地殼深處的時間膠囊：封存 15 億年的古老地下水

在地表之下的深部地殼，人類長久以來對那裡的環境幾乎一無所知。與地表活躍的水循環不同，地殼深處的水被岩石裂隙與礦物結構所封存，可能在極長的地質時間內保持隔離狀態。

在加拿大安大略省蒂明斯（Timmins）地區一座礦山的一批考察隊，從地下約 2.4 公里深處的岩石裂隙中採集到地下水與氣體樣本。這些岩石屬於古老的太古宙（Archean）地殼，形成於約 27 億年前。地質紀錄指出該地區曾經歷多次火山活動與沉積事件，之後在約 26.7 至 26.9 億年前發生綠片岩級（greenschist grade）變質作用，指岩石在約 300 至 450 °C、數千巴壓力下發生的低至中等程度變質作用，形成以綠泥石（chlorite）、陽起石（actinolite）、綠簾石（epidote）等綠色礦物為特徵的礦物組合；並在約 26.4 億年前經歷一次晚期交代作用（metasomatism），也就是流體（通常是熱液）進入岩石，改變岩石的化學成分與礦物組成的過程。這些都為地下流體的形成與封存提供了條件。

研究員正在採集地下水（感謝 K. Voglesanger 提供）

從這些鑽孔中流出的水富含氫氣、甲烷、氮氣與氦氣，這類氣體組成在地殼深處的地下水中並不罕見。先前研究指出，氫氣可以透過水分子受到高能輻射作用分解產生，也可能在蛇紋石化（serpentinization）反應中形成，意旨富含橄欖石（olivine）與輝石（pyroxene）的超鎂鐵質岩與水反應，轉變成蛇紋石（serpentine）等礦物的過程。這些化學能量來源足以支持特殊的生態系統，化能自營（chemoautotroph）的微生物群落。這類微生物僅利用氫氣等還原性氣體進行代謝，因此即使在完全與地表隔離的環境裡，也可能長期存活。

為了判斷這些地下水究竟在地殼中停留了多久，研究員分析了多種惰性氣體包括氦、氖、氬與氙的同位素。惰性氣體是極佳的地球化學示蹤劑，因為它們不易參與化學反應，其同位素比例能記錄形成與演變歷史。例如，氦與氬的某些同位素可以由鈾、釷與鉀等放射性元素衰變產生，像是 ⁴He 可以來自 ²³⁸U、²³⁵U 與 ²³²Th 的放射性衰變，而 ⁴⁰Ar 則可由 ⁴⁰K 的衰變產生，因此在封閉環境中會逐漸累積。透過測量這些放射成因氣體的濃度，就能估算流體在岩石中的停留時間。

樣本中的氦同位素比例極低的 ³He/⁴He 值，說明其中超過 99% 的氦來自放射衰變，而不是地函來源。氖同位素的組成也表明，這些流體主要是古老地殼環境中的放射成因氣體，並沒有明顯的地函輸入。這些證據意味著流體長期停留在當地岩石系統中。

研究者發現，這些地下水中的氙同位素比例與現代大氣不同，其中較輕的氙同位素（如 ¹²⁴Xe、¹²⁶Xe 與 ¹²⁸Xe）顯示出明顯的富集現象。這種特徵與太古宙時期大氣的氙同位素組成相似。地球大氣中的氙同位素比例並非固定不變，在地球早期歷史，太陽輻射與其他作用會逐漸改變其組成。所以若地下水曾經與古老大氣達到平衡並被封存，其氙同位素比例便會保留當時的大氣訊號。

根據這些氙同位素的偏差程度，推算了這些地下水的平均停留時間至少達到約 15 億年。意思是這些水可能自太古宙晚期或元古宙（proterozoic）早期就被封存在地殼裂隙中，直到今天仍然保持隔離。這樣的時間尺度遠遠超過先前在深部地下觀察到的數百萬年或數千萬年的地下水。

另一個重要發現是氙 129（¹²⁹Xe）的異常富集，這種同位素通常由放射性碘 129（¹²⁹I）衰變而來，而碘 129 的半衰期只有約 1,570 萬年，意思是在十幾億年的尺度之下碘 129 早就消失了，故氙 129 的來源必須與早期地質事件有關，隨後被封存至今。

若地下水能在地殼中保持數十億年的隔離狀態，那麼深部地下生態系統也可能擁有極長的演化歷史。這些環境中的微生物不依賴陽光，憑藉岩石與水之間的化學反應所釋放的能量存活，儘管在完全黑暗的深部環境，也能形成穩定的生態系統。

這項研究也對尋找地外生命提供了另一種啟發。火星表面如今乾燥寒冷，但其地殼同樣由古老岩石構成，許多地區在數十億年內缺乏顯著的構造活動。如果地球深部地殼能夠保存古老流體與微生物生態系統，那麼火星地下也可能存在類似的環境。只要地下仍然保有水與化學能來源，生命便有可能在那裡長期存續。

作者：水也佑

參考文獻：

Holland G et al. (2013). Deep fracture fluids isolated in the crust since the Precambrian era. Nature.