发现：隐藏在海底的巨型淡水矿藏

在2015年9月一个晴朗的日子，经过10年的努力争取资金，我的同事克里·基和我登上了R/V 朗塞斯号研究船，这艘船停靠在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所。我们即将领导为期10天的考察，绘制一个淡水矿藏的地图，其大小未知，隐藏在岩石海底下100米（约330英尺）处。

早在20世纪60年代，美国地质调查局在新泽西州海岸外钻探了一系列垂直钻孔，寻找沙矿和其他资源。他们意外地发现了淡水，这令人费解。多年后，研究人员从同一地点获得了水样并分析了化学成分，惊奇地发现这种液体是最近的雨水和海水的混合物。雨水，在离岸65公里（40英里）处——在海底之下？

这就是我们此行的目的地。一旦R/V 朗塞斯号到达指定位置，我们就放出一条长长的漂浮线，线上装有一个特殊的发射器。它将电磁场发送到数百米深的海水中和海底中。这些电磁场穿过海底，产生二级返回信号，被线上其他传感器捕获。我们在钻探区域缓慢拖曳阵列130公里。我们还投放了沉到海底的仪器，记录来自发射器的信号以及自然产生的电磁场。我们可以使用所有这些读数来创建海底下的图像。完成新泽西州海岸外的调查后，我们向玛莎葡萄园岛航行——研究人员曾暗示那里也可能存在淡水——并在那里也进行了一次长距离的传感剖面。

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我们花了几个月的时间来处理所有数据。当我们在2019年发布我们的结果时，我们引起了轰动。一家媒体的头条新闻概括了这种兴奋：“神秘的淡水水库被发现在海底之下。” 确实如此。但是它有多大？它是如何到达那里的？这些近海地下矿藏有多普遍？我们不知道。

其他问题困扰着我们。在这个海洋星球上，只有约2.5%的表面水是淡水。随着全球人口增长到预计到2100年达到100亿人，我们供水的压力将会增加——尤其是在沿海地区，美国30%的人口现在居住在那里。气候变化也在改变降雨模式，污染正在损害现有的水体，农业和开发正在吸干地下水库。距离海岸仅几十公里的巨大隐藏水库能否拯救生命并帮助灌溉干旱作物？在水资源短缺已经是一个巨大挑战的地方，世界各地是否存在这样的水库？如果是这样，我们能否安全且经济地利用这些令人惊讶的矿藏？我们的发现促使了进一步的研究，包括最近在圣地亚哥、夏威夷、新西兰和马耳他海岸外的调查，这些调查正在开始提供答案。

埋藏在海底

关于近海发现淡水的记录可以追溯到19世纪。佛罗里达州的渔民偶尔会报告海面上的“沸腾”现象，他们认为这是从下方泄漏出来的。在某些情况下，他们对水进行了取样，发现它没有咸味；淡水的密度比海水小，所以它会上升。

1996年，在我开始在伍兹霍尔工作两年后，我和六位同事乘坐一艘小型包租研究船在加利福尼亚州尤里卡海岸外，海岸线在远处仍然可见。我们正在使用加拿大太平洋地球科学中心建造的新型海底测量系统来绘制沉积物地图。我们的研究是一个大型项目的一部分，该项目旨在研究流入海岸线的河流如何将沉积物分散到海洋中，我们的设备正在测量沉积物中海水的含量，深度约为30米。它使用了电磁传感技术，这是一项在海洋地球物理学边缘的技术。

在一个所有其他数据都使我们认为应该看到含盐量高的细粒泥质沉积物的区域，我们看到了一个暗示相反情况的信号：读数表明存在约50平方公里的淡水，这表明地下水可能从海岸下方泄漏，并从延伸到海底的裂缝和断层中渗出。这一发现使我们意识到，电磁传感可以探测到隐藏在海底任何地方的淡水。

大陆不会在海岸线停止；它作为一个岩石水下陆架向外延伸。陆架在陡峭的斜坡处结束，该斜坡急剧过渡到深海海底。构成世界大陆架的岩石和沉积物不是干燥的。一些岩石破裂，允许海水渗入。大多数陆架都被沉积岩层覆盖，沉积岩层就像坚硬的海绵，具有细小的、相互连接的、充满水的孔隙。

海底或海底以下的沉积物通常具有40%至50%的孔隙率。上方海洋的重量将水向下压入沉积物中，尽可能深地压入。地球科学家仍在争论最大深度，但它至少可以达到几公里，尽管随着深度增加，压力增大，裂缝和孔隙空间闭合，渗漏迅速减少。岩石的渗透性——水可以轻松流过它的程度——取决于其各种孔隙的互连程度。

由于陆架是大陆的延续，美国东北海岸沿岸陆地地下水流动的模型表明，在大陆坡海底下的岩石和沉积物中可能隐藏着大量的淡水。但是，关于这些水如何到达那里——并留在那里——存在相互竞争的假设。

