1300米深海发现“冰火两重天”！科学家在火山底发现神秘通道

热液+冷气，生物多样性超乎想象！
本文来源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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前不久，在巴布亚新几内亚附近的海底，科学家们发现了一个非常特别的环境——这里同时有炽热的热液喷口和低温的甲烷渗漏，这种奇特的组合在以前的研究中从未见过的。这个独特的环境，造就了一个生机勃勃的“生命绿洲”，各种海洋生物在这里繁衍生息，包括贻贝、管状蠕虫、虾类，甚至有些色彩鲜艳的紫色海参。更有趣的是，这里的岩石中还留有过去火山活动遗留下来的黄金、白银和其他金属的痕迹。许多生物种类可能是科学家们以前未曾发现过的。

海潮天下（Marine Biodiversity）小编拜读了一篇最新研究，2025年9月19日，来自基尔亥姆霍兹海洋研究中心（GEOMAR）的科学家们在《科学报告》（Scientific Reports）期刊上发表了他们的一项重大发现：在巴布亚新几内亚东北部的塔巴尔-利赫尔-坦加-费尼岛链（Tabar-Lihir-Tanga-Feni，TLTF），科学家们首次发现了深海热液喷口和碳氢化合物渗漏系统的耦合现象。此次发现是通过德国索纳号（RV Sonne）船队在2023年6月~7月进行的SO299号科研航次完成的。

▲上图：巴布亚新几内亚东部和所罗门群岛的构造-地貌图。图中标注了不同的构造板块（白色标签）、活跃的岩浆弧（浅黄色区域）以及海沟和海槽（浅紫色区域）。图上的数字表示了板块的相对运动速度（单位为毫米/年），其中黄色方框代表汇聚运动，红色方框代表离散运动，白色方框则代表转换运动。图例中详细列出了各种地质构造的缩写，如TLTF代表塔巴尔-利赫尔-坦加-费尼岛链。图源：Philipp A. Brandl,  Lithosphere 2024

热液喷口是深海独特的化能自养生态系统的基础，而甲烷渗漏则是另一个独特的生态系统。过去，科学家们通常在不同的位置研究它们。由于缺乏实地观测数据，科学家们搞不清楚像圆锥海山这种同时具有火山热源+富含有机质的沉积层的特殊构造，是否会在地质上产生交叉影响，从而形成一种结合了热液和渗漏特征的混合系统。这种潜在的混合系统会创造出什么样的极端化学环境和独一无二的生物群落，这还是一个重大的科学空白。

科尼卡海山（Conical Seamount）是该地区的一个重要地质结构，位于TLTF群岛链的西侧。尽管早期的研究并未报告这里有活跃的热液喷口，但这次研究，打破了这一认知。研究人员使用遥控潜水器（ROV Kiel 6000）进行高精度的海底采样与数据收集，然后确认了科尼卡海山西侧存在一个特殊的热液喷口场——卡兰布塞尔（Karambusel）。这一发现，有两个显著特点：一是它同时存在高温矿化与低温热液流体的喷发；二是，这里还伴随有来自热解的碳氢化合物气体和液体的排放。

Karambusel热液喷口场位于一座年轻的火山体上，这座火山是在大约8.9万年前形成的。研究表明，火山活动和沉积物的相互作用导致了这一地区的复杂矿化现象。科学家们分析了该区域的热液流体，发现这些流体温度最高可达51°C。与其他典型的深海热液喷口不同，Karambusel还同时释放出来自沉积物的碳氢化合物流体，证明这一地区的热液系统除了涉及到火成活动，还跟深海沉积物的热解过程紧密相关。

此外，科学家还在该地区发现了多种化学共生生物群落。与其他西太平洋的热液喷口相比，这些生物种类在Karambusel的生物群落中表现出较强的地方性特征。这一发现表明，Karambusel的生态系统可能为某些深海物种提供了独特的栖息环境，也反映出这个区域的生态条件与其他已知热液喷口系统存在显著差异。

