勘探未知的“地下水世界”

2019-05-27 01:08 来源: 高考学习网 本文影响了:114人

储藏丰富的地下水资源

随着全球人口的不断增加,人类对淡水资源的需求量越来越大,全世界的淡水供应日趋紧张。当地表淡水水源遭到巨大的破坏时,对人类来说,疯狂地把寻找新水源的目光转向地下水源就毫不奇怪了。

地下水广泛存在于地壳岩石裂缝或土壤空隙中。全球地下水资源极为丰富,所贮藏的淡水量占世界淡水总量的近96%。比如,南美洲的瓜拉尼含水层储水4万立方千米,远远超过北美五大湖的所有储水量;在撒哈拉沙漠东部,努比亚砂岩含水层的淡水量约为12.5万立方千米,比地球表面所有的淡水湖、河的总量还要多。这些水并非在一个巨大的地下湖里常驻不动,相反,它们常常会透过有渗透性的岩石,沙土和其他地质层缓慢移动。

在干旱或半干旱地区,这些巨量的地下淡水往往是供水的唯一来源,如突尼斯供水量的95%、沙特阿拉伯和马耳他供水量的100%,都依赖地下水。

这些巨量的地下淡水是怎么来的呢?以撒哈拉沙漠东部的努比亚砂岩含水层为例,努比亚砂岩的形成最早可以上溯到大约6亿年前。当时地球被温暖的浅海覆盖,仅存的旱地是围绕在南极附近形成的一个超级大陆潘诺西亚。后来,随着海水的退却,陆地不断露出,此后又漂移分裂,最终,其中一块陆地形成今天的非洲大陆。

在6亿年前逐渐露出水面的大陆,其土层顶部沉积了海量的沙子、泥还有粘土浆,历经数亿年的演变,这些沉积物逐渐成为多孔砂岩,厚度从500米到3000米不等,它就像海绵一样,为后来储藏巨量水源做好了准备。而撒哈拉沙漠水源的形成过程开始于100万年前,那个时候的撒哈拉还是片茂盛的草地,时常受到雨水的猛烈浇灌。很多雨水渗进了努比亚砂岩中,形成一个巨大的含水层,面积达到惊人的200万平方公里。在最近的几万年,撒哈拉逐渐演变成世界上最大的沙漠,但那时储藏的地下水仍然静静的地下流淌,这是老天的丰厚赠予,如今的突尼斯、埃及、利比亚、乍得和苏丹都靠着这几万年的储藏作为主要用水来源。

勘探未知的“地下水世界”

绘制“地下水图”

在人类对地下水的需求日益增加的今天,环境学家提出,是给全球地下水分布绘制一张全景图的时候了!对于干旱缺水地区的人来说,这样的“地下水图”比石油储藏分布图还要珍贵。

直到不久前,获取地下水数据唯一的方法还是来源于既高昂又耗时的钻孔研究。其中包括挖掘大量的窄口井来监测水流的速度和方向,然后再利用此数据建立含水层的相关模型。不过,遇到努比亚含水层那样的情况,这类研究方法就不好用了。一则,成本太高;二则,许多钻探地点都是在偏远的沙漠地区。因此,科学家在这里的研究举步维艰。

你可能想不到,解决方案来自国际原子能总署,这个机构除了承担原子能和核武器方面的工作,还利用同位素进行水样分析,这给努比亚砂岩含水层的勘探和保护带来了希望。2006年,国际原子能总署的研究人员和美国阿尔贡国家实验室的物理学家联合推出了一个重大的项目:为地球上的含水层绘一张综合地图。这不仅是因为同位素检测更便宜,还因为同位素测法简单易行——只需要从已知水井中取少量的水样即可,少许的水样就可以揭示整个含水层的状态了。而且,测量一个地方的同位素可以知道几十、甚至几百千米范围内的情况变化。

首先,他们要算出含水层的年龄,以前的研究估计努比亚含水层的年龄大约有5万年了。但这次,研究者用放射性同位素氪81来检测,氪81是一种稀有的同位素,可以准确地测得200万年以内的年龄,最近才被科学家应用于环境检测。检测结果令人大吃一惊:努比亚含水层很大一部分的水都将近有100万岁了——真是名符其实的“化石水”!

但是,仅仅知道水的年龄是不够的。想得到一个完整的含水层图,还得了解是否有新的水来补给。研究证实了这个含水层几万年来都没什么新的水源注入了。这就是说,如果那里的居民一直依赖其地下水生活,其含水层虽然足够庞大,但终有一天会枯竭。

用天上的卫星寻找地下水

现在,科学家还动用美国宇航局的重力反演与气候实验室(GRACE)的卫星来帮忙测量。GRACE有两颗卫星,它们的轨道高度为500千米,彼此之间非常靠近。通过不断地交换微波信号,两颗卫星之间可以精确地测量两者之间的距离。在任何一个时刻,只要两颗卫星下方的物质对这两颗卫星的引力会稍有不同,它们之间的距离就会不断地变化。当第一颗人造卫星在重力较大处的上空,比如说在大山之上,或在巨大的含水层之上,这时候卫星就会被拖拽得离地球更近,而距离另一颗卫星更远。通过测量两颗卫星间的距离变化,就可以得到地球重力场的明细图,从而测量出含水层的水位变化。科学家还把含水层的水位变化与其所在地的季节变化、开采情况等等放在一起进行对比研究,建立了相关关系,更详细显示了人类对含水层的影响。

由GRACE收集的信息被整理成了一张全球水图。通过卫星数据的帮助,科学家对全球地下水位的分布与变化情况已经有了前所未有的了解,其中有些发现是令人深省的:美国加利福尼亚中央山谷下的主要含水层比预想的耗尽得更快,其主要的消耗来自用水量大的农业耕作。如果不加以约束,继续这样下去的话,这个含水层将在2100年枯竭;农业并不是唯一的祸首。全球水图还显示,在澳大利亚,采矿区下的地下水资源枯竭严重;此外,全球气候变暖也对全球地下含水层的变化产生了巨大影响,美国德克萨斯州2011年出现了100多年来破纪录的干旱,从而使地下水的储量降至有史以来最低水平。

全球地下水位不断下降的现状引起了人们的忧虑,科学家们正在努力阻止其状况继续恶化。比如,可以通过人工的形式给含水层回灌净化过的废水或许可以对抗干旱,加利福尼亚州已经将这个方法已经贯彻实施了数十年;埃及也正在在努比亚砂岩含水层较浅、较年轻的区域试行这个方法,他们打算用尼罗河的水来进行回灌。

这张蕴含最新工程物理学技术的水图,甚至还能帮助偏僻地区的人们寻找新水源。在南美洲厄瓜多尔炎热的圣埃伦娜半岛上,那里的居民只有三口井能用,且能提供的水量也极其有限。但在卫星水图的帮助下,当地又重新开发出了4口井,而且能一天24小时提供持续水源。在孟加拉一个地区,成千上万的人常年饮用当地的地下含水层,但后来放射性同位素氪81的检测却发现,这里的地下水含有超量的砷,对人体具有很大的危害性,于是,那里的人们放弃了开采地下水。

虽然仅有地下水图是无法重新赋予沙漠绿洲新的生机,但对全球地下水的了解,使人类开始珍惜和合理利用宝贵的地下水资源。