科普之窗

藏在海底的淡水

冯杰

2023-09-14 02:24

撰文 罗布·L.埃文斯(Rob L. Evans) 翻译 彭容
光明日报( 2023年09月14日 14版)

自2019年埃文斯和同事发布关于在美国新泽西州和马撒葡萄园岛的海底神秘淡水库研究后,越来越多的科考相继展开,旨在寻找更多海底淡水。

意外发现的淡水

经过10年的努力获得资助后,我和同事克里·基(Kerry Key)终于在2015年9月一个晴朗的日子里踏上了一艘名为“马库斯·朗塞特”(R/V Marcus Langseth)号的科学考察船,它就停靠在美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所附近的码头。我们即将开展一项为期10天的考察,目的是绘制一个隐藏于海底100米深处、面积未知的淡水库。

早在20世纪60年代,美国地质调查局(USGS)就在新泽西州海岸钻了一连串的垂直井,以寻找砂矿和其他资源。但令人不解的是,他们意外发现了淡水。几年后,有研究人员从同一地点采集了水样,并通过化学分析惊讶地发现,这些液体是不久前落下的雨水与海水的混合物——雨水竟然出现在了距离海岸线65千米之外的大陆架底部。

实际上,大陆并没有止步于海岸线,而是会延伸至近海中,形成一个大陆架,并且大陆架的边缘会陡峭下降到深海海底,构成一个大陆坡。

新泽西州就是我们要去的地方。等到马库斯·朗塞特号科考船就位后,我们便拉出一根长长的、带有一个特殊发射器的漂浮线缆。这种发射器发射的电磁波能够穿透数百米的海水(大陆架水深通常为数百米)到达海底。随后,这些电磁波会穿过海底,并经下方地层反射产生回波,进而被线缆上的其他传感器捕获。我们会拖着这根线缆在已钻探过的区域缓慢前行约130千米。

此外,我们还向海底投放了一些设备,让它记录下来自我们发射的信号,以及天然的电磁辐射。然后,我们就可以利用这些数据来创建一张海底以下部分的剖面图。在这项考察完成后,我们便离开新泽西州,乘着科考船前往马撒葡萄园岛。因为研究人员认为那里可能存在淡水,通过上述方法,我们可以在那里拉取大量关于海底地形结构的数据,绘制剖面图。

我们花了几个月的时间来处理所有的数据,并在2019年发表了我们的结果,这引起了一番轰动。有一家媒体用这样的标题概括了这一令人兴奋的科学发现:隐藏在海洋之下的神秘淡水库。事实确实如此。但它到底有多大,如何到达海底,这些近海海底资源又有多普遍,我们当时还不得而知。

与此同时,还有其他问题困扰着我们。在这个被称作“海洋行星”的地球上,只有大约2.5%的地表水是淡水。而且预计到2100年,全球人口将增长至约100亿人,这将使我们面临更大的水资源压力,尤其是沿海地区,而美国有30%的人口都居住在沿海地区。此外,气候变化正在改变降雨模式,现存水域也在遭受污染。另外,工农业生产还会使地下水资源枯竭。那么距海岸线几十千米之外、隐秘的大型淡水库,能否作为农作物的灌溉用水,为生命提供生存所需的水源?对于世界上正面临着水资源短缺这一巨大挑战的地区来说,这样的淡水资源是否存在?如果真的存在,我们能否安全且经济地开采这些意料之外的淡水资源?不管怎样,我们的发现已经促使学界开启进一步的研究,包括最近在圣迭戈、夏威夷、新西兰和马耳他附近开展的考察活动,这些考察将逐步为我们揭开这些问题的答案。

隐藏于海底

在近海发现淡水的记录最早可追溯至19世纪。当时,佛罗里达州不时有渔民声称,海平面上有淡水涌出,他们认为这些淡水是从深海升上来的(淡水的密度低于咸的海水而上升)。有时会出现足够的淡水,使得人们可以尝一尝它的味道。1996年,当我在伍兹霍尔海洋研究所工作两年后,我和6位同事乘着一艘租赁的小型科考船前往加利福尼亚州尤里卡近海,它的海岸线即便在远处也依然看得见。当时我们正在使用一种新型的海底探测系统,它由加拿大地质调查局(GSC)下属的太平洋地球科学中心建造,用于绘制沉积物分布图。我们的研究是一个大型研究项目的一部分,该项目旨在研究冲向海岸线的洪流将如何在入海后分散自身所携带的沉积物。我们使用的设备则需要测量在水深30米处,沉积物中的海水总含量。当时这项技术使用了电磁感应的探测方法,不过这并不是海洋地球物理学领域内的主流技术。

