Woda spod wody to ratunek dla regionów zagrożonych suszą
Pewnego bezchmurnego dnia we wrześniu 2015 roku, po dekadzie starania się o fundusze, Kerry Key i ja wsiedliśmy na pokład R/V Langseth, statku badawczego należącego do Woods Hole Oceanographic Institution w Massachusetts. Mieliśmy kierować 10-dniową ekspedycją, której celem było sporządzenie mapy rezerwuaru słodkiej wody znajdującego się 100 m pod skalnym dnem morskim.
Cofnijmy się na moment do lat 60., kiedy to Służba Geologiczna Stanów Zjednoczonych wykonała serię odwiertów w dnie Atlantyku w pobliżu New Jersey. Szukano złóż piasków i innych surowców, ale nieoczekiwanie natrafiono też na słodką wodę. Wiele lat później badacze pobrali próbki wody z tej samej lokalizacji i wykonali ich analizy chemiczne. Ze zdziwieniem stwierdzili, że jest to mieszanka wody morskiej oraz… deszczowej. Skąd ta druga wzięła się pod dnem morskim w odległości 65 km od lądu?
To właśnie chcieliśmy wyjaśnić. Gdy R/V Langseth dotarł na miejsce, rozwinęliśmy długą linę ze specjalnym nadajnikiem. Unoszący się na morzu instrument generował fale elektromagnetyczne, które pokonywały wodę głęboką na setki metrów i przenikały pod dno morskie. Tam inicjowały wtórne sygnały powrotne, które były odbierane przez przymocowane do liny czujniki. Statek płynął powoli, ciągnąc za sobą cały ten zestaw. Pokonał w ten sposób 130 km w regionie oceanu, gdzie wcześniej wykonano wiercenia. Dodatkowo opuściliśmy na dno morskie aparaturę do rejestracji zarówno sygnałów pochodzących z naszego nadajnika, jak i naturalnych pól elektromagnetycznych. Dzięki tym wszystkim pomiarom chcieliśmy się dowiedzieć, co dokładnie znajduje się pod dnem morskim. Po zakończeniu badań w pobliżu New Jersey popłynęliśmy na północ w stronę wyspy Martha’s Vineyard, gdzie zdaniem niektórych badaczy również mógł się znajdować podmorski rezerwuar słodkiej wody. Tam powtórzyliśmy nasze pomiary.
Opracowanie wyników zajęło nam wiele miesięcy. Kiedy w 2019 roku je opublikowaliśmy, wywołaliśmy spore poruszenie. Tytuł jednego z artykułów prasowych konkludował: „Pod oceanem odnaleziono tajemniczy rezerwuar słodkiej wody”. To była prawda. Ale jak duży był ów rezerwuar? W jaki sposób powstał? I ile takich podmorskich skarbnic słodkiej wody może znajdować się na Ziemi? Tego wszystkiego nie wiedzieliśmy.
Także inne pytania nie dawały nam spokoju. Tylko 2,5% wód powierzchniowych na naszej oceanicznej planecie to wody słodkie. Ponieważ populacja świata rośnie i zmierza ku 10 mld w 2100 roku, presja na zasoby wody słodkiej będzie rosła, w szczególności na obszarach nadmorskich. Na przykład w USA mieszka na nich 30% ludzi. Na dodatek zmiana klimatu modyfikuje reżimy opadów deszczu, zanieczyszczenia degradują wiele zbiorników wodnych, a rolnictwo i rozwój miast wysysają zapasy wód podziemnych na lądach. Czy zaradzić temu mogłyby wielkie złoża słodkiej wody zlokalizowane zaledwie kilkadziesiąt kilometrów od lądu? Czy mogą one skrywać się w pobliżu tych miejsc na globie, które już dziś cierpią z braku wody? Jeśli tak, czy można bezpiecznie i w sposób ekonomicznie uzasadniony pozyskiwać te zasoby? Nasze badania dały impuls do kolejnych, które wykonano m.in. w pobliżu San Diego, Hawajów, Nowej Zelandii i Malty. Jakie przyniosły odpowiedzi?
