Bijeli dimnjaci koji emitiraju tekućinu bogatu barijem, kalcij, silicij i ugljik-dioksidom na otvoru Champagne, vulkan Eifuku, Marijanska brazda, Nacionalni spomenik marincima
Hidrotermalni otvor je ispušni otvor na morskom dnu iz kojeg se izvire geotermalna zagrijana voda. Hidrotermalni otvori se obično nalaze u blizini vulkanskih aktivnih mjesta, područja u kojima se razmiču tektonske ploče u centru širenja, okeanskih bazena i vrućih tačaka.[1] Klasifikacija hidrotermalna ležišta pravi se na bazi analize stijene i mineralnih ruda, nastalih djelovanjem hidrotermalnih otvora.
Hidrotermalni otvori postoje jer je zemlja geološki aktivna i ima veliku količinu vode na svojoj površini i unutar svoje kore. Pod morem, hidrotermalni otvori mogu oblikovati značajke nazvane "crni dimnjaci" ili "bijeli dimnjaci". U odnosu na većinu dubokih mora, područja oko hidrotermalnih otvora podmorje je biološki produktivnija, pa često imaju složene zajednice koje topla voda potpomažu hemikalijama otopljenim u prozračnim tekućinama. Hemosintetskebakterije i archaea tvore osnovu prehrambenog lanca, podržavajući različite organizme, uključujući divovske crve, školjke, priljepke i škampe. Smatra se da aktivni hidrotermalni otvori postoje na Jupiterovom satelitu Evropa, i na Saturnovom satelitu Enceladusu.[2][3] a nagađa se da su drevni hidrotermalni otvori nekada postojali na Marsu.[1][4]
Fizička svojstva
Fazni dijagram u kojem zelena isprekidana linija ilustrira anomalijsko ponašanje vode. Tačkasta zelena linija označava talište, a plava linija tačku ključanja, pokazujući kako variraju u vezi sa pritiskom; puna zelena linija pokazuje tipično ponašanje tališta za druge supstance
Voda koja izlazi iz hidrotermalnih otvora iz morskog dna sastoji se većinom od morske vode koja se uvlači u hidrotermalni sistem blizu vulkanske strukture putem rasjeda i poroznih sedimenata ili vulkanskih slojeva, plus nešto magmatske vode koja se oslobađa uzvodnim magmama. U kopnenim hidrotermalnim sistemima većina vode koja cirkulira unutar fumarola i gejzira je meteorska voda plus podzemna voda koje se s topline probijaju u toplinski sistem, ali obično sadrže i dio porcije metamorfne, magmatske i formacijsks taložne slane vode koja se oslobađa iz magme. Udio svak od njih razlikuje se od lokacije do lokacije.
Za razliku od toga, približno 2oC temperature okolne vode na tim dubinama, iz tih otvora izlazi voda pri temperaturama od oko 60oC[5] do najviše 464oC.[6][7] Zbog visokog hidrostatskog pritiska na ovim dubinama, voda može postojati u svom tekućem obliku ili kao superkritična tekućina na takvim temperaturama. kritična tačka (čiste) vode je 375 o C, pri pritisku od 218 atmosfera
Eksperimentalni rezultati za granicu para-tekućina u kritičnom području od 380-415°C
Međutim, unošenje slanosti u tekućinu podiže kritičnu točku na veće temperature i pritiske. Kritična tačka morske vode (3,2 tež. % NaCl) je 407 °C i 298.5 bara,[8] odgovarajuće dubine od ~ 2.960 m ispod razine mora. Sukladno tome, ako je hidrotermalna tekućina sa slanošću od 3,2 tež. % NaCl otvora iznad 407 °C i pritisak od 298,5 bara je superkritična. Nadalje, pokazano je da se slanost tekućina za ispuštanje uveliko razlikuje zbog razdvajanja faza u kori.[9] Kritična tačka za tekućine sa većim salinitetom je pri nižim temperaturama i pritiscima od one u morskoj vodi, ali višoj od one za čistu vodu. Naprimjer, otpusna tečnost sa salinitetom 2,24 tež. % NaCl ima kritičnu tačku na 400 °C i 280,5 bara. Dakle, voda koja izlazi iz najtoplijih dijelova nekih hidrotermalnih otvora može biti superkritični fluid, koji posjeduje fizička svojstva između onih plina i onih kod tekućine.[6][7]
