自2019年埃文斯和共事发布对于在好意思国新泽西州和马撒葡萄园岛的海底高明淡水库究诘后，越来越多的科考接踵张开，旨在寻找更多海底淡水。
巧合发现的淡水
经过10年的英勇取得资助后，我和共事克里·基（Kerry Key）终于在2015年9月一个晴明的日子里踏上了一艘名为“马库斯·朗塞特”（R/V Marcus Langseth）号的科学检修船，它就停泊在好意思国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋究诘所隔邻的船埠。咱们行将开展一项为期10天的检修，方向是绘图一个潜伏于海底100米深处、面积未知的淡水库。
早在20世纪60年代，好意思国地质打听局（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。但令东说念主不明的是，他们巧合发现了淡水。几年后，有究诘东说念主员从归拢地点网罗了水样，并通过化学分析骇怪地发现，这些液体是不久前落下的雨水与海水的混杂物——雨水尽然出目下了距离海岸线65千米以外的大陆架底部。
骨子上，大陆并莫得留步于海岸线，而是会蔓延至近海中，形成一个大陆架，而且大陆架的旯旮会陡峻着落到深海海底，组成一个大陆坡。
新泽西州即是咱们要去的方位。比及马库斯·朗塞特号科考船就位后，咱们便拉出一根长长的、带有一个罕见辐射器的漂流线缆。这种辐射器辐射的电磁波能够穿透数百米的海水（大陆架水深频繁为数百米）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拿获。咱们会拖着这根线缆在已钻探过的区域从容前行约130千米。
此外，咱们还向海底投放了一些拓荒，让它纪录下来自咱们辐射的信号，以及自然的电磁辐射。然后，咱们就不错应用这些数据来创建一张海底以下部分的剖面图。在这项检修完成后，咱们便离开新泽西州，乘着科考船赶赴马撒葡萄园岛。因为究诘东说念主员觉得那儿可能存在淡水，通过上述方法，咱们不错在那儿拉取多数对于海底地形结构的数据，绘图剖面图。
咱们花了几个月的时刻来惩处系数的数据，并在2019年发表了咱们的驱散，这引起了一番触动。有一家媒体用这么的标题详尽了这一令东说念主兴奋的科学发现：潜伏在海洋之下的高明淡水库。事实如实如斯。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，咱们其时还不知所以。
与此同期，还有其他问题困扰着咱们。在这个被称作“海洋行星”的地球上，只须毛糙2.5%的地表水是淡水。而且展望到2100年，寰球东说念主口将增长至约100亿东说念主，这将使咱们靠近更大的水资源压力，尤其是沿海地区，而好意思国有30%的东说念主口齐居住在沿海地区。此外，表象变化正在改变降雨模式，现有水域也在际遇耻辱。另外，工农业出产还会使地下水资源短缺。那么距海岸线几十千米以外、避讳的大型淡水库，能否动作农作物的灌溉用水，为生命提供活命所需的水源？对于宇宙上正靠近着水资源短缺这一精深挑战的地区来说，这么的淡水资源是否存在？如简直的存在，咱们能否安全且经济地开采这些料到以外的淡水资源？不管怎么，咱们的发现也曾促使学界开启进一步的究诘，包括最近在圣迭戈、夏威夷、新西兰和马耳他隔邻开展的检修行径，这些检修将渐渐为咱们揭开这些问题的谜底。
潜伏于海底
在近海发现淡水的纪录最早可回顾至19世纪。其时，佛罗里达州时常有渔民宣称，海平面上有淡水涌出，他们觉得这些淡水是从深海升上来的（淡水的密度低于咸的海水而高潮）。有时会出现充足的淡水，使得东说念主们不错尝一尝它的滋味。1996年，当我在伍兹霍尔海洋究诘所使命两年后，我和6位共事乘着一艘租借的袖珍科考船赶赴加利福尼亚州尤里卡近海，它的海岸线即便在远方也依然看得见。其时咱们正在使用一种新式的海底探伤系统，它由加拿大地质打听局（GSC）下属的太平洋地球科学中心建造，用于绘图千里积物散播图。咱们的究诘是一个大型究诘步地标一部分，该步地旨在究诘冲向海岸线的激流将如安在入海后分散自己所佩带的千里积物。咱们使用的拓荒则需要测量在水深30米处，千里积物中的海水总含量。其时这项技巧使用了电磁感应的探伤方法，不外这并不是海洋地球物理学鸿沟内的主流技巧。
