探秘海底盐池
极端环境孕育的独特生态世界


文章出自:中国国家地理 2017年第05期 作者: 梅洋汤 

标签: 生物地理   

深海有盐池?海底盐池是近些年海洋科学家的一项重要发现,分布在世界多处埋有盐层的海域,池面与普通海水之间有着清晰可见的分界。本文作者是一位海洋微生物学者,她搭乘深潜器来到了水下约2000米的墨西哥湾海底盐池,并在那里目睹了一个极端而特殊的生态世界。致命的池水如何孕育了无数贝类和鱼虾?海底盐池又对人类有着怎样的重大意义?

在水下2000米见到盐湖,如同闯入异世界
在深潜器灯光的照射下,褐黄的海底沉积物勾勒出海底盐池的蜿蜒“堤岸”,盐池表面泛着丝丝涟漪,异常丰富的贝类、鱼虾等生物群落环绕四周,却不敢进入池内。显然,看上去波澜不惊的海底盐池正释放出危险的死亡信号。在荒原般的茫茫海底,这一罕见景象显得格外不可思议。

海洋深处有什么?

这是一个难以回答的问题。人们对海洋和海洋生物的绝大多数了解仅限于海洋表面以下的数百米水层。对于平均深度超过3600米的海洋而言,这只是薄薄的一层表面。受到目前探索能力的限制,人类对深海所知甚少。科学家们直到近几十年才确认,深海海底并不只有一望无际的海洋沉积物,也绝非一片毫无生气的死地。

在对海底生态系统的探索中,“海底盐池”可算是近年最为“魔幻”的新发现之一——数不清的贝类与鱼虾在波光粼粼的盐池周围生活,却没有动物敢于踏入这方池水。作为一名海洋微生物学者,我有幸乘坐了著名的深海载人潜水器“Alvin号”,得以亲眼看到这不可思议的、深海里的“盐池”。

晴朗的天气下,深海载人潜水器才能平稳入水
母舰驶至定位点上方,将潜水器放入水中(如图)。载人深潜是考察海底世界的重要方式。良好的天气条件对载人深潜而言至关重要,一旦遇到恶劣天气,下潜计划将被迫推迟。海面下的情况复杂,深海中可能会出现各种紧急状况。
另一种常用的探测方法是借助深海机器人。图中,工作人员正在船上的控制室屏幕前密切关注着海中的动态。

看到眼前的景象,舱内三人同时惊喜地叫出声来

温暖的冬日阳光下,“Atlantis号”科考船载着我们几位科学家和“Alvin号”深潜器,航行到了美国南部的墨西哥湾海域。墨西哥湾是世界重要的深海产油地,侏罗纪时期丰富的动植物残骸以有机物的形式埋藏在这里,经过漫长的时间,发育出储量惊人的石油和天然气。我们关于海底盐池的长期定位实验点就分布在这片海域。

“Atlantis号”每天沿着精心设计的航线,在夜间开往一个又一个采样点,以便高效地利用深海载人潜水器和各种采样工具。到了早上7点钟,深潜器就会载着一名驾驶员和两名科学家下潜到海底,仔细记录在实验点观察到的各种现象,找到最优的采样区域,按照要求采集不同类型的样品。

我的下潜任务正是去海底盐池观察和采样。从前我只是在论文里见过海底盐池的示意图,这次能潜入海底亲眼目睹这奇特的地貌,觉得自己真像是中了大奖。任务开始前一天起我就不停地看天气预报,生怕遇到恶劣天气不能下潜。

一大早,我们三个人进入十分狭小的圆形载人舱,蜷缩成小小的一团。待载人舱封闭好之后,深潜器被放入水中,和母船完全分离,并负载重物,开始自由下潜,目标直指2000多米深的海底。透过潜水器上的窗户,我可以清楚地看到外面的海水从亮蓝变成深蓝,直到漆黑一片。水中的发光生物闪烁着星星点点的荧光,一时使人恍惚自己究竟是在海里还是在星空中。

海底盐池分布在世界数处埋有盐层的海域
目前人类已探明的海底盐池主要分布在红海、地中海、墨西哥湾、黑海、南极大陆架。由于地质条件的差异,这些海域的盐池形成过程也并不完全一致,但均是地球构造运动的结果。构造运动使埋藏在这些海域底部的盐找到渗漏通道,高浓度的盐水逸散而出,形成盐池。右侧上方的三张地图自上至下依次为红海、地中海和墨西哥湾海底盐池的已知分布地点,这三处海域的盐池开始受到地质学家、地理学家、化学家、生物学家们的密切关注,黑海和南极大陆架盐池的相关研究也已逐渐展开。

