Нил Стурчио из Университета Делавэра, профессор кафедры наук о Земле Колледжа Земли, океана и окружающей среды Университета штата Вашингтон, вместе с коллегами из нескольких других учреждений, написал в Журнале гидрологии статью, в которой оценил возраст, происхождение и устойчивость ископаемые водоносные горизонты в системе Mega Aquifer System (MAS) на Аравийском полуострове.
MAS лежит в основе большей части обширных пустынь Аравийского полуострова и является одной из крупнейших систем водоносных горизонтов в засушливом мире, занимающей территорию в Саудовской Аравии, Ираке, Иордании, Омане, Йемене и Объединенных Арабских Эмиратах.
Стурчио провел геохимические и изотопные исследования, которые помогли определить качество и возраст воды, которые показали, как возраст соотносится с гидрологией и историей водоносного горизонта.
Изотопные измерения являются мощным инструментом для отслеживания источника влаги в водоносном горизонте, а также времени пребывания и пути потока грунтовых вод, особенно при использовании в сочетании с численными моделями потока, которые включают измерения высоты уровня грунтовых вод и гидравлические свойства водоносного горизонта.
Отношения изотопов водорода и кислорода в молекуле воды использовались для отслеживания источника влаги, а радиоактивные изотопы углерода-14 и хлора-36 использовались для оценки времени пребывания (возраста) воды под землей.
Знание возраста воды в водоносных горизонтах помогает ученым понять, насколько быстро или медленно они восстанавливаются, – важная информация для устойчивого управления водопользованием.
Стурчио сказал, что это исследование было важным, потому что в этом регионе мира не было проведено много современных исследований, показывающих, как эффективно управлять своими ресурсами.
«Их население растет, поэтому они испытывают все обычные проблемы, связанные с наличием большого количества людей, и вода становится все большей и большей проблемой», – сказал Стурчио.
Ископаемые подземные воды
Хотя на большей части ландшафта Аравийского полуострова выпадает менее 25 миллиметров осадков в год, в предыдущие более влажные климатические периоды на этих территориях выпадало большее количество осадков, что помогало пополнить их водоносные горизонты.
Эти подземные воды теперь считаются ископаемыми, но в областях MAS, которые получают большее количество осадков – в основном, в горных районах в южной части MAS, которая лежит под пустыней Руб-эль-Хали (RAK), – более старые воды смешиваются с новый, поскольку водоносные горизонты получают современную подпитку за счет атмосферных осадков.
В отличие от южной части MAS, которая при нынешних уровнях добычи воды может быть использована для развития устойчивого сельского хозяйства в Саудовской Аравии, центральная и северная части MAS чрезмерно эксплуатируются, когда речь идет о добыче подземных вод.
Поскольку они демонстрируют признаки серьезного снижения уровня воды, важно определить возраст воды, чтобы показать, насколько быстро водоносные горизонты пополняются сами собой.
Это поможет определить местоположения и разработать сценарии, с помощью которых можно будет рационально управлять ресурсами.
Дистанционное обнаружение воды
В дополнение к обычным химическим и изотопным измерениям, которые помогают датировать воду и рассказывать о ее качестве, исследователи использовали данные спутниковой миссии Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), запущенной в 2002 г.S. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Немецкий аэрокосмический центр для помощи в измерении уровня воды в водоносных горизонтах.
Спутники GRACE ежемесячно отображают изменения глобального гравитационного поля Земли.
Используя данные со спутников, исследователи смогли получить расчеты водного баланса, обнаружить изменчивость запасов воды в бассейнах и определить скорость пополнения и разгрузки водоносного горизонта.
"Год за годом вы можете сравнивать измерения силы тяжести в определенной области и видеть, как они меняются. При прочих равных, большая часть изменения силы тяжести происходит из-за добавления или вычитания воды, потому что на самом деле ничто другое не меняется так сильно.
Скалы просто сидят там, – сказал Стурчио. "Эти гравитационные спутники чувствительны к изменению объема грунтовых вод. Если вы откачиваете воду слишком быстро, вы увидите, что количество грунтовых вод постепенно уменьшается."
Помимо GRACE, исследователи также использовали данные спутниковых измерений осадков и провели полевые исследования над системой водоносного горизонта RAK.
Путешествие по воде
Эта комбинация дистанционного зондирования, геохимических и полевых исследований также использовалась для определения источника воды, а также ее качества.
Они изучили путь, по которому вода попадает в определенные водоносные горизонты, и обнаружили, что большая часть воды течет по дренажной системе с запада на восток, собирая осадки над холмами Красного моря и протекая через Аравийский полуостров.
«Мы могли видеть, что большая часть воды под пустыней поступает из гор в западной части Саудовской Аравии и юго-западной части Аравийского полуострова», – сказал Стурчио.
Подземные воды, расположенные дальше в восточной части пустыни, старше и изотопно отличаются от грунтовых вод ближе к холмам Красного моря, что указывает на то, что они депонировались с холмов в различных климатических условиях много лет назад в эпоху плейстоцена, период времени, который начался около 2.6 миллионов лет назад.
Кроме того, он более соленый и непригоден для питья и сельскохозяйственных целей. Подземные воды берут начало в горах за счет пополнения осадков, затем проходят через соляные породы, в результате чего вода в водоносных горизонтах становится соленой.
«Она более соленая, чем морская вода, и в этом случае ее нельзя использовать ни для чего», – сказал Стурчио, добавив, что возраст воды в восточной части Аравийского полуострова составляет около миллиона лет и более.
Рекомендации по устойчивому развитию
После определения возраста и происхождения ископаемых водоносных горизонтов исследователи смогли дать рекомендации по устойчивости ресурсов подземных вод.
В центральных и северных частях MAS устойчивый водозабор может быть достигнут с текущими культурами и ирригационными системами за счет сокращения ежегодного водозабора и поддержания его в большей степени в соответствии со скоростью, с которой он частично пополняется за счет осадков. Другой вариант – заменить водоемкие культуры, такие как пшеница и люцерна, которые в настоящее время выращиваются в этом районе, водосберегающими культурами, такими как картофель или сахарная свекла.
При текущих уровнях добычи южные части MAS могут использоваться для развития устойчивого сельского хозяйства в Саудовской Аравии и обеспечивать воспроизводимую и рентабельную модель для этой области.
Работа финансировалась Отделом наук о Земле НАСА, Саудовской геологической службой и Центром дистанционного зондирования наук о Земле Университета Западного Мичигана.