尽管来自其他方面的数据齐高慢，咱们将在某一派细粒泥质千里积物的区域不雅察到水体中富含较高盐分的场合，但监测数据却高慢出了一个十足违反的信号：数据高慢这片区域有多数淡水，面积约50平常千米。这一场合标明，地下水可能是从海岸下方渗透过来的，它通过岩石轻佻和断层渐渐渗透到了海底的某个地区，从而形成了海底的淡水区。这项发现使咱们意志到，咱们不错通过电磁感应探伤到潜伏在海底任何方位的淡水。
事实上，宇宙上大多数大陆架的海底由千里积岩层掩饰，其中有些岩石有充足的孔隙，不错使水渗透其中，因此这些千里积物并不干燥，它们就像坚韧的海绵同样，领有相互连气儿的、充填着水的小孔隙。海底或海底以下的千里积物的孔隙率频繁为40%至50%。而上方具有一定分量的海洋会将水尽可能深地拥入到千里积物中。目下，地球科学家仍然在争论水可能渗透的最大深度，有猜测觉得这个数值可高达几千米。但是，跟着深度增多，随之增大的压力也会导致轻佻和孔隙闭合，因此孔隙率会赶快裁减。换句话说，岩石的渗透性——水在其中流动的难易进程——取决于它的各式孔隙之间的连通性。
由于大陆架是大陆的延续部分，因此对好意思国东北部海岸的大陆架海底水流建造的模子标明，大陆坡的岩石和千里积物中可能蕴涵着多数淡水。但对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，地下水常常储存在一种被称作含水层的地层里。有些含水层比较浅，不错通过降雨来补充。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溶解水。此外，含水层因素因地区而异，举例，佛罗里达州的含水层由灰岩组成，而好意思国东北部地区的含水层则是由多层千里积物组成。在好意思国，即使把河流和湖泊齐讨论在内，地下水（含水层中的淡水）约占可用淡水总量的90%。而且在好意思国，约有25%的用水是通过私东说念主或市政水井从含水层抽取的。在好意思国东海岸，大陆架从海岸线一直蔓延到300多千米外。不难意会，陆地下方可形成含水层的地层也莫得留步于海岸线，而是会动作大陆架的一部分向外蔓延。
当沿海陆地出现降雨时，雨水不错渗透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。要念念达成这种长距离流动，同期保执淡水的低盐度，海洋含水层的上方需要有一个不具渗透性的盖层——一个频繁由细巧结子的黏土质岩石组成的地层。黏土的特质是，它在松散时不错容纳多数的水，但一朝被压实就会变得险些弗成渗透。因此，这种盖层不错防卫海底含水层中密度较低的淡水“逃离”海底。
此外，还有一种十足不同的机制粗略也不错说明淡水是如何留存在海底的。在往常的冰河时期，冰盖和冰川会吸纳多数海水，从而得以大幅推广。因此那时的海平面较低，导致大陆架的大部分区域浮现馅来。在毛糙2万至1.2万年前的终末一个冰河时期，这些区域的降水可能渗透到了地下，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，那么跟着其后冰盖溶解，海平面再次高潮，这些水粗略就能保留在那儿。
淡水和海水
要弄了了海底含水层是如何形成的——包括它是否与陆地上的含水层连结、面积可达多大，还需要开展多数的探伤使命。钻探不错网罗样本，但资本甘心，而且钻探点一般有严格截止，会使采样位置受限。在咱们乘坐马库斯·朗塞特号进行科学检修之前，咱们一直清寒一种相对低廉、易于使用，而且不错掩饰大片海底区域的技巧。
在20世纪70年代和80年代，究诘东说念主员驱动开发电磁探伤仪器来测量对于海底的多种特征，部分源于其时好意思国舟师对长距离海底通讯的兴味。其后在20世纪80年代和90年代，海洋可控源电磁技巧正渐渐走向熟识。到了20世纪90年代末和21世纪初，石油工业就驱动使用CSEM技巧来探伤地下石油，由此促使接洽仪器出现要紧改良。
