Oliver Warr 博士破解10亿年前地下水的秘密
翻译: 陈伟斌博士
我们（ON）很高兴最近能够与Oliver Warr博士（OW）进行一场具有启发性的对话。话题专注于Oliver Warr博士的团队在上周（2022年7月）发表于著名的《自然通讯》杂志上的研究结果。其结果显示该团队在位于南非的Moab Khotsong的一座黄金和铀矿中发现了12亿年前的地下深水。 Oliver Warr博士表示，这一发现具有重大意义，它更清楚地解释了生命如何在地球表面以下维持，以及如何在其他行星上繁衍生息的可能性。Oliver Warr博士是多伦多大学地球科学系的研究助理，也是该研究的主要作者。这是他们的新闻稿。
以下是我们与Oliver Warr博士的面对面交谈:
ON：非常感谢Oliver Warr博士，在你繁忙的夏威夷会议日程中与我们解悉你的科研成果。首先，我们想知道你是否可以通俗地向我们解释你的研究。
OW: 是的。这完全没问题。实际上，我认为最好从大约10年前说起。当时我们最初对加拿大地盾进行了一项研究，该研究发现，水可以被困于地壳深处长达10亿年。在当时，这一发现是一项开创性的研究。这发现很惊人，因为它揭示了水真的可以长时间被困在地下，比我们想像的要长得多。
但问题是，这有多普遍？可能在世界其他地方找到吗？这是单一个点？仅限于因该点的环境而保存了古老的水？还是反映了一个更广泛的现象？。因为当时我们只看到一个区域，所以我们只能把其看作是一次特殊的情况。
从那时起，我们开始在地球上其他地方寻找这种藏于地壳深处的水——基于岩石覆盖了72%地壳面，我们需要从一个更广泛的角度去了解这种水。由于这些环境是全球性的，所以它就可以容纳高达30%的地下水总量。
但这些水有多古老？从哪里来？具有什么意义？通过什么过程产生和处于哪个进程？这些问题，我们当时还没有答案，但是却把我们引向到当前的研究工作。我们去了世界上一个完全不同的地方，该地方位在南非的一个又深又黑的矿井。在那，我们又发现了古老的水。它和我们在加拿大发现的水一样古老。因此，在世界完全不同的地方，我们发现水已经被困在地下12亿年之久。这太不可思议了，因为意味着这些古老的水属于深层地壳系统的一个普遍特征，那就是在全球环境中，水可以在十亿年的时间尺度上被困住。
这意味著我们10年前的发现不是一个异常，而是具有代表性的；但这些发现只是整个现象的冰山一角。
我们在这个地点还发现，水在这些深岩石中停留了这么久，会与岩石本身发生反应。这些反应可以生产出对人类，较小的生命，和微生物都很重要的资源，例如氦气和氢气。虽然这些发现之前已经被研究和记录，但我们目前研究成果提供了一个证据，证实了这些地下水不仅产生放射性元素，如氦、氖、氩和氙，而且产生了之前从未发现过的， 从未探测到的，作为整个强大化学反应的追踪物，同位素氪。这些放射性元素来源于岩石中，而且散布于地球地壳的其他部分。这意味著它们有可能在全球范围内充当地壳深处的能量源，像发电机一样。
这些深层地下水可以提供氦气，社会需要氦气来满足医疗行业、焊接和大量应用等多种需求。但是氦气资源正在枯萎，我们并不确切地知道氦气的生成和积累机制。因此，这一发现对于理解氦气资源是如何形成和迁移至关重要。此外，如果其他放射性元素，如氢，可以迁移，将意味着这些放射性元素可以维持生命，尽管这些生命完全远离太阳。所以生物群落，生物系统，以及其他生命形式可以在十亿年的时间尺度上在地下深处运行。
ON：哇！太棒了。所以我的下一个问题是：数十亿年的水有什么意义吗？年轻的水也可以吗？
OW: 所以对于水，就像岩石一样，为了产生这些反应，环境通常是非常古老的，所以你可以让这些过程在很长一段时间内持续。
这不是一蹴而成的事情。更多的是关于漫长岁月的过程。事实上，数十亿年来，这些地区一直充当著这种发电机的角色，这对我们来说真的很令人兴奋。我认为另一个关键点，我们至少在新闻稿中稍稍提到了一点，就是只要你在岩石存在的情况下有水，那么你就会得到这些反应。
