地下水消失，也可能会抬升地面

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撰文｜艾弗里·斯凯勒·纳恩（Avery Schuyler Nunn）

翻译｜林清

几十年来，地质学家一直认为南非南部海岸的缓慢抬升源自地下深处的驱动力——数百万年来，炽热岩浆穿过地幔上涌，推动地壳向上隆起。但如今，卫星数据和精确的全球定位系统（GPS）测量结果正在推翻这种假设。发表在《地球物理研究杂志：固体地球》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth）上的一项研究表明，这种地面抬升的现象可能与深层的板块构造应力关系不大，更可能是因为我们脚下的地下水正在消失。

长期以来，人类活动在不断消耗南非的地下水资源。2018年，在与严重干旱抗争多年后，南非的水资源全面告急，开普敦几乎成为世界上第一个真正耗竭水资源的主要城市。在气候变化和不可持续用水方式的共同作用下，地表水耗竭，使整个地区的含水层（aquifer）承受着越来越大的压力，最终导致了水资源极度短缺。

新研究提出了如下假设：此前地面受到了其上地表水和其下地下水的双重压迫，如今水资源耗竭后，地层就像释放了压力的泡沫床垫一样不断膨胀。通过分析2000年至2021年间的GPS和卫星重力数据，研究人员发现地面上升了约6毫米——这一变化与人类耗尽南非水资源储备的时间和干旱周期相吻合。

“有时候最初的解释未必正确，”德国波恩大学的测量学家克里斯蒂安·米尔克（Christian Mielke，该研究的第一作者）说，“也许这种现象与板块构造学压根就没有关系。”

美国斯坦福大学的地球物理学家罗斯玛丽·奈特（Rosemary Knight）说：“水，无论是地表的冰雪还是地下水，它们的存在与消失都与地表形变密切相关。”正如在全球多地所观察到的，这个过程通常会导致地面下沉，以填补地下空隙，也就是所谓的地面沉降。

但这项新研究表明，在南非，水和陆地运动之间的联系方式令人惊讶。在雨季，河流和水库水量充沛，增加的重量压迫地壳下沉。在干旱的月份里，大量的水要么蒸发，要么被人类抽走，这会导致地面向上反弹。随着时间的推移，地下水的长期流失将导致地表更倾向于抬升而非下沉。

这种“季节性呼吸”表明，地面抬升的原因可能不仅仅是地幔柱（mantle plume）。假如是炽热岩浆推动地面向上隆起，该运动将是稳定的，与降雨周期无关。如果这种地面抬升的方式得到证实，它将成为又一个例证，展示人类使用水的方式将如何重塑地球。

美国加利福尼亚州圣华金河谷（San Joaquin Valley）面积超过13 000平方千米，从1945年到1970年，这个曾经被 “大沙暴”（Dust Bowl）时期从灾区逃来的移民视作“鱼米之乡”的土地，至少沉降了30厘米，有些地方甚至下沉了近9米。自那以后，圣华金河谷的下沉速度一直在加快，在严重干旱期间，河谷的部分地区每年下沉30多厘米。平均而言，与20世纪中期相比，它的下降速度已经加快了70%。

类似的事情也发生在切萨皮克湾（Chesapeake Bay），它拥有广阔的河口和郁郁葱葱的潮汐湿地，属于美国东海岸最重要的生态地区之一。在这里，由于从含水层开采地下水和古冰川运动的残留影响，地面沉降愈演愈烈，因此进一步增加了洪水泛滥和相对海面上升的风险。卫星数据、验潮计记录和政府间气候变化专门委员会（IPCC）的预测表明，到2100年，地面沉降叠加海平面上升，可能会淹没切萨皮克湾长达1100平方千米的海岸线。

米尔克指出，这些发现凸显了地球对人为环境变化的复杂响应。这些行为的后果正在逐渐显现，可能会对未来产生深远的影响。随着气候变化加速，地表运动可能会加剧其他问题，尤其是在海平面上升的沿海地区。

为了在全球范围内监测这种隐藏的变化，重力测量与气候实验（GRACE）卫星任务可以通过测量重力的微小变化来探测地球质量的变化。因为水有重量，地下水的消耗或补充会对地球的引力场产生微妙的改变，而GRACE卫星可以从轨道上探测到这一变化。

奈特和该领域的其他研究人员正在寻找解决方法，试图通过维持精确的平衡防止地表发生如此大规模的变化。奈特说：“基本上，当流出的水量超过流入的水量时，地面就会下沉。对于水的流入，我们将其称为‘补给’（recharge）。”

部分补给是自然发生的，例如雨水或融雪渗入土壤，但这些降水量不足以抵消数十年的地下水开采和当前的高需求。因此，如今加利福尼亚这样的地区开始有计划地向含水层补给水分：战略性地将多余的地表水（如冬季洪水）分散到陆地上，使其可以渗透到地下并重建耗竭的储水层，或者直接向含水层注水。据估计，当地地下仍有大量空间可以储水，容量相当于加利福尼亚州沙斯塔湖（Shasta Lake）水量的30倍，这些水足以逆转地面沉降。

正如奈特所说，解决办法不能仅仅是减少抽取地下水。它必须包括补充水资源：从哪里抽取了水，就应当在哪里补回。

本文选自《环球科学》2025年11月刊的“前沿”栏目。

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