尽管来自其他方面的数据都显示,我们将在某一片细粒泥质沉积物的区域观察到水体中富含较高盐分的现象,但监测数据却显示出了一个完全相反的信号:数据显示这片区域有大量淡水,面积约50平方千米。这一现象表明,地下水可能是从海岸下方渗透过来的,它通过岩石裂缝和断层逐渐渗透到了海底的某个地区,从而形成了海底的淡水区。这项发现使我们意识到,我们可以通过电磁感应探测到隐藏在海底任何地方的淡水。

事实上,世界上大多数大陆架的海底由沉积岩层覆盖,其中有些岩石有足够的孔隙,可以使水渗入其中,因此这些沉积物并不干燥,它们就像坚硬的海绵一样,拥有相互连接的、充填着水的小孔隙。海底或海底以下的沉积物的孔隙率通常为40%至50%。而上方具有一定重量的海洋会将水尽可能深地挤入到沉积物中。目前,地球科学家仍然在争论水可能渗透的最大深度,有猜测认为这个数值可高达几千米。但是,随着深度增加,随之增大的压力也会导致裂缝和孔隙闭合,因此孔隙率会迅速降低。换句话说,岩石的渗透性——水在其中流动的难易程度——取决于它的各种孔隙之间的连通性。

由于大陆架是大陆的延续部分,因此对美国东北部海岸的大陆架海底水流建立的模型表明,大陆坡的岩石和沉积物中可能赋存着大量淡水。但关于这些淡水是如何来到这里并储存下来的,还存在争议。

在大陆上,地下水往往储存在一种被称作含水层的地层里。有些含水层比较浅,可以通过降雨来补充。另一些含水层位于更深的位置,储存着数千年前的水,这些水可能属于上个冰河时期的冰川留存下来的融化水。此外,含水层成分因地区而异,例如,佛罗里达州的含水层由灰岩组成,而美国东北部地区的含水层则是由多层沉积物组成。在美国,即使把河流和湖泊都考虑在内,地下水(含水层中的淡水)约占可用淡水总量的90%。而且在美国,约有25%的用水是通过私人或市政水井从含水层抽取的。在美国东海岸,大陆架从海岸线一直延伸到300多千米外。不难理解,陆地下方可形成含水层的地层也没有止步于海岸线,而是会作为大陆架的一部分向外延伸。

当沿海陆地出现降雨时,雨水可以渗入含水层并穿过高渗透性的岩石,然后从地下经过海岸线流入海底。要想实现这种长距离流动,同时保持淡水的低盐度,海洋含水层的上方需要有一个不具渗透性的盖层——一个通常由紧密结实的黏土质岩石组成的地层。黏土的特点是,它在松散时可以容纳大量的水,但一旦被压实就会变得几乎不可渗透。因此,这种盖层可以防止海底含水层中密度较低的淡水“逃离”海底。

此外,还有一种完全不同的机制或许也可以解释淡水是如何留存在海底的。在过去的冰河时期,冰盖和冰川会吸纳大量海水,从而得以大幅扩张。因此那时的海平面较低,导致大陆架的大部分区域显露出来。在大约2万至1.2万年前的最后一个冰河时期,这些区域的降水可能渗入到了地下,就像如今陆地上发生的那样。如果这些渗透到地下的水的上方也有一个盖层,那么随着后来冰盖融化,海平面再次上升,这些水或许就能保留在那里。

淡水和海水

要弄清楚海底含水层是如何形成的——包括它是否与陆地上的含水层相连、面积可达多大,还需要开展大量的探测工作。钻探可以采集样本,但成本高昂,而且钻探点一般有严格限制,会使采样位置受限。在我们乘坐马库斯·朗塞特号进行科学考察之前,我们一直缺乏一种相对便宜、易于使用,并且可以覆盖大片海底区域的技术。

