נביעה הידרותרמית

נביעה הידרותרמית היא נביעת מים שחוממו בתהליכים גאותרמיים דרך סדק געשי בפני כדור הארץ. נביעות הידרותרמיות מצויות בדרך כלל בסמוך לאתרים געשיים פעילים, אזורי פתיחה בין לוחות טקטוניים, אגנים אוקייניים ונקודות חמות. נביעות הידרותרמיות נוצרות כתוצאה מהפעילות הגאולוגית של קרום כדור הארץ ומכמויות המים הגדולות שעל פניו. נביעות הידרותרמיות ביבשה כוללות מעיינות חמים, פומרולות וגייזרים. נביעות הידרותרמיות מקרקעית הים יכולות ליצור צורת נוף הקרויה מעשנה שחורה. אף שהמונח נביעה הידרותרמית מתייחס הן לנביעות בים והן לנביעות ביבשה, נהוג להשתמש במונח בהקשר לנביעות מקרקעית הים. ערך זה עוסק רק בנביעות הידרותרמיות תת-ימיות.

האזורים שסביב נביעות הידרותרמיות תת-ימיות עשירים יותר מבחינה ביולוגית יחסית למרבית האזורים הימיים העמוקים האחרים. מתקיימים בהם לעיתים קרובות קהילות מגוונות של בעלי חיים וצמחים הניזונים מהכימיקלים המומסים בנוזלים הנפלטים מהנביעות. חיידקים קדומים המבצעים כימוסינתזה הם השלב הראשון בשרשרת המזון, והם מאפשרים את קיומם של אורגניזמים מגוונים, כולל תולעי צינור ענקיות, צדפות, חלזונות ים וחסילונים. משערים כי נביעות הידרותרמיות קיימות גם על אירופה, ירחו של צדק, ועל אנקלדוס, ירחו של שבתאי, ובעבר היו נביעות הידרותרמיות גם על פני מאדים.

היסטוריה של גילוי הנביעות ההידרותרמיות
שמאל|ממוזער|200px|הצוללת Alvin בפעולה ב-1978
שמאל|ממוזער|200px|מעשנה שחורה ברכס המרכז אטלנטי
שמאל|ממוזער|200px|בדיאגרמת פאזות זו, הקו הירוק המקווקו מציין את האנומליה של המים. הקו הירוק הרציף מסמן את נקודת ההתכה והקו הכחול את נקודת הרתיחה. ניתן לראות כיצד אלו משתנים בהשפעת הלחץ.
ב-1949 דווח בסקר מים עמוקים על אזורים בהם נתגלו מים מלוחים חמים בחלק המרכזי של הים האדום. עבודת מחקר מאוחרת בשנות ה-60 של המאה ה-20 אישרה קיום של מים מלוחים חמים שהטמפרטורה שלהם הגיעה ל-C° 60 ובוץ נלווה המכיל מתכות. התמיסות החמות נבעו מקרקעית הים הפעילה של הבקע הסורי-אפריקני. המליחות הגבוהה של המים מנעה קיום חיים בתוכם. כיום בוחנים את המים המלוחים והבוץ הנלווה כמקור למתכות יקרות וזולות.

בתחילת שנות ה-60 הניחו הגאולוגים הימיים כי החום הרב ביותר הנפלט מקרקעית הים יהיה באזורים בהם מאגמה לוהטת מתפרצת מקרקעית האוקיינוסים. תהליך כזה מתרחש באזורי פתיחה בין לוחות טקטוניים המתרחקים זה מזה, למשל לאורך רכסים מרכז אוקייניים, דוגמת הרכס המזרח-פסיפי והרכס המרכז-אטלנטי. אבל כשהמדענים החלו למדוד את הטמפרטורות של קרקעית האוקיינוס בסמוך לרכסים מרכז אוקייניים באמצעות מכשירי מדידה שהורדו אל המשקעים שבקרקעית הים, הם הופתעו לגלות שמידת החום הייתה נמוכה בהרבה מהחזוי. בתחילה, לא היה ברור היכן החום ה"חסר" עד שהמדענים הגיעו למסקנה כי החום נפלט באמצעות התפרצות של מי מעיינות חמים. כאשר חום זורם יחד עם נוזל כדוגמת מים חמים או מאגמה, קרוי התהליך הסעת חום, ומכשירי המדידה של המדענים לא נועדו למדוד הסעת חום.

