​冷泉形成原因,深海热泉生态系统的能量来源

冷泉形成原因,深海热泉生态系统的能量来源

本文目录

1.深海热泉生态系统的能量来源 2.冷泉形成原因 为什么会形成冷泉的原因 3.冷泉系统是如何形成的 4.地冷泉的形成原因

深海热泉生态系统的能量来源

自然界的生物生存需要能量。科学界在很长时间内一直认为在阳光难以抵达的深海，没有能够通过光合作用来固定能量、合成有机质的生产者，生物也就不可能大量聚集。

直到1977年研究人员乘 “阿尔文”号潜水器 在加拉帕戈斯裂谷发现了海底热泉。这些热泉口貌如烟囱，源源不断地喷出黑色或白色的浓烟，当然并不是真正的烟而是富含矿物质的热水，有些喷发点的水温可高达400 。围绕着热泉口方圆约50米的区域内，布满了鱼、蛤、蠕虫等海底生物。这里的生机勃勃与百米开外寒冷而贫瘠的深海场景形成了鲜明的对比。80年代中期开始，更大规模的海底调查和更多的洋底热泉及热泉生物被发现和研究，人们得以了解到它们的生物链组成和生态结构。

1983年研究者在美国墨西哥湾首次发现了海底冷泉系统，随后在其他大陆斜坡和大陆边缘均有发现，但是大多数分布在环太平洋的活动俯冲带。海底冷泉是继海底热泉之后的又一重大发现，二者都反映了海底的极端环境。

冷泉周围也是海底生命极度活跃的地方，科学家在热泉生态系统中已发现的生物种类达到500多种，冷泉生态系统中有200多种，因此热泉和冷泉生态系统并称为深海绿洲。

极端环境的形成

热泉场一般呈方圆数千米大小的斑点状分布，大多形成于 大洋中脊 （贯穿四大洋的海底山脉）附近的板块交界处。板块交界的地方，会有裂谷或孔隙，海水沿着裂谷或孔隙渗入洋底地壳内部很深的地方，被地壳内的岩浆加热，同时与基底的玄武岩发生化学反应，形成了高温、酸性且富含矿物质的热液。

海水层层渗入，直到岩层变得难以渗透便开始回流至海底，含矿的热液与冰冷的海水相遇，迅速冷却并析出各种硫化物。这些物质不断堆积，越堆越高，渐渐形成了烟囱状的地貌。当热泉温度为100 350 时，形成主要由硫酸盐矿物(硬石膏、重晶石)、二氧化硅和白铁矿组成的白烟囱。当温度 350 时，形成由暗色硫化物如磁黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿等堆积而成的黑烟囱。

冷泉是以水、碳氢化合物（天然气和石油）、硫化氢、细粒沉积物为主要成分，主要集中在断层和裂隙较多的地区。虽然被称作冷泉，但是实际上冷泉的温度与周围海水温度相近，约2 4 。

人们发现，冷泉经常出现于天然气水合物矿藏的顶部。海底沉积物中的甲烷等气体在温压条件有利的地层中，会形成天然气或天然气水合物。当稳定条件被破坏时，天然气或天然气水合物分解后释放的甲烷、硫化氢和二氧化碳等气体会沿裂隙向上运移和排放，在近海底形成冷泉。

能量的生产者

化能合成细菌是热泉/冷泉生物系统的初级生产者，形成了食物链的基础。

生物体主要由碳、氢、氧元素构成，这些元素包含在水和二氧化碳中，但是氢和碳分别与氧强力地结合在一起，因此不能直接被生物利用。要切断这种化学结合并利用这些元素，就需要能量。多数植物就是利用阳光把这种结合切断，然后让元素重新结合形成必需的有机物，这个过程便是光合作用。化能合成细菌同样能生产有机物，它们不是用阳光，而是用无机物氧化时产生的能量来进行有机物合成。