等快到海底的时候,深潜器全身的探照灯才打开,准备着陆。在探照灯的映射下,只见由各种碎屑物质组成的“海雪”从上层海水纷纷扬扬地飘落下来,像是冬夜里飞舞的雪花。周围的海底世界一片寂静,茫茫的暗黄色海底沉积物上几乎看不到任何生命存在的迹象。

驾驶员转过脸对我们说:“欢迎来到一个全新的世界!这里只有我们三个人。”

极富经验的驾驶员一边和母船通报着陆位置,一边慢慢地开始巡航。一开始,海底看上去枯燥而单调,海底沉积物覆盖的海底像是无尽的荒漠,肉眼看不到任何活物。等过了一会儿,我惊喜地发现周围开始有稀稀落落的深海海绵出现,越往前走,海绵的数量和种类越多,看起来像一株株蘑菇扎在海底,偶尔还有海参和小虾游走在海绵群间。

渐渐地,地面上开始出现贝类,越来越丰富的生物种群暗示着我们离海底盐池越来越近了。突然,密密麻麻的贻贝群一下子跳入我们的视线,整个种群仿佛在沿着一道神秘的边界向两边延伸,却无法跨出这条界线之外。

舱里的三个人几乎同时惊喜地叫出声!因为在我们的眼前出现了一个小“池塘”——那就是我们此行的目标:海底盐池!

图中的盐池处于这片海底的低洼地带,旁边相邻的几个较小的洼地也随着浓盐水的流入而形成了小盐池,池边形成的“堤岸”由海底沉积物、金属氧化物和硫化物等物质组成。

侏罗纪时期沉积的盐层顶破海底,流淌成池

走近了看,这些贝类所在的地方相当于是盐池的“堤岸”,由海底沉积物、各种金属的氧化物、硫化物和贝壳残片组成,褐黄、灰青和白色斑驳交错。贝类沿着盐池边缘生长,夹杂在贝丛中的还有很多海参、螃蟹,以及小鱼小虾。在光秃秃的海底行走久了,突然间见到这生机勃勃的景象,仿佛在荒凉的沙漠遇见了一个绿洲。

更令人惊奇的是“堤岸”所环抱的这片“池塘”——稍微一搅动,“池水”还会泛起丝丝涟漪。在2000多米深的海底看见一个盐池?这并不是玄幻小说,而是一种罕见的地质现象。目前所知的海底盐池主要分布在墨西哥湾、地中海、红海、黑海及南极大陆架。以墨西哥湾为例,亿万年之前,墨西哥湾区块因为地壳的拉伸而从北美板块分离出来,下沉后成为一个几乎孤立的浅海湾盆地。随着海水的蒸发,海湾盐度不断升高。只有当太平洋风暴潮活跃的时候,新的海水才会补充到墨西哥湾中。经过无数次的蒸发和海水补充,盆地最终累积起了厚达数千米的盐层。

汇聚在海底低洼处的盐水密度极大,稳稳沉在普通海水之下
乘坐着在海洋科考史上战功赫赫的“Alvin号”载人深海潜水器,科考人员下降至海底盐池定位实验点(如图)。在这里,盐池与上方的普通海水之间可以看到明显的分界,呈现出不可思议的“海中有盐池”景象。由于盐水的密度极大,所以盐池水能够稳定地沉在相对较轻的普通海水之下。在水流平缓的海底,二者难以混合。

随着时间的推移,墨西哥湾继续下沉,周边的造山运动产生的碎岩石不断沉积在盐层上面。和周围的岩石相比,盐层在压力和温度改变的时候更容易流动。水压的增大和岩石的不断沉积,迫使盐层在挤压下流动,甚至把岩层顶起鼓包。当找到岩层间的裂隙时,高浓度的盐就会沿着裂隙流出,聚集到附近低洼的海底,形成海底盐池。墨西哥湾海底盐池盐液的喷出温度大约为10℃(在红海海底的盐池盐液可达50℃),和周围4℃左右(水深2000米处)的普通海水相比是非常温暖的。

海底盐池典型形成过程示意图
海底盐池是“盐底辟”构造的典型产物之一,即盐岩层受压变形、拱起,导致上方岩层产生裂隙,高浓度的盐水伴随油气通过裂隙溢出,并汇聚在海底的低洼地带,形成盐池。绘图/肆壹叁