בתחילת שנות ה-70 כשהעדויות התומכות בתאוריית המעיינות החמים הלכו והצטברו הלכו ותכפו משלחות החיפושים של מדענים מארצות הברית וצרפת שהתמקדו ברכס המרכז אטלנטי, אבל למרות כל המאמצים לא נתגלה דבר. אחת הצלילות באמצעות הצוללת המאוישת DSV Alvin, צוללת מחקר השייכת למכון האוקיינוגרפי בוודס הול, כמעט והסתיימה באסון כשהצוללת נתקעה בין סלעים ונחלצה רק לאחר מאמצים.
ב-1976 הפנו המדענים את תשומת לבם לאזור המכונה "בקע גלאפגוס" (Galápagos Rift), שלוחה של הרכס המזרח-פסיפי, צפונית לאיי גלאפגוס. צוות מחקר ממכון סקריפס לאוקיינוגרפיה שהשתמש בציוד נגרר איתר עליית טמפרטורה פתאומית ומצלמות תת-ימיות צילמו צדפות ריקות. הם סימנו את המקום, ושנה אחר-כך הגיעה משלחת גאולוגים, גאוכימאים וגאופיזיקאים בהנהגתו של ג'ק קורליס (Jack Corliss) מאוניברסיטת המדינה של אורגון בחזרה למקום. גם הפעם נעשה שימוש בצוללת Alvin, אלא שהפעם לא היו מדענים על סיפונה. ב-17 בפברואר 1977 כוונו הצוללנים לעקוב אחר שביל הצדפות שעל קרקעית הים. לפתע הם גילו  במקביל לגילוי הראשון של נביעות הידרותרמיות התגלתה גם הפאונה העשירה המבוססת על הנביעות ההידרותרמיות התת-ימיות.

ב-1979 חזרו ביולוגים לבקע והשתמשו ב-Alvin על מנת לצפות בקהיליות בעלי החיים של הנביעות ההידרותרמיות במו עיניהם. באותה שנה פרסם פיטר לונסדייל (Peter Lonsdale) את המאמר המדעי הראשון על החיים בנביעות הידרותרמיות.

בין הנביעות ההידרותרמיות שנתגלו מאז מצוי שדה הנביעות ההידרותרמי מדוזה (Medusa hydrothermal vent field), המכונה על שם מדוזה, דמות נשית מפלצתית ממיתולוגיה היוונית, שנתגלה ב-2007 באוקיינוס השקט מול חופי קוסטה ריקה. השדה ההידרותרמי אשאדזה (Ashadze hydrothermal field) שנתגלה ב-2003 ברכס המרכז אטלנטי בעומק של 4,200 מטרים נחשב לשדה ההידרותרמי העמוק ביותר, עד שנתגלה אתר פיקאר ( על שם ז'אק פיקאר שצלל 50 שנה קודם לכן בתהום צ'לנג'ר שבשקע מריאנה) שעומקו כ-5,000 מטרים על ידי צוות מדענים מהמעבדה להנעה סילונית של נאס"א ומהמכון האוקיינוגרפי בוודס הול. אתר זה שוכן על רכס אמצע קיימן המתפשט לאט מאוד בתוך שקע קיימן.

מאפיינים
נביעות הידרותרמיות מתהוות בקרקעית אוקיינוסים עמוקים בדרך כלל לאורך רכסים מרכז אוקייניים, דוגמת הרכס המזרח-פסיפי והרכס המרכז-אטלנטי. מקומות אלו הם גבולות פתיחה בין לוחות טקטוניים המתרחקים זה מזה ונעים בכיוונים מנוגדים, כך שלמעשה נוצרים שוליים חדשים של לוח בעקבות בנייתו הגעשית של קרום אוקייני חדש.

מרבית המים הנובעים מנביעות הידרותרמיות בקרקעית הים מקורם במי ים שחלחלו לתוך המערכת ההידרותרמית, שנוצרה עקב פעילות געשית, דרך סדקים ונקבוביות בסלעי המשקע או בשכבות סלעי היסוד, בתוספת מים שהשתחררו מהמאגמה העולה. מקור רוב המים במערכת הידרותרמיות שעל פני היבשה הנפלטים בפומרולות ובגייזרים הוא במים ממשקעים שחלחלו לתוך המערכת ההידרותרמית מפני השטח בתוספת מי תהום ומים שהשתחררו מהמאגמה. היחס בין המים ממקורות שונים אלו משתנה מאתר לאתר.

