Гидротермальный источник

редактировать

Гидротермальных является Трещиной на дне моря, из которого геотермальных нагретой воды разряды. Гидротермальные источники обычно встречаются вблизи вулканически активных мест, областей, где тектонические плиты расходятся в центрах спрединга, океанских бассейнах и горячих точках. Гидротермальные месторождения - это горные породы и месторождения минеральных руд, образованные под действием гидротермальных источников.

Гидротермальные источники существуют потому, что Земля одновременно геологически активна и имеет большое количество воды на своей поверхности и в ее коре. Под водой гидротермальные источники могут образовывать черты, называемые черными курильщиками или белыми курильщиками. По сравнению с большей частью морских глубин, районы вокруг подводных гидротермальных жерл более продуктивны с биологической точки зрения, часто в них находятся сложные сообщества, подпитываемые химическими веществами, растворенными в жерловых жидкостях. Хемосинтезирующие бактерии и археи образуют основу пищевой цепи, поддерживая различные организмы, включая гигантских трубчатых червей, моллюсков, блюдец и креветок. Активные гидротермальные жерла, как полагают, существуют на Jupiter «s луны Европа, и Сатурн » s луна Энцелад, и он предположил, что древние гидротермальные жерла когда - то существовала на Марсе.

СОДЕРЖАНИЕ
  • 1 Физические свойства
  • 2 черные курильщики и белые курильщики
  • 3 Биология гидротермальных источников
    • 3.1 Биологические сообщества
    • 3.2 Симбиоз животных и бактерий
    • 3.3 Теория гидротермального происхождения жизни
    • 3.4 Глубокая горячая биосфера
  • 4 Открытия и исследования
  • 5 Распределение
  • 6 Эксплуатация
  • 7 Сохранение
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Дальнейшее чтение
  • 11 Внешние ссылки
Физические свойства
На этой фазовой диаграмме зеленая пунктирная линия показывает аномальное поведение воды. Пунктирная зеленая линия отмечает точку плавления, а синяя линия - точку кипения, показывая, как они меняются в зависимости от давления; сплошная зеленая линия показывает типичное поведение температуры плавления для других веществ.

Гидротермальные жерла в глубоком океане обычно образуются вдоль срединно-океанических хребтов, таких как Восточно-Тихоокеанское поднятие и Срединно-Атлантический хребет. Это места, где две тектонические плиты расходятся и образуется новая кора.

Вода, которая выходит из гидротермальных жерл на морском дне, состоит в основном из морской воды, втянутой в гидротермальную систему вблизи вулканической постройки через разломы и пористые осадки или вулканические толщи, а также немного магматической воды, высвобождаемой восходящей магмой. В наземных гидротермальных системах большая часть воды, циркулирующей в системах фумарол и гейзеров, представляет собой метеорную воду плюс грунтовые воды, которые просочились в термальную систему с поверхности, но также обычно содержат некоторую часть метаморфической воды, магматической воды и осадочных пород. формационный рассол, выделяемый магмой. Доля каждого из них варьируется от места к месту.

В отличие от температуры окружающей среды около 2 ° C (36 ° F) на этих глубинах, вода выходит из этих отверстий в диапазоне температур от 60 ° C (140 ° F) до 464 ° C (867 ° F).. Из-за высокого гидростатического давления на этих глубинах вода может существовать либо в жидкой форме, либо в виде сверхкритической жидкости при таких температурах. Критическая точка из (чистой) воды составляет 375 ° С (707 ° F), при давлении 218  атм.

Результаты экспериментов на границе пар-жидкость в критической области от 380 до 415 ° C.

Однако введение солености в жидкость поднимает критическую точку до более высоких температур и давлений. Критическая точка морской воды (3,2 мас.% NaCl) составляет 407 ° C (765 ° F) и 298,5 бар, что соответствует глубине ~ 2960 м (9710 футов) ниже уровня моря. Соответственно, если гидротермальный флюид соленостью 3,2 мас. % NaCl выходит при температуре выше 407 ° C (765 ° F) и давлении 298,5 бар, это сверхкритическое состояние. Кроме того, было показано, что соленость газовых флюидов широко варьируется из-за разделения фаз в коре. Критическая точка для жидкостей с более низкой соленостью находится в условиях более низкой температуры и давления, чем для морской воды, но выше, чем для чистой воды. Например, вентилирующая жидкость с содержанием 2,24 мас. % Солености NaCl имеет критическую точку при 400 ° C (752 ° F) и давлении 280,5 бар. Таким образом, вода, выходящая из самых горячих частей некоторых гидротермальных источников, может быть сверхкритическим флюидом, обладающим физическими свойствами между свойствами газа и жидкости.