从地质和矿化的角度来看，Karambusel的热液喷口系统具有独特的矿物成分。这些成分包括富含砷、锑、铊和汞的硫化物矿物，而这些矿物在其他热液喷口系统中较为罕见。研究人员推测，Karambusel的矿化现象可能与当地的火成活动密切相关，这为理解不同类型矿床的形成机制提供了新的视角。此外，气体成分分析显示，Karambusel的气体中甲烷的比例较高，表明这些气体很可能是由热解作用产生的。

▲上图：巴布亚新几内亚塔巴尔-利希尔-坦加-费尼（TLTF）岛链附近研究区域的海底地形图（Bathymetric maps）。小地图标示了利希尔岛（Lihir Island）的位置。图（A）是研究区域的概览，包括利希尔岛的南侧和近海火山场，可见圆锥海山（Conical Seamount）周围的断层构造。图（B）和（C）分别详细展示了爱迪生海山（Edison Seamount）和圆锥海山的地形，并标出了 SO299 科考站位和ROV潜水器的轨迹。图（D）是本次发现的、具有冷热混合特征的Karambusel热液场的近景特写。所有地图均使用多艘科考船（如 RV Sonne）采集的深海地形数据绘制。论文出处：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al.(2025)

深海“绿洲”揭示神秘生物与矿化现象

事情还得从两年前开始说起。

在2023年6月，基尔亥姆霍兹海洋研究中心（GEOMAR）的科学家们在一次深海探险中发现了位于巴布亚新几内亚附近的卡兰布塞尔（Karambusel）热液喷口区域。此前，科学家们在该区域进行的多次海洋调查并未发现明确的活跃热液喷口迹象，但通过商业勘探活动，Bismarck Mining Corporation公司和Odyssey Marine Exploration公司在取得勘探许可证后，发现了位于圆锥海山（Conical Seamount）顶端附近的两个潜在热液羽流，深度分别为960米和1070米。这些发现促使科学家们在2023年6月15日展开了深入调查，最终在圆锥海山西侧的卡兰布塞尔喷发中心（Karambusel eruptive center）发现了这一全新的热液喷口区域。

这个新的热液喷口区域，命名为“卡兰布塞尔”——当地语言中“mussel”即为“贻贝”，因为这里的贻贝床极为丰富。通过远程操作潜水器（ROV）进行的勘探，科学家们发现这个喷口区域大约覆盖了300米×300米的范围，位于海底深度1315至1460米之间。这个区域的液体排放口温度最高可达51°C，远高于周围海水的2.6°C。在喷口的南部边缘，流体排放最为集中，且伴随着明显的气泡释放现象。尽管该区域的喷口未发现典型的硫化物沉积物或类似“烟囱”结构，但液体和气体的特征仍揭示了这里的独特地质活动。

在对喷口区域的岩石样本和液体样本做了分析之后，研究团队发现这些岩石属于较年轻的火山岩，与圆锥海山主峰的岩石有所不同。卡兰布塞尔喷发中心的岩石样本表现出不同的矿物组成和化学特征，说明这片区域的火山活动较为年轻，可能发生在大约89,000年前。这些岩石中也显示出明显的水合矿物质（如角闪石和白云母），表明该地区的火山岩含有较高的水分，进一步支持了该区域存在较高水活动的假设。

▲上图：“ROV Kiel 6000”深海遥控潜水器在Karambusel热液场拍摄的代表性图像。图（A）显示了集中的流体和气体排放区域。图（B）则清晰地呈现了冷热喷口的并置：一个41.9°C的无气体热液喷口与一个10.2°C并伴有气泡的较冷流体喷口紧邻，值得注意的是，喷口附近并没有发现动物。图（C）展示了51°C的微光流体从一个集中喷口排出，喷口周围聚集着大量的管状蠕虫、虾和螃蟹，稍远处可见深海贻贝（Bathymodiolus）和有柄藤壶。图（D）呈现了火山岩上白色微生物垫（Beggiatoa属）以及分散的管状蠕虫（Paraescarpia echinospica种），这些岩石被铁氧化物矿物染成了褐色。论文出处：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al.(2025) 