בניגוד לטמפרטורת המים בת C° 2 השוררת על קרקעית הים, טמפרטורת המים הנפלטים מנביעות הידרותרמיות נעה בין C° 60 ועד C° 407. בשל הלחץ ההידרוסטטי הגבוה בעומקים אלו המים יכולים להיות במצב נוזלי או של זורם סופר-קריטי למרות הטמפרטורות הגבוהות. הנקודה הקריטית של מים טהורים היא C° 375 בלחץ של 218 אטמוספירות. בעומק של 3,000 מטרים הלחץ ההידרוסטטי של מי הים הוא יותר מ-300 אטמוספירות (שכן צפיפות החומר של מים מלוחים גבוהה ממים טהורים). בעומק ובלחץ אלו הופכים מי הים להיות סופר-קריטיים בטמפרטורה של C° 407. עם זאת, הגידול במליחות בעומקים אלו דוחף את המים קרוב לנקודה הקריטית שלהם. לכן, מים הנובעים מהאזורים החמים ביותר של נביעות חמות יכולים להיות זורם סופר-קריטי, שלו מאפיינים פיזיים בין גז לנוזל. מלבד היותם חמים ביותר המים הם גם חומציים מאוד, כשלפעמים הם בעלי pH נמוך כדי 2.8 – בערך כמידת החומציות של חומץ.

"סיסטר פיק" (Sister Peak – מילולית "פסגת האחות") בשדה ההידרותרמי קומפרטלס קוב (Comfortless Cove Hydrothermal Field - "מפרץ חוסר הנוחיות"; , עומק - 2996 מטרים מתחת לפני הים), "שרימפ פארם" (Shrimp Farm – "חוות החסילון") ו"מפיסטו" (Mephisto) בשדה ההידרותרמי "רד ליון" (Red Lion Hydrothermal Field – "אריה אדום"; , עומק - 3047 מטרים מתחת לפני הים) הם שלוש נביעות חמות מהסוג "מעשנה שחורה" השוכנים על הרכס המרכז-אטלנטי בסמוך לאי אסנשן. מניחים כי נביעות אלו החלו לפעול החל מרעידת האדמה שפקדה את האזור ב-2002. בנביעות אלו נצפו נביעות של נוזלים וקיטור מופרדי פאזה. ב-2008 הייתה הטמפרטורה הקבועה באחת מנביעות אלו עד C° 407 כשהטמפרטורה הגבוהה ביותר הגיעה ל-C° 60. תנאים תרמודינמיים אלו גבוהים מהנקודה הקריטית של מי ים, והם הטמפרטורות הגבוהות ביותר, נכון ל-2012, שנמדדו בקרקעית הים. זו היא העדות המדווחת הראשונה לפעולת גומלין מגמתית-הידרותמית ברכס המרכז אוקייני המתפשט לאטו.

מחקר של נביעות במי ים עמוקים שנערך באפריל 2007 מול חופי פיג'י גילה שנביעות אלו הם מקור משמעותי לברזל שהתמוסס. קיימת הערכה כי נביעות הידרותרמיות נוצרות במרחק של 50 עד 100 קילומטרים וכי בכל זמן נתון יש כ-1,000 נביעות פעילות.

מעשנות שחורות ומעשנות לבנות
שמאל|ממוזער|200px|מעשנה שחורה המכונה "האחים"
כמה נביעות הידרותרמיות מייצרות מבני ארובה שצורתם דמוית גליל. מבנים אלו נוצרים ממינרלים המומסים במימי הנביעה. המינרלים מתגבשים כאשר המים החמים מאוד באים במגע עם מי הים שהטמפרטורה שלהם קרובה לנקודת הקיפאון. השלבים הראשונים של ארובת נביעה מתחילים בשקיעה של המינרל אנהידריט. מינרלים סולפידים של נחושת, ברזל ואבץ שוקעים בחללים שבארובה, ובמשך הזמן היא הופכת פחות נקבוביתית. נתגלו ארובות הגדלות בקצב של 30 ס"מ ליום. חלקיקי המינרלים שוקעים סביב פתח הנביעה ובהדרגה מוסיפים לגובה של הארובה. כמה ממבני ארובות אלו יכולים להגיע לגובה של 60 מטרים. "גודזילה", מבנה באוקיינוס השקט בסמוך לאורגון, הוא דוגמה לארובת נביעה גבוהה שהגיעה לגובה של 40 מטרים לפני שהתמוטטה.