盐池水的盐度非常高,接近普通海水的3至10倍,因而密度也极大,只能沉在普通海水下面,形成稳定的分层,如果没有剧烈的搅动,是不会和普通海水混合在一起的。

在海底盐池的极端环境中,微生物维系着其他所有生物的命运

盐池内部是完全无氧的,而且还含有硫化氢和大量的甲烷、氢等物质。海底较大的生物完全不能生活在这种无氧条件下,而且即使微量的硫化氢都会使它们中毒。这也是为什么我们看到贻贝群和鱼虾都只能在盐池边上小心翼翼地生存。所有进入盐池生死线的动物都是死路一条,不管是海绵、贝类,还是更容易移动的螃蟹和鱼类。如果仔细观察掠过盐池水面的小鱼,会发现它们是小心地游走在上层的普通海水里,而没有接触到分层下的浓盐水。池畔随处可见的螃蟹和大王具足虫的尸体,生动地阐述着“一失足成千古恨”这句话。

虾蟹
池岸的贻贝群间,小鱼、小虾、小蟹直接或间接以细菌为食。
贻贝
密密麻麻的贻贝群包围了盐池的“堤岸”,它们通过与甲烷氧化细菌共生在此扎根生存。
“失足”的螃蟹
由于盐池水高盐、无氧、有毒,动物无法在池水中生存。不慎落入池中的螃蟹难逃死亡的厄运。

即便如此,在盐池内的极端环境下,依然有极度嗜盐的细菌和古菌生活。海底没有阳光,这些微生物无法通过光合作用获得能量,转而通过转化氢、甲烷以及其他油气有机物来摄取能量。池外很多微生物则和动物形成了互惠共生的关系,比如贻贝会从附着的甲烷氧化菌等细菌那里得到营养,同时,贻贝不断过滤海水,在自身周围形成海水循环,使细菌得到所需的养分。这也是眼前这片茂盛的贝壳丛林形成的主要原因。在海底盐池的环境中,微生物组成了特殊群落,构成了整个盐池生态系统里最基础的生产者,其他所有生物不是直接以这些微生物为食,就是间接从细菌那里获得能量。如果这些微生物消失不见,整个海底盐池生态系统就会崩溃。

我们眼前的这个盐池并不是完全封闭的,浓盐水从小小的豁口淌出,向着更平坦的地方流开去,形成一道小小的“溪流”。只见“溪流”边的海底被大片的白色和浅橘色覆盖,那里究竟是什么?

我们慢慢移过去,发现这些白色和橘色的物质既不是岩石也不是海底沉积物,而是厚厚的“细菌席”——细菌数量太多了,所以显现出像席子一样的质感。组成这种细菌席的主要是硫化细菌,也就是可以氧化硫化氢的细菌,从盐池周边的地下逸散而出的硫化氢是它们的美餐。其中最主要的一种是“贝氏硫化细菌”(Beggiatoa),这也是在世界上发现的个头最大的细菌之一,有些可以达到厘米级别的长度。贝氏硫化细菌有橘色和白色两种颜色,所以我们常常在海底发现“煎鸡蛋”:橘色的贝氏硫化细菌被白色的包围起来。

这里的细菌席极为厚密,让人叹为观止。丰富的细菌大餐吸引了鱼类、螃蟹等多种动物的逗留,还有很多叫不上名字、甚至完全没有发现过的新物种也来到这里。

“死亡池水”中的微生物数量比相邻的普通海水高一百倍

虽然窗外的景色让人惊叹,但作为科学家,我们还有繁重的采样任务。这次的任务就是在盐池的不同深度采集盐水样品,用来分析各层中的微生物。小心翼翼地把“Alvin号”开到盐池上方时,我们出乎意料地发现,重达17吨的深潜器竟被盐池托起,不论我们如何努力想更深入一点都无法办到。这是因为盐池的密度极大,浮力也特别大。也是因此,一般的采样器会漂起来,无法准确地得到各层盐水。这次我们特别设计了专门针对盐池的特殊取样器,配有沉重的坠物,保证能垂直取样。

其他海底流体渗漏系统示意图
绘图/肆壹叁

在这里可以清晰地看到盐水和普通海水的分层:由于密度的不同,在普通海水中飘落的“海雪”碎屑聚集在了盐水和普通海水的交界面,标记着“死亡池水”开始的地方。

完成采样任务时,我们已经在海底待了近6个小时,到了该返航的时间。抛下负重,深潜器关上灯光,开始上浮。

机械臂采集的细菌席,是海底盐池边的一大“胜景”
借助“Alvin”号的机械臂,作者开始采集生活在盐池附近的细菌席样本。盐池周围溢出海底的硫化氢是世界上最大的细菌之一——“贝氏硫化细菌”(Beggiatoa)的最爱,它们通过转化硫化氢获取能量,并在此聚集成厚密的细菌席,如同给海底铺上了一层绒毯。

