都市の泉の運命:水中洞窟での揚水による海水浸入

人間の人口は海岸に集中しており、飲用、農業、工業用の主要な水源として帯水層に依存していることがよくあります。沿岸の帯水層では、海から地下に浸透する高密度の塩水のくさびの上に、利用可能な淡水地下水が浮かんでいます。沿岸帯水層の新鮮な地下水によって生成される圧力は、海水の陸地への移動に抵抗します。

井戸や泉の過剰な汲み上げによる持続不可能な帯水層の使用は、新鮮な地下水の量を減らし、海水の侵入を可能にします。これは、岩盤の割れ目や水中の洞窟が存在する帯水層で特に問題となります。なぜなら、海水はこれらの大きな地下水の流路に沿って内陸に急速に浸透する可能性があるからです.

海底洞窟はしばしば地表に地下水を排出し、泉を生み出します。そのような洞窟に海水が浸入すると、関連する湧き水がすぐに飲めなくなります。水中洞窟は、特別に適応した微生物コロニー、甲殻類、魚類の住処でもあります。洞窟の水の塩分含有量が増えると、これらのユニークな生態系は、固有の個体群が生息できなくなる可能性があります。

私たちは、米国フロリダ州タンパの大都市圏の下で開発された水中洞窟/泉システムであるサルファー スプリングを調査しました。過去 100 年間、春はますます塩辛くなりました。私たちの目標は、その理由を突き止めることでした。そうすることで、この洞窟への海水の浸入による潜在的な生態系への影響も特定しました。

最初のステップは、このサイトに関連する履歴情報を統合することでした。サルファー スプリングスによって生成された大きなプールは、20 世紀初頭の何十年もの間、湧き水がまだ新鮮だったときに観光地でした。 1960 年代、市は干ばつ時に地元のヒルズボロ川貯水池を補うためにサルファー スプリングスの水を汲み上げ始めました。

2002 年に、ポンプ システムが変更され、抽出されたサルファー スプリングスの水が貯水池ダムの下のヒルズボロ川に直接送られるようになりました。この変更により、市はサルファー スプリングスの水を使用してヒルズボロ川の淡水の流れを模倣し、海水が川の水路に沿って内陸に移動するのを防ぎ、川の河口部分で塩分濃度の低い魚の生息地とマナティーの温熱保護区をサポートすることができました。

過去のサルファー スプリングスの塩分データを調査したところ、この場所での市営水道の揚水による 2 つの結果が明らかになりました。 1 つ目は、短期的には注目される可能性があります。採掘活動により、サルファー スプリングスのプールの水位が約 1 メートル低下し、湧き水の塩分濃度が急速に上昇する可能性があります。 2 つ目は、サルファー スプリングの塩分濃度が、この場所で地下水の抽出が始まる前から約 10 倍に増加したことです。

塩分データだけを使用しても、塩水がどこから来ているのかは不明でした。多くの帯水層には、現代の海水侵入とは無関係の塩水の層が含まれています。また、塩水がサルファー スプリングスに侵入する未知のメカニズムにも直面しました。サルファー スプリングスとその周辺の帯水層で収集された地球化学的および水文学的データを分析することで、いくつかの答えを見つけることができました。

私たちの分析は、サルファー スプリングスでの塩分の増加は、地球化学的に海水に似た塩分の多い地下水の寄与の増加に対応することを示しました。この海水はどこから来たのでしょうか。サルファー スプリングスを取り囲む帯水層には淡水が含まれており、その下にある洞窟は内陸にありすぎて、海水が直接侵入する経路にはなりませんでした。この問題を追求するために、帯水層の特性を地域規模で分析し、サルファー スプリングス ケーブ自体を調べました。

市の許可を得て、私たちのケーブ ダイビング トレーニングと大学の科学的ダイビング プログラムの基準に従って、研究課題を念頭に置いてサルファー スプリングス ケーブを探索し、監視しました。洞窟全体に小さな通気口が散らばっていることを発見しました。そこから断続的に暖かい硫化物塩水が発生し、異なる微生物群集がホストされていました。これらの噴出孔は、地下の海水くさびを引き上げたり遮ったりする岩盤の割れ目につながっている可能性があります。

サルファー スプリングス ケーブを取り囲む石灰岩の岩盤が複雑に層状になっているため、海水の噴出孔は、洞窟の他の部分よりも圧力がかかる場合がありました。したがって、乾季の揚水活動中に泉の水位が低下した場合や、雨季に地域の帯水層の水位が上昇した場合、ベントはそれに比例してより多くの塩水を洞窟に供給することができました。私たちの調査期間中にハリケーン イルマに続いて干ばつが発生したことで、この傾向が非常に明確になりました。

サルファー スプリングスのプールと地域の帯水層からの数十年にわたる地下水の抽出活動により、地下の海水くさびとその上にある淡水地下水との間の混合帯が拡大し、特にサルファー スプリングス ケーブのすぐ下の帯水層で、塩水が地表に近づいてきた可能性があります。さらに、1960 年代以降発生し、2002 年以降大幅に強化されたサルファー スプリングスでの揚水活動により、サルファー スプリングス ケーブを遮断する断裂が海水くさびの深部からますます水を引き込むことができた可能性があります。

私たちの調査結果は、沿岸の洞窟システムからの地下水の直接抽出の効果を実証し、局所的な特徴のダイナミクスを解釈する際に、地域の帯水層の構造と機能を考慮することの重要性を示しました。沿岸の洞窟、湧き水、陥没穴は地下水抽出の標的になりやすいですが、その複雑さゆえに管理を誤ってしまう可能性があります。海岸の都市化の進行は、世界中のこの種の生態系に影響を与えることは間違いありませんが、科学に基づく帯水層管理計画の策定により、その劣化を防ぐことができます。

私たちの現在の研究は、高密度の微生物マットコロニーをホストするサルファースプリングス洞窟の生態学的構造を決定することに焦点を当てています。これらのコロニーの一部は、洞窟への表面由来の有機物投入に依存していますが、塩水噴出孔の近くで成長するコロニーは、深海の熱水噴出孔生態系のバクテリアが使用するプロセスと同様に、光合成ではなく化学エネルギーを使用して有機バイオマスを生成しているようです。サルファースプリングス洞窟に生息する洞窟に適応した甲殻類は、おそらくこれらの微生物コロニーを食べており、洞窟から洗い流された微生物マットの房は、下流の生態系の栄養循環に寄与している可能性があります。また、水資源管理者が地下水に依存する健全な生態系を維持するために使用できる、生態学的に関連する指標を特定したいと考えています。

これらの調査結果は、最近 Journal of Hydrology に掲載された「都市の泉の運命:水蒸気洞窟へのポンピングによる海水侵入」というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、南フロリダ大学の Robert Scharping、Michael Garman、Ryan Henry、Prahathees Eswara、および James Garey によって行われました。これは、洞窟研究財団と全米洞窟学会からの助成金によって支えられました。

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