發現：隱藏在海底的巨型淡水礦藏

在2015年9月一個晴朗的日子，經過10年的努力爭取資金，我的同事克里·基和我登上了R/V 朗塞斯號研究船，這艘船停靠在馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所。我們即將領導為期10天的考察，繪製一個淡水礦藏的地圖，其大小未知，隱藏在岩石海底下100米（約330英尺）處。

早在20世紀60年代，美國地質調查局在新澤西州海岸外鑽探了一系列垂直鑽孔，尋找沙礦和其他資源。他們意外地發現了淡水，這令人費解。多年後，研究人員從同一地點獲得了水樣並分析了化學成分，驚奇地發現這種液體是最近的雨水和海水的混合物。雨水，在離岸65公里（40英里）處——在海底之下？

這就是我們此行的目的地。一旦R/V 朗塞斯號到達指定位置，我們就放出一條長長的漂浮線，線上裝有一個特殊的發射器。它將電磁場傳送到數百米深的海水中和海底中。這些電磁場穿過海底，產生二級返回訊號，被線上其他感測器捕獲。我們在鑽探區域緩慢拖曳陣列130公里。我們還投放了沉到海底的儀器，記錄來自發射器的訊號以及自然產生的電磁場。我們可以使用所有這些讀數來建立海底下的影像。完成新澤西州海岸外的調查後，我們向瑪莎葡萄園島航行——研究人員曾暗示那裡也可能存在淡水——並在那裡也進行了一次長距離的感測剖面。

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我們花了幾個月的時間來處理所有資料。當我們在2019年釋出我們的結果時，我們引起了轟動。一家媒體的頭條新聞概括了這種興奮：“神秘的淡水水庫被發現在海底之下。” 確實如此。但是它有多大？它是如何到達那裡的？這些近海地下礦藏有多普遍？我們不知道。

其他問題困擾著我們。在這個海洋星球上，只有約2.5%的表面水是淡水。隨著全球人口增長到預計到2100年達到100億人，我們供水的壓力將會增加——尤其是在沿海地區，美國30%的人口現在居住在那裡。氣候變化也在改變降雨模式，汙染正在損害現有的水體，農業和開發正在吸乾地下水庫。距離海岸僅幾十公里的巨大隱藏水庫能否拯救生命並幫助灌溉乾旱作物？在水資源短缺已經是一個巨大挑戰的地方，世界各地是否存在這樣的水庫？如果是這樣，我們能否安全且經濟地利用這些令人驚訝的礦藏？我們的發現促使了進一步的研究，包括最近在聖地亞哥、夏威夷、紐西蘭和馬耳他海岸外的調查，這些調查正在開始提供答案。

埋藏在海底

關於近海發現淡水的記錄可以追溯到19世紀。佛羅里達州的漁民偶爾會報告海面上的“沸騰”現象，他們認為這是從下方洩漏出來的。在某些情況下，他們對水進行了取樣，發現它沒有鹹味；淡水的密度比海水小，所以它會上升。

1996年，在我開始在伍茲霍爾工作兩年後，我和六位同事乘坐一艘小型包租研究船在加利福尼亞州尤里卡海岸外，海岸線在遠處仍然可見。我們正在使用加拿大太平洋地球科學中心建造的新型海底測量系統來繪製沉積物地圖。我們的研究是一個大型專案的一部分，該專案旨在研究流入海岸線的河流如何將沉積物分散到海洋中，我們的裝置正在測量沉積物中海水的含量，深度約為30米。它使用了電磁感測技術，這是一項在海洋地球物理學邊緣的技術。

在一個所有其他資料都使我們認為應該看到含鹽量高的細粒泥質沉積物的區域，我們看到了一個暗示相反情況的訊號：讀數表明存在約50平方公里的淡水，這表明地下水可能從海岸下方洩漏，並從延伸到海底的裂縫和斷層中滲出。這一發現使我們意識到，電磁感測可以探測到隱藏在海底任何地方的淡水。

大陸不會在海岸線停止；它作為一個岩石水下陸架向外延伸。陸架在陡峭的斜坡處結束，該斜坡急劇過渡到深海海底。構成世界大陸架的岩石和沉積物不是乾燥的。一些岩石破裂，允許海水滲入。大多數陸架都被沉積岩層覆蓋，沉積岩層就像堅硬的海綿，具有細小的、相互連線的、充滿水的孔隙。

海底或海底以下的沉積物通常具有40%至50%的孔隙率。上方海洋的重量將水向下壓入沉積物中，儘可能深地壓入。地球科學家仍在爭論最大深度，但它至少可以達到幾公里，儘管隨著深度增加，壓力增大，裂縫和孔隙空間閉合，滲漏迅速減少。岩石的滲透性——水可以輕鬆流過它的程度——取決於其各種孔隙的互連程度。

由於陸架是大陸的延續，美國東北海岸沿岸陸地地下水流動的模型表明，在大陸坡海底下的岩石和沉積物中可能隱藏著大量的淡水。但是，關於這些水如何到達那裡——並留在那裡——存在相互競爭的假設。