在20世纪70年代和80年代,研究人员开始开发电磁探测仪器来测量关于海底的多种特征,部分源于当时美国海军对长距离海底通信的兴趣。后来在20世纪80年代和90年代,海洋可控源电磁技术正逐步走向成熟。到了20世纪90年代末和21世纪初,石油工业就开始使用CSEM技术来探测地下石油,由此促使相关仪器出现重大改进。

CSEM技术主要是在测量海底传导电流的能力。对于大陆架来说,它的导电性受制于其中孔隙和裂缝内的海水总量,以及这些海水的盐度和温度。盐分子中的钠离子和氯离子是能够提高导电性的载流子(可以自由移动的带电微粒),因此咸水的导电性优于淡水。也就是说,渗入海底的水中海水占比越大,导电性就越好。而CSEM能够以相当高的精度测量这些差异。

在我们乘船考察期间,在距离船尾600至1400米处的漂浮线缆上布放了4个接收器。这些接收器可以分别测量发射器在船体附近产生的电场,以及从海底地层返回信号时所产生的电场。而且接收器的位置越靠后,它越能探测到海底下方更深处的信号。这些信号再加上我们投放在海底的仪器所获得的关于地球天然电磁辐射的数据,可以清楚地表明,新泽西州和马撒葡萄园岛近海存在海底淡水含水层。

然而,我们仍然不太清楚海底淡水的面积和容积。尽管CSEM技术在测量电导率时对孔隙水的盐度很敏感,但结果也会受到海底沉积层孔隙率的影响,因为这在一定程度上决定了一定体积内的含水量。这意味着,一块高孔隙率但导电性较差的岩石(含有盐度较低的水),也许会与一块低孔隙率但导电性良好的岩石(含有盐度较高的水)测得相同的导电率。我们利用CSEM技术对新泽西州近海开展调查时,会用钻孔沉积物样本和孔隙水样本的数据来校准我们的模型。结果显示,新泽西州和马撒葡萄园岛近海海底沉积物孔隙水的盐度在0.2至9.0之间——盐度用每升水中所含溶解盐类的克数表示,例如海水的盐度约为35,半咸水的盐度在1到10之间,而淡水的盐度则小于1。

我们没有位于这两个地区之间的海底数据,因此我们并不知道这两个隐藏于海底的淡水库是否连通,如果是的话,又是如何相互连接的。根据模型和对陆地含水层的勘测,我们认为整个新英格兰区域的大陆架下方可能都存在淡水。其中,马撒葡萄园岛附近发现的淡水可能是由超过1.2万年前的冰川留存下来的,而新泽西州近海处发现的淡水似乎部分源于陆地上的降雨。一支大型团队正在制订计划,希望明年到马撒葡萄园岛附近进行科学钻探,并且开展化学分析,这或许可以帮助我们弄清楚水在那里储存了多久。沿着东海岸往更靠南的地方进发,我们会看到沿岸地层逐步转变为大部分由灰岩组成,因而那里的地下水流动可能也会有所变化。为了弄清楚到底发生了什么,我们可能需要开展更多基于CSEM的勘测,或许还可以通过在选定位点钻探来获取更多数据,不过这也许将消耗大笔的费用。我们可以通过勘测陆地与海洋之间的过渡地带,试图寻找从陆地含水层到海洋沉积层的水流痕迹,但这十分具有挑战性。尽管与世界上的其他地区相比,美国东海岸并没有面临较高的水资源压力,但相对充分地研究该地区,或许可以为了解近海海底地下水如何流动和储存提供最佳的机会。

在我们乘船考察期间,其他团队也开展了许多类似实验,其中有一些涉及的区域是完全不同的地质环境。比如在2018年,一项关于夏威夷岛近海的研究利用与我们大致相同的设备,明确发现海底几百米深处的岩石中含有淡水。与新泽西州不同,夏威夷岛主要由火山岩构成,火山岩具有相对较高的渗透率。目前有一个还未经证实的假设:海底含水层是经由大陆的地下径流产生的。夏威夷岛供水依赖于降雨,了解这里的水是如何通过地下径流流失到海洋中的,将会非常重要。

如何开采

在过去几年里,人们对寻找近海淡水含水层的兴趣明显增加了,尤其是在淡水资源稀缺的地区。我们推测,在海岸线长度约150千米的区域内,封存着大约100万立方千米的淡水资源。作为参考,纽约市每年消耗约1.4立方千米的淡水。不过,我们的猜测主要是基于陆地钻探得到的数据,以及目前为数不多的几次近海勘探数据。