热泉/冷泉口的环境较为极端，高压、黑暗、低氧，硫化物和重金属等有毒物质含量高。因此热泉/冷泉生态系统与以光合作用为基础的生命体系有根本区别，它们形成以化能合成细菌为基础生产力的食物链，构成一个自养自给的共生系统。这个系统环环衔接、完整又独立，伴随着热泉/冷泉的长消而出没。

热泉口生态系统的主要生产者是硫氧化细菌，这些菌类能够忍受来自热泉的高温，同样能够抵御深海的冰冷。它们利用二氧化碳和含氮化合物合成细胞物质，并通过氧化无机物获得能量，将热泉喷口处喷出的硫化氢等化为己用，生成有机物质供其他生物食用。

同时，热泉处的地热活动有时会释放出来微弱的光芒，一些能进行光合作用的菌类，如绿色硫细菌，会在微弱的光芒下进行光合作用，生成有机物。

冷泉生物群落获得营养的方式以及群落结构与热泉生物群落几乎没有差异。在冷泉喷口也存在多种化能合成菌群，由于冷泉溢出的流体富含甲烷、硫化氢和二氧化碳等，因此甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌是冷泉生态系统中的初级生产者。

随之而来的消费者

有了生产者贡献的养分，自然会吸引众多消费者蜂拥而至。菌席（菌类贴附在沉积物表面形成微薄的层状）以及底栖双壳类和多毛类等低级消费者又吸引了捕食的蟹类和某些腹足生物，鱼也出现了。

直径1米左右的巨型白蛤和长着红色触手、白色外壳的巨型管状蠕虫是热泉生态群落中的典型生物，它们都没有肾脏、心脏、嘴巴、胃等器官，体内住满了不同种类的共生细菌，细菌在转化硫化物的过程中会释放出能量，白蛤和管状蠕虫以这些能量为食。由于它们的软组织需要容纳足够多的细菌产生食物，导致了这些低级消费者生长速度非常快且个体大小相当可观。

甲壳类动物也是海底热泉的主要居民。雪人蟹是海底热泉的独特品种，它的视网膜已经完全退化，通体覆盖着黄色细菌群落，细菌群落帮助雪人蟹分解热泉喷发出的有毒物质，雪人蟹则以这些黄色菌落为食。

视网膜同样已经退化的盲虾背部聚集着许多嗜硫细菌，积累到一定数量时，盲虾就会用它灵活的虾钳刮下来吃掉，同时还能利用自己的鳃和口器来培养这些附生细菌。

铠甲虾长得像龙虾，却是寄居蟹的亲戚。铠甲虾是群居动物，常常倾巢而出寻找食物。它们的食物是生物被膜（微生物将自身所生产的多糖包裹在身上，并附着在其他生物或非生物表面形成的微生物群落）。

深海章鱼是热泉生态系统食物链顶端的霸主，由于不需要释放墨汁逃生，这些章鱼都没有墨囊。

冷泉生物系统的甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌提供了碳源和能量，在其基础上同样发育着菌席和深海双壳类（贻贝类和蛤类）及多毛类动物（管状群蠕虫和冰蠕虫）以及海星、海胆、海虾等一级消费者，二级消费者有鱼、螃蟹、扁形虫、冷水珊瑚等。

清道夫最后登场

维持一个完整的生态系统，除了生产者和消费者，还少不了分解者。食腐动物是热泉生态系统的清道夫，也是最晚来到这儿的居民。海底热泉并不会永久存在，总有一个终止日期。由于这种生态系统直接依赖热泉/冷泉喷发所提供的物质，因此其发生和消亡完全取决于热泉/冷泉的活动周期。由于热泉/冷泉的活动期一般都在几十年左右，所以这种小型生态系统也只延续几十年的时间跨度。

如果附近出现大量的食腐动物，预示着这里有大量的生物死亡，热泉/冷泉生态系统也濒临崩溃。这种崩溃可能是很突然的，海平面的升降、海底温度和压力的变化、微小的地壳运动都可能会引起海底构造的变化，导致热泉/冷泉停止喷发，从而使热泉/冷泉生态系统彻底失去原先的生命力，渐渐恢复成与其他地区无异的冰冷深海。