在卡兰布塞尔喷口区域，除了液体排放和气体释放外，科学家们还发现了多种特殊的生物群落。该地区的海底被厚厚的细菌垫覆盖，并且有大量贻贝、管状蠕虫和虾类等生物栖息其间。这些生物的存在，尤其是贻贝和管状蠕虫的聚集，表明这里的热液喷口系统可能处于一个相对成熟的生态阶段，类似于已知的其他深海热液系统。研究人员还注意到，一些新物种可能尚未被科学界记录，这为该区域的生物多样性研究提供了新的方向。

从矿物沉积的角度看，尽管卡兰布塞尔区域并未发现常见的高温热液矿床（如烟囱结构或矿物堆），但这里的岩石样本显示出富含黄金、银、砷和汞等金属的矿物成分。这些矿物成分的存在与该地区曾经的高温矿化过程有关。科学家推测，卡兰布塞尔区域的矿化历史可能经历了多个阶段，其中包括一个富含金的多金属矿化阶段，该阶段与当前低温的热液喷口系统相对独立。

值得注意的是，卡兰布塞尔喷口的气体成分显示出一个非常特殊的特点——甲烷（CH₄）在这些气体中所占比例远高于其他已知热液系统。甲烷的高比例表明，卡兰布塞尔喷口的气体成分与天然气储层类似，这一发现与其他区域的热液喷口系统有明显的区别。此外，卡兰布塞尔的气体成分呈现出温和的热生源特征，支持了该地区存在热解有机物的可能性。

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▲上图：图A为来自卡兰布塞尔（Karambusel）喷口的未风化火山岩样品157_ROV-17的偏光显微镜下照片，显示了该样品的矿物成分：角闪石（amph）、单斜辉石（cpx）、氧化物（ox）、磷灰石（phlg）和长石（plag）。图B展示了卡兰布塞尔喷口岩浆与邻近的圆锥火山（Conical Seamount）、埃迪森海山（Edison Seamount）和图巴夫海山（Tubaf Seamount）岩石的地球化学数据，数据呈现于总碱度与二氧化硅图表中。图C展示了卡兰布塞尔岩浆的铅同位素数据（206Pb/204Pb与207Pb/204Pb的关系图），并与其他相关区域的数据进行了对比。所有铅同位素数据来源于本研究及Kamenov等人的工作。NHRL表示北半球参考线（Northern Hemisphere Reference Line）。论文出处：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

卡兰布塞尔喷口场（Karambusel Vent Field）的发现，标志着对深海热液系统的理解迈出了重要一步。位于圆锥海山（Conical Seamount）西侧的这一系统，是该区域最年轻的热液喷口，比圆锥海山的主火山要年轻20万年。科学家们在对该地区岩浆活动的研究之后，发现卡兰布塞尔与圆锥海山的金矿化作用具有一定联系，虽然两者表现出不同的矿化特征，但两者形成的时间相近。这就表明，它们可能属于同一火山活动事件的产物。

▲上图：富含金（Au-rich）的多金属角砾岩的岩石样本和反射光显微图像。图（A）显示了多金属角砾岩的宏观特征，其中含有黄铁矿/白铁矿（py/mrc）的基性碎屑被包裹在富含硫化物的非晶质硅石（a-Sil）基质中，并被雌黄（orp）叠加。图（B）是闪锌矿（sp）、黄铜矿（cpy）和方铅矿（gn）形成的树枝状共生结构。图（C）则是在显微镜下观察到的，大小约为20微米的自然金银合金（electrum）颗粒，它与砷锑铜矿-黝铜矿（ttn-ttr）、闪锌矿、雌黄以及非晶质硅石伴生。论文出处：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

在生物群落方面，卡兰布塞尔展现出与爱迪生海山（Edison Seamount）和贻贝悬崖（Mussel Cliff）不同的生态结构。该地区以热液喷口和富甲烷气体并行排放为特征，这在全球范围内尚属罕见。尤其是该地区的甲烷气体比例高达85%以上，显示出该系统的独特性。甲烷的来源被确认主要是热解有机物质，而非传统的无机来源，这与该区域的高热条件紧密相关。