Примеры сверхкритической вентиляции можно найти на нескольких объектах. Пик Систер (Гидротермальное месторождение Комфортлесс Коув, 4 ° 48′s 12 ° 22′W / 4.800°S 12.367°W / -4.800; -12.367, глубина 2,996 м или 9829 футов) выделяет газообразные флюиды с низкой соленостью, разделенные фазами. Было обнаружено, что длительная вентиляция не является сверхкритической, но кратковременная закачка при 464 ° C (867 ° F) была значительно выше сверхкритических условий. На соседнем участке, Turtle Pits, был обнаружен выход жидкости с низкой соленостью при температуре 407 ° C (765 ° F), что выше критической точки жидкости при такой солености. На Каймановом желобе по имени Биби, который является самым глубоким из известных гидротермальных участков на высоте ~ 5000 м (16000 футов) ниже уровня моря, наблюдается устойчивый сверхкритический выброс при температуре 401 ° C (754 ° F) и 2,3% по весу NaCl.

Хотя на нескольких участках наблюдались сверхкритические условия, еще не известно, какое значение имеет сверхкритическое вентилирование с точки зрения гидротермальной циркуляции, образования залежей полезных ископаемых, геохимических потоков или биологической активности, если таковое имеется.

Начальные этапы создания вытяжной трубы начинаются с отложения минерального ангидрита. Сульфиды из меди, железа и цинка затем осаждаются в промежутках дымохода, что делает его менее пористым в течение времени. Было зарегистрировано образование вентиляционных отверстий порядка 30 см (1 фут) в день. Исследование глубоководных жерл у побережья Фиджи в апреле 2007 г. показало, что эти жерла являются значительным источником растворенного железа (см. Цикл железа ).

Черные курильщики и белые курильщики
Диаграмма биогеохимического цикла глубоководных источников Звукозапись черного курильщика

Некоторые гидротермальные источники образуют примерно цилиндрические дымоходные конструкции. Они образуются из минералов, растворенных в вентиляционной жидкости. Когда перегретая вода контактирует с почти замерзающей морской водой, минералы выпадают в осадок с образованием частиц, которые увеличивают высоту стопок. Некоторые из этих дымоходных конструкций могут достигать высоты 60 м. Примером такого возвышающегося вентиляционного отверстия была «Годзилла», сооружение на глубоководном дне Тихого океана недалеко от Орегона, которое поднялось на 40 м до того, как упало в 1996 году.

Черные курильщики были впервые обнаружены в 1979 году на Восточно-Тихоокеанском поднятии на 21 ° северной широты.

Черный курильщик или глубокое море вентиляционное представляет собой тип гидротермальных жерл находится на морской день, как правило, в батиали (с самым большой частотой в глубинах от 2500 м до 3000 м), но и в меньших глубинах, а также глубже в абиссали. Они выглядят как черные, похожие на дымоход структуры, излучающие облако черного материала. Черные курильщики обычно выделяют частицы с высоким содержанием серосодержащих минералов или сульфидов. Черные курильщики образуются на полях шириной в сотни метров, когда перегретая вода из-под земной коры проходит через дно океана (вода может достигать температуры выше 400 ° C). Эта вода богата растворенными минералами корки, в первую очередь сульфидами. Когда он вступает в контакт с холодной океанской водой, многие минералы выпадают в осадок, образуя черную, похожую на дымоход структуру вокруг каждого вентиляционного отверстия. Осажденные сульфиды металлов могут со временем превратиться в массивные месторождения сульфидной руды. Некоторые черные курильщики на части Азорских от середины Атлантического хребта чрезвычайно богаты металлическим содержанием, такие как радуги с 24.000 мкМ концентраций железа.

Черные курильщики были впервые обнаружены в 1979 году на Восточно-Тихоокеанском поднятии учеными из океанографического института Скриппса во время проекта RISE. Они наблюдали с использованием глубокого погружения транспортного средством Элвина от Вудсхолского океанографического института. Теперь известно, что черные курильщики существуют в Атлантическом и Тихом океанах на средней глубине 2100 метров. Самые северные черные курильщики - это группа из пяти человек под названием Замок Локи, обнаруженная в 2008 году учеными из Бергенского университета на 73 ° с.ш., на Срединно-Атлантическом хребте между Гренландией и Норвегией. Эти черные курильщики представляют интерес, поскольку они находятся в более стабильной области земной коры, где тектонические силы меньше, и, следовательно, поля гидротермальных жерл менее распространены. Самые известные в мире черные курильщики живут в Каймановом желобе, на высоте 5000 м (3,1 мили) ниже поверхности океана.

Белые вентиляционные отверстия курильщика выделяют более светлые минералы, например, содержащие барий, кальций и кремний. Эти вентиляционные отверстия также имеют более низкотемпературные шлейфы, вероятно, потому, что они обычно удалены от источника тепла.