מעשנה שחורה (מאנגלית black smoker) או "נביעה ימית" (sea vent) הוא סוג של נביעה הידרותרמית בקרקעית הים, בדרך כלל באזורים האביסלפלגיים וההדלפלגיים. צורתה האופיינית היא מבנה דמוי ארובה שחורה הפולט ענן של חומר שחור. המעשנות השחורות פולטות בדרך כלל חלקיקים המכילים בעיקר מינרלים סולפידיים. מעשנות שחורות נוצרות לאורך שדות ברוחב של כמה מאות מטרים כאשר מים שחוממו מעל לנקודת הרתיחה מתחת לקרום כדור הארץ נובעים מקרקעית האוקיינוס. מים אלו עשירים במינרלים מומסים מהקרום, בייחוד סולפידים. מינרלים רבים מתגבשים כאשר מים לוהטים אלו באים במגע עם מי האוקיינוס הקרים ויוצרים מבנה דמוי ארובה שחורה סביב כל נביעה. הסולפידים המתכתיים השוקעים יכולים ליצור בבוא הזמן מרבצים מסיביים של עפרה סולפידית (Volcanogenic massive sulfide ore deposit).

מעשנות שחורות נתגלו לראשונה ב-1977 ברכס מזרח הפסיפיק על ידי מדענים ממכון סקריפס לאוקיינוגרפיה. המדענים הבחינו במעשנות תוך שימוש בצוללת DSV Alvin השייכת למכון האוקיינוגרפי בוודס הול. כיום ידוע כי מעשנות שחורות קיימות באוקיינוס האטלנטי ובאוקיינוס השקט בעומק ממוצע של 2,100 מטרים. המעשנות השחורות שנתגלו בנקודה הצפונית ביותר הם מקבץ של חמש מעשנות שחורות המכונה "מבצר לוקי" ( באנגלית Loki's Castle) שנגלו ב-2008 על ידי צוות מדענים מאוניברסיטת ברגן בקו הרוחב 73 על הרכס המרכז-אטלנטי בין גרינלנד לנורווגיה. לחוקרים יש עניין מיוחד במעשנות שחורות אלו מכיוון שהן פועלות באזור היציב יותר של קרום כדור הארץ, שבו הפעילות הטקטונית נמוכה ועקב כך שדות של נביעות הידרותרמיות נפוצים פחות. המעשנות השחורות המצויות בעומק הרב ביותר נתגלו בשקע קיימן, כ-5,000 מטרים מתחת לפני האוקיינוס.

מעשנות לבנות הן נביעות הפולטות מינרלים בגוון בהיר, דוגמת אלו המכילים בריום, סידן, וצורן. הטמפרטורה של נביעות אלו היא בדרך כלל נמוכה יותר מהטמפרטורה של מעשנות שחורות. נביעות הידרותרמיות אלקליות אלו מייצרות בקביעות גם אצטיל קואנזים A, ובכך הן מתניעות את תהליך מעגל קרבס ומספקות הן נקודת התחלה למולקולות אורגניות מורכבות יותר, וגם את האנרגיה הנדרשת לייצורן. בספרו "התרוממות החיים: עשר ההמצאות הגדולות של האבולוציה" מצטט המחבר, ניק ליין, את החוקר מייק ראסל (Mike Russell) שבחן במיקרוסקופ אלקטרונים סלע מאובן בן 350 מיליון שנים שנוצר ממעשנה לבנה ומצא בו תאים זעירים שקוטרם עשירית המילימטר או פחות, גודל דומה לתאים אורגניים, הקשורים ברשתות סבוכות. במכתב שכתב ראסל ב-1988 לכתב העת המדעי Nature ציין ראסל שהתאים אפשרו אמצעי לרכז מולקולות אורגניות והתנאים האלקליים הפכו אותם למדגרה אידיאלית ליצירת חיים.

הפאונה של נביעות תת-ימיות
שמאל|ממוזער|200px|כמה מהנביעות מוקפות בפאונה עשירה
שמאל|ממוזער|200px|תולעים צינוריות ניזונות בבסיס מעשנה שחורה
מקובל, באופן מסורתי, שהחיים על פני האדמה מתאפשרים בעזרת האנרגיה המגיעה מהשמש, אבל לאורגניזמים החיים במעמקי הים אין גישה לאור השמש, ולכן הם תלויים בחומרי מזון המצויים במים בהם הם חיים. בעבר סברו אוקיינוגרפים שאורגניזמים החיים באזור הנביעות תלויים בשלג הימי, כמו כל האורגניזמים החיים במעמקי הים. סברה זו הניחה שתזונת אורגניזמים אלו מבוססת על שרידי הצמחים שגדלים סמוך לפני המים בעזרת אור השמש. כמה מאורגניזמים של אזור הנביעות אכן ניזונים מ"גשם" זה, אבל אם היה זה מקור האנרגיה היחיד היו אמורות צורות החיים המתקיימות באזור זה להיות מפוזרות בדלילות. בפועל, בהשוואה לקרקעית הים שמסביב צפיפות האורגניזמים באזור הנביעות ההידרותרמיות גדולה פי 10,000 עד פי 100,000.

