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。因为研究人员认为这里可能存在淡水，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。
马库斯 · 朗塞特号科考船
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，美国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。
我们发现，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，但我们对这片区域的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，即使我们把河流和湖泊都考虑在内，地下水（含水层中的淡水）也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（controlled source electromagnetic，CSEM）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的数据，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定计划，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。
本文节选自《环球科学》2023年8月刊中的《藏在海底的淡水》一文
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