所以这意味著它不一定只适用于地球。如果我们想得更远一点，我一直在观察火星表面；它看起来有点干燥。有可能在火星的地下以及地下岩石裂缝中的类似环境中存在著水。所以在这些裂缝中，你可能会发现到氦和氢气的产生。所以那里有能源生产的潜力。现在，显然，我们对那里的任何生命或任何潜在生命一无所知，但这将是一种能量源，这太棒了，而且这意味著生命不必被束缚在干燥的表面上。
ON：似乎这个过程的驱动因素是辐射，所以我有另一个问题。虽然我不是地质学家，不太了解，但从阅读中我似乎记得放射性元素来自小行星场或小行星带，它们实际上并不是来源于地球的。也许这是真的。也许不是，但问题是如果你要在太阳系的其他地方寻找生命，你必须找到那些地壳中含有放射性元素的地方（行星或卫星）。它是如何分布在整个太阳系中？
OW：这是一个很棒的问题！所以事实证明，这些元素是整个太阳系的岩石所固有的。当行星形成时，这些实岩石确实含有少量的铀、钍、钾和许多其他元素。它不限于太阳系的特定区域。
所以说实话，这些元素在大多数岩石类型中都以低水平分布。这不仅仅是在地球上，还存在于其他类型岩石类星球上，比如火星和更远的地方，真的。这些是非常低的浓度，但是当你有数十亿年的时间时，它们实际上可以产生大量如氢、氦等元素。
ON：那么你认为我们自己的月球可以产生同样的过程吗?
OW：这是一个非常好的问题。铀，钍衰变产生氦，完全不需要水。但是，当铀、钍、钾的衰变与水相互作用时，产生的能量把水分子分裂，从而产生氢气。有关月球上水有多少和水的性质是我的同事正在积极研究的项目。只要地下有液态水或冰，就没有理由认为它不会发生。
ON：所以基岩是辐射源，辐射将H2O分子分解成氢和氧。
OW：对。这就是氢、氦、氖的来源。现在大概还有氧气。氧气很可能与岩石本身发生反应，并引起额外的反应，从而产生更多的元素和化合物，生命也可能以此为生。这是我们一直在努力的另一项研究。
ON：所以我的另一个问题是你为什么选择一个矿场来进行研究？这个地方有什么特点促使你进行研究？
OW：我们基于这些矿场上研究工作已经很长时间了。我必须非常感谢我在普林斯顿大学、新墨西哥大学、牛津大学和南非的同事。尤其是我的PI教授，因为她和她的团队过去几十年来一直在调查世界各地的矿山。
因此，我们一直在全球范围内对环境、水和岩石进行研究。通过这些长期的相互作用，我们发现有特别的证据表明水可以真的很老。其中一个重要方面是当岩石和水相互作用了数十亿年时，会产生大量的气体和气体成分。
因此，你可以相当直接地对这些气体进行采样，然后对其进行分析。如果它们富含如氦和氢，就可能提供它们来自于长期过程的证据。这样你就可以仔细地收集气体，测量它，然后你就可以确定更准确的年份；计算出水被困在地下多长的时间。
ON：太棒了。我还有一个问题要问你。我要回到早先你说的论述上，了解氦和氢的产生过程可能对人类有用，因为这些资源正在枯竭中——我们将如何利用这些知识？我的意思是，这似乎是一个自然发生的过程，可能需要很长时间才能产生有用数量的元素。那么，我们如何利用这一点为人们提供有利的供用呢？
OW：首先，这是一个很棒的问题，我们仍处于探索阶段。在这个问题上，我们需要找到一个在很长一段时间内生产这些元素的地方。找那些潜在的地方，那些可以积累这些气体的地质环境和结构。所以把碳氢化合物作为类比，如总所周知的天然气，石油；它们在某个地方形成，迁移，然后存在于某些地方，氦也是如此。所以我们现在开始更多地了解氦是在哪里产生的。
现在我们有了证据。下一步将是看看它在哪里积累和储存。因此，你首先需要了解它的生成位置、生成的历史，以及数量。
你必须知道去哪里寻找。然后，一旦你弄清楚了，你就可以在那里钻研并把它吸出来。但是如果地下水根本不是很老，或者看起来它已经失去了所有的氦气并且什么都没有，那么这将不是一个寻找氦气的好地方。
你可以找到一个长时间生产它的地方，然后它可能有机会形成可观的体积，从而成为一种经济资源，因为如果它分散到整个地壳，那不一定是很有用。它需要有一个可积累和储存它的点。
ON：它非常像天然气。你认为有任何理由期望它可能具有更高的浓度吗？或者你认为它更均匀地分布在地壳上？
OW：老实说，我认为现在下结论还为时过早，因为我们需要更好地了解这些过程，才能准确了解生产速度、释放速度和积累速度。