Ukryte w dnie
Pierwsze relacje o słodkiej wodzie pojawiającej się w morzu w znacznej odległości od lądu pochodzą z XIX wieku. Rybacy z Florydy od czasu do czasu informowali o natknięciu się na „bąble” słodkiej wody. Przypuszczali, że uciekały one ze szczelin spod dna morskiego (ponieważ słodka woda jest lżejsza od słonej, wypływa na powierzchnię morza). Czasami tej wody było tyle, że ludzie mogli jej się napić.
W 1996 roku, dwa lata po rozpoczęciu pracy w Woods Hole, wraz z sześcioma kolegami z instytutu przebywałem na małym statku badawczym, który znajdował się na Oceanie Spokojnym niedaleko miejscowości Eureka w Kalifornii. Cały czas mieliśmy kontakt wzrokowy z lądem. Za pomocą aparatury skonstruowanej w Pacific Geoscience Center w Kanadzie wykonaliśmy pomiary do mapy dna morskiego. Uczestniczyliśmy w dużym programie badawczym, którego celem było prześledzenie wędrówek osadów znoszonych do oceanu przez rzeki podczas powodzi. Nasza aparatura mierzyła ilość wody morskiej w osadach dennych do głębokości około 30 m. Urządzenie wykorzystywało do tego celu fale elektromagnetyczne, co w tamtym czasie było rzadkością w geofizyce morskiej.
W jednym z miejsc, gdzie – jak wskazywały wszystkie inne dane – powinniśmy się natknąć na drobnoziarniste osady mułowe z dużą zawartością wody morskiej, instrument przesłał informację, że natrafił pod dnem na rozległy rezerwuar wody słodkiej o powierzchni około 50 km2. Najwyraźniej wody gruntowe docierały aż pod dno oceanu, a następnie wypływały na powierzchnię spękaniami i szczelinami. Wtedy po raz pierwszy doszliśmy do wniosku, że dzięki detekcji elektromagnetycznej można poszukiwać słodkiej wody skrywającej się po dnem morskim.
Kontynent nie kończy się na linii brzegowej, lecz ciągnie dalej pod dnem morskim jako szelf kontynentalny. Jego koniec wyznacza skłon kontynentalny – strome zbocze opadające ku strefie głębin oceanicznych. Twarde skały i miękkie osady denne, które budują szelfy kontynentalne na Ziemi, nie są pozbawione wody. Poprzez szczeliny w dnie morskim może do wnętrza szelfu przenikać woda morska. Większość szelfów składa się z warstw skał osadowych, które są niczym stwardniałe gąbki z małymi, połączonymi ze sobą porami wypełnionymi wodą.
Osady na dnie morskim lub tuż pod nim zwykle składają się w 40–50% z pustych przestrzeni. Ocean swoją potężną masą wpycha słoną wodę do porów w skałach tworzących szelf. Geofizycy wciąż debatują nad maksymalną głębokością, na jaką dociera ta woda, ale może to być nawet kilka kilometrów, choć im niżej, tym porów i szczelin jest mniej, bo zamyka je coraz wyższe ciśnienie panujące w skałach. Ich przepuszczalność – łatwość przechodzenia przez nie wody – zależy od tego, jak gęsta jest sieć połączeń pomiędzy porami.
Ponieważ szelf jest kontynuacją kontynentu, modele przepływów wody na lądzie wzdłuż północno-wschodniego wybrzeża USA wskazują, że znaczne ilości słodkiej wody mogą być ukryte w skałach i osadach szelfu kontynentalnego. Jednak nie wiadomo, jak ta woda miałaby tam dotrzeć i pozostać na długo – istnieje na ten temat wiele konkurujących ze sobą hipotez.