冷泉形成原因 为什么会形成冷泉的原因

1、氧化碳气体顺沿本地高倾角节理所构成的深长裂隙上升。

2、上升的二氧化碳溶入地下水，形成碳酸再与周围板岩中部分元素微量溶解，形成低浓度的碳酸氢盐水，此水因含二氧化碳，一旦自水中逸出形成大量气泡，比重较小，浮力大于一般地下水，故容易上升至地面形成冷泉。

冷泉系统是如何形成的

由于人格具有较强的稳定性特征，人格研究者更重视遗传因素的作用。每个人都处于特定的社会文化环境中，文化对人格的影响非常重要。社会文化形成社会成员的人格特征，使成员的人格结构朝着相似的方向发展。这种相似性具有维持社会稳定的功能，使每个人都能牢固地“嵌入”整个文化形态。研究人格的家庭原因，重点是家庭差异(家庭结构、经济条件、居住环境、家庭氛围等)和不同的教养方式对人格发展和人格差异产生不同的影响。

人格决定一个人的生活方式，甚至决定一个人的命运，因此是人生成败的根源之一。面对挫折和失败时，坚强的人可以泄愤，懦弱的人可以萎靡不振。这就是人格功能的表现。可以在心理学中定义人格。这是个人在适应环境的过程中表现出的系统独特的反应方式，是个人由遗传、环境、成熟、学习等因素相互作用而形成的，具有很大的稳定性。生物因素包括植物、微生物和土壤动物对土壤系统的影响，生物因素是促进土壤发生和发展的最活跃因素。植物有选择地吸收母质、大气和水体的营养，通过光合作用制造有机质，土壤微生物分解有机质，促进养分释放。动物残体也为土壤提供有机质，土壤中的动物对土壤有特殊作用，如鲍鱼及辽东作用。

气候因素是土壤系统发展变化的主要驱动力。它影响土壤的地理分布规律，它是地对性分布规律。气候因素，特别是水分和热量条件，直接或间接影响植物和微生物的活动，影响土壤有机质的积累和分解。地形因素一般只会引起地表能量和物质的重新分配，而不会引起新的物质。控制地表径流，使地带性土壤范围内出现非地带性土壤。

母材因素是土壤形成的物质基础。土壤母质是岩石风化的产物，土壤是母质通过填方过程形成的。不同的母质对土壤中的次生矿物也有一定的影响。时间因素-发育程度。土壤年龄分为绝对年龄和相对年龄。它是土壤发育的强度因素。生物、地形、气候、母质四大因素随着成土年龄的增加而加剧。土壤随着时间的推移不断变化。

地冷泉的形成原因

冷泉(Cold seep)，即海底天然气渗漏，是一个在全球海洋环境广泛分布的自然现象［1～9］。具体指分布于大陆边缘海底来自沉积界面之下，以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分，流体温度与海水相近的流体，并广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底。

1984年在美国俄勒冈州岸边俯冲区首次发现了冷甲烷渗透流之后，在太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋活动的和被动的大陆边缘14～3500m深处发现了数十个冷泉。研究程度最深的冷泉包括阿留申群岛、卡斯凯迪亚、巴巴多斯、俄勒冈州沿岸和墨西哥湾等地区［1］。由于海底天然气水合物(俗称“可燃冰”)的发现，引起了各国科学家和各国政府的高度重视，故冷泉及冷泉碳酸盐岩成为当今地球科学研究的热点之一。冷泉是继洋中脊以下盆源中高温流体的热泉被发现和研究之后的又一个新的盆地流体沉积领域［10～14］。科学界将深海中发现的热泉和在近大陆地区发现的冷泉归属于20世纪最后25年中最重要的发现［1］。

