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海底冷泉及其生态系统

海底冷泉及其生态系统

  • 分类:海洋科教
  • 作者:冯东、陈忠、陈多福
  • 来源:海洋生态大讲堂
  • 发布时间:2022-02-10 12:02
  • 访问量:0

【概要描述】冷泉是指来自海底沉积界面之下与海水温度相近,以 H 2 S、CH 4 及其他富碳氢化合物为主的流体的渗漏活动。

海底冷泉及其生态系统

【概要描述】冷泉是指来自海底沉积界面之下与海水温度相近,以 H 2 S、CH 4 及其他富碳氢化合物为主的流体的渗漏活动。

  • 分类:海洋科教
  • 作者:冯东、陈忠、陈多福
  • 来源:海洋生态大讲堂
  • 发布时间:2022-02-10 12:02
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冷泉是指来自海底沉积界面之下与海水温度相近,以 H 2 S、CH 4 及其他富碳氢化合物为主的流体的渗漏活动。1983 年美国科学家 Charles Paull 首次在墨西哥湾佛罗里达陡崖发现冷泉 [1] ,之后世界范围内不断涌现有关冷泉的报道。现代活动冷泉多发育于被动/主动大陆边缘等断层发育的海域。与此同时,有关地质历史时期冷泉(古冷泉),主要形成于泥盆纪到第四纪之间的报道也越来越多(图 1)。与热液具有短暂性(10 年尺度)的特征不同,冷泉渗漏可以持续很长时间(万年尺度)。尽管对冷泉已做了大量的研究,获得了许多宝贵的认识,然而我们对冷泉的认识还仅局限在近 20 年来的研究积累,还存在许多相关的重大科学问题尚未解决。

图 1 全球现代冷泉、古冷泉分布图(据文献[2]修改)

冷泉渗漏的直接后果之一是大量 CH 4 进入海洋水体甚至大气中。CH 4 是比 CO 2 威力更强的温室气体,大量 CH 4 进入大气中必然会加速全球气候变暖。那么每年究竟有多少 CH 4 通过冷泉渗漏的方式进入大气圈?人们对这个问题还不清楚,其原因是对冷泉系统 CH 4 的生物地球化学过程还不甚了解。事实上,冷泉渗漏的 CH 4 在从深部底层向上渗漏过程中,绝大多数在穿透缺氧带沉积层过程中会被 CH 4 氧化生物群落消耗,这是一种在缺氧环境下以微生物为媒介的 CH 4 氧化作用,通常与硫酸盐还原作用同时发生(图2)。用化学方程式可表述为:CH 4 + SO 4 2- ➡ HCO 3- + HS - + H 2 O。然而,由于 CH 4 缺氧氧化速率在空间上的变化非常大(高达 1~2个数量级 [5] );此外,对于整个海洋区域内冷泉的空间范围也不清楚。因此获得更准确 CH 4 缺氧氧化速率和冷泉空间广度数据是限定 CH 4 缺氧氧化在全球 CH 4 平衡乃至全球碳循环中的作用的关键。现场观测研究、显微观察、稳定和放射性同位素测定及分子水平上的生物标志化合物与基因组成分析是解决以上问题的重要研究手段与方法。此外,加大海洋地质调查确定冷泉的空间广度也至关重要。

图 2 大陆边缘冷泉系统流体迁移、典型的冷泉生物群落、

天然气水合物的分布及冷泉碳酸盐岩沉淀等示意图

插图为缺氧沉积物中甲烷及硫酸盐剖面浓度示意图。在硫酸盐甲烷界面,由于耦合的甲烷缺氧氧化和硫酸盐还原作用,硫酸盐和甲烷浓度都达到最低。右上角的插图为甲烷缺氧氧化和硫酸盐还原作用的新陈代谢作用示意图,图中集合体内红色部分为甲烷氧化古细菌,绿色部分为硫酸盐还原细菌(据文献 [3]和[4]综合)

