崂山实验室联合中国科学院海洋所揭示深海“昆仑”富氢热液系统的形成与演化机制！

News

科研动态

近日，崂山实验室联合中国科学院海洋研究所在深海极端环境研究领域再次取得重要突破。研究团队在此前首次发现的昆仑热液筒群基础上，通过深入的原位探测、地球化学分析与生态系统调查，系统揭示了该区域高通量氢气释放的地质机制、成因过程与深海生命生态特征。最新研究成果以《A large intraplate hydrogen-rich hydrothermal system driven by serpentinization in the western Pacific: Kunlun》（《西太平洋板内大型蛇纹石化驱动的富氢热液系统：昆仑》）为题在线发表于国际权威期刊 Science Advances。

2024年，在国家自然科学基金委员会和崂山实验室联合资助的“载人深潜—板块俯冲起始机制”重大科学考察航次（航次编号：NORC2023-583）中，研究人员首次在西太平洋穆绍海沟附近发现了由20个直径数百米的巨大圆坑组成的富氢热液筒群，命名为“昆仑热液筒群”，有关研究成果2025年初发表于Science Bulletin，引发广泛关注。这些特殊形态的热液筒与常规海底麻坑截然不同，推测为蛇纹石化反应释放氢气形成。此次发表在Science Advances的研究进一步对昆仑热液筒群开展了深入研究，首次明确了该系统的形成演化过程、氢气释放通量、矿物成分及生态特征。

研究团队利用高精度多波束地形扫描与“奋斗者”号载人潜水器原位观测，发现昆仑热液筒群由直径450至1800米、深度最高达130米的巨型麻坑组成（图1），形态与陆地上的金伯利岩筒相似，底部分布大量热液角砾岩，释放的热液流体富含氢气。原位拉曼光谱分析表明氢气浓度高达6.8 mmol/kg，推算年氢气释放通量达4.8×1011 mol，占全球海底非生物氢气通量的5%以上。进一步的研究揭示了昆仑热液筒群的形成与演化机制。多台海底地震仪（OBS）观测到800余个短时地震事件，结合热液角砾岩分布、构造裂隙特征及稳定同位素分析，研究认为深部蛇纹石化反应释放的氢气在密闭裂隙中逐渐积聚，当达到临界压力后与渗入的海水氧气在混合界面发生爆炸，形成剧烈喷发并造成大规模圆形洼地的出现。这一过程与浅层金伯利岩筒的爆炸成因具有类似特征。

基于综合地质与观测证据，研究团队提出了昆仑热液筒群的四阶段演化模型：首先，蛇纹石化反应释放的氢气积聚于深部裂隙中；第二阶段，裂隙系统密闭后氢气压上升触发爆炸，形成筒状洼地与角砾岩堆积；第三阶段，喷发通道逐步被自生碳酸盐封堵；第四阶段，在部分再封闭系统中氢气再次积聚，驱动周期性的小规模热液活动，最终系统逐渐衰减或封存（图2）。

此外，针对该研究区的另一研究成果最近以《Formation of breccia pipes associated with a hydrogen-rich hydrothermal system on the east Caroline plate in the West Pacific》（《西太平洋卡罗琳板块东缘富氢热液系统相关角砾岩筒的形成机制》）为题投稿至Science Advances（已接收）。

上述系列研究成果不仅在全球首次系统揭示了板内大型富氢热液系统的形成演化过程和爆炸成因机制，也为深海氢气资源的形成、迁移与释放通量的量化评估提供了观测与理论支撑。昆仑热液筒群作为一个富氢、高通量、低温、生态活跃的深海天然系统，不仅拓展了对深部地球系统与极端生态环境共演过程的理解，也为未来海底氢能资源开发、生命起源及板块动力学研究提供了重要的研究样地。

图1 昆仑热液筒群的分布位置与热液活动特征。（A）昆仑热液筒群位于西太平洋穆绍海沟西侧的卡罗琳板块上（黄色框）；（B）该热液筒群发育在穆绍海沟以西50–80公里的高起地形上，共识别出20个直径为450–1800米、深度为30–130米的巨型热液圆坑；（C）“崂山”筒体呈椭圆形，长约1000米，宽约600米；（D）多个大筒体底部发育有数量众多的小型次级喷口或洼坑，直径可达20米，图中展示一处直径约3米的洼坑；（E）“问海”筒内可见大规模自生碳酸盐沉积体，裂隙中有热液流体喷出；（F）“崂山”筒体内观测到强烈热液喷发活动，周围分布有阿尔文虾、铠甲虾和海葵等典型热液生物。

图2 昆仑热液筒内热液活动过程示意图。海水通过卡罗琳板块弯曲部位的深部断裂渗入上地幔，发生蛇纹石化并释放氢气，生成富含氢气、镁和钙的热液。热液沿裂隙上升，在喷口附近与海水混合沉淀白云石，远离喷口处因温度降低沉淀方解石。在筒体底部，氢气持续积聚，支持以无机化能为基础的深海生态系统。

相关论文：

1. Lianfu Li†, Hongyun Zhang†, Shichuan Xi, Chenglong Liu, Cong-ying Li, Jian Zheng, Jing Huang, Yufei Hao, Xin Zhang*, Weidong Sun*, A large intraplate hydrogen-rich hydrothermal system driven by serpentinization in the western Pacific: Kunlun, Science Advances. Published online on 8th August, 2025.

2. Yuanyuan Xiao†, Kun Wang†, Yuan Wang†, Shuai Yuan, Hongyun Zhang, Tianyu Zhang, Congying Li, Annan Ren, Guozhi Xie, Vadim S. Kamenetsky, Hao Xie, Fengtai Tong, Shengji Wei, Weidong Sun*, Formation of breccia pipes associated with a hydrogen-rich hydrothermal system on the east Caroline plate in the West Pacific, Science Advances. Accepted.

3. Lianfu Li†, Hongyun Zhang†, Shichuan xi, Chenglong. Liu, Congying Li, Jian Zheng, Jing Huang, Yufei Hao, Xin Zhang*, Weidong Sun*. Large hydrogen hydrothermal pipe swarm identified in the deep ocean. Science Bulletin. 2025. In press.

• 信息来源：崂山实验室。

  转载请注明信息来源及海洋知圈编排。