1300米深海發現“冰火兩重天”！科學家在火山底發現神秘通道

熱液+冷氣，生物多樣性超乎想象！
本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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前不久，在巴布亞新幾內亞附近的海底，科學家們發現了一個非常特別的環境——這里同時有熾熱的熱液噴口和低溫的甲烷滲漏，這種奇特的組合在以前的研究中從未見過的。這個獨特的環境，造就了一個生機勃勃的“生命綠洲”，各種海洋生物在這里繁衍生息，包括貽貝、管狀蠕蟲、蝦類，甚至有些色彩鮮艷的紫色海參。更有趣的是，這里的巖石中還留有過去火山活動遺留下來的黃金、白銀和其他金屬的痕跡。許多生物種類可能是科學家們以前未曾發現過的。

海潮天下（Marine Biodiversity）小編拜讀了一篇最新研究，2025年9月19日，來自基爾亥姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR）的科學家們在《科學報告》（Scientific Reports）期刊上發表了他們的一項重大發現：在巴布亞新幾內亞東北部的塔巴爾-利赫爾-坦加-費尼島鏈（Tabar-Lihir-Tanga-Feni，TLTF），科學家們首次發現了深海熱液噴口和碳氫化合物滲漏系統的耦合現象。此次發現是通過德國索納號（RV Sonne）船隊在2023年6月~7月進行的SO299號科研航次完成的。

▲上圖：巴布亞新幾內亞東部和所羅門群島的構造-地貌圖。圖中標注了不同的構造板塊（白色標簽）、活躍的巖漿弧（淺黃色區域）以及海溝和海槽（淺紫色區域）。圖上的數字表示了板塊的相對運動速度（單位為毫米/年），其中黃色方框代表匯聚運動，紅色方框代表離散運動，白色方框則代表轉換運動。圖例中詳細列出了各種地質構造的縮寫，如TLTF代表塔巴爾-利赫爾-坦加-費尼島鏈。圖源：Philipp A. Brandl, Lithosphere 2024

熱液噴口是深海獨特的化能自養生態系統的基礎，而甲烷滲漏則是另一個獨特的生態系統。過去，科學家們通常在不同的位置研究它們。由于缺乏實地觀測數據，科學家們搞不清楚像圓錐海山這種同時具有火山熱源+富含有機質的沉積層的特殊構造，是否會在地質上產生交叉影響，從而形成一種結合了熱液和滲漏特征的混合系統。這種潛在的混合系統會創造出什么樣的極端化學環境和獨一無二的生物群落，這還是一個重大的科學空白。

科尼卡海山（Conical Seamount）是該地區的一個重要地質結構，位于TLTF群島鏈的西側。盡管早期的研究并未報告這里有活躍的熱液噴口，但這次研究，打破了這一認知。研究人員使用遙控潛水器（ROV Kiel 6000）進行高精度的海底采樣與數據收集，然后確認了科尼卡海山西側存在一個特殊的熱液噴口場——卡蘭布塞爾（Karambusel）。這一發現，有兩個顯著特點：一是它同時存在高溫礦化與低溫熱液流體的噴發；二是，這里還伴隨有來自熱解的碳氫化合物氣體和液體的排放。

Karambusel熱液噴口場位于一座年輕的火山體上，這座火山是在大約8.9萬年前形成的。研究表明，火山活動和沉積物的相互作用導致了這一地區的復雜礦化現象。科學家們分析了該區域的熱液流體，發現這些流體溫度最高可達51°C。與其他典型的深海熱液噴口不同，Karambusel還同時釋放出來自沉積物的碳氫化合物流體，證明這一地區的熱液系統除了涉及到火成活動，還跟深海沉積物的熱解過程緊密相關。

此外，科學家還在該地區發現了多種化學共生生物群落。與其他西太平洋的熱液噴口相比，這些生物種類在Karambusel的生物群落中表現出較強的地方性特征。這一發現表明，Karambusel的生態系統可能為某些深海物種提供了獨特的棲息環境，也反映出這個區域的生態條件與其他已知熱液噴口系統存在顯著差異。