等回到母船“Atlantis号”上,所有人都开始忙碌起来:拍照、编号、分取样品……大家默契地配合,尽快把处于高压低温环境下的样品转移到冷库中。从样品的照片来看,盐池中的水十分奇特,含有很多有金属硫化物等成分的颗粒,池水整体呈灰黑色,并不像普通海水是无色透明的,并且随着样品来源深度的增加,池水的颜色也变得更深。池水中富含硫化氢气体,非常刺鼻。后续的研究发现,盐池水中的微生物总体数量要比盐池上方的普通海水高约一百倍,其中包含大量嗜盐微生物,而且有很多都是尚未命名的新物种。例如代号为KB1的一种细菌,在墨西哥湾、红海等其他海域的盐湖均有发现。基因组学结果显示,KB1细菌细胞内的盐分能够随外界环境而提高,而且体内的蛋白质也能够适应高盐的细胞内环境,因此得以在盐池的极端环境中生存。

这次深潜采样任务以“Atlantis号”作为母舰,作者在船上的时间多忙于考察准备工作和后续样本处理,偶尔才得半晌清闲。
盐池内外水体盐度和微生物含量图
虽然盐池内的环境极端,但池内微生物的数量极为丰富,大量嗜盐的细菌和古菌在此生生不息。对池内外海水样本的后续研究发现,盐池内微生物数量可达池水上方普通海水的百倍。

海底盐池极端环境中的微生物 与地球原始生命十分接近

除了嗜盐细菌,这些海底盐池中还有大量与甲烷的形成和转化有关的细菌。这是因为盐水中还含有从海底渗出的高浓度甲烷以及石油。盐层的渗透率低,能够将下方的大部分油气牢牢地保护起来,是很好的油气田盖层。因此,对于盐层下储有油气的黑海和墨西哥湾而言,海底盐池是指示海底油田存在的最有效标志物之一,在深水油田的勘探中有重要作用。

某些盐池底部,一缕缕“盐结壳”记录着盐池形成前的历史
海底盐池的深度各不相同,图中的盐池就是墨西哥湾中较浅的一个,仅约3米深,池底可见固体的白色“盐结壳”。专家认为,这可能是在海底波痕的基础上发育而成的,在盐池形成前,暴露在外的波峰处更易蒸发晒出盐分,从而呈现出条带状的盐结壳。对海底盐池内、外的观察和记录,深海机器人功不可没。

墨西哥湾海底的盐池不仅分布广,而且封堵性能好。上世纪80年代以来,不断有大型油气田在盐层下被发现,使得墨西哥湾深水油田勘探开采工作迅速发展。相应地,微生物在石油形成和开采过程中的作用也越来越受到重视。

海底盐池的生态系统极其特殊而极端,其内部和周围生长着哪些微生物,各种微生物又分别发挥着怎样的功能?针对这些问题的研究具有非常重要的意义。人类在20世纪80年代才第一次发现海底盐池这种新的生态系统,其中生活着很多迄今未知的新物种。

图中的深海机器人正在拍摄盐池湖畔,它加载有高分辨率摄像机,通过光纤与控制室相连,同时配备了6个推进器以助其向任意方向移动,另有两个机械臂用于采样和移动物体。

据研究,前文提到的KB1细菌处于“生物进化树”的“根部”,即与地球的原始生命十分接近。许多科学家认为,最早的地球生命在形成初期,很可能生活在无氧、高盐、高硫化氢这样与海底盐池相似的环境中。对KB1等盐池相关生物的研究,可以使我们更好地了解地球早期生命在何处分布、如何生存、怎样适应极端环境。同时,在当今探索地外行星和地外生命的热潮中,这些从盐池微生物上取得的信息也可能成为我们探索其他星球上生命存在可能性的线索。

孙军
天津科技大学
海洋生物专业
长江学者特聘教授
绘图/晓秋

化能合成作用 海底盐池生态系统的能量来源

深海海底床是地球上最大的生物栖息地,也是地球表面生物多样性最丰富的地区。深海不仅高压、低温,而且常年处于黑暗状态,所以深海生态系统无法像其他大多数生态系统那样通过光合作用进行初级生产,而是依赖来自于上层水体产生的有机碎屑和腐肉的能量,或通过一种特殊的能量利用方式——化能合成作用来维持生命,即以海底地壳涌升出来的硫化物或甲烷等小分子有机物作为底物获取能源,并进行大分子有机物的合成。