在陸地上，地下水儲存在稱為含水層的地質水層中。一些含水層較淺，可以透過降雨補充。另一些含水層則深得多，並且儲存著已經存在數千年的水，可能是上次冰河時期冰川留在那裡的。含水層的成分因地區而異，從佛羅里達州下方的石灰岩層到東北部更多的沉積層。地下水——含水層中含有的淡水——約佔美國可用淡水總量的90%，即使我們考慮到河流和湖泊。美國約有25%的用水量是從私人或市政水井中從含水層中抽取出來的。

在美國東海岸外，大陸架的延伸範圍從靠近海岸到離岸300多公里不等。也許不足為奇的是，在陸地下形成含水層的地質層不會在海岸線停止；它們通常作為陸架的一部分向外延伸。

當雨水落在沿海陸地上時，它可以滲透到含水層中，並透過高度滲透的岩石，在海岸線下和橫跨海岸線移動，最終到達海底。為了使這種長距離流動發生並使水保持新鮮，海洋含水層上需要有一個蓋層——一個不滲透的層，通常是壓實的富含粘土的沉積物。粘土是矛盾的：當它鬆散時可以容納大量的水，但當它被壓即時，它幾乎變得不透水。這個蓋層阻止了密度較小的淡水上升到海底。

完全不同的機制也可能在海底留下淡水。在過去的冰河時代，巨大的冰蓋和冰川生長，吸收了大量的海水。海平面低得多，大陸架的較長部分暴露為向自然環境開放的陸地。在上次冰河時代，大約在12,000到20,000年前之間，落在這些區域的雨水可能滲透到地下，就像今天在陸地上一樣。如果這些水在蓋層下流動，那麼當冰蓋後來融化並且海平面再次上升時，它可能會被困住。另一種模型假設冰蓋的巨大重量將淡水壓入地下深處和蓋層下方。

淡水還是鹹水

弄清楚特定水庫是如何形成的——它是否與陸地上的含水層相連以及它的範圍有多大——需要大量的感測。鑽探可以提供樣品，但它既昂貴又僅限於孤立的點。在我們在R/V 朗塞斯號上的航行之前，一直缺少一種相對便宜、易於使用的技術，可以覆蓋大面積的海底。

在20世紀70年代和80年代，研究人員開始開發電磁儀器來測量海底的特性，部分原因是美國海軍對遠端潛艇通訊的興趣。在整個20世紀80年代和90年代，“可控源電磁”（CSEM）感測技術逐漸變得更加複雜。在20世紀90年代末和21世紀初，石油工業開始使用該技術來探測地下石油，這極大地推動了研究人員可用的儀器的改進。

CSEM感測基本上測量海底傳導電流的能力。在大陸架中，電導率受孔隙和裂縫中海水量以及海水鹽度和溫度的控制。鹽中的鈉離子和氯離子是增強電導率的電荷載流子，因此鹽水比淡水導電性更好。充滿海水的海底區域將比充滿鹽度較低的水的區域更好地傳導電流。CSEM可以相當精確地測量這些差異。

在我們的航行中，拖曳線上的四個接收器位於船後方600至1,400米處。它們測量了靠近船隻的發射器產生的電場，以及從海底下層結構返回時檢測到的感應電場。接收器越靠後，它就能越深入地觀察地下。這些資訊，以及我們投放到海底的儀器提供的關於地球自然產生的電場和磁場的資料，使我們能夠清楚地表明，在新澤西州和瑪莎葡萄園島附近存在海底淡水含水層。

然而，我們仍然不清楚淡水的範圍或體積。儘管CSEM電導率測量對孔隙水的鹽度敏感，但它們也受到海底孔隙率的影響——給定體積中存在多少水。孔隙率高但導電性較差（淡水）的岩石可能與孔隙率低但導電性良好（鹽水）的岩石具有相同的讀數。對於我們在新澤西州海岸外的CSEM調查，我們使用了來自鑽孔的沉積物樣品和孔隙水樣品來校準我們的模型。鹽度以每升溶解鹽的克數表示。海水的鹽度約為35。鹽度在1到10之間的水被認為是微鹹水。任何低於1的水都被認為是淡水。新澤西州和瑪莎葡萄園島附近的孔隙水鹽度範圍在0.2到9.0之間。

我們沒有這些地點之間海底的資料，因此我們不知道這兩個隱藏的水體是否相連，或者如果相連，是如何相連的。我們認為整個新英格蘭陸架下方可能都存在淡水，這基於對陸上含水層的調查和模型。瑪莎葡萄園島附近的水可能是12,000多年前冰川留在那裡的。新澤西州附近的水似乎部分來源於陸地上的降雨。一個大型團隊正在制定明年在瑪莎葡萄園島附近進行科學鑽探的計劃，這項工作將提供化學分析，這可能有助於我們弄清楚這些水在那裡隱藏了多久。