冷泉在海底沿构造带和高渗透地层呈线性群产出，也有围绕泥火山或底辟顶部集中分布，呈圆形或不规则状冷泉群出现，在海底地形低凹处和峡谷转向处也有呈孤立冷泉形式产出［14，15］。在构造变形或超压体系下冷泉流体将沿断层或底辟构造中应力梯度方向运移［16］，深部油气藏或储层游离态天然气以渗漏方式沿断层等通道向海底运移，在水合物稳定带内的天然气以游离态气泡形式迁移，部分渗漏天然气沉淀为水合物，部分渗漏天然气通过微生物活动，转变为CO2沉淀为冷泉碳酸盐岩，部分渗漏天然气则喷溢进入上覆水体［14，17，18］(图1－1)。整个渗漏系统天然气渗漏活动非常强，可运移至海底，在海底可观测到进入上覆水体的渗漏天然气气泡，并在水体中形成气泡羽状体［19］。

流体以沉积建造流体、卤水、液化泥和碳氢化合物等为主，其中的碳氢化合物主要是细菌生物成因的甲烷气、热解天然气或二者的混合［14］。

冷泉按其成因可分为两种类型:一是盆地生物成因的甲烷水合物来源，主要发育于大陆坡次级小盆地沉积层中，以细分散状产出;二是热和生物混合成因天然气水合物来源，主要沿次级盆地边缘断裂带发育或分布在盐丘的顶部［9］。

墨西哥湾Bush Hill是世界上研究最深入的海底渗漏系统之一。海底天然气渗漏系统与生长断裂相连的逆断层系中，海底正在喷溢天然气和沉淀水合物，同时海底冷泉生物群非常发育［9，20，21］(图1－2)。

图1-1 海洋环境天然气渗漏系统水合物概念示意图

深部渗漏天然气沿断裂等通道向海底渗漏，在渗漏过程中部分渗漏天然气在水合物稳定带内沉淀为水合物，天然气在水合物稳定带内是以游离气(气泡)形式迁移，残余渗漏天然气喷溢进入上覆水体，因此，在渗漏系统水合物稳定带内是水－水合物－游离气的三相热力学体系

图1-2 Bush Hill海底天然气渗漏气泡流(左)和邻近区海底天然气快速喷流(右)

我国从1997年开始组织开展对天然气水合物的前期研究。1999年，国土资源部启动了天然气水合物的海上勘查，开展了18个航次的调查工作，发现我国南海北部陆坡存在十分有利的天然气水合物赋存条件，并取得了一系列地球物理学、地球化学、地质学、生物学等明显证据。2004年，广州海洋地质调查局与德国科学家合作，利用德国“太阳号”科学考察船，通过海底电视观测和海底电视监测抓斗取样，在3000m深海底，首次发现了南海“冷泉”喷溢形成的巨型碳酸盐岩，面积达430km2，并命名为“九龙甲烷礁”。在九龙甲烷礁区碳酸盐岩结壳裂隙中，科学家发现了天然气水合物甲烷气体喷溢形成的菌席和双壳类生物。这证实了“冷泉”仍在活动。这一发现证实，中国南海北部海域有可燃冰。2005年中国科学院南海海洋研究所在九龙甲烷礁、西沙海槽水合物异常区外又发现“明珠甲烷礁”［22，23］。

2007年4月，我国正式启动南海北部陆坡海域天然气水合物钻探工作。同时有来自9个国家的外国科学家和工程技术人员参与工作。5月1日凌晨，钻探船在南海北部神狐

海域的一号钻探站位，钻探获取海底多段沉积物岩

心，在海底以下183～201m，水深约1245m处，我国首次成功获得了天然气水合物实物样品。紧接着又于5月15日在第四个站位再次获得天然气水合物实物样品，天然气水合物的沉积层厚度达34m，气体中甲烷的含量高达99.8%。无论是矿层厚度之大、水合物丰度之高，还是甲烷含量之纯，都远超出世界上其他地区类似分散浸染状的水合物(中国地质调查局，2007，图1－3)。

图1-3 现代天然气水合物水中溶解造成的气泡

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