Grundvandsovervågning med seismiske instrumenter

Vand i højbjergområderne har mange ansigter. Frosset i jorden, det er som et cementfundament, der holder skråninger stabile. Glaciær is og sne forsyner floderne og dermed foden med drikkevand og landbrug i smeltesæsonen. Intense regnskyl med oversvømmelser og jordskred, på den anden side, udgøre en livstruende risiko for mennesker i dalene. Undergrunden med dens evne til at lagre vand spiller derfor en eksistentiel rolle i bjergrige egne.

Men hvordan kan vi afgøre, hvor tomt eller fyldt jordreservoiret er i områder, der er svært tilgængelige? Forskere ved det tyske forskningscenter for geovidenskab (GFZ), sammen med kolleger fra Nepal, har nu demonstreret en elegant metode til at spore grundvandets dynamik i høje bjerge:De bruger seismiske bølger, som dem, der genereres af jordvibrationer, som de optager med meget følsomme instrumenter. Ligesom medicinsk ultralyd, de udnytter det faktum, at bølgerne forplanter sig forskelligt under forskellige underjordiske forhold. Forskerne ledet af Luc Illien, Christoph Sens-Schönfelder og Christoff Andermann fra GFZ beretter om dette i tidsskriftet AGU rykker frem .

Seismiske bølger velkendte fra jordskælv. Efter et brud i undergrunden, de forplanter sig hurtigt og udløser destruktive kræfter. Imidlertid, der er også meget mindre bølger forårsaget, for eksempel, med lastbiler, sporvogne eller - i bjergene - ved faldende sten. Jorden vibrerer faktisk hele tiden. Inden for geovidenskab, dette omtales som "seismisk støj". Det, der møjsommeligt skal udvindes fra de målte data fra seismometre ved jordskælvsdetektion, viser sig at være en værdifuld informationskilde, når man ser ind i undergrunden. Dette skyldes, at seismiske bølger forplanter sig anderledes i den vandmættede zone end i den umættede zone, også kaldet vadose zone.

Luc Illien, en ph.d. studerende på GFZ, og hans kolleger brugte to nepalesiske seismiske stationer kl. 200 og 2, 300 meter over havets overflade. Luc Illien siger:"De nepalesiske Himalaya giver vitale vandressourcer til en stor del af befolkningen i Sydasien. Det meste af dette vand drænes gennem bjerggrundvandsreservoirer, som vi dårligt kan afgrænse." Undersøgelsesområdet omfattede afvandingsområdet til en lille biflod til Bothe Koshi, en grænseflod mellem Kina og Nepal. Brug af flere vejrstationer og niveaumålere, holdet indsamlede data, nogle gange hvert minut, over tre monsunsæsoner. Fra dette, de etablerede en grundvandsmodel, som de kunne sammenligne med de seismiske optegnelser. Resultatet:afstrømning til Bothe Koshi tilføres hovedsageligt fra den dybe grundvandsmagasin. I den tørre sæson, lidt vand løber ned i dalen. I monsunen, niveauer stiger, men to adskilte faser kan identificeres. Først, det regner uden at øge udledningen, men senere viser sig en klar sammenhæng mellem nedbør og flodniveau. Christoff Andermann, medforfatter til undersøgelsen, forklarer, "Den første nedbør genopfylder i første omgang reservoirer i jorden nær overfladen. Når jorden er mættet med vand, det dybe grundvandsmagasin, som er direkte forbundet med floderne, fylder op. En stigning i grundvandet afspejles så straks i stigende flodvandstande."

Sammenligningen med data fra seismometre viste, at mætningen af ​​den vadose zone godt kan udledes af den seismiske støj. "Kun ved at slå de hydrologiske observationer sammen med de seismiske målinger kunne vi analysere funktionen af ​​den vadose zone som en forbindelse mellem nedbør og grundvandsreservoir, " siger Christoph Sens-Schönfelder. Førsteforfatter Luc Illien:"Forståelse af, hvordan reservoiret fyldes og drænes, er afgørende for at vurdere dets bæredygtighed. Fra dette, vi kan ikke kun lave forudsigelser for afstrømning, men advarer også om øget risiko for jordskred og oversvømmelser."

For eksempel, hvis jorden allerede er mættet med vand, nedbør vil løbe af mere overfladisk og kan føre skråninger væk. Klimaforandringerne forværrer situationen ved at bidrage til ændringer i storstilede vejrmønstre og destabilisere bjergmiljøet. GFZ videnskabelig direktør Niels Hovius, der har bidraget til undersøgelsen, siger:"Vores arbejde i Nepal og dets resultater viser, hvor vigtigt det er at overvåge adskillige indflydelsesfaktorer. Disse omfatter lagring af grundvand, ændringer i arealanvendelsen, jorddække og nedbørsregimer. At fange og forudse sådanne ændringer vil hjælpe os med bedre at forudsige fremtiden for ferskvandsressourcer og bjerglandskaber, især når gletschere fortsætter med at smelte."