勘探未知的「地下水世界」

儲藏豐富的地下水資源

隨著全球人口的不斷增加，人類對淡水資源的需求量越來越大，全世界的淡水供應日趨緊張。當地表淡水水源遭到巨大的破壞時，對人類來說，瘋狂地把尋找新水源的目光轉向地下水源就毫不奇怪了。

地下水廣泛存在於地殼岩石裂縫或土壤空隙中。全球地下水資源極為豐富，所貯藏的淡水量佔世界淡水總量的近96％。比如，南美洲的瓜拉尼含水層儲水4萬立方千米，遠遠超過北美五大湖的所有儲水量；在撒哈拉沙漠東部，努比亞砂岩含水層的淡水量約為12.5萬立方千米，比地球表面所有的淡水湖、河的總量還要多。這些水並非在一個巨大的地下湖裡常駐不動，相反，它們常常會透過有滲透性的岩石，沙土和其他地質層緩慢移動。

在乾旱或半乾旱地區，這些巨量的地下淡水往往是供水的唯一來源，如突尼西亞供水量的95％、沙烏地阿拉伯和馬爾他供水量的100%，都依賴地下水。

這些巨量的地下淡水是怎麼來的呢？以撒哈拉沙漠東部的努比亞砂岩含水層為例，努比亞砂岩的形成最早可以上溯到大約6億年前。當時地球被溫暖的淺海覆蓋，僅存的旱地是圍繞在南極附近形成的一個超級大陸潘諾西亞。後來，隨著海水的退卻，陸地不斷露出，此後又漂移分裂，最終，其中一塊陸地形成今天的非洲大陸。

在6億年前逐漸露出水面的大陸，其土層頂部沉積了海量的沙子、泥還有粘土漿，歷經數億年的演變，這些沉積物逐漸成為多孔砂岩，厚度從500米到3000米不等，它就像海綿一樣，為後來儲藏巨量水源做好了準備。而撒哈拉沙漠水源的形成過程開始於100萬年前，那個時候的撒哈拉還是片茂盛的草地，時常受到雨水的猛烈澆灌。很多雨水滲進了努比亞砂岩中，形成一個巨大的含水層，面積達到驚人的200萬平方公里。在最近的幾萬年，撒哈拉逐漸演變成世界上最大的沙漠，但那時儲藏的地下水仍然靜靜的地下流淌，這是老天的豐厚贈予，如今的突尼西亞、埃及、利比亞、查德和蘇丹都靠著這幾萬年的儲藏作為主要用水來源。

繪製「地下水圖」

在人類對地下水的需求日益增加的今天，環境學家提出，是給全球地下水分布繪製一張全景圖的時候了！對於乾旱缺水地區的人來說，這樣的「地下水圖」比石油儲藏分布圖還要珍貴。

直到不久前，獲取地下水數據唯一的方法還是來源於既高昂又耗時的鑽孔研究。其中包括挖掘大量的窄口井來監測水流的速度和方向，然後再利用此數據建立含水層的相關模型。不過，遇到努比亞含水層那樣的情況，這類研究方法就不好用了。一則，成本太高；二則，許多鑽探地點都是在偏遠的沙漠地區。因此，科學家在這裡的研究舉步維艱。

你可能想不到，解決方案來自國際原子能總署，這個機構除了承擔原子能和核武器方面的工作，還利用同位素進行水樣分析，這給努比亞砂岩含水層的勘探和保護帶來了希望。2006年，國際原子能總署的研究人員和美國阿爾貢國家實驗室的物理學家聯合推出了一個重大的項目：為地球上的含水層繪一張綜合地圖。這不僅是因為同位素檢測更便宜，還因為同位素測法簡單易行——只需要從已知水井中取少量的水樣即可，少許的水樣就可以揭示整個含水層的狀態了。而且，測量一個地方的同位素可以知道幾十、甚至幾百千米範圍內的情況變化。

首先，他們要算出含水層的年齡，以前的研究估計努比亞含水層的年齡大約有5萬年了。但這次，研究者用放射性同位素氪81來檢測，氪81是一種稀有的同位素，可以準確地測得200萬年以內的年齡，最近才被科學家應用於環境檢測。檢測結果令人大吃一驚：努比亞含水層很大一部分的水都將近有100萬歲了——真是名符其實的「化石水」！

但是，僅僅知道水的年齡是不夠的。想得到一個完整的含水層圖，還得了解是否有新的水來補給。研究證實了這個含水層幾萬年來都沒什麼新的水源注入了。這就是說，如果那裡的居民一直依賴其地下水生活，其含水層雖然足夠龐大，但終有一天會枯竭。

用天上的衛星尋找地下水

現在，科學家還動用美國宇航局的重力反演與氣候實驗室（GRACE）的衛星來幫忙測量。GRACE有兩顆衛星，它們的軌道高度為500千米，彼此之間非常靠近。通過不斷地交換微波信號，兩顆衛星之間可以精確地測量兩者之間的距離。在任何一個時刻，只要兩顆衛星下方的物質對這兩顆衛星的引力會稍有不同，它們之間的距離就會不斷地變化。當第一顆人造衛星在重力較大處的上空，比如說在大山之上，或在巨大的含水層之上，這時候衛星就會被拖拽得離地球更近，而距離另一顆衛星更遠。通過測量兩顆衛星間的距離變化，就可以得到地球重力場的明細圖，從而測量出含水層的水位變化。科學家還把含水層的水位變化與其所在地的季節變化、開採情況等等放在一起進行對比研究，建立了相關關係，更詳細顯示了人類對含水層的影響。

由GRACE收集的信息被整理成了一張全球水圖。通過衛星數據的幫助，科學家對全球地下水位的分布與變化情況已經有了前所未有的了解，其中有些發現是令人深省的：美國加利福尼亞中央山谷下的主要含水層比預想的耗盡得更快，其主要的消耗來自用水量大的農業耕作。如果不加以約束，繼續這樣下去的話，這個含水層將在2100年枯竭；農業並不是唯一的禍首。全球水圖還顯示，在澳大利亞，採礦區下的地下水資源枯竭嚴重；此外，全球氣候變暖也對全球地下含水層的變化產生了巨大影響，美國德克薩斯州2011年出現了100多年來破紀錄的乾旱，從而使地下水的儲量降至有史以來最低水平。

全球地下水位不斷下降的現狀引起了人們的憂慮，科學家們正在努力阻止其狀況繼續惡化。比如，可以通過人工的形式給含水層回灌凈化過的廢水或許可以對抗乾旱，加利福尼亞州已經將這個方法已經貫徹實施了數十年；埃及也正在在努比亞砂岩含水層較淺、較年輕的區域試行這個方法，他們打算用尼羅河的水來進行回灌。

這張蘊含最新工程物理學技術的水圖，甚至還能幫助偏僻地區的人們尋找新水源。在南美洲厄瓜多炎熱的聖埃倫娜半島上，那裡的居民只有三口井能用，且能提供的水量也極其有限。但在衛星水圖的幫助下，當地又重新開發出了4口井，而且能一天24小時提供持續水源。在孟加拉一個地區，成千上萬的人常年飲用當地的地下含水層，但後來放射性同位素氪81的檢測卻發現，這裡的地下水含有超量的砷，對人體具有很大的危害性，於是，那裡的人們放棄了開採地下水。

雖然僅有地下水圖是無法重新賦予沙漠綠洲新的生機，但對全球地下水的了解，使人類開始珍惜和合理利用寶貴的地下水資源。

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