Na lądzie wody gruntowe zbierają się w przepuszczalnych warstwach zwanych poziomami wodonośnymi. Część tych poziomów znajduje się płytko pod ziemią i jest zasilana przez deszcze. Inne poziomy są ulokowane głębiej i zawierają wodę, która dotarła tam wiele tysięcy lat temu, być może pochodzącą z topnienia ostatnich lodowców plejstoceńskich. Budowa geologiczna poziomów wodonośnych może być różna – od wapieni na Florydzie po skały osadowe na północnym wschodzie USA. Wody gruntowe stanowią około 90% wszystkich dostępnych zasobów wody pitnej w USA, nawet po uwzględnieniu zasobów rzek i jezior. Około 25% wody konsumowanej w USA pochodzi z prywatnych i publicznych studni oraz odwiertów.
Szelf towarzyszący atlantyckiemu wybrzeżu USA ma szerokość od niemal zera aż do 300 km. Nie jest żadną niespodzianką to, że warstwy geologiczne, w których powstały poziomy wodonośne, nie kończą się na brzegu morskim, ale biegną dalej, stanowiąc część szelfu. Deszcz, który spada na ląd, wsiąka weń, a deszczówka dociera do poziomu wodonośnego ciągnącego się w szelfie i wychodzącego na powierzchnię dopiero na dnie morskim. Aby jednak taka długodystansowa podróż była możliwa, a woda pozostała zdatna do picia, powyżej morskiego poziomu wodonośnego musi się znajdować nieprzepuszczalna warstwa skał – zwykle są to zbite osady bogate w iły. Skały ilaste mają tę paradoksalną cechę, że mogą pomieścić olbrzymie ilości wody, gdy są luźne, ale gdy stają się zwarte, woda gruntowa nie jest w stanie ich pokonać. Taka warstwa nieprzepuszczalna ponad poziomem wodonośnym uniemożliwia słodkiej wodzie, która ma mniejszą gęstość od wody słonej, wędrówkę do góry i dotarcie do dna morskiego.
Jednakże woda słodka mogła się znaleźć pod dnem morskim za sprawą całkowicie odmiennego mechanizmu. W plejstocenie wielkie lodowce zajęły znaczną część lądów na półkuli północnej. Uwięzione w nich zostały olbrzymie ilości wody, która inaczej zasiliłaby oceany. Ich poziom spadł znacznie, odsłaniając spore fragmenty szelfu kontynentalnego. W końcowej fazie ostatniego ze zlodowaceń plejstoceńskich – w okresie od 20 tys. do 12 tys. lat temu – wody deszczowe spadające na te odsłonięte szelfy wsiąkały w grunt i tworzyły rozległe poziomy wodonośne, które w niektórych miejscach mogły dotrzeć pod warstwy nieprzepuszczalne. Tam słodka woda mogła przetrwać do dziś, mimo zniknięcia lodowców i podniesienia się oceanów. Jeszcze inny model wskazuje, że mające olbrzymią masę lądolody plejstoceńskie mogły wepchnąć słodką wodą głęboko pod warstwy nieprzepuszczalne w szelfie.
Słodka czy słona
Wyjaśnienie sposobu powstania konkretnego rezerwuaru – czy jest on połączony z poziomami wodonośnymi na lądzie i jakie ma rozmiary – wymaga przeprowadzenia mnóstwa badań terenowych. Wiercenia, dzięki którym można zdobyć próbki, są drogie i pozwalają zbadać skały tylko w określonych punktach. Do czasu naszego rejsu na R/V Langseth naukowcom brakowało względnie niedrogiej i łatwej do zastosowania metody badania dużych fragmentów dna morskiego.
W latach 70. i 80. badacze zaczęli pracować nad elektromagnetycznymi instrumentami do pomiaru właściwości dna morskiego. Zachęcała ich do tego U.S. Navy zainteresowana rozwojem technik łączności z okrętami podwodnymi na duże dystanse. W latach 90. metody detekcyjne zwane w skrócie CSEM (controlled source electromagnetic) zostały znacznie ulepszone, a pod koniec tamtej dekady i na początku kolejnej branża naftowa zaczęła je wykorzystywać do poszukiwania ropy naftowej pod dnem morskim, dzięki czemu metody detekcji zostały jeszcze ulepszone i stały się dostępne dla naukowców.
