左右。另外，這些生物幼蟲幾乎沒有游泳的能力，所以它們不可能自己游到新的熱液出口。曾經(jīng)認為的一個比較可能的原因是大洋中脊附近的海流把幼蟲帶過去的，不過，后來科學(xué)家們觀測海底的海流非常弱，距離我們觀測到的噴發(fā)后又有生物出現(xiàn)的熱液出口最近的生物群落也有300多公里，非常弱的海流是不可能在幼蟲死亡之前把它們運到這么遠的地方去的。

那還會有什么力量更強大的“順風(fēng)車”呢？

大洋中的中尺度渦（ Mesoscale Eddies ）一般是指水平直徑大概為百公里量級的海面凸起或下凹，伴隨著這些海表面特征會有比較強的海流，而這些海流大多為圍著凸起或下凹的中心做順時針或逆時針運動。中尺度渦會是接下來幾十年海洋學(xué)的研究熱點，它不但對海洋的熱量、動量傳輸有貢獻，還會影響海洋的生產(chǎn)力等，因為伴隨著這些渦會有較強的上升或者下降流，而這對營養(yǎng)物質(zhì)的垂向輸運相當(dāng)重要。

2004年到2005年，我們在東太平洋中脊區(qū)域放置了十幾個海流計，把它們都掛在錨定在海底的浮子上面，這樣它們就能測量海底不同深度的海流變化。此外，我們還布放了可以測量生物幼蟲數(shù)目及沉積物的儀器。通過觀測，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)時候，大洋中脊附近的流場比較弱，也很穩(wěn)定，但在某段時間流速會突然反向并強度明顯增強。當(dāng)我們分析同時期的衛(wèi)星資料時發(fā)現(xiàn)，在海底流速變化的時候，有一個直徑300多公里的中尺度渦旋正好經(jīng)過我們的觀測點。然后，結(jié)合數(shù)值模型及生物幼蟲和沉積物的觀測數(shù)據(jù)，我們推測出：正是海面的那個大渦旋影響到幾千米深的海底，它導(dǎo)致的海流讓熱液口的蠕蟲幼蟲搭上了搬家的順風(fēng)車。

研究區(qū)域的地理位置，圖中白色五角星顯示的是研究觀測點。由特旺特佩克地峽海灣和帕帕加約海灣產(chǎn)生的中尺度漩渦影響著東太平洋海隆。East Pacific Rise: 東太平洋海??；Mexico:墨西哥；Gulf of Tehuantepec: 特旺特佩克地峽海灣；Gulf of Papagayo:帕帕加約海灣（來源：Adams et al., 2011, Science）

我們的工作除了解釋了熱液出口生物群落的遷徙問題外，還發(fā)現(xiàn)了另外一個問題。在太平洋東部的這些中尺度渦旋的強度和數(shù)量，跟給人類帶來眾多災(zāi)難的厄爾尼諾現(xiàn)象之間有一定關(guān)系。這就是說，當(dāng)厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時，不但我們?nèi)祟悤艿接绊?，連躲在海底幾千米的生物也會通過這些大渦旋被間接的影響到。這也告訴我們，地球是一個高度耦合的系統(tǒng)，真算得上是“牽一發(fā)而動全身”。