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你知道地球上最老的地下水是多大年齡嗎?
2022-03-01 14:28:21   來源:化石網   評論:0 點擊:

(化石網整理)據中科院地質地球所(作者 孔佑興):人有生老病死,一生的長度,不過百年。而對于世間萬物,廣闊至浩瀚宇宙,渺小如微觀粒子,都逃不出不斷衰老這一鐵律。地球誕生至今,已有45 6億年的歷史。作
(化石網整理)據中科院地質地球所(作者 孔佑興):人有生老病死,一生的長度,不過百年。而對于世間萬物,廣闊至浩瀚宇宙,渺小如微觀粒子,都逃不出不斷衰老這一鐵律。地球誕生至今,已有45.6億年的歷史。
 
作為生命之源的水,也在經歷著生命的循環。你知道最古老的水有多少歲嗎?
 
水的起源
 
地球上的水從哪里來?對于這個問題,眾說紛紜。
 
有些人認為,水是在地球形成時就已經存在的物質,這是“自生說”。有些學者則把水當作“天外來客”,認為水是太陽風吹來、彗星帶來的,這是“外生說”[1]。
 
水何時出現?也存在著爭議。但是,在對約四十五億年前隕石的分析中,科學家發現了水的痕跡,說明在地球起源之初,可能就已經有水存在[1]。
 
 
圖1:海洋覆蓋了地球表面71%的面積,使得地球成為一個名符其實的“水球”,也讓地球成為一個生機勃勃的活力星球。(圖片來自維基百科)
 
那么,我們今天發現的最古老的水,又來自什么時候?
 
地下水的年齡
 
地表的水奔騰不息,或被動植物所利用,或蒸發升天,或匯入大海,經歷著地表的水循環,不斷經歷著“重生”。與之相比,進入地下的水,循環的速度則慢的多,生命周期也因此更長。所以,提起水的年齡,主要指的是地下水的年齡。
 
一般來說,地下水都會經歷補給、徑流、排泄三個過程,即水從地表滲入地下,在地下流動,又從地下回到地表。這一循環的時間,短則幾天,長則千百萬年以上。地下水在地下停留的時間,就被稱為地下水的年齡。
 
如何測定地下水的年齡呢?最常用的就是同位素技術。它根據放射性元素衰變速度恒定的特性,選擇地下水中特定的放射性元素,分別測量衰變前與衰變后的放射性元素含量,來計算地下水的年齡。不同的元素衰變周期不同,因此能夠測定的年齡范圍也不同。
 
 
圖2:常用的地下水測年同位素及其定年范圍[2]
 
地下水在哪里?
 
地下水,都分布在哪里呢?哪里的地下水,年齡可能最大?
 
地下水主要分布在地下巖土的孔隙、裂隙、或者溶穴中。不同的巖土體,水從其中穿行通過的能力不同。這種容許水在巖土體中運動的能力,就稱作巖土體的滲透性。巖土體的滲透性越強,水就越容易在其中穿行通過。一般來說,水在巖土體中運動的速度范圍很廣,慢者每年以毫米記,快者甚至能日行千米。
 
因此,針對大多數的地下水,即使運動速度再慢,經過千百萬年的時間,也往往會消失殆盡。這給尋找古老的地下水帶來了重重困難。
 
 
(a) 孔隙水        (b)裂隙水     (c) 巖溶水 圖3:孔隙水、裂隙水、巖溶水示意圖
 
想要尋找最古老的地下水,就要去滲透性低、水不容易逃出的地方。這樣的地方,主要有兩個:
 
01
 
流體包裹體
 
在巖石的礦物晶體形成時,一部分液體和氣體被困在晶體中的微小氣泡里,就成為流體包裹體。這些包裹體的尺寸一般很小,在0.01毫米到1毫米之間,其中的液體也往往很少。這里的液體,年齡一般比較大。
 
 
圖4:礦物晶體中的流體包裹體(圖片來自維基百科)
 
02
 
封閉的巖體裂隙
 
如果巖體裂隙在水進入后,由于構造運動、沉積等原因封閉,同時裂隙周圍的巖體又特別致密,“困在”其中的裂隙水就有可能會被保存很長的時間。這樣的裂隙水,水量比流體包裹體要大得多,是尋找古老地下水的絕佳選擇。
 
