撰文： 尼克兰塔.拉内塞                     2022年5月6日

地球物理学家克洛伊.古斯塔夫森和登山家梅根.塞佛特在南极洲西部的慧兰斯冰流安装了一个测量电磁场的仪器。

（图片：Kerry Key，哥伦比亚大学 Lamont-Doherty 地球观测站）

在西南极洲一条快速流动的冰流下，科学家们发现了一个充满海水的巨大含水层，该含水层可能已被封锁了数千年。

这是科学家们第一次在南极洲的冰流下探测到地下水，这一发现可能会重塑我们对寒冷大陆如何对气候变化做出反应，以及在其众多冰架下潜伏着什么样的神秘生物的理解。

新发现的地下水系统可以被认为是一块巨大的海绵，由多孔沉积物组成并被水饱和，克洛伊. D.古斯塔夫森说，她是一项关于地下含水层的新研究的主要作者，也曾是哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球天文台，和现在位于加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所的物理学家。“我们观察到的‘海绵’厚度从半公里到大约两公里[0.3到1.2英里]不等，所以它非常深，”她告诉记者。

古斯塔夫森和她的同事在周四（5 月 5 日）发表在《科学》杂志上的一份报告中，描述了这个庞大的含水层。含水层位于与名为威兰斯湖的冰下湖相同的冰流下方，该湖位于较浅的深度，冰下约 2,625 英尺（800 米）。

“对我来说，最令人惊讶的结果是含水层内的大量水，”没有参与这项研究的乔治亚理工学院地球与大气科学学院的冰川地球物理学家维尼.朱说。作者估计，巨大的含水层所含的水量，是冰架底部较浅的湖泊和河流系统的 10 倍以上。这个浅水系统包括惠兰斯湖，面积为 20 平方英里（60 平方公里），深约 7 英尺（2.1 m）。

地球的核磁共振”

长期以来，科学家们一直推测，巨大的含水层可能隐藏在南极冰层之下，部分原因是该大陆的冰流和冰川滑过水应该能够渗透的可渗透沉积物床上，朱说。然而，直到现在，技术限制阻止研究人员收集这种深层水文系统的直接证据，这意味着系统由水组成，她解释说。相反，研究的重点是在冰川和冰架底部或附近发现的，相对较浅的湖泊和河流。

为了超越这些浅层系统进入下面隐藏的深处，古斯塔夫森和她的同事使用了一种称为“大地电磁成像”的技术。他们从南极洲西部的威廉斯冰流中进行了测量，这是一条移动的冰带，厚度约为 0.5 英里（0.8 公里），每天向附近的罗斯冰架移动约 6 英尺（1.8 米）。

“大地电磁成像依赖于太阳风与地球电离层相互作用产生的电磁场——这是上层大气中一层致密的分子和带电粒子。当太阳风撞击电离层时，它们会激发内部的粒子并产生穿透地球表面的移动电磁场。然后这些运动磁场会在冰、雪和沉积物中产生次级磁场，大地电磁仪器测量的正是这次级磁场。该团队将这些仪器埋在雪地的浅坑中，并从冰流上大约四打不同的位置收集数据。

古斯塔夫森说：“这些次级磁场域确实与地质学和水文学密切相关”，这意味着冰看起来与沉积物非常不同，咸水看起来与淡水不同，等等。“这就像对地球进行核磁共振成像，我们的信号只是来自太阳与地球磁场的相互作用，”她说。

此前，其他科学家团队曾在南极洲使用过这种巨型核磁共振成像，来检查地壳和上地幔，根据《地球物理学调查》杂志 2019 年的一篇评论，这些研究早在 1990 年代就开始了。相反，古斯塔夫森的团队从较浅的深度进行测量，从冰流底部延伸到约 3 英里（5 公里）处。在那里，他们发现了一种厚厚的沉积物海绵，其最深处有令人难以置信的咸海水，而靠近冰流的最浅部分则有淡水。

古斯塔夫森说，这种梯度表明，浅层冰下系统与深层含水层相连，两者都可能影响上方冰的流动。“目前，尚不清楚含水层是否可以不时与冰下进行水文交换，或者它是一种单向转移。”冰流中的水滴流下来，然后在含水层中储存一段时间，朱说。

根据具体情况，含水层可能通过定期向冰下系统注入水来润滑冰流，或者它可能正在从系统中去除水，朱补充说，这两种动力学都会影响上方冰流的流动。

古斯塔夫森说，深层系统和浅层系统之间的水交换，也可能影响冰流下生长的微生物类型，以及这些微生物如何生存。这是因为液态水流过含水层和上方相互连接的湖泊和河流，推动了营养物质在生态系统中的流动。此外，咸水与淡水的梯度形成，决定了每种环境中可以生存的微生物种类。

关于含水层深处最咸的水，作者假设，大约 5,000 至 7,000 年前，在全新世中期的温暖时期，在撤退中的西南极冰盖的水，很可能从海洋流入地下水系统。然后，“随着冰盖的重新推进，厚冰的存在切断了通往海床的海洋通道，残留的海水被密封为威兰斯冰流下的地下水，”朱在同样于 5 月 5 日发表在《科学》杂志的研究评论中写道。

威兰斯湖冰流下方的含水层是第一个被发现的，但研究小组怀疑，这种水文系统位于南极洲所有冰流下方，正等待被发现。古斯塔夫森说，这些地下水系统可能“延伸数百公里回到冰盖内部”。下一步将是在大陆其他地方收集此类系统的证据，并将他们在威兰斯发现的情况与其他地区进行比较。

特别是，快速变薄的思韦茨冰川（也称为“末日冰川”）下方的含水层与惠兰斯下方的含水层有何不同，这些深层系统如何影响上方冰的流动和融化？古斯塔夫森说，目前的冰流模型没有考虑到这样的含水层，因此这将是一个有趣的研究领域。

“在我们能够具体说明地下水水文如何改变气候变化对南极洲的影响之前，我们仍然需要了解地下水水文与冰盖水文其他部分之间的相互联系，”朱说