熱水噴出孔

熱水噴出孔（ねっすいふんしゅつこう、英語: hydrothermal vent）は地熱で熱せられた水が噴出する割れ目である。数百度の熱水は、重金属や硫化水素を豊富に含む。熱水噴出孔がよく見られる場所は、火山活動が活発なところ、発散的プレート境界、海盆、ホットスポットである。
熱水噴出孔は地球上ではふんだんにみられるが、その理由は地質学的活動が活発であることと、表面に水が大量にあることである。陸上にある熱水噴出孔には温泉・噴気孔・間欠泉があるが、これらについては各項目を参照するとして、ここではおもに深海熱水噴出孔について述べる。
深海によく見られる熱水噴出孔周辺は、生物活動が活発であり、噴出する液体中に溶解した各種の化学物質を目当てにした複雑な生態系が成立している。有機物合成をする細菌や古細菌が食物連鎖の最底辺を支え、そのほかに化学合成細菌と共生したり環境中の化学合成細菌のバイオフィルムなどを摂食するジャイアントチューブワーム・二枚貝・エビなどがみられる。
地球外では木星の衛星エウロパでも熱水噴出孔の活動が活発であるとみられているほか、過去には火星面にも存在したと考えられている。

熱水噴出孔の海中探査

1949年に紅海中部の海底を調査したところ特異な熱水床の存在が報告された。1960年代になると60 °Cの塩類を含む水とこれに関係する金属を含む泥の存在が確認された。熱い水溶液は活発な海底下のリフトから噴出していた。塩分濃度が高すぎて生物の生息は無理な環境であった。この塩水と泥が貴金属や卑金属の供給源でありうるか現在調査中である。
海中の熱水噴出孔の一種であるブラックスモーカーは東太平洋海嶺の支脈にあたるガラパゴスリフトのある海域で、海水温を調査中の海洋地質学者のグループが1976年に発見した。計測温度とその他の証拠から、地質学者はこの発見は熱水噴出孔からの噴出水であると結論付けるに十分な情報を得た。1977年、リフトに戻った地質学者はウッズホール海洋研究所の潜水艇アルビン号を使って数々の熱水噴出孔を目視確認した。同年、Peter Lonsdaleは熱水噴出孔に関する初の論文を発表した。
2005年にはある鉱物資源調査会社が、ケルマディック島弧で3万5,000km²の調査を許可され、熱水噴出孔により形成された鉛・亜鉛・銅の硫化物の新しい鉱床たりうる海底硫黄鉱床を探査した。2007年4月には中米コスタリカ沖合の太平洋における新しい熱水噴出孔海域（ギリシア神話の怪物 メドゥーサ にちなんで命名された）の発見が発表された。
2010年4月6日、イギリス国立海洋学センターの研究チームが、カリブ海ケイマン諸島沖合のケイマン海溝で、世界で最も深い場所に位置する熱水噴出孔を発見した。それまで確認されていた通常の熱水噴出孔の約2倍、最も深いとされたブラックスモーカーよりもさらに800m深い水深5,000mの海底にある。海洋探検家ウィリアム・ビービ（en:William Beebe）にちなんで「ビービ（ビーブ噴出孔フィールド）」と名付けられたこの熱水噴出孔は、鉄と銅の鉱石で形成されたチムニーを持つブラックスモーカーのひとつである。水温は摂氏400度と推定され、周辺では目を持たず代わりに背中に光受容体を持つ新種のエビ類や白い触手を持つ新種のイソギンチャク類など発見が相次いでいる。

物理的特徴

深海熱水噴出孔がよくみられるのは中央海嶺沿いである。ここは2つのプレートの境界域でマントルプリュームが上昇するところである。
海底の熱水噴出孔から噴出する水は、断層や透水性の堆積層からしみ込んで火山性の地熱構造で熱せられた海水が多いが、マグマの上昇に伴って放出されたマグマ水も一部含む。
陸上では噴気孔や間欠泉に回る水の多くが降水と地下水であり、これらは地表から地熱を受ける深さまでしみ込んだものであるが、一部には変成水、堆積層中で塩類を溶解した水、マグマから放出されたマグマ水を含む。
熱水噴出孔から噴出する水温は400°Cにも達するが、熱水噴出孔がある深海の水温は2°Cくらいである。深海の高い水圧によりこの高温でも水は液体のままで沸騰しない。水深3,000mで407°Cの水は超臨界状態である 。塩濃度が上昇すると、臨界点は高くなる。
熱水噴出孔によってはチムニー（煙突）とよばれる円柱状の構造物を形成することがある。超高温の熱水に溶解している鉱物が0°Cに近い海水と接触すると、接触面で化学反応が進み生成物が析出・沈殿してこのようなチムニーができる。そのようなチムニーの例としては、オレゴン州の沖合にある高さ40mで折れてしまった通称『ゴジラ』がよく知られる。なかには高さ60mに達するものもある 。
熱水チムニーの生成には、硫化鉱物と硬石膏の沈殿が伴う。これらの鉱物はチムニーと海水の境界面で析出して沈殿し、長い間には透水性が低下する。チムニーが一日30cmずつ成長したという記録もある。
チムニー構造で黒色の熱水を噴出するものを特に「ブラックスモーカー」とよぶ。ブラックスモーカーが噴出するのは、黒色の硫化物の微細結晶を多量に含むためである。一方、「ホワイトスモーカー」が噴出するのは、無色に近いバリウム・カルシウムの硫酸塩鉱物や石英などを多量に含むためである。ホワイトスモーカーの熱水はブラックスモーカーの熱水より温度が低い傾向がある。また沖縄トラフの鳩間海丘では有人潜水調査船しんかい6500による探査で「ブルースモーカー」が発見されたが、この色の解明は今後の調査を待つ段階である。