Черные и белые курильщики могут сосуществовать в одном и том же гидротермальном поле, но обычно они представляют собой проксимальные (близкие) и дальние (дальние) выходы по отношению к основной зоне восходящего потока, соответственно. Тем не менее, белые курильщики в основном соответствуют стадиям угасания таких гидротермальных полей, поскольку источники магматического тепла становятся все более удаленными от источника (из-за кристаллизации магмы), а в гидротермальных флюидах преобладает морская вода, а не магматическая вода. Минерализующие флюиды из этого типа источников богаты кальцием и образуют преимущественно сульфатные (например, барит и ангидрит) и карбонатные отложения.

Биология гидротермальных источников

Традиционно считалось, что жизнь управляется солнечной энергией, но глубоководные организмы не имеют доступа к солнечному свету, поэтому биологические сообщества вокруг гидротермальных источников должны зависеть от питательных веществ, содержащихся в пыльных химических отложениях и гидротермальных жидкостях, в которых они живут. Ранее бентосные океанографы предполагали, что жерловые организмы зависят от морского снега, как и глубоководные организмы. Это сделало бы их зависимыми от растений и, следовательно, от солнца. Некоторые организмы гидротермальных источников действительно потребляют этот «дождь», но только с такой системой жизненные формы были бы редкими. Однако по сравнению с окружающим морским дном в зонах гидротермальных жерл плотность организмов в 10 000–100 000 раз больше.

Гидротермальные источники признаны типом экосистем, основанных на хемосинтезе (CBE), где первичная продуктивность подпитывается химическими соединениями в качестве источников энергии вместо света ( хемоавтотрофия ). Сообщества гидротермальных жерл способны поддерживать такое огромное количество жизни, потому что жерловые организмы зависят от хемосинтезирующих бактерий в качестве пищи. Вода из гидротермального источника богата растворенными минералами и поддерживает большую популяцию хемоавтотрофных бактерий. Эти бактерии используют соединения серы, особенно сероводород, химическое вещество, очень токсичное для большинства известных организмов, для производства органического материала в процессе хемосинтеза.

Биологические сообщества

Основные статьи: Глубоководные сообщества, Ранние известные формы жизни, Гейзер § Биология гейзеров, Горячий источник § Биота горячих источников и Сообщества микробов гидротермальных жерл. Дополнительная информация: гипертермофил и термофил

Сформированная таким образом экосистема зависит от продолжающегося существования гидротермального жерла в качестве основного источника энергии, что отличается от большинства поверхностных форм жизни на Земле, основанных на солнечной энергии. Однако, хотя часто говорят, что эти сообщества существуют независимо от солнца, некоторые организмы фактически зависят от кислорода, производимого фотосинтезирующими организмами, в то время как другие являются анаэробными.

Густая фауна ( KIWA anomurans и Vulcanolepas -как прошествовал барнакли) рядом с Ист - Scotia хребет жерла Гигантские трубчатые черви ( Riftia pachyptila) собираются вокруг вентиляционных отверстий Галапагосского разлома.

Хемосинтезирующие бактерии вырастают в толстый слой, который привлекает другие организмы, такие как амфиподы и веслоногие рачки, которые непосредственно питаются бактериями. Более крупные организмы, такие как улитки, креветки, крабы, трубчатые черви, рыба (особенно бельдюг, головорез, змеевидные и Symphurus thermophilus ) и осьминоги (особенно Vulcanoctopus hydrothermalis ), образуют пищевую цепочку отношений хищника и жертвы над основными потребителями. Основными семействами организмов, обитающих вокруг выходных отверстий на морском дне, являются кольчатые червяки, погонофоры, брюхоногие моллюски и ракообразные, а также крупные двустворчатые моллюски, вестиментиферские черви и «безглазые» креветки, составляющие основную часть немикробных организмов.

Трубчатые черви Siboglinid, которые могут достигать более 2 м (6,6 футов) в высоту у самых крупных видов, часто составляют важную часть сообщества вокруг гидротермального источника. У них нет рта или пищеварительного тракта, и они, как паразитические черви, поглощают питательные вещества, вырабатываемые бактериями в их тканях. Около 285 миллиардов бактерий обнаруживается на унцию ткани трубчатого червя. У трубочников есть красные шлейфы, содержащие гемоглобин. Гемоглобин соединяется с сероводородом и передает его бактериям, живущим внутри червя. В свою очередь, бактерии питают червя углеродными соединениями. Два вида, населяющие гидротермальный источник, - это Tevnia jerichonana и Riftia pachyptila. Одно обнаруженное сообщество, получившее название « Город угрей», состоит преимущественно из угря Dysommina rugosa. Хотя угри не редкость, в гидротермальных жерлах обычно преобладают беспозвоночные. Город Угорь расположен недалеко от вулканического конуса Нафануа, Американское Самоа.