在陆地上，地下水储存在称为含水层的地质水层中。一些含水层较浅，可以通过降雨补充。另一些含水层则深得多，并且储存着已经存在数千年的水，可能是上次冰河时期冰川留在那里的。含水层的成分因地区而异，从佛罗里达州下方的石灰岩层到东北部更多的沉积层。地下水——含水层中含有的淡水——约占美国可用淡水总量的90%，即使我们考虑到河流和湖泊。美国约有25%的用水量是从私人或市政水井中从含水层中抽取出来的。

在美国东海岸外，大陆架的延伸范围从靠近海岸到离岸300多公里不等。也许不足为奇的是，在陆地下形成含水层的地质层不会在海岸线停止；它们通常作为陆架的一部分向外延伸。

当雨水落在沿海陆地上时，它可以渗透到含水层中，并通过高度渗透的岩石，在海岸线下和横跨海岸线移动，最终到达海底。为了使这种长距离流动发生并使水保持新鲜，海洋含水层上需要有一个盖层——一个不渗透的层，通常是压实的富含粘土的沉积物。粘土是矛盾的：当它松散时可以容纳大量的水，但当它被压实时，它几乎变得不透水。这个盖层阻止了密度较小的淡水上升到海底。

完全不同的机制也可能在海底留下淡水。在过去的冰河时代，巨大的冰盖和冰川生长，吸收了大量的海水。海平面低得多，大陆架的较长部分暴露为向自然环境开放的陆地。在上次冰河时代，大约在12,000到20,000年前之间，落在这些区域的雨水可能渗透到地下，就像今天在陆地上一样。如果这些水在盖层下流动，那么当冰盖后来融化并且海平面再次上升时，它可能会被困住。另一种模型假设冰盖的巨大重量将淡水压入地下深处和盖层下方。

淡水还是咸水

弄清楚特定水库是如何形成的——它是否与陆地上的含水层相连以及它的范围有多大——需要大量的传感。钻探可以提供样品，但它既昂贵又仅限于孤立的点。在我们在R/V 朗塞斯号上的航行之前，一直缺少一种相对便宜、易于使用的技术，可以覆盖大面积的海底。

在20世纪70年代和80年代，研究人员开始开发电磁仪器来测量海底的特性，部分原因是美国海军对远程潜艇通信的兴趣。在整个20世纪80年代和90年代，“可控源电磁”（CSEM）传感技术逐渐变得更加复杂。在20世纪90年代末和21世纪初，石油工业开始使用该技术来探测地下石油，这极大地推动了研究人员可用的仪器的改进。

CSEM传感基本上测量海底传导电流的能力。在大陆架中，电导率受孔隙和裂缝中海水量以及海水盐度和温度的控制。盐中的钠离子和氯离子是增强电导率的电荷载流子，因此盐水比淡水导电性更好。充满海水的海底区域将比充满盐度较低的水的区域更好地传导电流。CSEM可以相当精确地测量这些差异。

在我们的航行中，拖曳线上的四个接收器位于船后方600至1,400米处。它们测量了靠近船只的发射器产生的电场，以及从海底下层结构返回时检测到的感应电场。接收器越靠后，它就能越深入地观察地下。这些信息，以及我们投放到海底的仪器提供的关于地球自然产生的电场和磁场的数据，使我们能够清楚地表明，在新泽西州和玛莎葡萄园岛附近存在海底淡水含水层。

然而，我们仍然不清楚淡水的范围或体积。尽管CSEM电导率测量对孔隙水的盐度敏感，但它们也受到海底孔隙率的影响——给定体积中存在多少水。孔隙率高但导电性较差（淡水）的岩石可能与孔隙率低但导电性良好（盐水）的岩石具有相同的读数。对于我们在新泽西州海岸外的CSEM调查，我们使用了来自钻孔的沉积物样品和孔隙水样品来校准我们的模型。盐度以每升溶解盐的克数表示。海水的盐度约为35。盐度在1到10之间的水被认为是微咸水。任何低于1的水都被认为是淡水。新泽西州和玛莎葡萄园岛附近的孔隙水盐度范围在0.2到9.0之间。

我们没有这些地点之间海底的数据，因此我们不知道这两个隐藏的水体是否相连，或者如果相连，是如何相连的。我们认为整个新英格兰陆架下方可能都存在淡水，这基于对陆上含水层的调查和模型。玛莎葡萄园岛附近的水可能是12,000多年前冰川留在那里的。新泽西州附近的水似乎部分来源于陆地上的降雨。一个大型团队正在制定明年在玛莎葡萄园岛附近进行科学钻探的计划，这项工作将提供化学分析，这可能有助于我们弄清楚这些水在那里隐藏了多久。