海底盐池中存有岩层渗出的甲烷、氢和石油类,这些有机物被极少类的嗜盐耐盐极端微生物——细菌和古菌利用,它们通过化能合成作用,在盐池内部大量繁殖,形成很高的生物量。特定的动物类群能够与化能合成微生物共生,如管虫、蠕虫或贻贝等。在盐池周边,常有能够利用硫化氢的细菌所形成的席膜,以及依赖于这些细菌的底栖动物类群。

海底盐池是广泛分布于深海的“冷泉”(Cold seep)生态系统中的一种特殊类型。冷泉生态系统相对周边深海海底温度略高或者相同,而且常富含天然气水合物。一般冷泉生态系统中的微生物可以利用从地壳中缓慢释放出的大量甲烷及其他一些富含水合硫化物或者水合烃类,进行与海底盐池类似的化能合成作用,形成复杂的海底景观和生物群落。

我国一直被认为不存在冷泉生态系统,但可喜的是,我国近年使用自主研制的“海马号”4500米级非载人遥控潜水器,首次发现了南海北部陆坡处存在的海底巨型活动性冷泉——海马冷泉,为我国冷泉生态系统的研究揭开序幕。

深海的极端环境孕育出了多样性极高的细菌、真菌、病毒等微生物。据估计,仅仅海底沉积物中原核生物的生物量就占地球总生物量的十分之一到三分之一,而近年来借助日新月异的分子生物学技术手段检测出的微生物之多样更是远远超出了人们之前的估计。深入研究深海生态系统及微生物资源将对于生命起源和进化、生命对环境的适应性、生物地球化学循环等研究和海底油气资源开发利用起到重要的推动作用。

解习农
中国地质大学(武汉)
海洋学院教授
博士生导师
绘图/晓秋

海底深部“吐出”的各类流体,形成了盐池、泥火山等各不相同的奇特地貌

海底深部沉积物中的高矿化度盐水或卤水渗漏至海底后,流淌到低洼地带,就形成了盐池。盐池的形成需要具备以下3个条件:一是在海洋盆地深部必须赋存有盐岩层或高矿化度盐水,甚至是卤水;二是有供盐岩层或高矿化度盐水渗漏的流体通道,如海底地层断裂产生的缝隙;三是深部发育超压流体囊,即封存于岩层之间、内部压力极大的流体,当超压流体囊由于压力逐渐增大而突破上覆地层的封堵,沿断裂从深部渗漏至海底,就会在海底低洼地带形成规模不等的盐池。盐池水密度是正常海水的2—3倍或更高,明显的密度差导致海水分层的形成,在缺乏底流影响的地区,盐池与正常海水之间就形成了明显的分界面。

通常情况下,在发育盐底辟构造的海底容易形成盐池。什么是盐底辟构造呢?就是密度较小的高塑性、低黏度的岩石(如岩盐、石膏等)向上流动,拱起甚至刺穿上覆岩层所形成的穹隆或蘑菇状构造。墨西哥湾盆地是世界著名的深水产油区,盆地在早期裂陷阶段形成了分布广泛且厚度巨大的侏罗系盐岩层(Louann盐岩层)。随着上覆地层的增多和后期地质构造活动的发生,深部盐岩层出现了“橡皮泥”般的塑性流动和强烈变形,并形成了大量盐底辟构造。在底辟过程中,深部高盐度的盐水或卤水伴随石油、天然气从深部逸散至浅部甚至海底,最终形成盐池。

显然,海底盐池的出现指示了海底深部流体通道的存在。对于墨西哥湾盆地而言,由于盐岩层与烃源岩共生,因此,海底盐池的出现可以作为深海油气的“找矿标志”,对深水石油勘探具有很好的指示作用。

海底盐池的形成,与盆地深部逸散而出的超压流体密切相关。当深部的喷溢物不是盐水,而是泥和天然气的混合物,则容易形成海底泥火山。泥火山的形态可为圆形、椭圆形和新月形,直径一般为数米到数百米,最大亦可达数千米。如果喷溢物主要由天然气组成,则会在海底形成气苗或气柱,逸散出大量天然气,使海底坍陷,形成一个个如人脸上痘印般的“麻坑”,每个麻坑直径一般为数米到数百米,也偶有数千米者,如我国南海发现的麻坑最大直径达3210米,深达165米。还有些喷溢物主要由石油组成,这时,渗漏到海底的低密度的石油会迅速漂浮至海面。

责任编辑 / 任远方  图片编辑 / 宋文 

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