В 1993 г. было известно уже более 100 видов брюхоногих моллюсков, обитающих в гидротермальных жерлах. В гидротермальных жерлах было обнаружено более 300 новых видов, многие из которых являются «родственными видами» другим видам, обнаруженным в географически разделенных жерлах. Было высказано предположение, что до того, как Северо-Американская плита перекрыла срединно-океанический хребет, в восточной части Тихого океана был обнаружен единственный биогеографический жерл. Последующий барьер для путешествий положил начало эволюционному расхождению видов в разных местах. Примеры конвергентной эволюции, наблюдаемые между отдельными гидротермальными жерлами, рассматриваются как основная поддержка теории естественного отбора и эволюции в целом.

Хотя жизнь на этих глубинах очень редка, черные курильщики являются центром целых экосистем. Солнечного света не существует, поэтому многие организмы, такие как археи и экстремофилы, превращают тепло, метан и соединения серы, выделяемые черными курильщиками, в энергию посредством процесса, называемого хемосинтезом. Этими организмами питаются более сложные формы жизни, такие как моллюски и трубчатые черви. Организмы, лежащие в основе пищевой цепочки, также откладывают минералы в основе черного курильщика, тем самым завершая жизненный цикл.

Был обнаружен вид фототрофной бактерии, обитающей рядом с черным курильщиком у побережья Мексики на глубине 2 500 м (8 200 футов). Никакой солнечный свет не проникает так далеко в воду. Вместо этого бактерии, принадлежащие к семейству Chlorobiaceae, используют слабое свечение черного курильщика для фотосинтеза. Это первый обнаруженный в природе организм, который для фотосинтеза использует исключительно свет, кроме солнечного.

В окрестностях черных курильщиков постоянно обнаруживаются новые и необычные виды. Помпеи червь Alvinella pompejana, который способен выдерживать температуры до 80 ° C (176 ° F), был найден в 1980 - х годах, а чешуйчатые футы брюхоногих Chrysomallon squamiferum в 2001 году во время экспедиции к Индийскому океану Kairei гидротермической «ы вентиляционное поле. Последний использует сульфиды железа ( пирит и грейгит) для структуры своих дермальных склеритов (затвердевших частей тела) вместо карбоната кальция. Считается, что экстремальное давление 2500 м воды (примерно 25  мегапаскалей или 250  атмосфер ) играет роль в стабилизации сульфида железа для биологических целей. Эта броня, вероятно, служит защитой от ядовитой радулы (зубов) хищных улиток в этом сообществе.

В марте 2017 года исследователи сообщили о доказательствах существования, возможно, древнейших форм жизни на Земле. Предполагаемые окаменелые микроорганизмы были обнаружены в осадках гидротермальных источников в поясе Нуввуагиттук в Квебеке, Канада, которые, возможно, жили уже 4,280 миллиарда лет назад, вскоре после образования океанов 4,4 миллиарда лет назад и вскоре после образования Земли. 4,54 миллиарда лет назад.

Симбиоз животных и бактерий

Экосистемы гидротермальных жерл обладают огромной биомассой и продуктивностью, но это основано на симбиотических отношениях, которые сложились в жерлах. Экосистемы глубоководных гидротермальных источников отличаются от своих мелководных и наземных гидротермальных аналогов из-за симбиоза, который происходит между макробеспозвоночными-хозяевами и хемоавтотрофными микробными симбионтами в первых. Поскольку солнечный свет не достигает глубоководных гидротермальных источников, организмы в глубоководных гидротермальных источниках не могут получать энергию от солнца для фотосинтеза. Вместо этого микробная жизнь, обнаруженная в гидротермальных источниках, является хемосинтетической; они фиксируют углерод, используя энергию химических веществ, таких как сульфид, в отличие от солнечной энергии. Другими словами, симбионт превращает неорганические молекулы (H 2 S, CO 2, O) в органические молекулы, которые хозяин затем использует в качестве пищи. Однако сульфид является чрезвычайно токсичным веществом для большинства живых организмов на Земле. По этой причине ученые были поражены, когда в 1977 году они впервые обнаружили гидротермальные жерла, изобилующие жизнью. Что было обнаружено, так это вездесущий симбиоз хемоавтотрофов, живущих (эндосимбиоз) в жабрах жаберных зверей; причина, по которой многоклеточная жизнь способна пережить токсичность вентиляционных систем. Поэтому в настоящее время ученые изучают, как микробные симбионты помогают детоксикации сульфидов (что позволяет хозяину выжить в других токсичных условиях). Работа над функцией микробиома показывает, что микробиомы, связанные с хозяином, также важны для развития хозяина, питания, защиты от хищников и детоксикации. В свою очередь, хозяин обеспечивает симбионт химическими веществами, необходимыми для хемосинтеза, такими как углерод, сульфид и кислород.