沿着东海岸向南更远的地方，沿海地质过渡到主要是石灰岩；那里的地下水运动可能再次不同。为了解读正在发生的事情，我们需要进行更多的CSEM调查，也许还需要在选定的地点进行钻探，这将是一项代价高昂的工作。调查从陆地到海洋的过渡——以寻找可能从陆地含水层流向海洋矿藏的水流——具有挑战性。这将需要在浅海沿海水域拖曳长阵列，那里有巨浪和繁忙的船只交通，以及在海岸线陆地上使用类似传感器进行数据收集。尽管与世界其他地区相比，美国东海岸的水资源压力并不大，但该地区的研究相对透彻，并且可能为理解近海地下水运输和储存所涉及的各种过程提供了最佳机会。

正如我之前提到的，自从我们的航行以来，已经进行了其他实验——有些在具有非常不同地质环境的地方。2018年在夏威夷海岸外进行的一项调查，使用了与我们使用的设备大致相同的设备，发现了明确的证据表明，在海底下数百米处存在含有淡水的岩石。与新泽西州不同，夏威夷是由火山岩构成的，火山岩具有相对较高的渗透性。尚未证实的假设是，海底含水层是由陆地上地方的地下径流形成的。夏威夷的水供应依赖于降水，因此了解其水如何通过地下通道流失到海洋中非常重要。

利用的诱惑

在过去几年中，人们对寻找近海淡水矿藏的兴趣显着增加，尤其是在淡水供应稀缺的地区。我们对全球海岸线约150公里范围内捕获的淡水量的最佳猜测约为一百万立方公里。作为参考，纽约市每年消耗约1.4立方公里。我们的猜测主要基于对陆上钻孔的推断，以及迄今为止为数不多的近海调查。

没有人设计出一个详细的系统来利用海底含水层。挪威SINTEF能源研究中心的托尔·巴肯和他的同事描述了一个基于石油钻探技术的通用系统。自升式钻井平台（基本上是一个带支腿的平台）或驳船将锚定在海底淡水含水层上方。工程师将钻入水库，水将通过海底的管道流到陆地上的处理厂。该工厂将淡化水，可能使用反渗透，这是一种常见的过滤技术。巴肯估计，这个过程将比海水淡化略微便宜，具体取决于“淡水”的咸度。淡化是一个能源密集型过程，与钻探或沿管道泵送水相比，它将占总成本的更大比例。

为了决定是否开发任何给定的近海供水，我们需要了解地下水最初是如何进入海底的。想象一下一个海底含水层，它没有连接到海岸线下的任何输水结构。淡水被含有海水的沉积物包围。一旦有人开始抽出淡水，海水可能会流入空隙，与剩余的淡水混合并提高其盐度。一旦淡水被提取出来，它就不会得到补充。

从通过地质构造连接到陆上含水层的海底含水层中抽水也可能存在风险。任何海底含水层都至少会略微带咸味，抽水可能会混合水，这可能会降低陆地含水层的新鲜度。模型还表明，过度抽取近海水库可能会耗尽向其供水的陆地水，甚至导致地面沉降。

在2019年9月至2020年9月期间，研究人员使用CSEM传感表明，圣地亚哥组（为该市提供大量地下水）内的微咸地下水通过科罗纳多岛与近海海底含水层相连。然而，该地区的地质情况非常复杂，存在许多断层，这可能会使利用海底含水层显得不值得。美国西海岸有许多地质断层，这些断层可能会将地下水引导到近海，但如果过度抽水，也可能导致海水入侵陆地。圣地亚哥的情况似乎就是如此。

所有市政当局都有供水策略，通常涉及一系列饮用水源以及节约用水。包括一些国家在内的一些缺水地区已经在淡化海水。这个过程既昂贵，而且如果机器由化石燃料驱动，还会排放温室气体。在某个地区考虑钻探海底淡水之前，它可能会考虑过去因微咸水而被忽视的地下水；它可能比海底含水层盐度更低。圣地亚哥和德克萨斯州埃尔帕索已经开始淡化微咸地下水。另一个问题可能是哪个国家有权从位于两个邻国之间的海洋边界的近海含水层中取水。

节约用水也很重要。地球大陆和海洋上的一切都是相互关联的。通过地下和近海流动的陆上地下水带来了营养物质和化学物质，这些物质和化学物质维持着大陆坡沿线地区的脆弱海洋群落。我们尚无法预测将近海地下水用作资源的环境后果。

科学家们仅证实了少数海底淡水含水层。可能还有更多——小的、大的、由地下水补充的或被冰河时代隔离的。社区努力正在兴起，尤其是在欧洲，以探索这种可能性。更多的调查将逐渐解开谜团——并揭示更多惊喜。2022年在马耳他周围地中海进行的测绘显示，一个近海储水库可能由陆上地下水补给。数据和模型得出结论，近海可能存在1立方公里的淡水，足以供应马耳他群岛人口75年。但模型还显示，气候变化将减少未来的降雨，在未来80年左右的时间里，近海地下水将减少38%。

我们还有很多东西要学习。明年在玛莎葡萄园岛以南进行的钻探将告诉我们更多关于陆地和海底的淡水储藏如何连接的信息。我们调查得越多，我们就越能了解这些隐藏的宝藏是如何形成的，我们也就能更好地预测我们在哪里可以找到它们。