從地質和礦化的角度來看，Karambusel的熱液噴口系統具有獨特的礦物成分。這些成分包括富含砷、銻、鉈和汞的硫化物礦物，而這些礦物在其他熱液噴口系統中較為罕見。研究人員推測，Karambusel的礦化現象可能與當地的火成活動密切相關，這為理解不同類型礦床的形成機制提供了新的視角。此外，氣體成分分析顯示，Karambusel的氣體中甲烷的比例較高，表明這些氣體很可能是由熱解作用產生的。

▲上圖：巴布亞新幾內亞塔巴爾-利希爾-坦加-費尼（TLTF）島鏈附近研究區域的海底地形圖（Bathymetric maps）。小地圖標示了利希爾島（Lihir Island）的位置。圖（A）是研究區域的概覽，包括利希爾島的南側和近海火山場，可見圓錐海山（Conical Seamount）周圍的斷層構造。圖（B）和（C）分別詳細展示了愛迪生海山（Edison Seamount）和圓錐海山的地形，并標出了 SO299 科考站位和ROV潛水器的軌跡。圖（D）是本次發現的、具有冷熱混合特征的Karambusel熱液場的近景特寫。所有地圖均使用多艘科考船（如 RV Sonne）采集的深海地形數據繪制。論文出處：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al.(2025)

深海“綠洲”揭示神秘生物與礦化現象

事情還得從兩年前開始說起。

在2023年6月，基爾亥姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR）的科學家們在一次深海探險中發現了位于巴布亞新幾內亞附近的卡蘭布塞爾（Karambusel）熱液噴口區域。此前，科學家們在該區域進行的多次海洋調查并未發現明確的活躍熱液噴口跡象，但通過商業勘探活動，Bismarck Mining Corporation公司和Odyssey Marine Exploration公司在取得勘探許可證后，發現了位于圓錐海山（Conical Seamount）頂端附近的兩個潛在熱液羽流，深度分別為960米和1070米。這些發現促使科學家們在2023年6月15日展開了深入調查，最終在圓錐海山西側的卡蘭布塞爾噴發中心（Karambusel eruptive center）發現了這一全新的熱液噴口區域。

這個新的熱液噴口區域，命名為“卡蘭布塞爾”——當地語言中“mussel”即為“貽貝”，因為這里的貽貝床極為豐富。通過遠程操作潛水器（ROV）進行的勘探，科學家們發現這個噴口區域大約覆蓋了300米×300米的范圍，位于海底深度1315至1460米之間。這個區域的液體排放口溫度最高可達51°C，遠高于周圍海水的2.6°C。在噴口的南部邊緣，流體排放最為集中，且伴隨著明顯的氣泡釋放現象。盡管該區域的噴口未發現典型的硫化物沉積物或類似“煙囪”結構，但液體和氣體的特征仍揭示了這里的獨特地質活動。

在對噴口區域的巖石樣本和液體樣本做了分析之后，研究團隊發現這些巖石屬于較年輕的火山巖，與圓錐海山主峰的巖石有所不同。卡蘭布塞爾噴發中心的巖石樣本表現出不同的礦物組成和化學特征，說明這片區域的火山活動較為年輕，可能發生在大約89,000年前。這些巖石中也顯示出明顯的水合礦物質（如角閃石和白云母），表明該地區的火山巖含有較高的水分，進一步支持了該區域存在較高水活動的假設。

▲上圖：“ROV Kiel 6000”深海遙控潛水器在Karambusel熱液場拍攝的代表性圖像。圖（A）顯示了集中的流體和氣體排放區域。圖（B）則清晰地呈現了冷熱噴口的并置：一個41.9°C的無氣體熱液噴口與一個10.2°C并伴有氣泡的較冷流體噴口緊鄰，值得注意的是，噴口附近并沒有發現動物。圖（C）展示了51°C的微光流體從一個集中噴口排出，噴口周圍聚集著大量的管狀蠕蟲、蝦和螃蟹，稍遠處可見深海貽貝（Bathymodiolus）和有柄藤壺。圖（D）呈現了火山巖上白色微生物墊（Beggiatoa屬）以及分散的管狀蠕蟲（Paraescarpia echinospica種），這些巖石被鐵氧化物礦物染成了褐色。論文出處：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al.(2025)