沿著東海岸向南更遠的地方，沿海地質過渡到主要是石灰岩；那裡的地下水運動可能再次不同。為了解讀正在發生的事情，我們需要進行更多的CSEM調查，也許還需要在選定的地點進行鑽探，這將是一項代價高昂的工作。調查從陸地到海洋的過渡——以尋找可能從陸地含水層流向海洋礦藏的水流——具有挑戰性。這將需要在淺海沿海水域拖曳長陣列，那裡有巨浪和繁忙的船隻交通，以及在海岸線陸地上使用類似感測器進行資料收集。儘管與世界其他地區相比，美國東海岸的水資源壓力並不大，但該地區的研究相對透徹，並且可能為理解近海地下水運輸和儲存所涉及的各種過程提供了最佳機會。

正如我之前提到的，自從我們的航行以來，已經進行了其他實驗——有些在具有非常不同地質環境的地方。2018年在夏威夷海岸外進行的一項調查，使用了與我們使用的裝置大致相同的裝置，發現了明確的證據表明，在海底下數百米處存在含有淡水的岩石。與新澤西州不同，夏威夷是由火山岩構成的，火山岩具有相對較高的滲透性。尚未證實的假設是，海底含水層是由陸地上地方的地下徑流形成的。夏威夷的水供應依賴於降水，因此瞭解其水如何透過地下通道流失到海洋中非常重要。

利用的誘惑

在過去幾年中，人們對尋找近海淡水礦藏的興趣顯著增加，尤其是在淡水供應稀缺的地區。我們對全球海岸線約150公里範圍內捕獲的淡水量的最佳猜測約為一百萬立方公里。作為參考，紐約市每年消耗約1.4立方公里。我們的猜測主要基於對陸上鑽孔的推斷，以及迄今為止為數不多的近海調查。

沒有人設計出一個詳細的系統來利用海底含水層。挪威SINTEF能源研究中心的托爾·巴肯和他的同事描述了一個基於石油鑽探技術的通用系統。自升式鑽井平臺（基本上是一個帶支腿的平臺）或駁船將錨定在海底淡水含水層上方。工程師將鑽入水庫，水將透過海底的管道流到陸地上的處理廠。該工廠將淡化水，可能使用反滲透，這是一種常見的過濾技術。巴肯估計，這個過程將比海水淡化略微便宜，具體取決於“淡水”的鹹度。淡化是一個能源密集型過程，與鑽探或沿管道泵送水相比，它將佔總成本的更大比例。

為了決定是否開發任何給定的近海供水，我們需要了解地下水最初是如何進入海底的。想象一下一個海底含水層，它沒有連線到海岸線下的任何輸水結構。淡水被含有海水的沉積物包圍。一旦有人開始抽出淡水，海水可能會流入空隙，與剩餘的淡水混合並提高其鹽度。一旦淡水被提取出來，它就不會得到補充。

從透過地質構造連線到陸上含水層的海底含水層中抽水也可能存在風險。任何海底含水層都至少會略微帶鹹味，抽水可能會混合水，這可能會降低陸地含水層的新鮮度。模型還表明，過度抽取近海水庫可能會耗盡向其供水的陸地水，甚至導致地面沉降。

在2019年9月至2020年9月期間，研究人員使用CSEM感測表明，聖地亞哥組（為該市提供大量地下水）內的微鹹地下水透過科羅納多島與近海海底含水層相連。然而，該地區的地質情況非常複雜，存在許多斷層，這可能會使利用海底含水層顯得不值得。美國西海岸有許多地質斷層，這些斷層可能會將地下水引導到近海，但如果過度抽水，也可能導致海水入侵陸地。聖地亞哥的情況似乎就是如此。

所有市政當局都有供水策略，通常涉及一系列飲用水源以及節約用水。包括一些國家在內的一些缺水地區已經在淡化海水。這個過程既昂貴，而且如果機器由化石燃料驅動，還會排放溫室氣體。在某個地區考慮鑽探海底淡水之前，它可能會考慮過去因微鹹水而被忽視的地下水；它可能比海底含水層鹽度更低。聖地亞哥和德克薩斯州埃爾帕索已經開始淡化微鹹地下水。另一個問題可能是哪個國家有權從位於兩個鄰國之間的海洋邊界的近海含水層中取水。

節約用水也很重要。地球大陸和海洋上的一切都是相互關聯的。透過地下和近海流動的陸上地下水帶來了營養物質和化學物質，這些物質和化學物質維持著大陸坡沿線地區的脆弱海洋群落。我們尚無法預測將近海地下水用作資源的環境後果。

科學家們僅證實了少數海底淡水含水層。可能還有更多——小的、大的、由地下水補充的或被冰河時代隔離的。社群努力正在興起，尤其是在歐洲，以探索這種可能性。更多的調查將逐漸解開謎團——並揭示更多驚喜。2022年在馬耳他周圍地中海進行的測繪顯示，一個近海儲水庫可能由陸上地下水補給。資料和模型得出結論，近海可能存在1立方公里的淡水，足以供應馬耳他群島人口75年。但模型還顯示，氣候變化將減少未來的降雨，在未來80年左右的時間裡，近海地下水將減少38%。

我們還有很多東西要學習。明年在瑪莎葡萄園島以南進行的鑽探將告訴我們更多關於陸地和海底的淡水儲藏如何連線的資訊。我們調查得越多，我們就越能瞭解這些隱藏的寶藏是如何形成的，我們也就能更好地預測我們在哪裡可以找到它們。