卡兰布塞尔喷口的矿化作用表现出由高温到低温的过渡过程。早期的矿化阶段与高温火山活动相关，而现今的低温热液喷发则带来了富含砷、锑、汞和铊的矿物沉积。这一矿化模式的转变，显示了该地区地质活动的动态性和复杂性。此外，卡兰布塞尔的气体排放表现出与热液流体并行的独特气体组成，尤其是甲烷的高比例，这与该地区的有机质降解过程密切相关。

▲上图：爱迪生海山、贻贝崖、Karambusel热液场和圆锥海山的地质剖面示意图，描绘了该区域的火山、热液喷口和甲烷渗漏系统。论文出处：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

卡兰布塞尔喷口系统的甲烷高比例与其他已知的热液系统明显不同，这一特征的出现与该地区的特殊地质和化学环境密切相关。研究表明，这些甲烷气体主要源自有机质的热解，进一步推动了对深海热液气体生成机制的研究。此外，卡兰布塞尔喷口的气体成分与其他热液系统相比，显示出该系统在深海生态和地质过程中独特的地位和意义。

从地质背景来看，卡兰布塞尔的矿化作用与圆锥海山相似，显示出两者在岩浆活动过程中可能存在的关联。矿物的高温阶段矿化与低温阶段矿化之间的转变，可能与岩浆活动和热液循环的相互作用有关。两地矿化的铅同位素组成和放射性年代学数据表明，它们可能在同一火山活动事件中形成，这为理解深海热液喷口系统的形成提供了新的视角。

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▲上图：这张图片展示了Karambusel热液场、贻贝崖（Mussel Cliff）和爱迪生海山（Edison Seamount）的化能共生动物群落。图（A）至（D）是 Karambusel 热液场，可见（A）29°C 暖喷口周围密集分布的管状蠕虫（syboglinids）、贻贝（Bathymodiolus）和蟹类（Shinkaia）；（B）显示了蟹类、虾类、贻贝和腹足类动物（Phymorhynchus和Paralepetopsis）的混合群落；（C）在火山岩上的微生物垫中，有弯曲的管状蠕虫（Lamellibrachia）和笠螺（Paralepetopsis）；（D）沉积物上的微生物垫周围有腹足类动物（Desbruyeresia）。图（E）和（F）是贻贝崖，主要为碳酸盐结壳上密集的贻贝群落，伴有铠甲虾（Munidopsis）和管状蠕虫（Paraescarpia）等。图（G）和（H）是爱迪生海山，其中（G）显示了火山碎屑基质上密集的船蛆蛤（Calyptogena）群落，伴有虾类、铠甲虾和有柄藤壶；（H）则特写了被虾类占据的“虫毯”。论文出处：Brandl, P.A., Sander, S.G., Beier, C. et al. (2025)

基尔亥姆霍兹海洋研究中心的海洋地质学家菲利普·布兰德尔（Dr. Philipp Brandl）博士表示：“我们基本上拥有一个沸腾的热液喷口紧挨着一个低温的气体渗漏区，这种组合，以前还从未被描述过。” 他是2023年那个科考探险队的首席科学家，该探险旨在调查塔巴尔-利希尔-坦加-费尼（Tabar-Lihir-Tanga-Feni）岛链的水下火山（海山）。尽管早期的任务曾暗示过有限的热液活动，但这个特殊的区域却在几次先前的考察中未被发现。直到团队部署了“ROV Kiel 6000”号深海遥控潜水器后，该地点的奇特特征才得以清晰展现。“这是一个真正的惊喜，”布兰德尔博士说，“特别是对于我们这些曾多次在该地区工作的人来说。”

