珠江口及临近陆架区离岸地下水的赋存及演化机制研究

珠江口及临近陆架区离岸地下水的赋存及演化机制研究 | Nature Communications

离岸地下水（Offshore Freshened Groundwater）是指赋存在海底以下沉积物中且盐度小于正常海水的地下水部分，目前已有的证据表明，全球约有10⁵~10⁶ km³的离岸地下淡水资源。大陆架尺度的离岸地下水研究是水文地质的一个前沿和国际热点课题，它耦合了水文地质，海洋地质和同位素地球化学等多学科理论和手段。香港大学地球科学系焦赳赳教授团队对珠江口及临近陆架区的离岸地下水系统进行了研究，相关成果以“Offshore freshened groundwater in the Pearl River estuary and shelf as a significant water resource”为题，在线发表于期刊Nature Communications。

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研究背景

► 离岸地下水一般主要赋存于海底的陆架区域，且受第四纪海进海退的驱动影响。在末次盛冰期时(Last Glacial Maximum, LGM），海平面低于现代海水位约 120 m，导致大部分海底陆架区域暴露于海平面之上，受到江河、冰川及大气降雨补给的影响，进而发育了富含陆架淡水/微咸水的含水层。末次盛冰期结束后，海平面快速抬升，原本接受陆地淡水补给的区域大规模转遍成现代海底陆架区，由于陆架第四纪含水层对于地表过程的响应较慢，离岸含水层中的相关气候信息得以保留。受上覆海水盐度的影响，离岸地下水普遍表现为弱咸水（Sub-saline），或处于相对淡水状态（Relatively fresh）。大河三角洲河口和邻近陆架区域（Large-river deltaic estuaries and adjacent shelves），作为海陆交汇的关键区域，经历了多个海侵和海退阶段，形成了相互交错的含水层和弱透水层系统，且古河道分布广泛，是离岸地下水系统发育的理想场所。

图1 | a 全球陆架尺度的离岸地下淡水体积分布（图中数据Zamrsky et al., 2021）及发育有OFG的河口地区，b 全球主要河流的流量年均流量及流域面积，c-d 研究区概况。

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主要研究方法

► 为刻画珠江口及临近陆架区域海底离岸地下水的分布状态及演化机制，该研究收集并整理了珠江口及临近陆架区域的钻孔资料，地球物理剖面，孔隙水化学及同位素数据，并结合古水文地质模型（Paleo-hydrogeological model），对上述问题进行了探讨。尤其是近几年在珠江口及临近陆架区开展了大量的海上钻探工作，通过搭乘“海洋地质十号”（Haiyang Dizhi-10）海洋科学钻探船，获取了大量的海底沉积物岩芯，并利用Rhizon进行了孔隙水样品的现场抽取。

图2 | 珠江水下三角洲范围及钻孔位置以及部分离岸钻孔的盐度随深度变化曲线，可以明显看出，盐度随深度呈整体下降趋势，且部分样品盐度可达1 PSU。

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结果与讨论

► 珠江水下古三角洲的第四纪沉积物厚度约300 多米，且古河道网系发育。31个离岸钻孔的实测盐度数据表明，离岸地下水在珠江口及陆架离岸55 km的范围内广泛分布，静态储量体积(Static volume)可达61.7 km³。且目前所获取的几个最远离岸钻孔(ZK3, ZK4, BH5)的数据也表明离岸地下水的体积可能远超这一估值，如BH5钻孔深部的最低盐度仍为1.0 PSU，因此考虑参数敏感性的二维古水文地质模型被用来进一步评估整个珠江水下古三角洲的离岸地下水潜在体积，计算所得的静态潜在体积为575.6 ± 44.9 km³。

► 相比于上覆海水，离岸地下水具有较低的阴阳离子浓度（Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, SO₄^2-, NO₃^–）和重金属含量（Ba, Cu, Cr, Pb, Sr等）。结合孔隙水的氢氧同位素（²H, ¹⁸O），可进一步限制珠江口及临近陆架区域离岸地下水的淡水来源，通过实测孔隙水的氢氧同位素，可以发现同位素值存在明显的贫化，接近古大气降水值，当深部盐度降至5 PSU时，其同位素值为¹⁸O：-28.9‰和²H：-4.82‰，而海底水合物分解时所产生的离岸淡水值一般在+2.5‰（δ¹⁸O）和+22‰（δ²H）范围，粘土矿物脱水有关的离岸淡水端元值为+10‰（δ¹⁸O）和-32‰（δ²H）。此外，该研究还提出了三角洲河口地区离岸地下水系统的一般演化模式。