目前,还没有人能设计出一套详细的系统来开采海底含水层。挪威科技工业研究院(SINTEF)能源研究中心的托尔·巴肯(Tor Bakken)和同事描述了一种基于石油钻探技术的通用系统:将一个自升式钻井平台(通常带有桩腿)或驳船(barge,主要用于内河浅狭航道的货物运输)固定在海底淡水含水层之上。

工程师会利用这个钻井平台钻入含水层,然后使水沿着海底的一条管道流到陆地上的一家处理厂中。这里会通过一种常用的过滤技术——反渗透法——来对水进行脱盐处理。巴肯估计,这个过程的成本可能稍低于海水淡化的成本,不过这取决于海底淡水库的盐度。事实上,海水淡化的能耗相对较高,在总成本中所占的比例比钻井或沿管道抽水要大得多。

为了决定是否开采某一区域近海的水资源,我们首先需要了解地下水是如何进入那片海底的。如果一个海底含水层不与任何位于海岸下方的输水结构相连,而是被浸有海水的沉积物所包围,那么随着淡水被抽出,海水就有可能流入空出的位置,从而与剩余的淡水混合,抬高整体的盐度。而且淡水一旦被抽走,就不会再得到补充。

另外,如果一个海底含水层通过一种地质构造与陆地含水层相连,那么从这里抽水也可能存在风险。因为任何海底含水层中都含有少许盐类,而抽水可能会导致海底含水层与陆地含水层混合,从而增加陆地含水层的盐度。模型结果还表明,过度抽取近海海底淡水可能会使可作为海底含水层补给源的陆地地下水枯竭,甚至导致地面沉降。

2019年9月至2020年9月期间,研究人员利用CSEM技术发现,圣迭戈地层内的半咸地下水(该市的一大地下水源)与科罗纳多岛近海的海底含水层相连。然而,这个地区的地质构造非常复杂,存在许多断层,可能使开采这里的海底含水层变得没有什么意义。事实上,美国西海岸有许多地质断层,这可以使陆地地下水被引入到近海中,也可以在过度抽水时,让咸水渗入到这里的陆地地下水中。圣迭戈似乎就面临着这种问题。

每座城市都有自己的供水策略,通常会考虑到一系列可能的饮用水源,以及水资源保护的问题。一些水资源紧张的地区和国家已经在实施海水淡化。但这一过程比较昂贵,而且如果所用机器是由化石燃料驱动的,还会导致温室气体的排放。在一个地方决定通过钻探获取海底淡水之前,可能需要考虑过去是否因为地下水为半咸水而放弃开采——当然,这种地下水的盐度也可能低于海底含水层。目前,圣迭戈和得克萨斯州的埃尔帕索已经在淡化半咸地下水了。

此外,水资源保护也很重要。在地球上,关于陆地和海洋的一切都是相互联系的。陆地地下水可以通过地下径流进入近海海域,从而为生活在大陆坡的海洋生物群落带来生存所需的营养物质。然而,我们还无法预测将近海海底地下水作为水资源使用后,会对环境造成怎样的后果。

目前,科学家只确认了少数海底淡水含水层,可能还有更多——无论是小规模、大规模,还是由地下水补给形成,或是通过冰河时期的冰川留存下来的。一些团队正在努力探索可能存在的海底淡水含水层,尤其是在欧洲。陆续的调查将逐渐揭开这些谜团,给我们带来更多惊喜。2022年,通过对马耳他周围的地中海海域进行测绘,科学家发现了一个可能由陆地地下水作为供给源的海底含水层。相关数据和模型推断,当地海底可能含有体积约为一立方千米的淡水,这足以供马耳他群岛的人使用75年。但模型结果还显示,气候变化将导致这个地区未来的降雨量减少,从而使这片近海海底地下水在未来大约80年内缩减38%。

事实上,我们还有很多东西要学。明年,我们将在马撒葡萄园岛南部进行钻探,钻探结果也许能告诉我们更多关于陆地和海洋下方的淡水资源之间的联系。我们调查得越多,就越了解这些隐秘宝藏是如何形成的,进而使我们能够更好地预测它们的位置。


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2023-09-14 10:24
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回溯万余年 先民“吃什么”