На ранних этапах изучения жизни в гидротермальных источниках существовали разные теории относительно механизмов, с помощью которых многоклеточные организмы могли получать питательные вещества из этих сред, и того, как они выживали в таких экстремальных условиях. В 1977 году была выдвинута гипотеза, что хемоавтотрофные бактерии в гидротермальных источниках могут вносить свой вклад в рацион двустворчатых моллюсков, питающихся суспензией.

Наконец, в 1981 году стало понятно, что получение питания гигантскими трубчатыми червями произошло в результате химиоавтотрофных бактериальных эндосимбионтов. Поскольку ученые продолжали изучать жизнь в гидротермальных источниках, стало понятно, что симбиотические отношения между хемоавтотрофами и видами беспозвоночных макрофауны были повсеместными. Например, в 1983 г. было подтверждено, что ткань жабр моллюсков содержит бактериальных эндосимбионтов; в 1984 г. было обнаружено, что в жерловых батимодиолидных мидиях и везикомиидных моллюсках также были эндосимбионты.

Однако механизмы, с помощью которых организмы приобретают своих симбионтов, различаются, как и метаболические взаимоотношения. Например, у трубчатых червей нет рта и кишечника, но у них есть «трофосома», в которой они занимаются питанием и находятся их эндосимбионты. У них также есть ярко-красный шлейф, который они используют для поглощения таких соединений, как O, H 2 S и CO 2, которые питают эндосимбионтов в их трофосомах. Примечательно, что гемоглобин трубчатых червей (который, кстати, является причиной ярко-красного цвета шлейфа) способен переносить кислород без помех или ингибирования со стороны сульфидов, несмотря на то, что кислород и сульфид обычно очень реактивны. В 2005 году было обнаружено, что это возможно из-за ионов цинка, которые связывают сероводород в гемоглобине трубчатых червей, тем самым предотвращая реакцию сульфида с кислородом. Это также уменьшает воздействие сульфида на ткань трубчатых червей и обеспечивает бактерии сульфидом для выполнения химиоавтотрофии. Также было обнаружено, что трубочные черви могут метаболизировать CO 2 двумя разными способами и могут чередовать эти два способа по мере необходимости при изменении условий окружающей среды.

В 1988 году исследование подтвердило наличие тиотрофных (сульфидоокисляющих) бактерий в большом моллюске Alvinochonca hessleri. Чтобы избежать токсичности сульфида, мидии сначала преобразуют его в тиосульфат, а затем передают симбионтам. В случае подвижных организмов, таких как альвинокаридные креветки, они должны отслеживать кислородную (богатую кислородом) / бескислородную (бедную кислородом) среду, поскольку они колеблются в окружающей среде.

Организмы, живущие на краю гидротермальных жерл, такие как гребешки пектинид, также несут эндосимбионтов в своих жабрах, и в результате их бактериальная плотность мала по сравнению с организмами, живущими ближе к жерлам. Однако зависимость гребешка от микробного эндосимбионта для получения питания также уменьшается.

Более того, не у всех животных-хозяев есть эндосимбионты; у некоторых есть эписимбионты - симбионты, живущие на животном, а не внутри него. Креветки, обнаруженные в жерлах Срединно-Атлантического хребта, когда-то считались исключением из необходимости симбиоза для выживания макробеспозвоночных в жерлах. Ситуация изменилась в 1988 году, когда было обнаружено, что они несут эписимбионтов. С тех пор было обнаружено, что другие организмы в жерлах также являются носителями эписимбионтов, например, Lepetodrilis fucensis.

Кроме того, в то время как некоторые симбионты восстанавливают соединения серы, другие известны как «метанотрофы» и восстанавливают соединения углерода, а именно метан. Батмодиолидные мидии являются примером хозяина, который содержит метанотрофных эндосимбионтов; однако последние чаще встречаются в холодных выходах, а не в гидротермальных жерлах.

Хотя хемосинтез, происходящий в глубинах океана, позволяет организмам жить без солнечного света в прямом смысле этого слова, технически они по-прежнему полагаются на солнце для выживания, поскольку кислород в океане является побочным продуктом фотосинтеза. Однако, если солнце внезапно исчезнет и фотосинтез перестанет происходить на нашей планете, жизнь в глубоководных гидротермальных источниках может продолжаться тысячелетия (до тех пор, пока не истощится кислород).

Теория гидротермального происхождения жизни

Основная статья: Абиогенез § Глубоководные гидротермальные жерла Смотрите также: Серный цикл

Химическая и термическая динамика в гидротермальных источниках делает такую ​​среду термодинамически очень подходящей для протекания процессов химической эволюции. Следовательно, поток тепловой энергии является постоянным фактором и, как предполагается, внес свой вклад в эволюцию планеты, включая пребиотическую химию.