Ogólnie rzecz biorąc, techniki CSEM pozwalają zmierzyć, czy dno morskie dobrze przewodzi prąd elektryczny. Przewodność elektryczna szelfu zależy od ilości słonej wody znajdującej się w porach i szczelinach skalnych, a także od stopnia zasolenia i temperatury tej wody. Ponieważ jony chloru i sodu są nośnikami ładunku zwiększającymi przewodność materiału, słona woda lepiej niż słodka przewodzi prąd. Fragment dna oceanicznego nasączono wodą morską będzie lepszym przewodnikiem niż ten, w którym znajduje się także woda słodka. Za pomocą CSEM można zmierzyć te różnice z bardzo dużą precyzją.
Podczas naszego rejsu statek ciągnął na linie holowniczej cztery odbiorniki. Znajdowały się w odległości od 600 do 1400 m od statku. Mierzyły zarówno pole elektryczne generowane przez nadajnik znajdujący się blisko statku, jak i elektryczne indukowane przez nadajnik w szelfie. Im dalej od statku znajdował się odbiornik, tym głębiej mógł zajrzeć pod szelf. Te informacje, a także dane na temat naturalnych pól elektrycznych i magnetycznych generowanych przez Ziemię, zebrane przez instrumenty opuszczone przez nas na dno, potwierdziły, że pod dnem morskim w pobliżu New Jersey i Martha’s Vineyard znajdują się poziomy wodonośne.
Wciąż jednak niewiele wiemy na temat objętości oraz zasięgu tych podmorskich poziomów wodonośnych. Metody pomiarowe CSEM są wrażliwe nie tylko na ilość soli w wodzie wypełniającej pory, ale również na porowatość samego dna morskiego, czyli objętości wypełniającej go wody. Porowata skała zawierająca wodę o mniejszej przewodności (słodką) podczas pomiarów niczym nie różni się od skały mniej porowatej, ale zawierającej wodę o większej przewodności (morską). Podczas naszych badań w pobliżu New Jersey wykorzystaliśmy próbki skał wydobytych z odwiertów oraz próbki wody pochodzącej z porów skalnych, aby skalibrować modele. Zasolenie określa, ile gramów rozpuszczonych soli znajduje się w litrze wody. Średnie zasolenie wody morskiej wynosi 35 g. Woda o zasoleniu 1–10 g określana jest jako słonawa. Jeśli w litrze wody jest mniej niż 1 g soli, jest ona uznawana za słodką. Zasolenie wody w skałach pod dnem oceanu w pobliżu New Jersey i Martha’s Vineyard wynosiło 0,2–0,9.
Nie mamy żadnych danych na temat szelfu pomiędzy tymi dwoma lokalizacjami, zatem nie wiemy, czy te dwa poziomy wodonośne są ze sobą połączone, a jeśli tak, to w jaki sposób. Bazując na badaniach geologicznych i modelach hydrogeologicznych, sądzimy, że słodka woda może się znajdować pod całym szelfem sąsiadującym z regionem Nowej Anglii. Słodką wodę szelfową w pobliżu Martha’s Vineyard mogły pozostawić ponad 12 tys. lat temu topniejące lodowce. Woda w sąsiedztwie New Jersey, jak się wydaje, pochodzi częściowo ze współczesnych opadów na lądzie. Duży zespół planuje wykonanie w przyszłym roku wierceń w szelfie w pobliżu Martha’s Vineyard. Dzięki analizom chemicznym wydobytych próbek być może dowiemy się, jak stary jest tamtejszy poziom wodonośny.
