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“蛟龙”号探底西南印度洋热液区

时间:2014-12-26 08:03:50    来源:中国海洋报    作者:王自堃 梁菲

  12月23日,“蛟龙”号载人潜水器在西南印度洋下潜,这是中国载人潜水器首次下潜到西南印度洋海底热液区作业。什么是海底热液区?海底热液区有何价值?海底热液区有生物吗?

海底热液区

 

  海底热液活动是指海水从地壳裂隙渗入地下,被熔岩(岩浆)加热后,从地下喷出的过程。迄今为止,人类已发现数百个海底热液区。2007年,我国科研人员首次在西南印度洋发现了新的海底热液区。截至目前,我国已发现几十个热液区。

  2011年,中国大洋矿产资源研究开发协会与国际海底管理局签订国际海底多金属硫化物矿区勘探合同,合同期为15年。合同区位于西南印度洋洋脊,面积1万平方公里,限定在长度990公里、宽度290公里的长方形范围内。这是中国获得的第二块具有专属勘探权和商业开采优先权的国际海底合同矿区。

  今年5月,“大洋一号”科学考察船完成了对我国西南印度洋合同区的首个勘探航次。科考队员在合同区新发现了11个海底热液区,在大洋中脊发现的海底热液区达到44个,其中合同区海底热液区发现总数达到18个。

  2014年~2015年,“蛟龙”号试验性应用航次第二、三航段将在西南印度洋进行为期120天的科考。“蛟龙”号第87次下潜通过近底观测与取样作业,确认了大范围的海底热液区,观测到热液喷溢口,初步判断为玄武岩基底热液区,并通过温度探头探测到热液口温度,通过热液保压取样器取到热液流体,拍摄到大量热液区海底视像资料。

 

海底热液区的矿藏

  热液活动区犹如一个热泉口,热液喷口温度高达350℃~400℃,周围岩层中的金、银、铜、锌、铅等金属也会随之喷出,并经过化学反应形成硫化物沉积在附近的海底,形成烟囱状黑色岩石构造,俗称“黑烟囱”。热液硫化物富含铜、锌、铅等金属,特别是富含贵金属(金、银),具有很高的经济价值,近年来引起了国际采矿业的兴趣,是日益受到国际社会关注的一种海底矿藏。

  热液硫化物多数矿点分布于东太平洋、东南太平洋和东北太平洋。大西洋中脊和印度洋中脊的已知硫化物矿点较少,主要原因是在这些地区内进行的勘探活动有限。全世界共有6万公里的海脊,经过勘察的只有5%左右。

  “蛟龙”号此次赴我国西南印度洋多金属硫化物资源勘探区进行科学考察,是“蛟龙”号科考史上距离最远、航行时间最长、搭载设备最多的一次。此次科考将逐步完善与勘察热液区配套的作业规程。

 

多金属硫化物分布状况、开发现状与前景

 

我国在西南印度洋首次采集的多金属硫化物

“蛟龙”号机械手探测海底热液硫化物

  多金属硫化物是由富含铁、铜、铅、锌等金属的热液在海底沉积而成,在西南印度洋分布较广泛。20世纪80年代中期,科学家在西南太平洋又发现了一些硫化物矿床,位置是在大洋边缘,大陆和火山岛弧之间的海底、海盆和海脊形成的地方。这些发现引发了人类对西太平洋和西南太平洋边缘海盆的大规模勘探。后来,科考工作者在澳大利亚东部的劳海盆、北斐济海盆和日本西南的冲绳海槽又发现了其他矿床。1991年,科学家在新喀里多尼亚北部的马努斯海盆等地发现大量与长石火山活动有关的碌化物矿床,在伍德拉克海盆附近也发现了热液矿床,其海底扩张延伸到巴布亚新几内亚以东的大陆地壳。目前,全球已知的100多个热液矿化点,至少25处有高温黑烟囱喷口。