Гантер Уотершозер предложил теорию мировой железосерной и предположил, что жизнь могла бы возникла в гидротермальных источниках. Вехтерсхойзер предположил, что ранняя форма метаболизма предшествовала генетике. Под метаболизмом он имел в виду цикл химических реакций, высвобождающих энергию в форме, которая может быть использована другими процессами.

Было высказано предположение, что синтез аминокислот мог происходить глубоко в земной коре и что эти аминокислоты впоследствии были выброшены вместе с гидротермальными жидкостями в более прохладные воды, где более низкие температуры и присутствие глинистых минералов способствовали образованию пептидов и протоклетки. Это привлекательная гипотеза из-за обилия CH 4 ( метана ) и NH 3 ( аммиака ), присутствующих в областях гидротермальных источников, условия, которое не было обеспечено примитивной атмосферой Земли. Основным ограничением этой гипотезы является отсутствие стабильности органических молекул при высоких температурах, но некоторые предполагают, что жизнь возникла за пределами зон самых высоких температур. Существует множество видов экстремофилов и других организмов, которые в настоящее время живут непосредственно вокруг глубоководных жерл, что позволяет предположить, что это действительно возможный сценарий.

Экспериментальные исследования и компьютерное моделирование показывают, что поверхности минеральных частиц внутри гидротермальных источников обладают каталитическими свойствами, аналогичными ферментам, и способны создавать простые органические молекулы, такие как метанол (CH 3 OH) и муравьиная кислота (HCO 2 H), из растворенный CO 2 в воде.

Считается, что щелочные гидротермальные источники (белые курильщики) могут быть более подходящими для зарождающейся жизни, чем черные курильщики из-за их условий pH.

Глубокая горячая биосфера

В начале своего 1992 бумага The Deep Hot биосфера, Томас Голд называют океанское жерло в поддержке своей теории, что нижние уровни земли богаты живой биологический материал, который находит свой путь к поверхности. Далее он расширил свои идеи в книге «Глубокая горячая биосфера».

В статье об абиогенной добыче углеводородов в февральском выпуске журнала Science за 2008 год использовались данные экспериментов на гидротермальном поле Лост-Сити, чтобы сообщить, как абиотический синтез низкомолекулярных углеводородов из мантийного углекислого газа может происходить в присутствии ультраосновных пород, воды. и умеренное количество тепла.

Открытие и исследование
См. Также: Месторождение вулканогенных массивных сульфидных руд. Разрез типичного месторождения вулканогенных массивных сульфидных руд (VMS), как видно в осадочных записях.

В 1949 году глубоководная съемка показала аномально горячие рассолы в центральной части Красного моря. Более поздняя работа в 1960-х годах подтвердила наличие горячих, 60 ° C (140 ° F) соленых рассолов и связанных с ними металлосодержащих илов. Горячие растворы исходили из активного подпольного разлома. Сильно солёный характер воды не благоприятствовал живым организмам. Рассолы и связанные с ними буровые растворы в настоящее время исследуются как источник полезных для добычи драгоценных и цветных металлов.

В июне 1976 года ученые из Океанографического института Скриппса получили первые свидетельства наличия подводных гидротермальных жерл вдоль Галапагосского разлома, отрога Восточно-Тихоокеанского поднятия, во время экспедиции Pleiades II, используя систему построения изображений морского дна Deep-Tow. В 1977 г. первые научные статьи о гидротермальных жерлах были опубликованы учеными из Института океанографии Скриппса ; Ученый-исследователь Питер Лонсдейл опубликовал фотографии, сделанные с помощью буксируемых камер, а аспирант Кэтлин Крейн опубликовала карты и данные о температурных аномалиях. Транспондеры были развернуты на участке, который получил прозвище «Моллюск», чтобы в следующем году экспедиция могла вернуться для прямых наблюдений с помощью DSV Alvin.

Хемосинтетические экосистемы, окружающие подводные гидротермальные жерла Галапагосского рифта, были впервые обнаружены непосредственно в 1977 году, когда группа морских геологов, финансируемая Национальным научным фондом, вернулась на участки Клэмбэйк. Главным исследователем подводных исследований был Джек Корлисс из Университета штата Орегон. Корлисс и Тьерд ван Андел из Стэнфордского университета наблюдали и отобрали образцы жерл и их экосистемы 17 февраля 1977 года во время погружения на исследовательском подводном аппарате DSV Alvin, управляемом Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). Среди других ученых, участвовавших в исследовательском круизе, были Ричард (Дик) фон Герцен и Роберт Баллард из WHOI, Джек Даймонд и Луи Гордон из Университета штата Орегон, Джон Эдмонд и Таня Атвотер из Массачусетского технологического института, Дэйв Уильямс из Геологической службы США и Кэтлин Крейн из Института океанографии Скриппса. Эта команда опубликовала свои наблюдения за жерлами, организмами и составом выходных жидкостей в журнале Science. В 1979 году группа биологов под руководством Дж. Фредерика Грассла, работавшего в то время в WHOI, вернулась в то же место, чтобы исследовать биологические сообщества, обнаруженные двумя годами ранее.