在卡蘭布塞爾噴口區域，除了液體排放和氣體釋放外，科學家們還發現了多種特殊的生物群落。該地區的海底被厚厚的細菌墊覆蓋，并且有大量貽貝、管狀蠕蟲和蝦類等生物棲息其間。這些生物的存在，尤其是貽貝和管狀蠕蟲的聚集，表明這里的熱液噴口系統可能處于一個相對成熟的生態階段，類似于已知的其他深海熱液系統。研究人員還注意到，一些新物種可能尚未被科學界記錄，這為該區域的生物多樣性研究提供了新的方向。

從礦物沉積的角度看，盡管卡蘭布塞爾區域并未發現常見的高溫熱液礦床（如煙囪結構或礦物堆），但這里的巖石樣本顯示出富含黃金、銀、砷和汞等金屬的礦物成分。這些礦物成分的存在與該地區曾經的高溫礦化過程有關。科學家推測，卡蘭布塞爾區域的礦化歷史可能經歷了多個階段，其中包括一個富含金的多金屬礦化階段，該階段與當前低溫的熱液噴口系統相對獨立。

值得注意的是，卡蘭布塞爾噴口的氣體成分顯示出一個非常特殊的特點——甲烷（CH?）在這些氣體中所占比例遠高于其他已知熱液系統。甲烷的高比例表明，卡蘭布塞爾噴口的氣體成分與天然氣儲層類似，這一發現與其他區域的熱液噴口系統有明顯的區別。此外，卡蘭布塞爾的氣體成分呈現出溫和的熱生源特征，支持了該地區存在熱解有機物的可能性。

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▲上圖：圖A為來自卡蘭布塞爾（Karambusel）噴口的未風化火山巖樣品157_ROV-17的偏光顯微鏡下照片，顯示了該樣品的礦物成分：角閃石（amph）、單斜輝石（cpx）、氧化物（ox）、磷灰石（phlg）和長石（plag）。圖B展示了卡蘭布塞爾噴口巖漿與鄰近的圓錐火山（Conical Seamount）、埃迪森海山（Edison Seamount）和圖巴夫海山（Tubaf Seamount）巖石的地球化學數據，數據呈現于總堿度與二氧化硅圖表中。圖C展示了卡蘭布塞爾巖漿的鉛同位素數據（206Pb/204Pb與207Pb/204Pb的關系圖），并與其他相關區域的數據進行了對比。所有鉛同位素數據來源于本研究及Kamenov等人的工作。NHRL表示北半球參考線（Northern Hemisphere Reference Line）。論文出處：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

卡蘭布塞爾噴口場（Karambusel Vent Field）的發現，標志著對深海熱液系統的理解邁出了重要一步。位于圓錐海山（Conical Seamount）西側的這一系統，是該區域最年輕的熱液噴口，比圓錐海山的主火山要年輕20萬年。科學家們在對該地區巖漿活動的研究之后，發現卡蘭布塞爾與圓錐海山的金礦化作用具有一定聯系，雖然兩者表現出不同的礦化特征，但兩者形成的時間相近。這就表明，它們可能屬于同一火山活動事件的產物。

▲上圖：富含金（Au-rich）的多金屬角礫巖的巖石樣本和反射光顯微圖像。圖（A）顯示了多金屬角礫巖的宏觀特征，其中含有黃鐵礦/白鐵礦（py/mrc）的基性碎屑被包裹在富含硫化物的非晶質硅石（a-Sil）基質中，并被雌黃（orp）疊加。圖（B）是閃鋅礦（sp）、黃銅礦（cpy）和方鉛礦（gn）形成的樹枝狀共生結構。圖（C）則是在顯微鏡下觀察到的，大小約為20微米的自然金銀合金（electrum）顆粒，它與砷銻銅礦-黝銅礦（ttn-ttr）、閃鋅礦、雌黃以及非晶質硅石伴生。論文出處：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

在生物群落方面，卡蘭布塞爾展現出與愛迪生海山（Edison Seamount）和貽貝懸崖（Mussel Cliff）不同的生態結構。該地區以熱液噴口和富甲烷氣體并行排放為特征，這在全球范圍內尚屬罕見。尤其是該地區的甲烷氣體比例高達85%以上，顯示出該系統的獨特性。甲烷的來源被確認主要是熱解有機物質，而非傳統的無機來源，這與該區域的高熱條件緊密相關。

