洋底热液喷口系统的微生物成矿研究进展

现代洋底热液喷口系统的微生物成矿研究进展是地球自身发展、生命演化、洋底下的生物圈层以及天文微生物探索工作得以有效开展的重要保障。近10余年来,随着微电子和分子生物学技术的发展,热液系统微生物成矿研究得以拓展和深入,逐渐成为地质微生物学研究的一个热点领域。当前在全球的热液喷口系统已经发现微生物在包括Fe、Mn、S、Si的氧化物以及硅酸盐矿物的形成过程中起到了重要甚至关键性的作用,同时热液喷口系统依赖于无机化能代谢活动存在的微生物的矿化成为人们理解生命形式与无机地球相互作用历史的最关键的证据之一,已经从根本上补充甚至修正了生命科学与地球演化的一些核心观点。总结了近年来热液喷口系统微生物成矿研究的最新进展,论述了该环境中微生物成矿的机制和类型,探讨了微生物和部分矿物之间的相互作用以及现代热液微生物成矿研究的地质意义,以期加深人们对热液喷口微生物成矿过程的理解与重视。

热液喷口系统中Fe-Si氧化物沉淀体的形成及微生物的作用

根据形貌识别以及分子生物学最新研究结果,包括Gallionella ferruginea,Leptothrix ochracea和Mariprofundus ferrooxydans在内的嗜中性Fe氧化菌在现代甚至古代热液喷口系统的Fe氧化物沉积体的形成中起到了重要作用。对于现代热液喷口系统而言,还原性羽流进入氧化性海水时形成的氧化还原过渡带是嗜中性Fe氧化菌最重要的生存环境,它们能在此环境中与Fe的无机氧化机制展开有效竞争,藉此获取生存所必须的能量。此外,通过静电吸引和表面活性基团的键合作用,细胞能在其表面和附属器官形成Fe氧化物壳层,从而形成与细胞自身相态相似的各种丝缕状结构。丝缕状结构生长到一定程度,就会阻滞热液流体和海水混合,进而在丝缕体交织成的网络内发生传导性热冷却,使流体中的Si达到饱和,在Fe氧化物表面沉淀下来,形成现代热液喷口系统的Fe-Si"二期次"复合生长结构。与现代Fe-Si沉淀类似的古代条带状Fe建造(B IF)沉积体的近期研究成果显示,Fe的来源很可能是前寒武纪时的热液喷口系统。由于B IF形成的海洋环境处于整体缺氧状态,早期营光合作用的微生物以及与现代类似的嗜中性Fe氧化菌很可能都参与了这个过程。

现代海底热液过程及成矿

原始的海水成分、基岩的组分及结构、热源性质等因素决定着现代海底热液喷口系统的流体成分,同时,各种地质构造背景下的岩浆脱气作用也在不同程度上影响热液流体的组成.热液流体一旦喷出海底,就能形成不同类型的热液沉积体,包括高温流体形成的金属硫化物或硫酸盐烟囱体、热液丘以及由低温弥散流及非浮力羽流形成的含金属沉积物堆积体.高温烟囱体的形成受控于海水和热液的混合比例,常常表现为典型的两阶段模式,即先形成环状硬石膏表层,然后在其内部发生富Cu硫化物的沉淀.这一模式在更大尺度上也可以观察到,如TAG热液丘.含金属沉积物遍布海底,除热液羽流外,金属硫化物烟囱体在氧化环境中氧化蚀变的产物也是其重要来源.生物的活动贯穿于现代热液过程的始终,并在烟囱体的形成、分解以及羽流的扩散沉淀过程中起到了重要作用.当前,热液生物矿化机理、Lost City型热液场以及超慢速扩张洋脊的有关研究是海底这一系统研究的热点,前两者研究能使人们更好地理解地球早期的演化和生命的起源,而后者的考察和研究能进一步丰富海底热液成矿理论,并有助于寻找更大规模的热液矿体.