科学家在南极冰层下的沉积物中发现一个巨大的地下水系统

2022年05月06日 16:59 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

许多研究人员认为,液态水是理解冰川中发现的冰冻形式行为的关键。众所周知,融化的水可以润滑它们的砾石基座,并加速它们向大海的行进。近年来,南极洲的科学家们发现了数百个相互连接的液态湖泊和河流,这些湖泊和河流位于冰层之中。而且,他们还拍摄了冰下厚厚的沉积物盆地,可能包含所有最大的水库。但是到目前为止,还没有人证实冰下沉积物中存在大量的液态水,也没有人调查过它可能与冰之间的互动。现在,一个研究小组首次绘制了南极洲西部深层沉积物中一个巨大的、积极循环的地下水系统。

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他们说,这样的系统可能在南极洲很常见,可能对这个冰冻的大陆如何对气候变化做出反应,甚至可能对气候变化做出贡献,具有至今未知的影响。这项研究于5月5日发表在《科学》杂志上。

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“人们已经假设这些沉积物中可能有深层地下水,但是到目前为止,没有人做过任何详细的成像,”该研究的主要作者Chloe Gustafson说,他在哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站做研究生时做了这项研究。“我们发现的地下水量是如此之大,它很可能影响了冰川进程。现在我们必须找出更多的东西,并找出如何将其纳入模型。”

几十年来,科学家们一直在南极冰原上空飞行雷达和其他仪器,对地下特征进行成像。在许多其他方面,这些任务揭示了夹在冰和基岩之间的沉积盆地。但是机载地球物理学通常只能揭示这些特征的大致轮廓,而不是水含量或其他特征。在一个例外中,2019年对南极洲麦克默多干谷的研究使用直升机携带的仪器记录了大约350米冰层下几百米的冰川下的地下水。但是南极洲大多数已知的沉积盆地要深得多,而且其大多数冰层要厚得多,机载仪器无法到达。在少数地方,研究人员已经钻过冰层进入沉积物,但只钻进了最初的几米。因此,冰层行为的模型只包括冰内或冰下的水文系统。

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这是一个很大的缺陷;南极洲大部分广阔的沉积盆地位于目前的海平面以下,夹在基岩覆盖的陆地冰和漂浮在大陆边缘的海洋冰架之间。它们被认为是在海平面较高的温暖时期在海底形成的。如果冰架在气候变暖的情况下被拉回,海水可能会重新侵入沉积物,而冰架后面的冰川可能会向前冲,提高全世界的海平面。

这项新研究的研究人员集中在60英里宽的惠兰斯冰溪上,它是为世界上最大的罗斯冰架提供水源的数条快速水流之一,其面积约为加拿大育空地区。之前的研究发现,在冰层内有一个冰川下的湖泊,在它下面有一个沉积盆地。对第一英尺左右的沉积物进行浅层钻探,发现了液态水和一个繁荣的微生物群落。但再往下是什么一直是个谜。

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该团队使用了一种叫做磁电成像的技术,该技术测量在地球大气层高处产生的自然电磁能对地球的渗透情况。冰、沉积物、淡水、咸水和基岩都在不同程度上传导电磁能;通过测量差异,研究人员可以创建不同元素的类似核磁共振的地图。研究小组将他们的仪器放置在雪坑中,每次放置一天左右,然后将其挖出并重新定位,最终在大约四十个地点进行了读数。他们还重新分析了从地球上发出的自然地震波,这些地震波是由另一个团队收集的,以帮助区分基岩、沉积物和冰。

他们的分析表明,根据不同的位置,沉积物在触及基岩之前,会延伸到冰层底部半公里到近两公里的地方。而且他们证实,这些沉积物一路下来都充满了液态水。研究人员估计,如果所有的水被提取出来,它将形成一个从220米到820米高的水柱,至少比冰层内部和底部的浅层水文系统多10倍,甚至可能比这还要多。

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咸水比淡水更好地传导能量,因此他们也能够表明,地下水随着深度的增加而变得更咸。研究人员Kerry Key说这是有道理的,因为这些沉积物被认为是很久以前在海洋环境中形成的。海洋水可能在大约5000到7000年前的一个温暖时期最后一次到达现惠兰斯所覆盖的地区,使沉积物中的盐水饱和。当冰层重新移动时,由上面的压力和冰底的摩擦产生的新鲜融水显然被强迫进入上部沉积物。Key说,今天它可能继续向下过滤并混入。

研究人员说,这种缓慢地将淡水排入沉积物的做法可以防止水在冰的底部堆积。这可能会对冰的向前运动起到制动作用。其他科学家在冰流的接地线--即陆地上的冰流与浮动的冰架相遇的地方--进行的测量显示,那里的水比正常海水的盐度低一些。这表明,淡水正通过沉积物流向海洋,为更多的融水进入腾出空间,并保持系统稳定。

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然而,研究人员说,如果冰面太薄--随着气候变暖,这是一种明显的可能性--水流的方向可能会被逆转。上层的压力将减少,更深的地下水可能开始向冰基涌出。这可以进一步润滑冰的底部,并增加其向前的运动。此外,如果深层地下水向上流动,它可以携带基岩中自然产生的地热;这可以进一步解冻冰的底部,并推动它向前发展。但是,这是否会发生,以及在多大程度上发生,还不清楚。

Gustafson说:“最终,我们对沉积物的渗透性或水的流动速度没有很大的限制。它是否会产生很大的差异,从而产生失控反应?或者地下水在冰流的大计划中是一个更小的角色?”

研究人员说,浅层沉积物中已知的微生物的存在增加了另一个问题。这个盆地和其他盆地很可能在更远的地方适合栖居;如果地下水开始向上移动,它将带来这些生物体使用的溶解碳。横向的地下水流动将把这些碳送到海洋中。这可能会把南极洲变成一个迄今未被考虑的碳源。Gustafson说,但问题还是在于这是否会产生一些重大影响。

研究人员说,这项新研究只是解决这些问题的一个开始。他们写道:“对深层地下水动态存在的确认,改变了我们对冰川行为的理解,并将迫使修改冰川下水模型。”

这项研究的其他作者是斯克里普斯海洋研究所的Helen Fricker、中央华盛顿大学的J. Paul Winberry、杜兰大学的Ryan Venturelli和比格洛海洋科学实验室的Alexander Michaud。Chloe Gustafson现在是斯克里普斯海洋研究所的博士后研究人员。

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