Dalej na południe w budowie geologicznej atlantyckiego wybrzeża USA zaczynają dominować wapienie: wędrówki wody mogą się w nich odbywać inaczej niż w skałach osadowych. Aby dowiedzieć się jak, trzeba wykonać znacznie więcej pomiarów CSEM, być może wspieranych wierceniami w wybranych miejscach. To jednak jest kosztowne. Sporym wyzwaniem jest też prześledzenie przebiegu poziomów wodonośnych pomiędzy lądem o szelfem. W płytkich wodach, gdzie odnotowuje się bardzo intensywny ruch statków i innych jednostek, należałoby wykonać szczegółowe pomiary szelfu instrumentami holowanymi na linie, i zarazem zebrać takie same dane za pomocą sensorów rozstawionych na lądzie. Choć akurat atlantyckie wybrzeże USA, jeśli chodzi o zasoby wody, nie znajduje się pod taką presją, jak wiele innych miejsc na świecie, to akurat tutaj przeprowadzenie takich badań byłoby względnie łatwe, ponieważ jest to region dobrze przebadany hydrogeologicznie.
Jak wspomniałem, od czasu naszego rejsu przeprowadzono wiele nowych badań – niektóre w miejscach o bardzo odmiennej budowie geologicznej. W 2018 roku w pobliżu Hawajów znaleziono, korzystając z takiego samego sprzętu pomiarowego, jednoznaczne dowody na obecność słodkiej wody kilkaset metrów pod dnem morskim. Hawaje są zbudowane ze skał wulkanicznych, które cechują się względnie dużą przepuszczalnością. Domniemywa się, że poziomy wodonośne są zasilane wodami gruntowymi spływającymi z lądu. Na razie hipoteza ta nie została zweryfikowana. Na Hawajach zasoby wody pitnej są kontrolowane przez opady atmosferyczne, więc dobrze byłoby wiedzieć, w jaki sposób ta woda opadowa ucieka z lądu pod dno morskie.
Spod morza do kranu
Zainteresowanie podmorskimi poziomami wodonośnymi wzrosło wyraźnie w ostatnich latach, głównie tam, gdzie zasoby wody pitnej są niewielkie. Według naszych szacunków pod dnem morskim znajdującym się w odległości do 150 km od brzegu może się znajdować około miliona kilometrów sześciennych słodkiej wody. Dla porównania Nowy Jork zużywa rocznie około 1,4 km3 wody. Nasze szacunki są oparte głównie na ekstrapolacji danych uzyskanych dzięki wierceniom oraz nielicznym na razie pomiarom technikami CSEM.
Nikt jeszcze nie zaprojektował szczegółowo systemu do pozyskiwania wody pitnej z z podmorskich poziomów. Tor Bakken z norweskiego ośrodka SINTEF Energy Research opisał ogólnie, jak mógłby wyglądać taki system bazujący na technice wydobycia ropy. Ponad poziomem wodonośnym można byłoby ustawić platformę lub zakotwiczyć barkę. Następny krok to wykonanie odwiertu, którym woda popłynęłaby do rurociągu biegnącego po dnie oceanu do stacji odbiorczej na lądzie. Tam byłaby dodatkowo odsalana, zapewne metodą odwróconej osmozy, powszechnie stosowanej techniki odfiltrowywania soli. Bakken oszacował, że ten proces byłby trochę tańszy niż odsalanie wody morskiej, w zależności od tego, jak bardzo zasolona byłaby „słodka woda”. Udział odsalania, które jest bardzo energochłonne, byłby w ogólnych kosztach takiego przedsięwzięcia znacznie większy niż wykonanie odwiertów i pompowanie z nich wody rurociągami.
Przed podjęciem decyzji o rozpoczęciu pozyskiwania takich zasobów należałoby najpierw ustalić, w jaki sposób wody gruntowe odnalazły drogę do dna morskiego. Wyobraźmy sobie, że taki poziom wodonośny nie jest w żaden sposób połączony z przepuszczalnymi warstwami geologicznymi na lądzie. Słodka woda jest otoczona ze wszystkich stron osadami zawierającymi wodę słoną. Jeśli zaczniemy wypompowywać tę pierwszą, wówczas ta druga zacznie wypełniać puste przestrzenie, mieszając się z wodą słodką i podnosząc poziom jej zasolenia. Po wypompowaniu całej słodkiej wody, jej zasoby nie zostaną odnowione. Jednakże pozyskiwanie podmorskich wód gruntowych, które mają łączność z lądowymi poziomami wodonośnymi, także niesie ze sobą pewne ryzyko. Wszystkie podmorskie zasoby będą zawsze choć trochę słonawe, a ich pozyskiwanie może sprawić, że sól pojawi się w lądowych poziomach wodonośnych. Modele wskazują też, że nadmierna eksploatacja podmorskich rezerwuarów może uszczuplić powiązane z nimi zasoby wód gruntowych na lądzie i doprowadzić nawet do osiadania gruntu.
