讓大峽穀保持生機的秘密地下系統

這些水只有一個來源：咆哮泉 (Roaring Springs)，這是北緣的一個洞穴泉水。儘管徒步旅行者可以從北凱巴布步道聽到和看到泉水，但沒有直接通往泉水的步道。咆哮泉不僅為公園遊客提供水源，也為依賴它們的植物、動物和生態系統提供水源。隨著該地區變得越來越炎熱和乾燥，保護這一重要水源變得越來越重要。

北亞利桑那大學資訊學、計算和控制系統學院的研究人員正在努力更好地了解咆哮泉和其他洞穴泉水的工作原理。在大峽谷國家公園資助的一項新撥款的支持下，該團隊將加強繪製這些水系統圖，並調查冰融化與泉水的關係。

「了解水盆地的位置對於基礎設施、動物、植物以及依賴這些泉水的生態系統的其他部分至關重要，」布萊斯·拉薩拉博士說。環境資訊學學生。 “它們就像綠洲。”

該計畫的初步結果近日發表在 科學報告。

繪製大峽谷隱藏洞穴的地圖

大多數人永遠不會進入大峽谷泉水的洞穴。它們不對公眾開放，並且通常遠離標記的小徑。因此，科學家對它們的了解大部分來自專門的測繪計畫。

在他的博士研究中，拉薩拉與遙感專家 Timulin “Tiki” Sankey 教授合作，繪製了多個洞穴系統的詳細地圖。團隊使用行動掃描器製作了高解析度 3D 模型，捕捉了洞穴牆壁、天花板、走廊和房間的精緻細節。

在 45 天的時間裡，研究人員、志工和公園工作人員記錄了 10 多公里的地下通道和密室。

「我不知道這些洞穴有多大、有多高，」桑基說。 “我們已經能夠製作真正高分辨率的 3D 地圖，從遙感角度來看，這就是它的獨特之處和新穎之處。大峽谷洞穴的 3D 測繪以前從未像這樣完成過。”

這項工作需要大量的後勤工作。團隊成員攜帶重達 55 磅的背包，其中包括光達設備，徒步前往偏遠的洞穴入口，可能需要兩天才能到達。一旦進入內部，他們就會在水下部分攀爬、下降、爬行，甚至漂浮，同時記錄洞穴形狀和裂縫模式。

這些細節很有價值，因為洞穴的形成遵循可識別的地質過程。通道、裂縫和開口的排列可以顯示水如何穿過峽谷底部不同的岩石層。

積雪融化後前往咆哮泉

水源最簡單的解釋是地表，尤其是凱巴布高原的融雪。

更困難的問題是，水在出現在咆哮泉這樣的泉水中之前是如何進入地下的。

為洞穴供水的泉水位於 Redwall 和 Muav 石灰岩地層內。這些泉水和上面的表面之間還有其他幾個岩層。公園先前進行的染色實驗表明，水可以以驚人的速度通過這個地下系統。

Abe Springer 是 NAU 地球與永續發展學院的教授，也是該計畫的合作者，他與公園合作進行顏料追蹤研究。在一些測試中，倒入高原凹陷處的染料行駛了近20公里，不到一週就出現在泉水中。

水流過表面的確切方式仍然不確定。裂縫、斷層、岩石滲透性和地下路徑等因素都會影響旅程。

「論文的工作是在我們可能在地表看到的東西和我們可能在地下數百或數千英尺處看到的東西之間建立地質聯繫，」桑基說。

「這就像調查一個黑盒子，」拉薩拉補充道。 “你可以看到什麼進來了，什麼​​出去了，但很難查明那裡發生了什麼。既然我們知道了那裡的模式，我們就可以真正開始將數據與春季隨時間的變化聯繫起來。”

水質及污染風險

了解這些地下通道不僅對科學好奇心很重要。它也對水質和公共安全具有實際意義。

大峽谷最大的泉水由喀斯特系統供水，桑基將喀斯特系統比作“瑞士起司”，因為岩石上有許多孔洞、通道和開口。水可以快速通過這些路徑，幾乎沒有留下自然過濾的機會。

這意味著污染物也可能快速傳播。來自森林火災燃燒區域或細菌的徑流，例如 大腸桿菌 您可以進入與咆哮泉洞相連的下水道並獲取供水。如果發現污染，公園官員可能需要暫時停止抽水作業，直到問題解決為止。

透過確定水進入系統的位置並追蹤其移動方式，研究人員可以幫助管理人員識別污染源並降低未來幹擾的風險。

關於融雪和天坑的新研究

該專案的下一階段計劃於 2026 年初開始。

拉薩拉和桑基計畫利用數十年來收集的機載雷射雷達調查和衛星觀測資料繪製大峽谷兩側盆地的地圖，同時檢查過去 40 年的積雪和融雪模式。

即將進行的大部分工作將集中在地表特徵上，儘管如果有機會，研究人員仍然有興趣探索新發現的洞穴。

目標是更好地了解影響河流形成、河流消失和地下水運動的地質過程。研究人員將把表面觀察到的圖案與洞穴內記錄的圖案進行比較。結果也將指導未來的染料追蹤實驗。

融雪是一個特別重要的焦點，因為亞利桑那州的雪量隨著時間的推移而下降，而大峽谷地區也遵循同樣的趨勢。

該計畫將創建一個大規模的環境資料檔案，可以與光達和其他成像資源結合，以增進對整個地區水系統的了解。

為什麼結果對亞利桑那州以外的地區很重要

儘管這項研究直接使大峽谷國家公園受益，但其重要性遠遠超出了亞利桑那州北部。

全世界有超過十億人依賴岩溶泉水。提高科學家對水如何通過這些複雜的地下系統的了解可以幫助指導全球的水管理工作。

這些發現對於公園內或公園附近的美洲原住民部落也可能有價值。

「找到證實 50 多年前提出的假設的模式是令人興奮的，」拉薩拉說。 “我們現在擁有所有這些令人驚嘆的數據，我們正在嘗試將其與其他數據結合起來以找到有用的東西。有很多地方可以從這種分析中受益。”

龍布拉沃之火如何影響學習

研究人員預計 Dragon Bravo 火災會影響未來的觀測，但他們將其視為納入工作的另一個因素，而不是改變整體任務的障礙。

當被問及火災對計畫有何影響時，拉薩拉和桑基都承認，科學研究中意外的進展很常見。

「這是我們研究的一個新進展，」桑基說。

火災對凱巴布高原的影響可能會改變研究人員正在監測的一些環境條件。隨著專案的繼續，這些變化將被納入分析中，團隊計劃盡可能協助公園了解火災的影響。