极地冰盖下弱分层环境中热液羽流的独特扩散特性及其对深海生物地球化学循环的影响

本研究揭示了北极Gakkel Ridge（加克洋脊）Aurora热液喷口（82°53.83′N, 6°15.32′W）在永久冰盖和弱分层（weakly stratified）环境中的独特羽流扩散模式。通过综合水柱参数（如浊度、氧化还原电位Eh）、溶解金属（dFe、dMn）、δ3He和甲烷（CH4）数据，发现其羽流垂直范围超500米但水平扩散受限，显著影响基因流动和化学通量。研究成果为超慢速扩张洋脊（ultraslow-spreading ridge）的热液活动及 icy moons（冰卫星）类比研究提供新见解。

　　

极地深渊中的热液奇观：Aurora喷口羽流的垂直扩张与生物地球化学密码

1 引言

北极加克洋脊（Gakkel Ridge）作为地球上扩张最慢的洋中脊（0.6-1.3 cm yr^-1），其西缘的Aurora热液场（82°53.83′N, 6°15.32′W）隐藏着独特的科学谜题。在永久冰盖和弱盐度分层（haline stratification）的北极深海中，热液羽流展现出反常的几何特征——水平范围仅2公里，垂直延伸却超过800米。这种"瘦高型"羽流形态源于北极深层水（>1,500米）近乎消失的密度梯度（Δρ<0.002 kg m^-3），与强潮汐调制（tidal modulation）共同塑造了生命与元素循环的微型宇宙。

2 材料与方法

2014年PS86航次首次通过CTD-Rosette系统搭载高灵敏度浊度计和氧化还原电位（Eh）传感器锁定羽流。LADCP测流数据揭示底层流速仅2 cm s^-1，但存在显著的半日潮信号。溶解气体采用火焰密封玻璃安瓿法采集，δ³He通过质谱分析，而CH₄通过气相色谱（GC-FID）实时检测。令人意外的是，羽流中检测到天然来源的六氟化硫（SF₆），这可能是首次在深海热液系统中发现该示踪剂。

3 结果与讨论

3.1 物理特征

羽流呈现"双层蛋糕"结构：主羽流层（2,800-3,700米）上方300米处存在次生异常层，可能源于潮汐内波对上升高度的调制。热通量模型估算Aurora喷口总热输出约20 MW，相当于10-15 L s^-1的370°C黑烟囱流体。值得注意的是，SF₆/³He比值（R²=0.94）暗示热液系统可能流经富氟岩层。

3.2 溶解组分

δ³He峰值达14.7%（扣除氚衰变背景6%），与溶解金属呈现显著相关性：dFe最高173 nmol L^-1（R²=0.42）、dMn达27 nmol L^-1（R²=0.63）、CH₄为30 nmol L^-1（R²=0.76）。特别的是，CH₄/Mn比值（0.7-1.6）与中大西洋脊Rainbow热液场（0.54-1.2）高度相似，强烈暗示Aurora存在超镁铁质（ultramafic）围岩相互作用。

3.3 颗粒沉降

0.45 μm滤膜分析揭示颗粒态Fe/Al比值较背景高5倍，而Cu/Al比值更达20倍，证实近喷口处硫化铜快速沉淀。钒（V）、砷（As）等氧阴离子与Fe的共沉淀（R²>0.9）符合典型铁羟基氧化物（Fe-oxyhydroxide） scavenging机制。相比之下，稀土元素（REE）富集程度较低，反映颗粒尚未经历远距离搬运。

3.4 沉积记录

距喷口最近的沉积物铜含量惊人——达8,222 mg kg^-1，30倍高于外围样品（<50 mg kg^-1）。铁分布则呈现"平台式"衰减（近喷口10 wt% vs. 外围5 wt%），印证硫化铜颗粒优先于铁氧化物快速沉降的二分法。

4 结论

Aurora羽流的"高瘦"形态创造了独特的生物地球化学牢笼：垂直扩散导致化学信号快速稀释，而水平受限则阻碍了喷口生物群的基因交流。这一发现不仅挑战了超慢速扩张洋脊热液活动稀少性的传统认知，更为木卫二（Europa）等冰卫星的深海探测提供了关键类比模型——在卤素主导分层的外星海洋中，生命信号或许同样被禁锢在"垂直烟囱"之内。