Высокотемпературные гидротермальные источники, «черные курильщики», были обнаружены весной 1979 года командой из Института океанографии Скриппса с помощью подводного аппарата « Элвин». RISE Экспедиция исследовала Восточно - Тихоокеанское поднятие на 21 ° N с целями тестирования геофизического картирования морского дна с Элвин и найти другое гидротермальное поле за пределами отверстия Галапагосского Рифта. Экспедицию возглавили Фред Списс и Кен Макдональд, в нее вошли участники из США, Мексики и Франции. Район для дайвинга был выбран на основании открытия холмов сульфидных минералов на морском дне французской экспедицией CYAMEX в 1978 году. Перед погружением член экспедиции Роберт Баллард обнаружил аномалии температуры воды у дна с помощью глубоко буксируемого комплекта инструментов. Первое погружение было нацелено на одну из этих аномалий. В пасхальное воскресенье 15 апреля 1979 года во время погружения Элвина на высоту 2600 метров Роджер Ларсон и Брюс Луендык обнаружили гидротермальное жерловое поле с биологическим сообществом, похожим на галапагосские жерла. Во время последующего погружения 21 апреля Уильям Нормарк и Тьерри Жюто обнаружили высокотемпературные вентиляционные отверстия, излучающие струи черных минеральных частиц из дымоходов; черные курильщики. После этого Макдональд и Джим Эйкен установили датчик температуры для Элвина, чтобы измерить температуру воды в отверстиях для черных курильщиков. Здесь наблюдались самые высокие температуры, зарегистрированные тогда в глубоководных гидротермальных жерлах (380 ± 30 ° C). Анализ материала черных курильщиков и дымовых труб, из которых они питались, показал, что осадки сульфида железа являются обычными минералами в «дыме» и стенках дымовых труб.

В 2005 году Нептун Resources NL, минеральное геологоразведочная компания, подал заявку и получил 35000 км 2 прав разведки над Кермадек д'Арк в Новой Зеландии «s исключительной экономической зоне на разведку морского дна колчеданных месторождений, потенциальный новый источник свинца - цинк - медь сульфиды, образованные из современных гидротермальных полей вентиляционных. Об открытии жерла в Тихом океане у побережья Коста-Рики, получившего название гидротермального жерла Медузы (в честь змееволосой Медузы из греческой мифологии ), было объявлено в апреле 2007 года. Гидротермальное поле Ашадзе (13 ° с.ш. Атлантический хребет, высота -4200 м) был самым глубоким из известных высокотемпературных гидротермальных полей до 2010 года, когда гидротермальный шлейф, исходящий из участка Бибе ( 18 ° 33′N 81 ° 43′W / 18.550°N 81.717°W / 18.550; -81.717, высота -5000 м), был обнаружен группа ученых из Лаборатории реактивного движения НАСА и Океанографического института Вудс-Холла. Это место расположено на сверхмедленном подъеме Срединного Каймана длиной 110 км в Каймановом желобе. В начале 2013 года самые глубокие из известных гидротермальных жерл были обнаружены в Карибском море на глубине почти 5000 метров (16000 футов).

Океанографы изучают вулканы и гидротермальные источники срединно-океанического хребта Хуан-де-Фука, где тектонические плиты удаляются друг от друга.

Гидротермальные источники и другие геотермальные проявления в настоящее время исследуются в Баия-де-Консепсьон, Южная Нижняя Калифорния, Мексика.

Распределение

Гидротермальные жерла распределены по границам земных плит, хотя их также можно найти во внутриплитных местах, таких как горячие вулканы. По состоянию на 2009 год насчитывалось около 500 известных действующих полей подводных гидротермальных источников, из которых примерно половина визуально наблюдалась на морском дне, а другая половина предполагалась по индикаторам толщины воды и / или отложениям на морском дне. В программном офисе InterRidge находится глобальная база данных о местонахождении известных действующих полей подводных гидротермальных источников.

Распространение гидротермальных источников. Эта карта была создана с использованием базы данных InterRidge ver.3.3.