这也意味著对整个深度范围内的地质情况都须要详细地了解。所以我们需要更好地描述这些地质特点。但这并不是说我们没有地方可以很好地理解这一点。它仍然处于早期阶段，但我们的氦气正在枯竭中。所以这正是需要真正采取行动的时候。
ON：如果这些放射性元素不是地球或其他天体的原生元素，它们最初是从哪里来的？
OW：我真的很喜欢这部分的故事。如果我们回到发生在140亿年前的大爆炸，当时产生的主要元素只有氢和氦。所有其他的重元素都在之后产生。因此，对于我们特定的太阳系来说，我们现有的理论模型是以前有一个非常大的太阳是由其中一些元素所形成。一个绝对巨大的太阳。然后这个太阳变成了超新星，当它变成超新星时，它足够热，压力也足够高，可以实际产生所有其他重元素，包括铀钍等。然后，当这个真正巨大的太阳爆炸时，它创造了所有这些元素。然后这时我们自己的太阳形成，然后是地球、月球、火星等星球的形成。我们都来自第二阶段。这就是为什么这些放射性元素都已经在太阳系中扩散开来，因为在这次大规模爆炸中它们就在那里。令人惊奇的是，太阳正在创造所有的重元素和所有的重金属。所以我们在地球上看到的一切都是在一颗恒星的爆炸中所形成。这方面的时间尺度真是太神奇了。
ON：之前你提到过气体会是你选择地点的第一条线索？你是否还有其他线索可以选择研究地点？
OW：这是正确的。另一个线索我则没有过多谈论过：那就是流体。水本身应该是非常咸的。它的咸度也可能是海水的八倍。那是因为水已经在岩石中存在数十亿年了， 在这数十亿间，这些水与岩石发生反应，交换岩石中的铁，并变得更咸。这些真正古老的液体通常非常咸，因为当你将水困在岩石中数十亿年时，就会发生这种情况。
ON：你的研究如何改变我们对地球生命起源的理解？
OW：一种理论是它来自外太空。另一种理论是它可能起源于地壳深处。我们发现地壳深处有维持生命的能力。
但这仍然是一个悬而未决的问题，那就是生命最初来自哪里？因为理论上我们不能肯定地说，生命是在地表形成然后进入地下，还是可以在地下形成然后出来到地表。
我认为我们没有足够的信息来回答这个问题。我们只知道至少可以在地下维持生命。你需要做什么来回答这个问题？这有点超出我的领域，但这是我的许多同事和亲爱的朋友正在研究的项目，他们正在努力地弄清楚需要什么条件来形成生命以及可能的环境是什么。
地球上的生命已经存在了38亿年左右。我得查一下实际日期，但38亿年前地球上的条件，无论是地上还是地下，都可能和当前的环境很不一样。所以我们不能仅仅假设当前的环境可以很容易地复制到数十亿年前。
实际上是科学家试图了解可能有利于生命的环境以及它们原本来自哪里。
ON：听起来很棒。你的下一步研究是什么？
OW：有不同的潜在途径。我仍然非常渴望了解这些深层地下环境的地球化学如何随著时间的推移而演变，以及它们可以告诉我们关于远离地表的潜在可居住性模型的信息，这是我现在的驱动重点。地下元素可以告诉我们有关长期地质过程的信息。这是我研究的另一个方向。
ON：直觉上，放射性元素似乎对生命形式有害，但从你的研究来看，它们实际上是生命的躯动力。
OW：我认为考虑这个问题的最简单方法是放射性元素几乎无处不在，一直都有辐射。如果这些辐射的强度处于非常低的水平，那永远不是问题。在我们谈论的这些岩石中所发现的辐射水平非常低，实际上，这并不重要。它不会造成损坏；这不像走进一个核反应堆的能量。但是体积和时间则弥补了地下缺乏高浓度的元素。
为了真正产生这些元素，即使只是四处走动，我们也会不断地受到太阳辐射的低水平轰炸，但我们的身体可以应付。在地下也是如此，尽管实际上所产生的能量很低甚至更低，但这些能量的产生和积累到如此大的体积时，它变得非常重要。
这就像捡起一块石头。它不会产生任何变化，除了可能会在一段时间后让你的手受伤。但是那块石头在十亿年后，可能会产生大量的氢和氦。
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非常感谢，我们希望Oliver Warr博士和他的同事们在了解地球深处正在发生的事情的研究中取得巨大成功。