冷泉渗漏的另外一个显著特征是在海底形成了冷泉生物群落。由于 200m 水深以下的海底缺乏光照,光合作用无法进行,长期以来深海环境被认为是生命的禁区。 然而,海底冷泉系统中,存在以化能自养细菌为初级生产者的食物链,繁衍群落结构非常独特的生态系统(图2) [2, 6] 。在初级生产者的基础上,繁衍着管状蠕虫、蛤类、贻贝类、多毛类动物以及海星、海胆、海虾等一级消费者和鱼、螃蟹、扁形虫、 冷水珊瑚等二级消费者,它们最终被线虫类动物分解而回归自然环境,形成一套完整的冷泉生态系统。在高等生物分类学上,冷泉与热液环境的生态群落相似,但冷泉系统的生物量高而生物多样性低,且冷泉生物通常生长速度较慢,一些大型的管状蠕虫年龄可达数百年,被认为是地球上最古老的动物 [6] 。冷泉生物群落的繁衍与死亡受冷泉渗漏的控制,一旦冷泉“休眠”(甲烷停止渗漏),该生物群落死亡,并在新喷口附近形成新的群落。冷泉生物对其生存环境的变化异常敏感,因此群落可在很小的范围(几米)内迅速变化 [5] 。近年来的海洋调查和研究获得了大量原始资料, 极大地拓展了我们对冷泉生物的认识,我们已经知道冷泉生态系统的演化由与冷泉相关的地质活动来驱动,然而对该背景下生态系统的响应还不清楚。另外,由于冷泉研究的特殊性,强烈依赖高科技和高投入,以及全球各地的研究程度不同,目前对冷泉生态系统在时空上的演化,特别是空间上的演化还知之甚少。加强同一海域不同水深及不同海域的冷泉系统的对比研究,加强现代冷泉研究的同时,深化对古冷泉生态系统的研究,探讨地质历史时期冷泉系统中地质与生物的相互作用是突破 这一瓶颈的有效措施。

图3 北大西洋边缘冷泉渗漏(NOAA, 2012)

就冷泉渗漏的强度而言,可以是强烈的“喷发”系统(图3),也可以是肉眼看不见的“扩散”系统。已有研究表明冷泉渗漏的强度与海平面变化有关,表现为低海平面 时期强渗漏,高海平面时渗漏减弱 [7, 8] 。然而,上述观点仍有许多有待证实之处, 如果冷泉渗漏的强度与海平面变化有关,那么这种关联应该是全球性的,而且在地质历史时期也存在这种关联。此外,冷泉生态系统是如何响应冷泉渗漏强度的变化?地球生命是否起源于冷泉系统?对冷泉生态系统的研究直接影响到我们对极端环境地质-生物相互作用规律的认识。可以说,对冷泉及冷泉生态系统的研究才刚刚开始,前沿科学家正在搜寻这些问题的线索,许多谜底还有待于今后的科学家 来一一揭开。

参考文献:

【1】Paull C K, Hecker B, Commeau R, et al. Biological communities at the Florida Escarpment resemble hydrothermal vent taxa. Science, 1984, 226: 964-967.

【2】Levin L A. Ecology of cold seep

sediments: Interactions of fauna with flow, chemistry, and microbes. Oceanography and Marine Biology, an Annual Review, 2005, 43: 1-46.

【3】Bohrmann G, Torres M E. Gas hydrates in marine sediments. in: Schulz H D, Zabel M. eds. Berlin Heidelberg: Marine Geochemistry. Springer, 2006, 481-512.

【4】Delong E F. Microbiology: resolving a methane mystery. Nature, 2000, 407: 577-579.

【5】Joye S B, Boetius A, Orcutt B N, et

al. The anaerobic oxidation of methane and sulfate reduction in sediments from Gulf of Mexico cold seeps. Chemical Geology, 2004, 205: 219-238

【6】Cordes E E, Bergquist D C, Fisher C R.

Macro-ecology of Gulf of Mexico cold seeps. Annual Review of Marine Science, 2009, 1: 143-168.

【7】Roberts H H, Aharon P. Hydrocarbon-derived carbonate buildups of the northern Gulf of Mexico continental slope: a review of submersible investigations. Geo-Marine Letters, 1994, 14: 135-148.

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