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在西北太平洋近海发现了数百个热液烟囱

在华盛顿州西北约350公里(220英里)的胡安·德·富卡山脊的奋进段上,海底裂开了。

海底下方的岩浆加热了周围基岩中的水,这些基岩以所谓的热液喷口的水下渗漏和间歇泉的形式从海底涌出。当这种富含矿物质的过热水与几乎冻结的海水接触时,溶解的矿物质结晶,形成了高达25米(80英尺)高的尖顶和热液烟囱的仙境。

自1982年以来,海洋地质学家和生物学家就一直使用人工潜水器和水下机器人研究Endeavor热液喷口领域。早期,他们发现该领域非常活跃,有许多通风孔和烟囱。但是由于交通不便,一片漆黑,水浑浊,因此没有人绘制过该地区的所有通风口,甚至没有确定有多少通风口。但是MBARI地质学家和合作者最近发表的一篇论文显示,该地区有近600个烟囱。

胡安德富卡海岭的奋进段是一个活跃的火山区,远离太平洋西北海岸。图片:©2020 MBARI

奋进号喷口均位于一个狭窄的长谷中,约长14公里(8.6英里),宽1.5公里(0.9英里)。在进行这项研究之前,美国和加拿大的科学家已经命名了约47个活跃的热液喷口,其中大多数位于五个主要喷口区域内。他们给这些通风口起了怪异的名字,例如Mothra,Salty Dawg和Sasquatch。他们还发现,该地区不仅拥有大量的烟囱,而且还拥有世界上任何洋中脊都知道的一些最高的热液烟囱。这些烟囱中最高的“哥斯拉”在1995年倾覆之前达到了45米(150英尺)的高度。

多年来,在船上和水下机器人上使用声纳绘制了Endeavor热液喷口区域。但是,这些调查都没有足够高的分辨率来检测大面积海底上的单个烟囱。直到MBARI的自动水下航行器(AUV)D。艾伦·B(Allan B.)以约1.25米(4英尺)的分辨率绘制了该区域,地质学家能够看到该区域中的大量烟囱,其中许多烟囱位于已知的活动喷口区域之外。

MBARI研究人员能够通过flyD实现这一壮举。艾伦·B(Allan B.)在2008年和2011年进行的七次调查中,仅在崎sea的海底上方50米(160英尺)处。总体而言,AUV完成了140个小时的潜水,并绘制了约62平方公里(24平方英里)的海床。MBARI研究人员搜索了来自AUV的数据,以识别所有三米以上的烟囱(可以可靠地与背景地形分开的最小高度)。他们惊讶地发现了572个烟囱。许多新发现的烟囱都靠近经过数十年研究的通风孔。

诸如此类的“黑烟民”在“奋进号”泄气场中,将超过300摄氏度(华氏570度)的过热流体喷入周围的海水中。这种活跃的热液喷口形成了烟囱,烟囱可以长到30米(100英尺)以上。图片:©2002 MBARI。

正如新论文的主要作者戴维·克莱格(David Clague)解释的那样,“很难从那里看到,因为水中的所有微粒都会产生一种雾状。我记得有一个经过深入研究的烟囱,从一次研究潜水到下一次研究,流体的成分似乎有所不同。直到我们进行了详细的制图,人们才意识到他们实际上是在两个不同的烟囱中采样。他们显然会遇到一个烟囱,这取决于他们接近该地点的方向。”

MBARI的制图工作揭示了许多大型的,大概是活跃的烟囱,最高的烟囱高至少27米(90英尺)。但是,大多数烟囱较小,不到八米(26英尺)高,研究人员认为许多烟囱不活跃(不再释放液体)。

活跃的烟囱通常形成在过热的水(超过300摄氏度;华氏570度)通过海底裂缝向上流动的地方。如果这种流动强烈并持续足够长的时间,烟囱可能会变得越来越高,直到变得不稳定并翻倒为止。但是,许多海底裂缝和烟囱被矿物沉积物堵塞。在这一点上,烟囱变得不活跃,并停止增长,但可能会保持数百年。同时,堵塞的烟囱中的流体通过海底的不同裂缝向上流,在附近形成新的烟囱。

为了弄清楚使“奋进号”烟囱独特的原因,研究人员比较了“奋进号”烟囱的类型和在MBARI详细映射的另一个扩散中心阿拉尔孔上升区(在加利福尼亚湾南端附近)发现的烟囱类型。他们发现,奋进号油田的烟囱数量更多,但活动烟囱的比例却更低。

克莱格和他的合著者认为,奋进线段有许多不活动的烟囱,因为在过去的几千年中,该地区只有少量的火山喷发,而这些喷发产生的熔岩并未掩埋烟囱。相反,在AlarcónRise,海底喷出了大量熔岩,掩埋或摧毁了较旧的烟囱,因此仅保留了最年轻和最活跃的烟囱。

当过热流体停止从热液烟囱中流出时,烟囱将变为非活动状态,但可能会保持数百年的使用寿命。图片:©2004 MBARI

根据他们在奋进号和其他中洋海脊的工作,研究人员建议这些海脊可能经历三个演化阶段:

一个岩浆阶段,持续数万年,这时大量的岩浆爆发并用熔岩覆盖了海底。

构造阶段,可能持续5,000年,这时岩浆供应变慢,海底冷却并收缩,而地壳中的扩散继续深入。在此阶段,轴向谷底下沉,海底形成许多裂缝和断层。

一个热液阶段,仅持续几千年,当地表以下的新生岩浆加热通过海底裂缝向上渗透的流体时,形成大量的喷口。

研究人员认为,奋进地区一直处于热液阶段,已有近2000年的历史。但是,他们怀疑它可能正在进入新的岩浆阶段,这意味着该地区将来可能会看到更多的火山喷发。发生这种情况时,他们绘制的许多烟囱将被埋在新的熔岩流下,而目前允许大量流体上升到地表的破裂岩石将大部分被密封。

同时,研究“奋进”航段的地质学家将能够使用MBARI的新地图来计划他们的研究潜水,并决定在海底放置监测设备的位置。

渥太华大学和GEOMAR的合作者还使用了MBARI的测绘数据来估算Endeavor烟囱中热液沉积的体积和质量。这样的估计对于了解热液喷口处富含金属的岩石的分布至关重要,其中一些已被指定用于深海采矿。但是,在Endeavor泄洪气田内不太可能进行海底采矿。2003年,加拿大政府宣布主动通风口及附近地区为海洋保护区。

MBARI的Kim Fulton-Bennett文章

原始期刊文章:Clague,DA,Martin,JF,Paduan,JB,Butterfield,DA,Jamieson,JW,Le Sa​​out,M.,Caress,DW,Thomas,H.,Holden,JF,Kelly,DS,热烟囱分布奋进段,胡安·德·富卡里奇,地球化学,地球物理学,地球系统,https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2020GC008917(发布于2020年4月14日)。

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