許多研究人員認為，液態水是理解冰川中發現的冰凍形式行為的關鍵。眾所周知，融化的水可以潤滑它們的礫石基座，並加速它們向大海的行進。近年來，南極洲的科學家們發現了數百個相互連接的液態湖泊和河流，這些湖泊和河流位於冰層之中。而且，他們還拍攝了冰下厚厚的沉積物盆地，可能包含所有最大的水庫。但是到目前為止，還沒有人證實冰下沉積物中存在大量的液態水，也沒有人調查過它可能與冰之間的互動。現在，一個研究小組首次繪製了南極洲西部深層沉積物中一個巨大的、積極循環的地下水系統。
他們說，這樣的系統可能在南極洲很常見，可能對這個冰凍的大陸如何對氣候變化做出反應，甚至可能對氣候變化做出貢獻，具有至今未知的影響。這項研究於5月5日發表在《科學》雜誌上。
“人們已經假設這些沉積物中可能有深層地下水，但是到目前為止，沒有人做過任何詳細的成像，”該研究的主要作者Chloe Gustafson說，他在哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站做研究生時做了這項研究。“我們發現的地下水量是如此之大，它很可能影響了冰川進程。現在我們必須找出更多的東西，並找出如何將其納入模型。”
幾十年來，科學家們一直在南極冰原上空飛行雷達和其他儀器，對地下特徵進行成像。在許多其他方面，這些任務揭示了夾在冰和基岩之間的沉積盆地。但是機載地球物理學通常只能揭示這些特徵的大致輪廓，而不是水含量或其他特徵。在一個例外中，2019年對南極洲麥克默多干谷的研究使用直升機攜帶的儀器記錄了大約350米冰層下幾百米的冰川下的地下水。但是南極洲大多數已知的沉積盆地要深得多，而且其大多數冰層要厚得多，機載儀器無法到達。在少數地方，研究人員已經鑽過冰層進入沉積物，但只鑽進了最初的幾米。因此，冰層行為的模型只包括冰內或冰下的水文系統。
這是一個很大的缺陷；南極洲大部分廣闊的沉積盆地位於目前的海平面以下，夾在基岩覆蓋的陸地冰和漂浮在大陸邊緣的海洋冰架之間。它們被認為是在海平面較高的溫暖時期在海底形成的。如果冰架在氣候變暖的情況下被拉回，海水可能會重新侵入沉積物，而冰架後面的冰川可能會向前沖，提高全世界的海平面。
這項新研究的研究人員集中在60英里寬的惠蘭斯冰溪上，它是為世界上最大的羅斯冰架提供水源的數條快速水流之一，其面積約為加拿大育空地區。之前的研究發現，在冰層內有一個冰川下的湖泊，在它下面有一個沉積盆地。對第一英尺左右的沉積物進行淺層鑽探，發現了液態水和一個繁榮的微生物群落。但再往下是什麼一直是個謎。
該團隊使用了一種叫做磁電成像的技術，該技術測量在地球大氣層高處產生的自然電磁能對地球的滲透情況。冰、沉積物、淡水、鹹水和基岩都在不同程度上傳導電磁能；通過測量差異，研究人員可以創建不同元素的類似核磁共振的地圖。研究小組將他們的儀器放置在雪坑中，每次放置一天左右，然後將其挖出並重新定位，最終在大約四十個地點進行了讀數。他們還重新分析了從地球上發出的自然地震波，這些地震波是由另一個團隊收集的，以幫助區分基岩、沉積物和冰。
他們的分析表明，根據不同的位置，沉積物在觸及基岩之前，會延伸到冰層底部半公里到近兩公里的地方。而且他們證實，這些沉積物一路下來都充滿了液態水。研究人員估計，如果所有的水被提取出來，它將形成一個從220米到820米高的水柱，至少比冰層內部和底部的淺層水文系統多10倍，甚至可能比這還要多。
鹹水比淡水更好地傳導能量，因此他們也能夠表明，地下水隨着深度的增加而變得更咸。研究人員Kerry Key說這是有道理的，因為這些沉積物被認為是很久以前在海洋環境中形成的。海洋水可能在大約5000到7000年前的一個溫暖時期最後一次到達現惠蘭斯所覆蓋的地區，使沉積物中的鹽水飽和。當冰層重新移動時，由上面的壓力和冰底的摩擦產生的新鮮融水顯然被強迫進入上部沉積物。Key說，今天它可能繼續向下過濾並混入。
研究人員說，這種緩慢地將淡水排入沉積物的做法可以防止水在冰的底部堆積。這可能會對冰的向前運動起到制動作用。其他科學家在冰流的接地線–即陸地上的冰流與浮動的冰架相遇的地方–進行的測量顯示，那裡的水比正常海水的鹽度低一些。這表明，淡水正通過沉積物流向海洋，為更多的融水進入騰出空間，並保持系統穩定。
然而，研究人員說，如果冰面太薄–隨着氣候變暖，這是一種明顯的可能性–水流的方向可能會被逆轉。上層的壓力將減少，更深的地下水可能開始向冰基湧出。這可以進一步潤滑冰的底部，並增加其向前的運動。此外，如果深層地下水向上流動，它可以攜帶基岩中自然產生的地熱；這可以進一步解凍冰的底部，並推動它向前發展。但是，這是否會發生，以及在多大程度上發生，還不清楚。
Gustafson說：“最終，我們對沉積物的滲透性或水的流動速度沒有很大的限制。它是否會產生很大的差異，從而產生失控反應？或者地下水在冰流的大計劃中是一個更小的角色？”
研究人員說，淺層沉積物中已知的微生物的存在增加了另一個問題。這個盆地和其他盆地很可能在更遠的地方適合棲居；如果地下水開始向上移動，它將帶來這些生物體使用的溶解碳。橫向的地下水流動將把這些碳送到海洋中。這可能會把南極洲變成一個迄今未被考慮的碳源。Gustafson說，但問題還是在於這是否會產生一些重大影響。
研究人員說，這項新研究只是解決這些問題的一個開始。他們寫道：“對深層地下水動態存在的確認，改變了我們對冰川行為的理解，並將迫使修改冰川下水模型。”
這項研究的其他作者是斯克里普斯海洋研究所的Helen Fricker、中央華盛頓大學的J. Paul Winberry、杜蘭大學的Ryan Venturelli和比格洛海洋科學實驗室的Alexander Michaud。Chloe Gustafson現在是斯克里普斯海洋研究所的博士后研究人員。