הנביעות ההידרותרמיות מסוגלות לקיים כמויות גדולות כאלו של אורגניזמים משום שהמים הנפלטים מהנביעות ההידרותרמיות עשירים במינרלים מומסים, ואלו מזינים אוכלוסייה גדולה של חיידקים כמואוטוטרופים. חיידקים כימוסינתטיים אלו משתמשים בתרכובות הגופרית, במיוחד במימן גופרתי, תרכובת רעילה ביותר עבור מרבית האורגניזמים המוכרים, על מנת לייצר חומר אורגני בתהליך הכימוסינתזה. החיידקים הכימוסינתטיים מתרבים ויוצרים מרבד עבה המושך אליו אורגניזמים אחרים דוגמת שטצדאים ושטרגליים הניזונים ישירות מהחיידקים. אורגניזמים גדולים יותר דוגמת חלזונות, חסילונים, סרטנים, תולעים רב זיפיות מהמשפחה Siboglinidae, דגים ותמנונים יוצרים שרשרת מזון של טורפים ונטרפים מעל הצרכנים הראשונים של החיידקים. המשפחות העיקריות של אורגניזמים השוכנים סביב נביעות בקרקעית הים הם תולעים טבעתיות, Siboglinidae, חלזונות, וסרטנאים, כשצדפות גדולות, וחסילונים עיוורים מהווים את מרבית האורגניזמים שאינם מיקרוסקופיים.

המערכת האקולוגית שנוצרה כך תלויה בקיום מתמשך של שדה הנביעות ההידרותרמיות כמקור אנרגיה עיקרי, בשונה מהחיים על פני כדור הארץ המבוססים על אנרגיה סולרית. עם זאת, אף שנהוג לומר לעיתים קרובות שחברות בעלי חיים אלו מתקיימות כשאינן תלויות בשמש, חלק מהאורגניזמים תלוי בפועל בחמצן המופק מאורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה. אחרים הם אנארוביים כפי שהיה בתחילת היווצרות החיים על פני האדמה.
תולעים צינוריות, שיכולות להגיע לגודל של מעל לשני מטרים, הן חלק חשוב באוכלוסיית בעלי החיים סביב נביעה הידרותרמית. לתולעים אלו אין פה או מערכת עיכול, וכמו תולעים טפילות, הן סופגות חומרי מזון המיוצרים על ידי החיידקים השוכנים ברקמות שלהן. בכל גרם רקמה של התולעים שוכנים כ-10 מיליארד חיידקים. לתולעים הצינוריות יש איברים דמויי נוצות אדומות עשירים בהמוגלובין. ההמוגלובין מתקשר למימן הגופרתי ומעביר אותו לחיידקים החיים בתוך התולעת. בתמורה מזינים החיידקים את התולעת בתרכובות פחמניות. שני מיני התולעים השוכנים בנביעה הידרותרמית הם Tevnia jerichonana, ותולעת צינור ענקית (Riftia pachyptila). אחת מאוכלוסיות בעלי החיים השוכנים בנביעות הידרותרמיות שנתגלתה כונתה "עיר הצלופחים" ("Eel City") וכללה בעיקר צלופחים. אף שצלופחים אינם בעל חיים נדיר, במרבית המקרים, כפי שתואר לעיל, רוב בעלי החיים השוכנים בנביעות הידרותרמיות הם בדרך כלל חסרי חוליות. עיר הצלופחים שוכנת בסמוך להר הגעש התת-מימי ואילולואו, בסמואה האמריקנית.