CSEM技巧主若是在测量海底传导电流的才略。对于大陆架来说，它的导电性受制于其中孔隙和轻佻内的海水总量，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普及导电性的载流子（不错解放移动的带电微粒），因此咸水的导电性优于淡水。也即是说，渗透海底的水中海水占比越大，导电性就越好。而CSEM能够以十分高的精度测量这些相反。
在咱们乘船检修时代，在距离船尾600至1400米处的漂流线缆上布放了4个接纳器。这些接纳器不错分歧测量辐射器在船体隔邻产生的电场，以及从海底地层复返信号时所产生的电场。而且接纳器的位置越靠后，它越能探伤到海下面方更深处的信号。这些信号再加上咱们投放在海底的仪器所取得的对于地球自然电磁辐射的数据，不错了了地标明，新泽西州和马撒葡萄园岛近海存在海底淡水含水层。
然则，咱们仍然不太了了海底淡水的面积和容积。尽管CSEM技巧在测量电导率时对孔隙水的盐度很敏锐，但驱散也会受到海底千里积层孔隙率的影响，因为这在一定进程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精致的岩石（含有盐度较高的水）测得沟通的导电率。咱们应用CSEM技巧对新泽西州近海开展打听时，会用钻孔千里积物样本和孔隙水样本的数据来校准咱们的模子。驱散高慢，新泽西州和马撒葡萄园岛近海海底千里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示意，举例海水的盐度约为35，半咸水的盐度在1到10之间，而淡水的盐度则小于1。
咱们莫得位于这两个地区之间的海底数据，因此咱们并不知说念这两个潜伏于海底的淡水库是否连通，如果是的话，又是如何相互连气儿的。凭证模子和对陆地含水层的勘测，咱们觉得通盘新英格兰区域的大陆架下方可能齐存在淡水。其中，马撒葡萄园岛隔邻发现的淡水可能是由杰出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规划，但愿来岁到马撒葡萄园岛隔邻进行科学钻探，而且开展化学分析，这粗略不错匡助咱们弄了了水在那儿储存了多久。沿着东海岸往更靠南的方位进发，咱们会看到沿岸地层渐渐调动为大部分由灰岩组成，因而那儿的地下水流动可能也会有所变化。为了弄了了到底发生了什么，咱们可能需要开展更多基于CSEM的勘测，粗略还不错通过在采选位点钻探来获取更多数据，不外这也许将销耗大笔的用度。咱们不错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千里积层的水流踪迹，但这十分具有挑战性。尽管与宇宙上的其他地区比较，好意思国东海岸并莫得靠近较高的水资源压力，但相对充分地究诘该地区，粗略不错为了解近海海底地下水如何流动和储存提供最好的契机。
在咱们乘船检修时代，其他团队也开展了许多肖似实验，其中有一些触及的区域是十足不同的地质环境。比如在2018年，一项对于夏威夷岛近海的究诘应用与咱们大致沟通的拓荒，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组成，火山岩具有相对较高的渗透率。目下有一个还未经证实的假定：海底含水层是经由大陆的地下径流产生的。夏威夷岛给水依赖于降雨，了解这里的水是如何通过地下径流流失到海洋中的，将会格外伏击。
如何开采
在往常几年里，东说念主们对寻找近海淡水含水层的兴味较着增多了，尤其是在淡水资源稀缺的地区。咱们推测，在海岸线长度约150千米的区域内，封存着毛糙100万立方千米的淡水资源。动作参考，纽约市每年销耗约1.4立方千米的淡水。不外，咱们的猜测主若是基于陆地钻探得到的数据，以及目下为数未几的几次近海勘察数据。