Primjeri nadkritičnog oduška nalaze se na nekoliko mjesta. Sister Peak (Hidrotermalno polje uvale, 4°48′S12°22′W / 4.800°S 12.367°W / -4.800; -12.367, dubina 2.996 m) ventilacijski otvori s niskom salinitetom razdvojen fazom, fluidi su tipa para. Otkriveno je da se za kontinuirano odzračivanje ne smatra kritičnim, već kratkom injekcijom 464 °C je bio znatno iznad nadkritičnih uslova. Na obližnjem lokalitetu, Turtle Pits, pronađeno je da ističe tekućina sa većom slanošću na 407 °C , koja je iznad kritične tačke tečnosti pri toj slanosti. Otvoreno mjesto u Cayman Troughu, koje je najdublje poznato hidrotermalno nalazište na svijetu, na 5.000 m ispod morske razine, pokazalo je trajno natkritično odzračivanje pri 401 °C i 2,3 mas.% NaCl.[10]
Iako su natkritični uvjeti primijećeni na nekoliko mjesta, još nije poznato koji značaj ima, ako ih ima, natkritično odzračivanje u smislu hidrotermalne cirkulacije, stvaranja mineralnih taloga, geokemijskih tokova ili biološke aktivnosti.
Početne faze ventilacijskog dimnjaka počinju taloženjem minerala anhidrita. Sulfidibakra, gvožđa i cinka zatim se talože u prazninama u dimnjaku, čineći ga manje poroznim tokom vremena. Zabilježeni su porasti ventilacije reda 30 cm dnevno.[11] Istraživanje dubokomorskih otvora u aprilu 2007. godine kraj obale Fidžija otkrilo je da su ti otvori značajan izvor rastvorenog gvožđa.[12]
Formiranje
Pokretanje tektonskih ploča izaziva produženja i nanose na razini okeanskih hrpata, kao i pukotina u Zemljinoj kori. Morska voda može se infiltrirati i ugrijati u blizini magme. Pod uticajem temperature i pritiska, tekućina se uzdiže do morskog dna. Otapanjem postaje kisela i puna metala u dodiru sa okolnim stijenama (temperatura i vrlo visok pritisak povećavaju moć otapanja vode). Nakon toga, za vrijeme ispuštanja, u dodiru sa hladnom morskom vodom, talože se minerali i formiraju mineralne strukture sa funkcijom dimnjaka.
Hidrotermalne tekućine su bogate otopljenim plinovima (sumporovodik, metan, ugljik-monoksid, ugljik-dioksid i vodik) i metalima (silicij, mangan, gvožđe, cink). Sastav i fizičkohemijske osobine hidrotermalnih tekućina su posljedica djelovanja temperature i vrste stijena kroz koje je tekućina doticala. U tom smislu, mogu se razlikovati crni i bijeli dimnjaci.
Hidrotermalni dimnjaci snabdijevaju okeane gvožđem (50.000 t/an) čime pospješuju rast fitoplanktona. Značajni su sudionici u prirodnom ispuštanju ugljik-dioksida. Posebno su značajni u Južnom okeanu gdje opskrbljuju 20.000 tona fitoplanktona. Međutim, samo 0,2% gvožđa iz vrelih podvodnih izvora ostaje topivo.[13]
Strukture vremenski evoluiraju, ali su prolazne: dimnjaci traju oko 10-100 godina. Mogu i propasti, a kanali se mogu zarušiti mineralima. Aktivno područje uz greben može se pomaknuti i izazvati nastajsnje novih dimnjaka i nestanak starih. Dakle, mjesto koje su naučnici jednom identificirali može nestati prije nego se oni vrate u novu misiju.
Crni dimnjak ispušta vodu sa sumporom, na vrlo visokoj temperaturi, od oko 350 °C. Prije izlaska iz dimnjaka, tekućina se ne razrjeđuje morskom vodom.
Bijeli dimnjak formira se kada se ispuštaju tekućine koje su već prethodno razrijeđene morskom vodom. Tekućine koje ispuštaju bijeli dimnjaci sadrže barij i kalcij-sulfat na temperaturama od 150 do 270 °C.