随着对卡兰布塞尔喷口及其周边区域的深入研究，特别是在生态学、矿物学和气体成分方面，预计将为科学界提供更多的洞察。这一独特的深海环境不仅为矿物化作用和生态演化的研究提供了宝贵的资料，也为深入了解深海生态系统与矿产资源形成的关系提供了新的研究平台。未来的研究将更加关注该地区独特的生态环境和矿物资源的开发潜力，尤其是在资源开采和生态保护之间寻求平衡。

【参考资料】

感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：

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

思考题·拓展思维

Q1、卡兰布塞尔热泉区的化学成分与矿化过程之间的关系，如何反映了深海火山系统的物质循环模式？因为这个文章提出卡兰布塞尔的低温矿化现象与硫化物成分和元素富集的变化，尤其是As、Sb、Hg、Tl等元素的高浓度。考虑到深海火山的地质背景与流体化学演化，是否可以通过这些元素的分布模式，重构出深海火山活动后期的物质循环过程？这种“多阶段”的矿化模式，如何影响人类对全球深海热液矿区热流体演化和元素富集规律的理解？

Q2、当前的一些深海热液矿床勘探方法，能否有效识别与火山活动相伴的“复合型”矿化系统？上面提到，卡兰布塞尔系统显示出热液+油气共排放的独特现象，这与常见的单一矿化系统有显著不同。现有的深海矿床勘探技术主要还是侧重于单一矿化阶段、或单一流体成分的勘探，那么，如何改进勘探策略，以便在火山-热液相互作用的复杂系统中有效识别并区分不同的矿化阶段和流体类型？特别是，如何识别类似卡兰布塞尔那种的同时涉及热液和油气分布的矿床特征？

Q3、这个研究里面提到说，卡兰布塞尔和邻近的圆锥海山（Conical Seamount）存在明显的生物群落差异，且该地区的物种辐射有很强的地方性。那么，对这些海底热泉群落的长期演化研究，能否揭示出海底火山活动在不同时间尺度上如何影响化学共生物种的辐射和适应性进化？这种火山驱动的生物进化模式，如何与全球范围内的深海生物多样性和物种分布规律相互关联呢？

Q4、有趣的是，是矿业公司首先发现了潜在的热液羽流，这才“促使”了科学家们去验证、并出乎意料地，发现了全新的生态系统。其实蛮好玩的。不过这引出了一个核心矛盾：如果科学发现（例如对Karambusel巨大生物多样性和贵金属沉积的确认）反过来加速了该地区的商业采矿计划，那么，科学家在共享数据时，其保护的意图是否会被勘探的利益所吞噬？你觉得，该如何建立机制，确保科研成果优先服务于生态保护，而不是商业开发？

Q5、如上所讲，Karambusel的价值在于其“冷热喷口并置”的独特性，这创造了全球独一无二的栖息地。既然地质的特殊性直接导致了生态的稀有性，那么在《联合国海洋法公约》或《生物多样性公约》或是BBNJ等国际法的框架下，这种地质-生物混合的稀有系统，是否应被赋予超越普通热液区或渗漏区的最高等级保护地位呢？国际社会应如何衡量和界定这种“独一无二”的深海栖息地？要不要把它划定不可触碰的“红线”呢，你怎么看？

Q6、深海采矿（Deep-Sea Mining, DSM）主要针对三种类型的矿床：多金属结核（最常讲的）、富钴铁锰结壳、海底热液硫化物。如果未来要开采Karambusel，就属于海底热液硫化物这类深海采矿。

海潮天下（Marine Biodiversity）小编查阅资料发现，PNG是世界上最早颁发深海采矿勘探许可证的国家之一。自1989年就已经颁发了深海采矿许可证，并且在其经济发展中，海底矿产资源（如金、铜、银等）的潜力一直受到高度关注和重视的。这个国家坐拥陆地巨型金矿（如此前利希尔岛的Ladolam矿的成功开发），因此小编估计，对相似的海底金、铜、银资源，估计也具有强烈的开发兴趣。这次Karambusel发现的富含贵金属的证据（金、银痕迹），恐怕会极大增强政府对该地区资源的经济期待？

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

编译 | 王海诗

编辑 | 海潮君

日期 | 2025年11月26日

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