目下，还莫得东说念主能筹谋出一套详备的系统来开采海底含水层。挪威科技工业究诘院（SINTEF）动力究诘中心的托尔·巴肯（Tor Bakken）和共事形色了一种基于石油钻探技巧的通用系统：将一个自升式钻井平台（频繁带有桩腿）或驳船（barge，主要用于内河浅狭航说念的货色输送）固定在海底淡水含水层之上。
工程师会应用这个钻井平台钻入含水层，然后使水沿着海底的一条管说念流到陆地上的一家惩处厂中。这里贯通过一种常用的过滤技巧——反渗透法——来对水进行脱盐惩处。巴肯猜测，这个历程的资本可能稍低于海水淡化的资本，不外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，在总资本中所占的比例比钻井或沿管说念抽水要大得多。
为了决定是否开采某一区域近海的水资源，咱们领先需要了解地下水是如何参加那片海底的。如果一个海底含水层不与任何位于海岸下方的输水结构连结，而是被浸有海水的千里积物所包围，那么跟着淡水被抽出，海水就有可能流入空出的位置，从而与剩余的淡水混杂，举高举座的盐度。而且淡水一朝被抽走，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连结，那么从这里抽水也可能存在风险。因为任何海底含水层中齐含有少量盐类，而抽水可能会导致海底含水层与陆地含水层混杂，从而增多陆地含水层的盐度。模子驱散还标明，过度抽取近海海底淡水可能会使可动作海底含水层补给源的陆地地下水短缺，致使导致大地千里降。
2019年9月至2020年9月时代，究诘东说念主员应用CSEM技巧发现，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连结。然则，这个地区的地质构造格外复杂，存在许多断层，可能使开采这里的海底含水层变得莫得什么酷爱。事实上，好意思国西海岸有许多地质断层，这不错使陆地地下水被引入到近海中，也不错在过度抽水时，让咸水渗透到这里的陆地地下水中。圣迭戈似乎就靠近着这种问题。
每座城市齐有我方的给水政策，频繁会讨论到一系列可能的饮用水源，以及水资源保护的问题。一些水资源弥留的地区和国度也曾在试验海水淡化。但这一历程比较上流，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。在一个方位决定通过钻探获取海底淡水之前，可能需要讨论往常是否因为地下水为半咸水而覆没开采——诚然，这种地下水的盐度也可能低于海底含水层。目下，圣迭戈和得克萨斯州的埃尔帕索也曾在淡化半咸地下水了。
此外，水资源保护也很伏击。在地球上，对于陆地和海洋的一切齐是相互接洽的。陆地地下水不错通过地下径流参加近海海域，从而为生活在大陆坡的海洋生物群落带来活命所需的养分物资。然则，咱们还无法预测快要海海底地下水动作水资源使用后，会对环境形成怎么的效力。
目下，科学家只证据了少数海底淡水含水层，可能还有更多——不管是小鸿沟、大鸿沟，照旧由地下水补给形成，或是通过冰河时期的冰川留存下来的。一些团队正在英勇探索可能存在的海底淡水含水层，尤其是在欧洲。赓续的打听将渐渐揭开这些谜团，给咱们带来更多惊喜。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动作供给源的海底含水层。接洽数据和模子推断，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东说念主使用75年。但模子驱散还高慢，表象变化将导致这个地区将来的降雨量减少，从而使这片近海海底地下水在将来毛糙80年内缩减38%。
事实上，咱们还有好多东西要学。来岁，咱们将在马撒葡萄园岛南部进行钻探，钻探驱散也许能告诉咱们更多对于陆地和海洋下方的淡水资源之间的接洽。咱们打听得越多，就越了解这些避讳矿藏是如何形成的，进而使咱们能够更好地预测它们的位置。
撰文：罗布·L.埃文斯（Rob L. Evans） 翻译：彭容
（本文作家是好意思国伍兹霍尔海洋究诘所的地球物理学家和资深科学家）
（本疆城文由《环球科学》杂志社供稿）