Transparentni dimnjak ispušta tekućinu sa 20% saliniteta, koja ne sadrži nikakve čestice.
Dimnjaci, a posebno crni, su oaze života na dnu okeana. Neki organizmi su prilagođeni iskorištavanju toplote i sumpora koje dimnjaci ispuštaju.
Ekosistem hidrotermalnih izvora
Grupa jedinki vrste Riftia pachyptilaZajednica cjevastih crva pri osnovi jednog hidrotermalnog izvora.
Prije 1977., morsko dno smatralo se pustinjom bez primarne fotosintetske proizvodnje. Otkriće ekosistema hidrotermalnih izvora dramatično je povećalo znanja iz biologije, a promijenilo se i davnanje mišljenje kako je makroskopski život nemoguć bez svjetlosti.
Na razini hidrotermalnih izvora, primarnu proizvodnju obavljaju hemosintskimikroorganizmi. Ovi organizmi koriste emijsku energiju iz rastvorene soli za obavljanje funkcije fotosinteze kod biljaka. Oni čine prvu kariku u lancima ishrane, a jedu ih primarni potrošači. Postoje i simbiotske zajednice, u kojima simbiont stvara energiju na licu mjesta.
Život se odvijs oko mjesta ispuštanja zagrijanih tekućina koje se miješaju sa morskom vodom. Postoji temperaturni gradijent koji ide od toačke ispuštanja pa dalje; tu postoje životinjske zajednice vrućeg i toplog pola.
Ekstremofilni mikroorganizmi mogu uspijevati i bliže dimnjaku i na većim temperaturama.
Neke kompanije ili države su zainteresirane za mogućnost komercijalnog iskorištavanja ovih vrućih vrela kao izvor zagrijavanje ili za eksploataciju ruda. Takav je slučaj kod, naprimjer, vlade Novog Zelanda, jer se ekskluzivna ekonomska zona (EEZ) nalazi na supdukcijskoj zoni koja je bogata hidrotermalnim izvorima.
Prvi zahtjevi za dozvole (koncesije) za bušenje su podneseni 2008. (Neptune minerals, za zonu Rumble II West Seamount koja nije bila otkrivena do avgusta 2007. godine).[14] jedne od prvih grupa formiranih za iskorištavanje mineralnih bogatstava dubina, a osobito za iskorištavanje takozvanog "SMS-a" (Seafloor Massive Sulphide). Ova kompanija je 2008. godine dobila dozvolu za istraživanje površine podmorja veće od 278.000 km2, gdje su teritorijalne vode Novog Zelanda, Papua Nove Gvineje, Mikronezije i Vanuatua, a postavila je i zahtjev za istraživanje daljnih 436.000 km2, gdje su ostale teritorijalne vode Novog Zelanda, Japana, Sjevernih Marijanskih otoka, Palaua i Italije.
Ekološke posljedice
Dr. Simon McDonald, direktor grupe Neptune, objavio je 2008. kako priznaje da takve aktivnosti predstavljaju ekološki problem, ali da je njegova grupa obećala da će raditi u duhu dobrog upravljanja okolišem i transparentne komunikacije sa svim dioničarima. Biolozi strahuju zbog mogućih ozbiljnijih uticaja na krhku bioraznolikost koja je koncentrirana oko geotermalnog podmorja. Pored toga, mnoge vrste koje tu žive rastu sporo, kasno dostižu spolnu zrelost, rijetke su, a mnoge su vjerojatno još nepoznate naučnoj zajednici.[15]
^ abColín-García, María (2016). "Hydrothermal vents and prebiotic chemistry: a review". Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana. 68 (3): 599–620. doi:10.18268/BSGM2016v68n3a13.
^ ab
Haase, K. M.; et al. (2007). "Young volcanism and related hydrothermal activity at 5°S on the slow-spreading southern Mid-Atlantic Ridge". Geochemistry Geophysics Geosystems. 8 (11): Q11002. Bibcode:2007GGG.....811002H. doi:10.1029/2006GC001509.
^ ab
Haase, K. M.; et al. (2009). "Fluid compositions and mineralogy of precipitates from Mid Atlantic Ridge hydrothermal vents at 4°48'S". Pangaea. doi:10.1594/PANGAEA.727454.
