西太平洋卡罗琳板块东部富氢热液系统中角砾岩管形成机制与全球氢循环意义

中国科学家在卡罗琳板块东部发现大型富氢热液系统，揭示深海断裂带中氢气爆炸性释放形成角砾岩管的新机制。通过地震监测、载人深潜和同位素分析，证实板块弯曲诱发蛇纹石化产生巨量氢气，与海水循环释放的氧气混合引发相当于106-109吨TNT当量的爆炸，为全球氢通量贡献5%。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，为深海氢资源勘探和地质灾害预警提供新视角。

　　

在深邃的西太平洋海底，隐藏着一个令人震撼的地质奇观——卡罗琳板块东部4300米深处，科学家们发现了20个直径达450-1800米的巨型角砾岩管群"昆仑"。这些如同月球环形山般的结构，其形成机制长期困扰着地质学界。传统观点认为此类结构多与火山活动相关，但该区域远离火山弧，且缺乏火山证据。更引人注目的是，这里检测到的氢气浓度异常之高，其通量竟占全球预估氢排放的5%，远超著名的"失落之城"热液区。这引发了一系列关键科学问题：深海环境中如何积累足以形成相当于亿吨级TNT爆炸能量的氢气？这些氢气又如何突破地壳束缚形成如此壮观的地质结构？

为解开这些谜团，中国国家自然科学基金委员会第583次考察队综合运用多学科手段展开研究。通过装备在"探索一号"科考船上的Kongsberg EM 122多波束回声测深系统，团队首先绘制了穆绍海沟附近的高精度地形图。随后利用"奋斗者"号载人深潜器(HOV)对4个典型管道(崂山、竹山等)进行实地考察，采集了热液流体和岩石样本。为监测气体释放活动，沿150公里剖面布设21台海底地震仪(OBS)，在28天内记录了824次短时地震事件(SDE)。样本分析采用原位激光拉曼光谱和压力保持采样技术，并通过高分辨率同位素比质谱仪(IRMS)测定氮同位素组成。

热液管道特征

载人深潜观察显示，这些管道具有陡峭的岩壁和底部角砾岩堆积，形态类似金伯利岩管。与常见热液系统不同，这里缺乏碳酸盐烟囱结构，研究者认为这与西太平洋4300米以下的碳酸盐补偿深度(CCD)有关。管道内存在多代嵌套的碗状凹坑，直径从数十米至亚米级不等，管壁上可见化石热液通道和碳酸盐填充裂隙，表明爆炸活动具有多期次特征。

短时地震事件

OBS记录到的SDE持续时间不足1秒，频率集中在5-20Hz，分布在穆绍海沟弯曲段和管道群周边。这些信号被解释为断裂带内气体突然释放所致，证实了氢气活动的广泛性和持续性。值得注意的是，位于崂山和竹山管道附近的1号和2号台站记录到65-83次SDE，显示这些区域存在强烈气休活动。

弯曲断裂系统

高分辨率地形数据揭示了一系列与海沟呈25°夹角的大型断裂带。深潜考察发现这些断裂被白色粘性泥层覆盖，泥层中含有白云石和锰矿物。垂直的管状结构广泛分布于泥层陡壁，被确认为古热液通道。研究者提出，板块弯曲导致断裂切穿岩石圈，海水沿裂隙渗透引发蛇纹石化反应(橄榄石+H₂O→蛇纹石+磁铁矿+H₂)，同时体积膨胀25%导致泥质喷发形成多层泥被。

讨论与意义

研究建立了全新的氢气爆炸成管模型：深部蛇纹石化产生的氢气向上运移，与海水循环释放的氧气(溶解度随温度升高而降低)在封闭断裂中混合。当H₂:O₂比例达到4-95%的爆炸区间时，反应释放巨大热量(2H₂+O₂→2H₂O，ΔH=-572 kJ/mol)，引发压缩氢气的二次爆炸。计算显示形成1800米管道需要2.6×10⁹吨TNT当量，相当于1.2×10¹⁰吨氢气瞬间释放。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究具有多重意义：首次证实俯冲带弯曲断裂可作为全球氢循环的重要通道；揭示了不同于火山或陨石撞击的第三种大型地质结构形成机制；为深海氢资源勘探指明新的靶区(重点关注板块弯曲带)。研究者特别警告，此类爆炸性释放可能破坏氢气储层，在资源勘探中需高度警惕。该发现也为理解地球深部生物圈能量来源和早期地球环境演化提供了新视角。