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你知道地球上最老的地下水是多大年龄吗?
2022-03-01 14:28:21   来源:化石网   评论:0 点击:

(化石网整理)据中科院地质地球所(作者 孔佑兴):人有生老病死,一生的长度,不过百年。而对于世间万物,广阔至浩瀚宇宙,渺小如微观粒子,都逃不出不断衰老这一铁律。地球诞生至今,已有45 6亿年的历史。作
(化石网整理)据中科院地质地球所(作者 孔佑兴):人有生老病死,一生的长度,不过百年。而对于世间万物,广阔至浩瀚宇宙,渺小如微观粒子,都逃不出不断衰老这一铁律。地球诞生至今,已有45.6亿年的历史。
 
作为生命之源的水,也在经历着生命的循环。你知道最古老的水有多少岁吗?
 
水的起源
 
地球上的水从哪里来?对于这个问题,众说纷纭。
 
有些人认为,水是在地球形成时就已经存在的物质,这是“自生说”。有些学者则把水当作“天外来客”,认为水是太阳风吹来、彗星带来的,这是“外生说”[1]。
 
水何时出现?也存在着争议。但是,在对约四十五亿年前陨石的分析中,科学家发现了水的痕迹,说明在地球起源之初,可能就已经有水存在[1]。
 
 
图1:海洋覆盖了地球表面71%的面积,使得地球成为一个名符其实的“水球”,也让地球成为一个生机勃勃的活力星球。(图片来自维基百科)
 
那么,我们今天发现的最古老的水,又来自什么时候?
 
地下水的年龄
 
地表的水奔腾不息,或被动植物所利用,或蒸发升天,或汇入大海,经历着地表的水循环,不断经历着“重生”。与之相比,进入地下的水,循环的速度则慢的多,生命周期也因此更长。所以,提起水的年龄,主要指的是地下水的年龄。
 
一般来说,地下水都会经历补给、径流、排泄三个过程,即水从地表渗入地下,在地下流动,又从地下回到地表。这一循环的时间,短则几天,长则千百万年以上。地下水在地下停留的时间,就被称为地下水的年龄。
 
如何测定地下水的年龄呢?最常用的就是同位素技术。它根据放射性元素衰变速度恒定的特性,选择地下水中特定的放射性元素,分别测量衰变前与衰变后的放射性元素含量,来计算地下水的年龄。不同的元素衰变周期不同,因此能够测定的年龄范围也不同。
 
 
图2:常用的地下水测年同位素及其定年范围[2]
 
地下水在哪里?
 
地下水,都分布在哪里呢?哪里的地下水,年龄可能最大?
 
地下水主要分布在地下岩土的孔隙、裂隙、或者溶穴中。不同的岩土体,水从其中穿行通过的能力不同。这种容许水在岩土体中运动的能力,就称作岩土体的渗透性。岩土体的渗透性越强,水就越容易在其中穿行通过。一般来说,水在岩土体中运动的速度范围很广,慢者每年以毫米记,快者甚至能日行千米。
 
因此,针对大多数的地下水,即使运动速度再慢,经过千百万年的时间,也往往会消失殆尽。这给寻找古老的地下水带来了重重困难。
 
 
(a) 孔隙水        (b)裂隙水     (c) 岩溶水 图3:孔隙水、裂隙水、岩溶水示意图
 
想要寻找最古老的地下水,就要去渗透性低、水不容易逃出的地方。这样的地方,主要有两个:
 
01
 
流体包裹体
 
在岩石的矿物晶体形成时,一部分液体和气体被困在晶体中的微小气泡里,就成为流体包裹体。这些包裹体的尺寸一般很小,在0.01毫米到1毫米之间,其中的液体也往往很少。这里的液体,年龄一般比较大。
 
 
图4:矿物晶体中的流体包裹体(图片来自维基百科)
 
02
 
封闭的岩体裂隙
 
如果岩体裂隙在水进入后,由于构造运动、沉积等原因封闭,同时裂隙周围的岩体又特别致密,“困在”其中的裂隙水就有可能会被保存很长的时间。这样的裂隙水,水量比流体包裹体要大得多,是寻找古老地下水的绝佳选择。
 
 
图5:致密、封闭的岩体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,科学家在加拿大安大略省蒂明斯市(Timmins, Ontario, Canada)附近的基德溪矿井( Kidd Creek Mine )2.4 km深处,发现了贮存在铜锌矿床裂缝中的水。这里的矿床有着近27亿年的历史,而水则被完好的密封在矿床裂缝中。钻开岩缝,水的流量最高可达每分钟两升[3][4]。水量之多,让人惊诧。
 
 
图6:基德溪矿(Kidd Creek Mine)所在位置
 
 
图7:基德溪矿坑外景
 
科学家们小心翼翼的采集了水样,对水中所含的惰性气体同位素氦、氖、氩和氙的含量分别进行测定,得出水的年龄至少在10亿年以上。结合水中的其它元素综合分析,这些水的年龄可能在15亿年左右[3][4]。
 
 
图8:矿坑岩体裂缝中流出的古老地下水[3]
 


 
图9、10:科学家们在矿坑中采集水样
 
 
图11:该成果发表于2013年的《Nature》
 
2016年,在基德溪矿井的更深处(2.9 km),科学家们采集到了新的水样,经过分析,发现这些水的平均年龄在16亿岁左右,最老的甚至可能达到20亿年,刷新了此前最古老的水的纪录[5][6]。
 
因此,目前已知的最古老的地下水,其年龄在16亿岁以上[5][6]。
 
需要说明的是,由于年龄太过古老,鉴定结果存在一定误差。鉴定方法不同,得出的结果也不尽相同。因此,比起精确的年龄值,科学家们只能确定一个大致的范围。相信随着科学勘探的不断推进,技术手段的不断提升,以及定年方法的不断发展,未来我们将会发现更多更古老的地下水,对其年龄的测定也会更加精确。
 
也许有读者会疑惑:这样古老的地下水,喝起来味道如何呢?答案可能会让大家失望了。由于长时间的地下封存,水与岩石之间发生着物理化学反应,大量物质溶解在水中,造成水中矿物质含量很高,是名副其实的“矿泉水”。如果尝一口的话,那味道一定是又苦又涩。
 
 
图12:一天八杯水,健康永相随。今天,你喝了多少水?
 
水与生命起源
 
寻找地球上最古老的水,也是在寻找生命起源的秘密。生命最早起源于水中。水作为生命产生的必要溶剂,其中溶解了很多重要元素和化合物,如氢、甲烷、氮、二氧化碳和氨等,水与这些物质混合、相互作用,产生了有机物。有机物聚合成更复杂的结合体,并开始生长繁殖,最早的生命就诞生了。因此,探究最古老的水中所包含的物质,是探究生命起源的重要线索。
 
 
图13:生命的起源与进化,这一切都离不开水。(图片来自NASA)
 
在基德溪矿井中采集的古老地下水中,研究人员发现其中含有丰富的甲烷和氢气,这是支持生命活动的必要物质。此外,水中还发现了与岩石发生化学反应所产生的硫酸盐。这说明,封闭的地下水体,具有支持生命活动的物理化学条件。在封存的地下水中,也可能存在一个多姿多彩的生命世界[3][4]。
 
这一发现,使得深部地下水体成为了潜在的生命宜居区域,大大扩展了生命活动范围,为地球和外星的生命发现提供了新线索[5]。有关最古老的水,以及水与生命的关系,还有许多未解之谜,等待进一步探索……
 
参考文献:
 
1、 方林茹.水从哪里来[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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