Rogers et al. (2012) выделили по крайней мере 11 биогеографических провинций гидротермальных жерловых систем:

  1. Провинция Срединно-Атлантического хребта,
  2. Провинция Восточный Скотия-Ридж,
  3. северная провинция Восточно-Тихоокеанского поднятия,
  4. центральная провинция Восточно-Тихоокеанского возвышения,
  5. южная провинция Восточно-Тихоокеанского возвышения,
  6. к югу от пасхальной микропланшеты,
  7. Провинция Индийского океана,
  8. четыре провинции в западной части Тихого океана и многое другое.
Эксплуатация

В некоторых случаях гидротермальные источники приводили к образованию полезных ископаемых за счет отложений массивных сульфидных залежей на морском дне. Маунт - Иса залежь находится в штате Квинсленд, Австралия, является прекрасным примером. Многие гидротермальные источники богаты кобальтом, золотом, медью и редкоземельными металлами, необходимыми для электронных компонентов. Считается, что гидротермальные источники на дне архейского моря сформировали полосчатые железные образования альгомского типа, которые были источником железной руды.

В последнее время компании по разведке полезных ископаемых, движимые повышением цен в секторе цветных металлов в середине 2000-х годов, обратили свое внимание на добычу полезных ископаемых из гидротермальных полей на морском дне. Теоретически возможно значительное снижение затрат.

В таких странах, как Япония, где минеральные ресурсы в основном получены за счет международного импорта, существует особый толчок к добыче полезных ископаемых на морском дне. Первая в мире «крупномасштабная» разработка месторождений гидротермальных источников полезных ископаемых была проведена  Японской национальной корпорацией нефти, газа и металлов (JOGMEC) в августе - сентябре 2017 года. Компания JOGMEC провела эту операцию с использованием исследовательского судна Hakurei. Эта добыча проводилась на жерловом поле «скважина / котел Изена» в гидротермально активном задуговом бассейне, известном как Окинавский прогиб, который содержит 15 подтвержденных жерловых полей согласно базе данных InterRidge Vents.

Две компании в настоящее время заняты на поздних этапах начала разработки массивных сульфидов на морском дне (SMS). Nautilus Minerals находится на продвинутой стадии начала добычи на своем месторождении Солварра на архипелаге Бисмарк, а Neptune Minerals находится на более ранней стадии с месторождением Rumble II West, расположенным на дуге Кермадек, недалеко от островов Кермадек. Обе компании предлагают использовать модифицированные существующие технологии. Nautilus Minerals в партнерстве с Placer Dome (ныне часть Barrick Gold ) преуспела в 2006 году, впервые в мире доставив на поверхность более 10 метрических тонн добытого SMS с использованием модифицированных барабанных фрез, установленных на ROV. В 2007 году компании Neptune Minerals удалось получить образцы отложений SMS с использованием модифицированного всасывающего насоса для нефтяной промышленности, установленного на ROV, что также является первым в мире.

Возможная добыча полезных ископаемых на морском дне оказывает воздействие на окружающую среду, включая шлейфы пыли от горнодобывающего оборудования, влияющие на фильтрующие организмы, обрушение или открытие вентиляционных отверстий, выброс клатрата метана или даже субокеанские оползни. Обе вышеупомянутые компании в настоящее время проводят большой объем работы, чтобы гарантировать, что потенциальное воздействие на окружающую среду добычи полезных ископаемых на морском дне будет хорошо изучено и будут приняты меры контроля до начала эксплуатации. Однако этому процессу, возможно, препятствует непропорциональное распределение исследовательских усилий между жерловыми экосистемами: наиболее изученные и понятые гидротермальные жерловые экосистемы не являются репрезентативными для тех, которые предназначены для добычи полезных ископаемых.

В прошлом предпринимались попытки добычи полезных ископаемых с морского дна. В 1960-х и 1970-х годах с разной степенью успеха проводилась большая деятельность (и затраты) по извлечению марганцевых конкреций с абиссальных равнин. Однако это демонстрирует, что извлечение полезных ископаемых с морского дна возможно и было возможно в течение некоторого времени. Добыча марганцевых конкреций послужила прикрытием для тщательно продуманной попытки ЦРУ в 1974 году поднять затонувшую советскую подводную лодку K-129 с помощью Glomar Explorer, корабля, специально построенного для этой задачи Говардом Хьюзом. Операция была известна как проект «Азориан», и легенда о добыче марганцевых конкреций на морском дне могла послужить толчком к тому, чтобы другие компании предприняли попытку.

Сохранение

Сохранение гидротермальных источников было предметом иногда жарких дискуссий в океанографическом сообществе в течение последних 20 лет. Было указано, что, возможно, наибольший ущерб этим довольно редким местам обитания наносят ученые. Были попытки заключить соглашение о поведении ученых, исследующих участки с источниками, но, хотя существует согласованный свод правил, формального международного и юридически обязывающего соглашения пока нет.

Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
внешние ссылки
Последняя правка сделана 2023-04-12 06:58:07
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте