На шельфе у берегов США обнаружены огромные запасы пресной воды

Рис. 1. Северо-восточное побережье США в районе мыса Кейп-Код (штат Массачусетс). Под мелководным шельфом находится пресноводный водоносный горизонт. Фото с сайта nasaviz.gsfc.nasa.gov

Подземные водоносные горизонты являются важнейшими источниками воды для потребления и ирригации, особенно в тех районах, где отсутствуют поверхностные источники пресных вод. По мере того, как дефицит пресной воды в мире с каждым годом нарастает, ученые все активнее изучают перспективы разведки и использования таких горизонтов, в том числе и расположенных за пределами материковой суши — на континентальном шельфе. Наиболее детально в этом плане изучено северо-восточное побережье США. А недавние электромагнитные исследования, проведенные геофизиками из США, позволяют говорить о том, что в этом районе существует огромный подводный водоносный горизонт.

Первые сообщения о наличии пресных вод в подземных горизонтах на шельфе северо-востока США появились в 1970-х годах, когда в этом районе нефтяные компании проводили разведочное бурение. Породы, насыщенные водами пониженной солености, фиксировались в разведочных скважинах на глубинах около 200–300 м под дном океана, но по отдельным скважинам тогда невозможно было составить представление о морфологии водоносной структуры. Нельзя даже было сказать, единая ли это крупная структура, или скважины вскрывают мелкие разрозненные резервуары.

Дополнительные данные были получены по результатам бурения, проведенного в этом районе в 2010 году в рамках 313 экспедиции Международного проекта бурения в океане (IODP — Integrated Ocean Drilling Program). В ходе экспедиции на шельфе штата Нью-Джерси были пробурены три скважины, расположенные по одной линии, и все они вскрыли слои пород, содержащих пресные воды. Однако для того чтобы однозначно говорить о том, что это единый водоносный горизонт, и для того чтобы оценить масштабы этого горизонта, нужно было проводить геофизические исследования.

Такие работы были проведены в 2015 году. Керри Ки (Kerry Key) и Роб Эванс (Rob Evans) из Вудс-Холского океанографического института в течение 10 дней проводили крупномасштабную электромагнитную съемку подземных вод у берегов штатов Нью-Джерси и Массачусетс с борта судна Marcus G. Langseth, принадлежащего Геологической обсерватории Ламонт-Догерти при Колумбийском университете. Данные, полученные в результате этих работ, легли в основу модели, представленной в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports. Статья написана в соавторстве с Хлоей Густафсон (Chloe Gustafson) из Геологической обсерватории Ламонт-Догерти.

Авторы использовали две модификации метода электромагнитного картирования: метод электромагнитного зондирования с контролируемым источником (CSEM), хорошо зарекомендовавший себя при картировании толщ многолетней мерзлоты под арктическим шельфом (D. Sherman et al., 2017. Surface towed electromagnetic system for mapping of subsea Arctic permafrost), и метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ), использующий измерения естественного электромагнитного поля, порождаемого электромагнитными колебаниями в ионосфере и активностью Солнца.

Оба метода основаны на контрастности в проводимости слоев, насыщенных водой различной солености: чем меньше содержание соли, тем меньше проводимость, то есть выше удельное электрическое сопротивление (рис. 2). В связи с этим пресноводные водоносные горизонты выделяются на геофизических разрезах как полосы с низкой проводимостью.

Рис. 2. Зависимость объемного удельного сопротивления от солености. По вертикали — объемное удельное сопротивление (в Ом·м); по горизонтали — соленость (в ПЕС — практических единицах солености) от пресной (fresh) до рассола (brine); SW — средняя соленость морской воды (35 ПЕС, что примерно соответствует 35‰). Жирными черными линиями показаны границы коридора значений при изменении пористости пород водоносного горизонта от 30 до 60%. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Технически измерения производились с помощью системы, состоящей из буксируемого дипольного передатчика, буксируемых электрических приемников, а также приемников, расположенных на морском дне (рис. 3).

Рис. 3. Схема исследования. Судно буксирует диполь передатчика длиной 300 м с выходным током 100 А, а также четыре дипольных электрических приемника в цепи протяженностью 1000 м. Электромагнитные данные пассивного магнитотеллурического и контролируемого источников также регистрируются массивом из 10 широкополосных приемников на морском дне, расположенных на расстоянии от 1 до 10 км друг от друга. Рисунок с сайта emlab.ldeo.columbia.edu

Анализ результатов показал, что разведочные скважины 1970-х годов вскрывали не разрозненные резервуары с пресной водой, а пересекали единый, огромный по масштабам водоносный горизонт, простирающийся от берега на 90 км (почти до границы континентального шельфа) и непрерывно протягивающийся вдоль побережья штатов Нью-Джерси, Род-Айленд, Коннектикут, Нью-Йорк и Массачусетс (рис. 4). Верхняя граница водоносного горизонта начинается примерно на глубине 180 м ниже дна океана, а нижняя — примерно на глубине 360 м. Общая протяженность водоносной структуры вдоль побережья составляет не менее 350 км. Это самая крупная из всех известных на сегодняшний день аналогичных структур: запасы пресной воды в ней оцениваются в 2800 км³.

Рис. 4. Карта района исследования. Область предполагаемого водоносного горизонта заштрихована желтым. Голубым показан континентальный шельф; прямыми белыми пунктирными линиями — траектории движения кораблей и буксируемых ими CSEM-систем; белыми треугольниками — приемные электромагнитные станции на морском дне; желтыми кружочками — береговые и морские скважины, достигшие горизонтов пресных вод; сиреневыми кружочками — скважины только с соленой водой; белым извилистым пунктиром — край ледникового покрова в период последнего ледникового максимума 15 000 лет назад. М0027, М0028, М0029 — скважины, пробуренные в рамках 313-й экспедиции проекта IODP. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

Если будущие исследования покажут, что обнаруженный водоносный горизонт простирается дальше на север и юг, по запасам пресной воды он сможет конкурировать с великим водоносным горизонтом Огаллала (Ogallala Aquifer), который снабжает подземными водами восемь штатов Великих равнин, от Южной Дакоты до Техаса.

По мнению авторов, пресная вода могла начать накапливаться в изученном водоносном горизонте в период последнего ледникового максимума (20–15 тыс. лет назад), когда уровень моря был намного ниже, а нынешний континентальный шельф представлял собой сушу. Источниками пресной воды служили дождевые воды, реки и талые воды ледников. Когда по окончании ледникового периода 15 тыс. лет назад уровень моря поднялся и суша, являющаяся сегодня шельфом, оказалась под водой, неглубоко залегающий водоносный горизонт сверху был перекрыт еще и толщей морских осадочных отложений, оказавшись как бы в ловушке под поверхностью дна.

При этом, как считают авторы, подводный водоносный горизонт может до сих пор сохранять связь с каналами континентального стока, а подземные пресные воды, просачивающиеся со стороны материка, могут продолжать его подпитывать. Об этом свидетельствует нарастание солености воды в водоносном горизонте по мере удаления от берега (от 1‰ у берега до 15‰ у внешнего края резервуара; за пределами водоносного горизонта соленость поровых вод приближается к солености морской воды, составляя около 35‰), а также обнаруженные в результате геофизических исследований неоднородности, названные авторами исследования клиноформами, которые могут интерпретироваться как зоны повышенной проницаемости (для жидкости) в породах, то есть, по сути, это каналы, по которым идет подпитка континентальными пресными водами (рис. 5).

Рис. 5. Модель связи подводного водоносного горизонта (желтая линза в центре рисунка) с системой континентального стока (onshore recharge). Цветами обозначена соленость подземных вод от рассола (синий) до пресной воды (желтый). Серыми извилистыми линиями обозначена зона, где развиты клиноформы (clinoforms). Темно-синим внизу показана зона насыщенности пород глубинными высокоминерализованными водами; upwelling brines — поступающие в эту зону по разломам (faults) глубинные рассолы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

По мнению авторов, подводные пресноводные горизонты являются общим элементом глобальной системы подземных вод и могут быть обнаружены на континентальных шельфах в самых разных регионах планеты, в том числе у берегов таких засушливых регионов, как Южная Калифорния, Австралия, Ближний Восток или Сахара. И, несмотря на то, что вода в этих горизонтах, скорее всего, будет обладать небольшой соленостью, затраты на ее опреснение будут значительно ниже, чем на опреснение морской воды (подобные проекты уже давно рассматриваются для регионов, испытывающих дефицит в пресной воде).

Источник: Chloe Gustafson, Kerry Key, Rob L. Evans. Aquifer systems extending far offshore on the U.S. Atlantic margin // Scientific Reports. 2019. DOI: 10.1038/s41598-019-44611-7.

Владислав Стрекопытов