 
圖5:致密、封閉的巖體裂隙中存在的地下水,往往可以保存很久
 
最古老的地下水
 
2013年,科學家在加拿大安大略省蒂明斯市(Timmins, Ontario, Canada)附近的基德溪礦井( Kidd Creek Mine )2.4 km深處,發現了貯存在銅鋅礦床裂縫中的水。這里的礦床有著近27億年的歷史,而水則被完好的密封在礦床裂縫中。鉆開巖縫,水的流量最高可達每分鐘兩升[3][4]。水量之多,讓人驚詫。
 
 
圖6:基德溪礦(Kidd Creek Mine)所在位置
 
 
圖7:基德溪礦坑外景
 
科學家們小心翼翼的采集了水樣,對水中所含的惰性氣體同位素氦、氖、氬和氙的含量分別進行測定,得出水的年齡至少在10億年以上。結合水中的其它元素綜合分析,這些水的年齡可能在15億年左右[3][4]。
 
 
圖8:礦坑巖體裂縫中流出的古老地下水[3]
 


 
圖9、10:科學家們在礦坑中采集水樣
 
 
圖11:該成果發表于2013年的《Nature》
 
2016年,在基德溪礦井的更深處(2.9 km),科學家們采集到了新的水樣,經過分析,發現這些水的平均年齡在16億歲左右,最老的甚至可能達到20億年,刷新了此前最古老的水的紀錄[5][6]。
 
因此,目前已知的最古老的地下水,其年齡在16億歲以上[5][6]。
 
需要說明的是,由于年齡太過古老,鑒定結果存在一定誤差。鑒定方法不同,得出的結果也不盡相同。因此,比起精確的年齡值,科學家們只能確定一個大致的范圍。相信隨著科學勘探的不斷推進,技術手段的不斷提升,以及定年方法的不斷發展,未來我們將會發現更多更古老的地下水,對其年齡的測定也會更加精確。
 
也許有讀者會疑惑:這樣古老的地下水,喝起來味道如何呢?答案可能會讓大家失望了。由于長時間的地下封存,水與巖石之間發生著物理化學反應,大量物質溶解在水中,造成水中礦物質含量很高,是名副其實的“礦泉水”。如果嘗一口的話,那味道一定是又苦又澀。
 
 
圖12:一天八杯水,健康永相隨。今天,你喝了多少水?
 
水與生命起源
 
尋找地球上最古老的水,也是在尋找生命起源的秘密。生命最早起源于水中。水作為生命產生的必要溶劑,其中溶解了很多重要元素和化合物,如氫、甲烷、氮、二氧化碳和氨等,水與這些物質混合、相互作用,產生了有機物。有機物聚合成更復雜的結合體,并開始生長繁殖,最早的生命就誕生了。因此,探究最古老的水中所包含的物質,是探究生命起源的重要線索。
 
 
圖13:生命的起源與進化,這一切都離不開水。(圖片來自NASA)
 
在基德溪礦井中采集的古老地下水中,研究人員發現其中含有豐富的甲烷和氫氣,這是支持生命活動的必要物質。此外,水中還發現了與巖石發生化學反應所產生的硫酸鹽。這說明,封閉的地下水體,具有支持生命活動的物理化學條件。在封存的地下水中,也可能存在一個多姿多彩的生命世界[3][4]。
 
這一發現,使得深部地下水體成為了潛在的生命宜居區域,大大擴展了生命活動范圍,為地球和外星的生命發現提供了新線索[5]。有關最古老的水,以及水與生命的關系,還有許多未解之謎,等待進一步探索……
 
參考文獻:
 
1、 方林茹.水從哪里來[J].地球,2020(08):30-33.
 
2、 Clark I . Groundwater geochemistry and isotopes. 2015.
 
3、 Jessica Marshall. Reservoir deep under Ontario holds billion-year-old water[J]. Nature News ,2013
 
4、 G. Holland, et al, Deep fracture fluids isolated in the crust since the Precambrian era[J]. Nature 497, 357–360, 2013
 
5、 Sherwood Lollar, et al, Exploring the deep, ancient hydrogeosphere within Precambrian crystalline rocks using noble gases[J], AGU Fall Meeting, 2016
 
6、 https://www.sciencealert.com/the-world-s-oldest-water-lies-deep-below-canada-and-it-s-2-billion-years-old

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