Podczas badań prowadzonych od września 2019 roku do września 2020 naukowcy, korzystając z metody CSEM, wykazali, że słonawe wody gruntowe krążące w skalnej Formacji San Diego, która jest głównym rezerwuarem wody dla wielomilionowej aglomeracji, są połączone z podmorskimi poziomami wodonośnymi w pobliżu Coronado. Jednak budowa geologiczna tej okolicy jest skomplikowana, są tam liczne uskoki, co może uczynić mało opłacalnym dobranie się do tego zasobu. Pacyficzne wybrzeże USA jest przecięte wieloma uskokami, wzdłuż których wody gruntowe z lądu mogą docierać pod szelf, ale zarazem ułatwiającymi przemieszczenie się wód słonych w stronę lądu w przypadku zbyt intensywnego pozyskiwania zasobów szelfowych.
Wszystkie miasta muszą mieć strategię zaopatrzenia w wodę, zwykle pochodzącą z wielu źródeł, a także strategię ochrony zasobów tej wody. Niektóre regiony świata, a nawet całe kraje, odsalają wodę morską. To technologia droga i wymagająca mnóstwa energii, która, jeśli pochodzi ze spalania paliw kopalnych, wiąże się z emisją gazów cieplarnianych. Zanim władze lokalne zdecydują się na tłoczenie wody pitnej spod dna morskiego, mogą najpierw sięgnąć po tę wodę, którą wcześniej uznano za nieodpowiednią, ponieważ była słonawa; jednak woda gruntowa pod dnem morskim może zawierać jeszcze więcej soli. San Diego i El Paso już odsalają takie słonawe wody gruntowe. Jeśli podmorskie poziomy wód gruntowych są przecięte granicą państwową, pomiędzy krajami może wybuchnąć spór o prawo do korzystania z takiego rezerwuaru.
Ochrona zasobów wody także jest bardzo ważna. Ziemskie lądy i oceany są ze sobą połączone. Wody gruntowe, które z lądu docierają do szelfu, są nośnikami substancji odżywczych i związków chemicznych, które podtrzymują delikatne ekosystemy morskie funkcjonujące na skłonie kontynentalnym. Nie potrafimy jeszcze przewidzieć środowiskowych skutków eksploatacji podmorskich wód gruntowych.
Na razie udało się potwierdzić istnienie niewielu podmorskich poziomów wód gruntowych. Takich miejsc może być znacznie więcej – małych, dużych, odnawianych przez wody gruntowe lub odizolowanych od czasów epoki lodowej. Pojawiają się nowe inicjatywy oszacowania potencjału, szczególnie w Europie. Poszukiwania przeprowadzone na Morzu Śródziemnym w pobliżu Malty potwierdziły istnienie podmorskiego rezerwuaru wody gruntowej prawdopodobnie zasilanego z lądu. Dane i modele wskazują, że może on mieć objętość około 1 km3 – tyle wody wystarczyłoby Malcie na 75 lat. Ale też zgodnie z innymi modelami zmiany klimatyczne zmniejszą opady deszczu w tym regionie, redukując objętość rezerwuaru o 38% w ciągu 80 lat.
Planowane na przyszły rok wiercenia na południe od Martha’s Vineyard powiedzą nam więcej na temat tego, jak kontaktują się ze sobą poziomy wodonośne na lądach i pod morzami. Im więcej będziemy wiedzieli na temat powstawania i funkcjonowania tych ukrytych pod morzem skarbów, tym łatwiej będzie nam odnajdywać je w przyszłości.