卡蘭布塞爾噴口的礦化作用表現出由高溫到低溫的過渡過程。早期的礦化階段與高溫火山活動相關，而現今的低溫熱液噴發則帶來了富含砷、銻、汞和鉈的礦物沉積。這一礦化模式的轉變，顯示了該地區地質活動的動態性和復雜性。此外，卡蘭布塞爾的氣體排放表現出與熱液流體并行的獨特氣體組成，尤其是甲烷的高比例，這與該地區的有機質降解過程密切相關。

▲上圖：愛迪生海山、貽貝崖、Karambusel熱液場和圓錐海山的地質剖面示意圖，描繪了該區域的火山、熱液噴口和甲烷滲漏系統。論文出處：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

卡蘭布塞爾噴口系統的甲烷高比例與其他已知的熱液系統明顯不同，這一特征的出現與該地區的特殊地質和化學環境密切相關。研究表明，這些甲烷氣體主要源自有機質的熱解，進一步推動了對深海熱液氣體生成機制的研究。此外，卡蘭布塞爾噴口的氣體成分與其他熱液系統相比，顯示出該系統在深海生態和地質過程中獨特的地位和意義。

從地質背景來看，卡蘭布塞爾的礦化作用與圓錐海山相似，顯示出兩者在巖漿活動過程中可能存在的關聯。礦物的高溫階段礦化與低溫階段礦化之間的轉變，可能與巖漿活動和熱液循環的相互作用有關。兩地礦化的鉛同位素組成和放射性年代學數據表明，它們可能在同一火山活動事件中形成，這為理解深海熱液噴口系統的形成提供了新的視角。

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▲上圖：這張圖片展示了Karambusel熱液場、貽貝崖（Mussel Cliff）和愛迪生海山（Edison Seamount）的化能共生動物群落。圖（A）至（D）是 Karambusel 熱液場，可見（A）29°C 暖噴口周圍密集分布的管狀蠕蟲（syboglinids）、貽貝（Bathymodiolus）和蟹類（Shinkaia）；（B）顯示了蟹類、蝦類、貽貝和腹足類動物（Phymorhynchus和Paralepetopsis）的混合群落；（C）在火山巖上的微生物墊中，有彎曲的管狀蠕蟲（Lamellibrachia）和笠螺（Paralepetopsis）；（D）沉積物上的微生物墊周圍有腹足類動物（Desbruyeresia）。圖（E）和（F）是貽貝崖，主要為碳酸鹽結殼上密集的貽貝群落，伴有鎧甲蝦（Munidopsis）和管狀蠕蟲（Paraescarpia）等。圖（G）和（H）是愛迪生海山，其中（G）顯示了火山碎屑基質上密集的船蛆蛤（Calyptogena）群落，伴有蝦類、鎧甲蝦和有柄藤壺；（H）則特寫了被蝦類占據的“蟲毯”。論文出處：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

基爾亥姆霍茲海洋研究中心的海洋地質學家菲利普·布蘭德爾（Dr. Philipp Brandl）博士表示：“我們基本上擁有一個沸騰的熱液噴口緊挨著一個低溫的氣體滲漏區，這種組合，以前還從未被描述過。” 他是2023年那個科考探險隊的首席科學家，該探險旨在調查塔巴爾-利希爾-坦加-費尼（Tabar-Lihir-Tanga-Feni）島鏈的水下火山（海山）。盡管早期的任務曾暗示過有限的熱液活動，但這個特殊的區域卻在幾次先前的考察中未被發現。直到團隊部署了“ROV Kiel 6000”號深海遙控潛水器后，該地點的奇特特征才得以清晰展現。“這是一個真正的驚喜，”布蘭德爾博士說，“特別是對于我們這些曾多次在該地區工作的人來說。”

隨著對卡蘭布塞爾噴口及其周邊區域的深入研究，特別是在生態學、礦物學和氣體成分方面，預計將為科學界提供更多的洞察。這一獨特的深海環境不僅為礦物化作用和生態演化的研究提供了寶貴的資料，也為深入了解深海生態系統與礦產資源形成的關系提供了新的研究平臺。未來的研究將更加關注該地區獨特的生態環境和礦物資源的開發潛力，尤其是在資源開采和生態保護之間尋求平衡。