עוד ב-1993 כבר זוהו יותר מ-100 מינים של חלזונות ימיים בנביעות הידרותרמיות. בסך הכל נתגלו יותר מ-300 מינים חדשים של אורגניזמים בנביעות הידרותרמיות רבים מהם "מינים אחים" שנתגלו באזורי נביעה נפרדים גאוגרפית. קיימת השערה כי לפני שהלוח הצפון-אמריקאי עלה על הרכס המרכז-אוקייני, היה אזור נביעות ביוגאוגרפי אחד במזרח האוקיינוס השקט. המחסום שנוצר בפני מעבר חופשי של בעלי חיים החל את ההתפצלות האבולוציונית של המינים באתרים השונים. צורות החיים המדגימות את תופעה אבולוציה המתכנסת, כפי שניתן לצפות בהן בנביעות הידרותרמיות נפרדות, מוצגות כדוגמאות בולטות לתמיכה בתאוריה הכללית של הברירה הטבעית והאבולוציה.

שמאל|ממוזער|200px|תולעת פומפיי
מינים חדשים ויוצאי דופן מתגלים חדשות לבקרים בסביבת מעשנות שחורות:
מין של חיידקים פוטואוטוטרופים נתגלה ב-2005 בסמוך למעשנה שחורה מול חופי מקסיקו בעומק של 2,500 מטרים. אור השמש אינו חודר לעומק זה. במקום זאת, החיידק, השייך למשפחה Chlorobiaceae (באנגלית Green sulfur bacteria – חיידק גופרית ירוק), מנצל את הזוהר החלש מהמעשנה השחורה לביצוע פוטוסינתזה. זהו האורגניזם הראשון שנתגלה בטבע המשתמש אך ורק במקור אור שאיננו אור השמש לשם ביצוע פוטוסינתזה.
''Alvinella pompejana – תולעת המכונה "תולעת פומפיי" שנתגלתה ב-1980. תולעת זו מסוגלת לחיות במים שהטמפרטורה שלהם מגיעה ל-C° 80.
Crysomallon squamiferum - מין של חלזון ימי המכונה באנגלית scaly-foot gastropod, שנתגלה ב-2001 במהלך מסע מחקר אל שדה הנביעות ההידרותרמי קאיירי (Kairei) שבאוקיינוס ההודי. חלזון זה משתמש במינרלים סולפידיים של ברזל (פיריט וגרייגיט) לבניית החלק הנוקשה של העור במקום בפחמת הסידן כמקובל אצל בעלי חיים אחרים. משערים כי הלחץ הקיצוני של 2,500 מטרים או כ-250 אטמוספירות משחק תפקיד בייצוב סולפיד הברזל ומאפשר שימוש ביולוגי. ככל הנראה משמש כיסוי שריון זה כהגנה בפני המִשְׁנֶנֶת (רָדוּלָה) הרעילה של החלזונות הטורפים בקהיליית בעלי החיים של הנביעה.

תאוריות ביולוגיות
אף שגילוי הנביעות ההידרותרמיות הוא מאורע חדש יחסית בהיסטוריה של המדע, החשיבות של תגלית זו הובילה לפיתוח כמה תאוריות ביולוגיות וביו-אטמוספיריות חדשות ותמכה בהן.

הביוספירה העמוקה החמה
שמאל|ממוזער|200px|צמיחה דנדריטית של פחמת הסידן בבסיס ארובה הידרותרמיות בשדה "העיר האבודה"
בתחילת מאמרו "הביוספירה העמוקה החמה" שהודפס ב-1992 מתייחס תומאס גולד (Thomas Gold; 2004-1920) ל"נביעות אוקייניות" כתומכות בתאוריה שלו שבעומק קרום כדור הארץ מתקיימים חיים עשירים של חיידקים שאינם תלויים באור השמש או בתהליכי הפוטוסינתזה וכי הם מוצאים את דרכם אל פני השטח.

מאמר שכותרתו "יצירת פחמימנים בתהליך שאינו ביולוגי" (abiogenic hydrocarbon production) בגיליון פברואר 2008 של כתב העת המדעי Science משתמש בנתונים מניסויים שנערכו בשדה הנביעות ההידרותמיות המכונה "העיר האבודה" (באנגלית "Lost City" , בעומק 780 מטרים מתחת לפני הים) על מנת לדווח כיצד יכולה להתקיים יצירה של תרכובת אורגנית שלא בתוך אורגניזם. מדובר על סינתזה של פחמימנים בעלי מסה מולקולרית קטנה מפחמן דו-חמצני שמקורו במעטפת כדור הארץ בנוכחות סלעים אולטרה-מאפיים, מים, וכמויות חום מתונות.

