大洋中脊——海底黑烟囱的发源地

这个故事先要从大洋中脊说起。大洋中脊是海洋深处的巨大山脉，那里同时也是生成新的海洋洋壳的地方。在洋中脊火山口，灼热的岩浆由地幔向上涌，逐渐冷却，结合周围已软化的岩石形成新的洋壳，新生成的洋壳挤压洋中脊两边已有的地壳，不断向外扩张，最终在板块的交界边缘俯冲回地幔去。因此，洋壳在洋中脊出生，在板块与板块的撞击中消亡，这样代谢不止。

图一：全球大洋中脊的分布位置（来源：USGS）。

与大洋中脊相伴的有很多的海底火山，有时候这些火山会露出海面形成岛屿，最著名的便是冰岛。尽管大洋中脊是如此巨大的地形结构，但直到20世纪50年代，通过大量的海洋调查，科学家们才对其分布有了比较全面的认识。

正是因为大洋中脊深处岩浆不断上升，所以中脊附近有一种特殊的地质奇观——热液出口——这种结构类似陆地上的温泉。它是这样形成的：冷的海水顺着海底岩石的缝隙进入洋壳的深部，接触到被岩浆灼热的岩石后发生反应。反应后的海水变成高温高压富含矿物质的水，称为“热液”。上涌的热液喷出洋壳顶部，与冰冷的海水相遇。热液冷却过程中，矿物从其中析出，并且就近沉淀在喷出口的四周，日积月累下来就形成了一个个高高低低的像烟囱般的喷口。“烟囱”喷出来的热液如果有丰富的金属离子和硫离子，当热液与冷的海水混合时，黑色的金属硫化物迅速沉淀下来，就会形成“浓烟滚滚”的“黑烟囱”；也有一些小的烟囱喷出的热液温度稍低、流速较小、且其中含有较多的硅离子和钙离子，就会成为冒出二氧化硅和石膏的“白烟囱”。

左图:黑烟囱形成过程示意图。1)冰冷的海水通过缝隙渗到海底的地层中。2)高温的海水与海底地层的岩石发生一系列化学反应，海水变成了成分复杂的热液。3）热液的密度较小，从而穿过海底岩层上升；4）热液离开了烟囱口与冰冷的海水混合，黑色的金属硫化物迅速沉淀，形成黑色的“浓烟”（来源：WHOI）。右图：正冒着黑烟的海底黑烟囱（来源：wikipedia）。

“玫瑰花园”——神奇的热液生态圈

大洋中脊不仅孕育了海底黑烟囱这样的地质奇观，更令人惊奇的是，在这个被阳光“遗忘”的角落，还存在着一类特殊的生物群落。1977年，世界著名的载人潜水器阿尔文号（ALVIN）在东太平洋的加拉帕戈斯（Galapogos）群岛洋中脊地带考察热液活动时，意外地发现了在热液出口附近，有一片甚至比热带雨林更为生气勃勃的生物群落。——那是一片很美丽的景色，有着如雪片般密集的微生物，白色的贝、蟹，紫色的鱼、虾，最奇妙的是那里有大片大片红白相间的如同盛开的玫瑰一般绚烂的“花朵”，于是科学家们给这里取了一个美丽的名字——“玫瑰花园”（Rose garden）。

热液出口附近的玫瑰花园（来源：National Geographic, Photograph by Emory Kristof）。

美丽的“玫瑰”，就是现在几乎已经成为海底热液生态系统典型代表的管状蠕虫（tubeworm）。管状蠕虫是一种大型环节动物，生活在热液口附近温度为15℃～20℃的地方（来源：WHOI）。

寂寞的海底从此因为有了“玫瑰花园”而热闹了起来。

和我们常见的基于光合作用的生态系统不同，热液出口处的生态系统是基于化能合成作用的。在这个小系统中，能够利用热液里面的硫化物获取能量的细菌是最基本的生物。在这些细菌提供的能量的基础上，热液出口处还生活着多种其他生物。2007年，我也有幸乘坐阿尔文号下到2400多米的东太平洋中脊。在那里，亲眼目睹了长达2米的管状蠕虫、贝类、白色大螃蟹还有粉紫色的大丑鱼，都活得很惬意的样子。

中尺度涡——搬家的顺风车

美丽的事物总是短暂的，同样，靠抽热液出口的“烟”活着的玫瑰花园并不长久。热液出口不稳定，有时候会突然大规模地喷发。随着研究的不断深入，海洋学家们发现了一个奇怪的现象：发生比较大型的喷发时，热液出口附近的几乎所有生物都会死亡，但等喷发过去后，生物群落很快又会重新出现在新的热液出口。

也许你会觉着新群落的出现是很自然的现象，但其实海底生物群落中与化能合成细菌共生、处于最基础营养级的管状蠕虫个要“搬个家”并不那么容易。首先，海底的温度非常低。在我们观测的东太平洋海底，水温大概为2℃左右。而管状蠕虫的幼虫在这么低的温度下，并不能存活很久，大概只有一个月左右。另外，这些生物幼虫几乎没有游泳的能力，所以它们不可能自己游到新的热液出口。曾经认为的一个比较可能的原因是大洋中脊附近的海流把幼虫带过去的，不过，后来科学家们观测海底的海流非常弱，距离我们观测到的喷发后又有生物出现的热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虫死亡之前把它们运到这么远的地方去的。

那还会有什么力量更强大的“顺风车”呢？

大洋中的中尺度涡（ Mesoscale Eddies ）一般是指水平直径大概为百公里量级的海面凸起或下凹，伴随着这些海表面特征会有比较强的海流，而这些海流大多为围着凸起或下凹的中心做顺时针或逆时针运动。中尺度涡会是接下来几十年海洋学的研究热点，它不但对海洋的热量、动量传输有贡献，还会影响海洋的生产力等，因为伴随着这些涡会有较强的上升或者下降流，而这对营养物质的垂向输运相当重要。

2004年到2005年，我们在东太平洋中脊区域放置了十几个海流计，把它们都挂在锚定在海底的浮子上面，这样它们就能测量海底不同深度的海流变化。此外，我们还布放了可以测量生物幼虫数目及沉积物的仪器。通过观测，我们发现大多数时候，大洋中脊附近的流场比较弱，也很稳定，但在某段时间流速会突然反向并强度明显增强。当我们分析同时期的卫星资料时发现，在海底流速变化的时候，有一个直径300多公里的中尺度涡旋正好经过我们的观测点。然后，结合数值模型及生物幼虫和沉积物的观测数据，我们推测出：正是海面的那个大涡旋影响到几千米深的海底，它导致的海流让热液口的蠕虫幼虫搭上了搬家的顺风车。

研究区域的地理位置，图中白色五角星显示的是研究观测点。由特旺特佩克地峡海湾和帕帕加约海湾产生的中尺度漩涡影响着东太平洋海隆。East Pacific Rise: 东太平洋海隆；Mexico:墨西哥；Gulf of Tehuantepec: 特旺特佩克地峡海湾；Gulf of Papagayo:帕帕加约海湾（来源：Adams et al., 2011, Science）

我们的工作除了解释了热液出口生物群落的迁徙问题外，还发现了另外一个问题。在太平洋东部的这些中尺度涡旋的强度和数量，跟给人类带来众多灾难的厄尔尼诺现象之间有一定关系。这就是说，当厄尔尼诺现象发生时，不但我们人类会受到影响，连躲在海底几千米的生物也会通过这些大涡旋被间接的影响到。这也告诉我们，地球是一个高度耦合的系统，真算得上是“牵一发而动全身”。