【參考資料】
感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. Coupled hydrothermal venting and hydrocarbon seepage discovered at Conical Seamount, Papua New Guinea. Sci Rep 15, 32389 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17192-x
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251125081928.htm
https://www.nature.com/articles/s41598-025-17192-x#citeas
https://osdp-psdo.canada.ca/dp/en/search/metadata/NRCAN-GEOSCAN-1-207611
https://pubs.geoscienceworld.org/gsw/lithosphere/article/2024/4/lithosphere_2024_145/650105/A-New-Geological-Map-of-the-Marginal-Basins-of

思考題·拓展思維

Q1、卡蘭布塞爾熱泉區的化學成分與礦化過程之間的關系，如何反映了深海火山系統的物質循環模式？因為這個文章提出卡蘭布塞爾的低溫礦化現象與硫化物成分和元素富集的變化，尤其是As、Sb、Hg、Tl等元素的高濃度。考慮到深海火山的地質背景與流體化學演化，是否可以通過這些元素的分布模式，重構出深海火山活動后期的物質循環過程？這種“多階段”的礦化模式，如何影響人類對全球深海熱液礦區熱流體演化和元素富集規律的理解？

Q2、當前的一些深海熱液礦床勘探方法，能否有效識別與火山活動相伴的“復合型”礦化系統？上面提到，卡蘭布塞爾系統顯示出熱液+油氣共排放的獨特現象，這與常見的單一礦化系統有顯著不同。現有的深海礦床勘探技術主要還是側重于單一礦化階段、或單一流體成分的勘探，那么，如何改進勘探策略，以便在火山-熱液相互作用的復雜系統中有效識別并區分不同的礦化階段和流體類型？特別是，如何識別類似卡蘭布塞爾那種的同時涉及熱液和油氣分布的礦床特征？

Q3、這個研究里面提到說，卡蘭布塞爾和鄰近的圓錐海山（Conical Seamount）存在明顯的生物群落差異，且該地區的物種輻射有很強的地方性。那么，對這些海底熱泉群落的長期演化研究，能否揭示出海底火山活動在不同時間尺度上如何影響化學共生物種的輻射和適應性進化？這種火山驅動的生物進化模式，如何與全球范圍內的深海生物多樣性和物種分布規律相互關聯呢？

Q4、有趣的是，是礦業公司首先發現了潛在的熱液羽流，這才“促使”了科學家們去驗證、并出乎意料地，發現了全新的生態系統。其實蠻好玩的。不過這引出了一個核心矛盾：如果科學發現（例如對Karambusel巨大生物多樣性和貴金屬沉積的確認）反過來加速了該地區的商業采礦計劃，那么，科學家在共享數據時，其保護的意圖是否會被勘探的利益所吞噬？你覺得，該如何建立機制，確保科研成果優先服務于生態保護，而不是商業開發？

Q5、如上所講，Karambusel的價值在于其“冷熱噴口并置”的獨特性，這創造了全球獨一無二的棲息地。既然地質的特殊性直接導致了生態的稀有性，那么在《聯合國海洋法公約》或《生物多樣性公約》或是BBNJ等國際法的框架下，這種地質-生物混合的稀有系統，是否應被賦予超越普通熱液區或滲漏區的最高等級保護地位呢？國際社會應如何衡量和界定這種“獨一無二”的深海棲息地？要不要把它劃定不可觸碰的“紅線”呢，你怎么看？

Q6、深海采礦（Deep-Sea Mining, DSM）主要針對三種類型的礦床：多金屬結核（最常講的）、富鈷鐵錳結殼、海底熱液硫化物。如果未來要開采Karambusel，就屬于海底熱液硫化物這類深海采礦。

海潮天下（Marine Biodiversity）小編查閱資料發現，PNG是世界上最早頒發深海采礦勘探許可證的國家之一。自1989年就已經頒發了深海采礦許可證，并且在其經濟發展中，海底礦產資源（如金、銅、銀等）的潛力一直受到高度關注和重視的。這個國家坐擁陸地巨型金礦（如此前利希爾島的Ladolam礦的成功開發），因此小編估計，對相似的海底金、銅、銀資源，估計也具有強烈的開發興趣。這次Karambusel發現的富含貴金屬的證據（金、銀痕跡），恐怕會極大增強政府對該地區資源的經濟期待？

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資訊源 | Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al.(2025)

編譯 | 王海詩

編輯 | 海潮君

日期 | 2025年11月26日

#深海

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