בריאה ספונטנית הידרותרמית
הכימאי הגרמני גינטר וכטרסהויזר (Günter Wächtershäuser נולד 1938) הציע השערה למוצא החיים המכונה "השערת עולם ברזל-גופרית" (Iron-sulfur world theory) על פיה החלו החיים בנביעות הידרותרמיות. ואכטרסהויזר שיער שצורה קדומה של מטבוליזם קדמה לגנטיקה. במונח מטבוליזם הוא התכוון למחזור של תגובות כימיות המשחררות אנרגיה בצורה בה יכולים לרתום אותה תהליכים אחרים. תאוריה נוספת משערת שסינתזה אפשרית של חומצות אמינו התרחשה עמוק בתוך קרום כדור הארץ, ושחומצות אמינו אלו נורו דרך הנוזלים של הנביעות ההידרותרמיות למים הקרים בהם הטמפרטורות הקרות יותר והנוכחות של מינרלי חרסית יכלו לטפח היווצרות פפטידים ותאים קדומים. זוהי השערה מעניינת משום שפע המתאן (CH4) והאמוניה (NH3) במימי הנביעות ההידרותרמיות, מצב שלא היה קיים באטמוספירה הקדומה של כדור הארץ. המכשול העיקרי בפני השערה זו הוא חוסר היציבות של מולקולות אורגניות בטמפרטורות גבוהות, אבל יש שהציעו כי אפשר שחיים נוצרו מחוץ לאזורים של הטמפרטורה הגבוהה. קיימים כמה מינים של חיידקים אקסטרמופילים ואורגניזמים אחרים שחיים כיום סביב נביעות הידרותרמיות תת-ימיות, עובדה המוכיחה כי התאוריה היא אכן תסריט אפשרי.

ניצול
במקרים מסוימים יצרו נביעות הידרותרמיות מרבצים של מינרלים ברי ניצול בצורת "מרבצים סולפידיים מסיביים על קרקעית הים" (seafloor massive sulfide deposits) הכוללים מתכות יקרות דוגמת כסף, זהב, ומתכות נפוצות דוגמת: נחושת, מנגן, קובלט ואבץ. דוגמה בולטת למרבצים שנוצרו כך מצויה כיום ביבשה, ליד העיר מאונט איסה בקווינסלנד שבצפון אוסטרליה, שבקרבתה שוכן אחד מהמכרות העשירים ביותר בעולם. קיומם של מרבצים אלו הוביל לפיתוח תהליכי כרייה במים עמוקים, כשהמטרה היא לכרות את המחצבים באמצעות משאבות הידראוליות או מערכות דלייה, להעלות על פני השטח את העפרה ולעבדה.

בעקבות הגאות במחירי המתכות הזולות באמצע שנות ה-2000, הפנו חברות חיפוש מינרלים את תשומת לבם לכרייה של מינרלים משדות הידרותרמיים שעל קרקעית הים. פעילות כזו, כפי שהמקרה של הר איסה מוכיח, היא עתירת כוח אדם הנדרש לשם כריית מנהרות, להקמת התשתית התת-קרקעית, לביצוע קידוחים, לפיצוץ העפרה וכתישתה, להעלותה אל פני השטח ולבסוף לעבדה על מנת למצות מתוכה את המתכת.

"מערכת המיצוי ההידרותרמי של מרשל" (Marshall hydrothermal recovery system) היא הצעה מוגנת פטנט לנצל את האנרגיה והמינרלים של נביעות הידרותרמיות. לשדה הידרותרמי, הכולל ארובות ושרידי ארובות שהתמוטטו ונדחסו, ניתן להגיע מפני השטח מאסדה ממונעת או מספינה, לכרות, תוך שימוש בטכנולוגיה מותאמת במיוחד של ציוד כריה בסלעים רכים, להעלות את התוצר של הכרייה לפני השטח תוך שימוש בצינור קונוונציונלי, לייבש ולמצות את החומר, ואז להעביר ישירות לכור ההיתוך. אף שהרעיון נשמע הזוי, הוא מנצל טכנולוגיות מוכחות המבוססות על תעשיות הנפט והגז התת-ימיות, ועל תעשיות הכרייה בסלעים רכים.

נכון ל-2012 עוסקות שתי חברות בשלבים האחרונים של כריית סולפידים מסיבים של קרקעית הים. החברה הקנדית נאוטילוס מינרלס (Nautilus Minerals) והחברה האמריקנית נפטון מינרלס (Neptune Minerals).

