西太平洋马努斯弧后盆地研究获进展

近日，《地球物理学研究杂志-海洋》（Journal of Geophysical Research: Oceans）以封面文章形式报道了中国科学院海洋研究所关于西太平洋马努斯弧后盆地的最新成果。科研人员通过在超酸性火山-热液系统开展原位综合定量探测和微生物组学分析发现，在全球广泛分布的火山-热液系统中富含氢气，并孕育了可利用氢气的微生物群落。  

深海火山-热液系统主要由海底岩浆挥发性气体与海水直接混合或者海底火山爆发形成，是典型的“白烟囱”，并在全球分布广泛。同时，火山-热液系统孕育了独特的生物群落，但其生物的代谢过程与流体之间的关系尚不明确，而传统“先取样后常温常压的分析”方式会造成热液流体组分和参数发生明显变化，因此开展原位探测、获取流体的原位参数是研究二者关系的重要保障。 

海洋所研究员张鑫团队和孙黎团队，以西太平洋马努斯弧后盆地DESMOS火山口发育的火山-热液系统为研究靶区，利用“发现”号ROV在该火山口的Onsen喷口区和航次中新发现的Faxian溢流区，分别开展原位拉曼综合探测以及流体和生物的保真取样。结果发现，由安山岩组成的Onsen区域形成的超酸性（pH：2.17）高温流体含有大量H2（8.56 mmol/kg）。而同一火山口的Faxian溢流区的中性低温流体却不含H2而富含H2S（7.78 mmol/kg）。针对这一特殊现象，研究基于上述原位定量结果和热力学模拟计算提出，两个区域由于海水混合程度的差异发生了不同的流体-岩石相互作用。研究通过进一步对Onsen和Faxian的样品进行微生物组学分析发现，Onsen和Faxian存在不同的微生物群落，Onsen区域的微生物可以利用氢气，而在Faxian区域微生物主要以氧化硫化氢作为能量来源。上述研究表明，在火山热液系统，即便是同一岩浆来源的流体也会孕育不同的微生物群落。

该研究发挥了深海激光拉曼原位定量探测的优势，实现了海洋探测技术、海洋地质学、海洋生物学的交叉融合。本航次基于激光拉曼原位定量探测技术，首次报道了火山作用主导的超酸性火山-热液系统的氢气浓度可达到毫摩尔级，并为其孕育的化能生态系统提供了重要的物质来源。以往富氢气流体（毫摩尔级）主要是由超基性岩和基性岩发生蛇纹石化反应形成。大西洋“Lost City”碱性热液系统（流体pH：9~11）由于蛇纹石化反应产生大量氢气（1~15 mmol/kg），为早期生命提供了重要场所，但全球碱性热液系统目前只有“Lost City”一处，不具有普适性。而地球早期海底火山作用频繁，孕育了广泛分布的酸性火山-热液系统。该研究对探索生命起源具有重要的启示意义。       

研究工作得到国家自然科学基金委员会和中国科学院战略性先导科技专项（A类）等的资助，并获得“科学”号、“发现”号ROV运维团队的支持。

“发现”号ROV开展激光拉曼综合原位探测

西太平洋马努斯弧后盆地DESMOS火山口

基于“发现”号ROV在Onsen和Faxian区域开展综合原位探测

Onsen和Faxian两个区域的微生物组学分析结果

DESMOS火山-热液系统的流体活动和生物代谢模式图

来源：中国科学院海洋研究所