  科学家在对海底硫化物做了近1300项化学分析比较后发现,位于不同的火山和构造环境的矿床有不同的金属比例。与缺少沉积物的洋中脊样品相比,在玄武岩至安山岩环境生成的块状硫化物(573个样品)中平均含量较高的金属有锌(17%)、铅(0.4%)和钡(13%),铁含量不高。大陆地壳后弧裂谷的多金属硫化物(40个样品)的含铁量也很低,但通常富含锌(20%)和铅(12%),含银量高(1.1%,或2304克/吨)。

  海底最大的已知硫化物矿床为红海的阿特兰蒂斯II海渊,比东太平洋海隆的第一个黑烟囱早发现十多年。阿特兰蒂斯II海渊的矿化物主要是金属软泥,不是块状硫化物。对面积40平方公里的矿床所作的详细评价显示,矿床有9400万吨的贫铅银矿石,其中含锌2%、铜0.5%、银39克/吨和金0.5克/吨,贵金属的总含量约为银4000吨和金50吨。在2000米深处试验采矿证明,该矿床可以成功开采。

  海底勘探需要多用途科研船,使用先进技术,例如深海测绘设备、载人潜水器或遥控船只、摄影和录像系统以及采样和钻探装置。海底块状硫化物的开采可能集中于小块海底区域,并主要限于表层(剥采)和浅次表层(挖采),以便回收海底的硫化物丘和烟囱场以及其下的网状脉区中的交代矿体。

  目前,全世界的学术机构和政府机构正在对多金属硫化物矿床及其有关的生态系统进行科学研究。

 

大洋第35航次第二、三航段任务及目标

  “向阳红09”船于2014年11月25日搭载“蛟龙”号赴西南印度洋中国大洋协会多金属硫化物勘探合同区开展资源、生物多样性考察和环境调查与评价工作,预计2015年3月19日返回青岛,共计120天。“蛟龙”号将执行两个航段任务,每个航段计划下潜10次(机动1次),共计20次。

  大洋第35航次第二、三航段的主要任务为:围绕西南印度洋合同区,开展热液喷口区海底微地形地貌调查、地质和热液喷口流体取样作业、热液羽状流调查、热液区原位环境参数测量、热液区生物视像调查、微生物和巨型底栖生物取样、热液生物卵取样、生物基因资源勘探研究等工作。

  两个航段目标为:利用“蛟龙”号载人潜水器在西南印度洋脊等海域开展下潜作业,发挥“蛟龙”号近底高精度取样和测量的独特技术优势,以多金属硫化物资源调查为主,兼顾生物、环境等基础科学调查,为我国大洋资源评估和深海科学研究提供第一手资料和样品;进一步提高“蛟龙”号技术性能和作业能力,完善作业规程,培养锻炼业务化运行所需的工程保障队伍和科学家队伍;进一步探索大型深海装备的开放、共享等管理应用机制。

 

生活在热液区的生物

 

“蛟龙”号机械手布放潜次标志物

“蛟龙”号机械手获取热液区海葵生物样品

  深海底生物物种丰富,热液喷口周围活跃着许多的生物群落,包括管状蠕虫、贻贝、蛤、虾以及广泛存在的微生物。科学家在这些有多样化生物群落的热液喷口区,已发现约500种前所未知的动物物种。

  热液喷口区的生物在高压、剧变的温度梯度和高浓度的有毒物质包围下,形成了极为独特的生物结构、代谢机制,体内产生了特殊的生物活性物质,例如嗜碱、耐压、嗜热、嗜冷、抗毒的各种极端酶。这些特殊的生物活性物质功能各异,是深海底生物资源中最具应用价值的部分。可以预料,深海底生物资源在工业、医药、环保等领域都将有广泛的应用。目前,国际上深海生物基因资源的应用已经带来数十亿美元的经济价值。

  “蛟龙”号本次下潜获取贻贝、螺、海葵、茗荷、蟹及多毛类、珊瑚等大量热液区及附近区域生物,为该热液区生物群落的研究提供了全新资料,同时对认识全球热液生物的地理分布具有重要意义。

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