נאוטילוס מינרלס נמצאת בשלבים המתקדמים של התחלת חפירה מהמרבצים של מיזם סולווארה 1 (Solwara 1 Project) בים מול פפואה גינאה החדשה. אתר החפירה הוא מקור למרבצי נחושת וזהב בריכוז גבוה, והמקום הראשון בעולם שבו בוצע מחקר מקיף על סולפידים מסיביים שעל קרקעית הים (SMS ראשי תיבות של Seafloor Massive Sulphide). אתר הכרייה נמצא בעומק של 1,600 מטרים מתחת לפני הים בים ביסמרק. תוך שיתוף פעולה עם החברה הקנדית פלייסר דום (Placer Dome, כיום חלק מחברת כריית הזהב השנייה בגודלה בעולם באריק גולד) הצליחה נאוטילוס מינרלס להעלות אל פני השטח ב-2006 כ-10 טון של SMS תוך שימוש במכשיר קידוח המכונה באנגלית drum cutter שעבר התאמה והורכב על רובוט תת-ימי (ROV - Remotely Operated Vehicle), הפעם הראשונה מעולם. החברה מתכננת להתחיל את ההפקה בתחילת 2013.

ב-2005 קיבלה חברת נפטון מינרלס, אז חברה בריטית, זיכיון לבצע חיפוש בשטח של 35,000 קמ"ר באזור קשת איי קרמדק, השייכים לאזור הכלכלי הבלעדי של ניו זילנד על מנת לחפש מרבצים סולפידיים מסיביים על קרקעית הים, מקור פוטנציאלי חדש לסולפידים של עופרת-אבץ-נחושת שנוצרו משדות נביעות הידרותרמיות מודרניים. ב-2007 הצליחה נפטון לשאוב דגימות של משקעי SMS בעזרת משאבה של תעשיית הנפט שהותאמה במיוחד והורכבה על רובוט תת-ימי, גם זה הפעם הראשונה מעולם. ב-2011 נקנתה החברה על ידי חברה אמריקנית באותו שם.

לכרייה על קרקעית הים יש השלכות סביבתיות פוטנציאליות כולל: תימרות אבק מציוד הכרייה שעלול לפגוע באורגניזמים המסננים את מזונם מהמים, רעש מציוד הכרייה שיפגע ברקמות של בעלי החיים השוכנים בנביעות, פגיעה בארובות של נביעות, פתיחה של נביעות שנסתמו באופן טבעי, שחרור של מתאן (מהמצב דמוי הקרח היבש המכונה methane clathrate) שעלול לגרום לפיצוץ ולשינוי אקלימי, ואפילו מפולת סלעים תת-ימית. שתי החברות שהוזכרו מבצעות מחקר נרחב על מנת להבטיח שיזוהו ההשלכות הפוטנציאליות של כרייה בקרקעית הים, וינקטו אמצעי בקרה לפני שהכרייה תחל.

היו בעבר ניסיונות לנצל מינרלים מקרקעית הים. במהלך שנות ה-60 וה-70 הייתה השקעה רבה בניסיון לכרות נודולות רב מתכתיות (polymetallic nodules) מאזור התהומות, שנעו בין הצלחה יחסית לכישלון. ניסיונות אלו הראו כי ניתן לחלץ מינרלים מקרקעית הים, והיכולת כבר קיימת מתקופה זו. ב-1974 יזם ה-CIA את חילוצה של הצוללת הסובייטית הטבועה K-129 וייתכן כי סיפור הכיסוי של המבצע שהוצג כניסיון לכרות מגנזיום בלב ים שימש תמריץ לחברות אחרות לנסות אף הם לבצע כרייה במעמקים.

שימור
שימור הנביעות ההידרותרמיות שימש במשך עשרים השנים האחרונות נושא לדיונים שהיו לעיתים נוקבים בקהיליית האוקיינוגרפים, והועלתה גם טענה שאת הנזק הגדול ביותר לבתי הגידול הנדירים הללו גורמים דווקא מדענים. נעשו ניסיונות להגיע להסכמות על האופן שבו ינהגו מדענים החוקרים אתרי נביעות, אך אף על פי שקיימים כללי התנהגות אין עדיין הסכמה רשמית בינלאומית בעלת תוקף חוקי.

 קישורים חיצוניים 

 "נווה מדבר" על קרקעית האוקיינוס
 What is a hydrothermal vent?
 Hydrothermal Vents
 הרצאת ישי וינשטיין על נביעות בים

הערות שוליים

קטגוריה:וולקנולוגיה
קטגוריה:ביומות מימיות