你知道地球上最老的地下水是多大年龄吗?

作者: 孔佑兴

来源: 中科院地质地球所

发布日期: 2022-01-28 12:14:03

本文探讨了地球上最古老的地下水的年龄及其对生命起源研究的意义,介绍了地下水的起源、测年技术、分布地点以及在基德溪矿井发现的古老地下水的研究成果。

你知道地球上最老的地下水是多大年龄吗?

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?

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”。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。

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。

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。

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:流体包裹体和封闭的岩体裂隙。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。

2013年,科学家在加拿大安大略省蒂明斯市附近的基德溪矿井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。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。

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。因此,目前已知的最古老的地下水,其年龄在16亿岁以上。

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。

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