チムニー

チムニーは、海底から噴出する熱水に含まれる金属などが析出・沈殿してできる構造物。海底から柱状に突きだした構造物となり、柱の突端から金属や硫化水素等を多く含んだ黒い熱水をあたかも煙突のように噴出する様から名付けられた（硫化物や金属成分の少ない白いチムニーも存在する）。海洋プレートの境界部、火山島周辺の海底で観察される。
本来、地質学の面からアプローチが行われてきたが、チムニー周辺に、本来、生物に有害であるはずの硫化水素やメタンなどを材料に有機物を合成する熱水生物群集や、鎧のような硫化鉄の皮膚を持つ生物などが発見されるに至り、生物学的見地からも注目を浴びるようになった。チムニーの生態系はそれぞれに固有のもので、わずか数メートル程の距離の隣り合うチムニーでも生態が異なることが確認されている。まさに鉱床が造られている場所であり、有用金属の採取などからも注目を浴びている。

熱水噴出孔まわりの生物社会

熱水噴出孔周辺の生物社会は一次生産者であるバクテリアと古細菌に大きく依存している。熱水噴出孔から噴出する水は豊かな鉱物資源を溶解しており、有機物合成をするバクテリアの大量増殖が可能である。これらのバクテリアは各種硫化物から有機物を合成する。また、熱水噴出孔近傍の海底下に生息している好熱性の微生物も熱水に巻き込まれて大量に噴出している。多くはバクテリアだが、温度の上昇に伴いThermococcusやMethanocaldcoccusを代表とした古細菌の割合が増加する。
バクテリアは増殖して厚いマット状に広がり、これを餌にする端脚類やカイアシ類などが集まってくる。そして巻貝・エビ・カニ・チューブワーム・魚類・タコなどより大きな生物とともに食物連鎖を形成する。このようにしてできる生態系は熱水噴出孔をエネルギーの供給源として存続し、太陽エネルギーに依存する地表の生態系とは異なる体系をつくる。ただし、この生物社会は太陽とは無関係に存在するといわれることが多いが、そのなかには光合成により生じた酸素に依存するものも混じっている。それ以外のものは太古と変わらぬ嫌気性生物である。
熱水噴出孔の動物と密接な関係にある微生物社会を嫌気性・金属耐性の面から計数観察した結果、対象とした熱水噴出孔周辺の動物相を支えるバクテリア社会の大部分に金属耐性があり嫌気的に金属を還元すること、嫌気性金属呼吸（テルル酸呼吸）が熱水噴出孔の動物相と共生するバクテリアにおいて重要なプロセスであるらしいことがわかる。
熱水噴出孔で無機物や有機物から生命が誕生したという仮説も複数存在する。日本の海洋研究開発機構と理化学研究所は、熱水噴出孔の周囲で微弱な電流を確認し、これが生命を発生させる役割を果たした可能性があるとの研究結果を2017年5月に発表した。
しかし、この仮説に対しては「熱水の組成には必須元素のマグネシウムが欠落している」という反論もある。
チューブワームは熱水噴出孔周りの生物社会では重要な位置にある。チューブワームは寄生生物のように養分を直接体組織に吸収する。チューブワームには口も消化管もなく、バクテリアを体内に寄生させる。チューブワームの体組織1gあたり1000万のバクテリアが寄生しているという。チューブワームは先端の赤い冠毛状の部分で硫化水素・酸素・二酸化炭素などを取り込み、特殊なヘモグロビンと結合させて、ワームと共生するバクテリアに供給する。その代償にこのバクテリア（イオウ酸化微生物）は有機化合物を合成してワームに供給する。熱水噴出孔に生息するチューブワームにはTevnia jerichonanaとRiftia pachyptilaがある。
アメリカ領サモアのナファヌア（Nafanua）海底火山近くでは、ウナギばかりが固まって生息する通称Eel Cityが発見された。ウナギが珍しいわけではないが、熱水噴出孔の主だった住人はすでに述べた無脊椎動物である。
この生態系に息づく動物相特有の珍しい例としては、鉄と有機物のうろこで装甲した巻貝（ウロコフネタマガイ）や80°Cの水温でも生息できるポンペイワームAlvinella Pompeianaがある。
熱水噴出孔周辺で発見された新種の生物は300種を超える。