Undersøgelsen bruger seismisk støj til at spore vandniveauer i underjordiske grundvandsmagasiner

Seismisk støj – de lave vibrationer forårsaget af alt fra metrotog til bølger, der slår ned på stranden – er oftest noget seismologer arbejder for at undgå. De tager det ud af modeller og skaber algoritmer, der har til formål at eliminere det, så de kan identificere signalerne fra jordskælv.

Men Tim Clements mener, at det kan være et værktøj til at overvåge en af ​​de mest værdifulde ressourcer i verden - vand.

En kandidatstuderende, der arbejder i laboratoriet hos assisterende professor i jord- og planetvidenskab Marine Denolle, Clements er hovedforfatter til en nylig undersøgelse, der brugte seismisk støj til at måle størrelsen og vandstanden i underjordiske grundvandsmagasiner i Californien. Teknikken kunne endda bruges til at spore, om og hvordan grundvandsmagasiner rebound efter nedbør, og forstå geologiske ændringer, der kan forekomme, når vandet pumpes ud. Undersøgelsen er beskrevet i et nyligt udgivet papir i Geofysiske forskningsbreve .

"Måden dette almindeligvis ville blive gjort i dag ville være at tage en måling ved en grundvandsbrønd, " sagde Clements. "Og hvis du har et netværk af de brønde, du kan udvikle en model, hvor du antager en række hydrologiske parametre...og som giver dig mulighed for at måle akviferens sundhed.

"Men det, vi viste, er, at vi bare direkte kan måle disse bølger, der rejser gennem hele grundvandsmagasinet, " fortsatte han. "Så vi behøver ikke at gøre disse antagelser, fordi vi direkte kan måle bølgerne."

Ved at bruge disse målinger, forskere var i stand til at måle vanddybden af ​​San Gabriel Valley-akviferen, beliggende lige uden for Los Angeles, inden for en centimeter. Bestræbelser på at måle størrelsen af ​​grundvandsmagasinet var begrænset af det eksisterende seismiske netværk, Clements sagde, og så var nøjagtige kun til omkring en kilometer.

"Det giver os en måde at begynde at tænke på volumen, " sagde Denolle. "Det, vi fandt ud af, er, at ved brug af denne metode svarede det volumen, vi beregnede til at være blevet pumpet ud af grundvandsmagasinet, det volumen, der blev offentliggjort."

"Vi vurderede det til omkring en halv kubikkilometer, " sagde Clements. "Og det er præcis, hvad San Gabriel vandmesteren sagde, at de pumpede ud under tørken for at imødekomme efterspørgslen."

Den tørke, Clements sagde, var en af ​​grundene til, at forskere valgte at fokusere på San Gabriel-dalen.

"De havde oplevet en massiv tørke i løbet af de sidste fem år, og der er over 1 million mennesker, der bor i dette relativt lille område uden for Los Angeles, som er afhængige af grundvandet til alle deres behov for vandforbrug, " sagde han. "I løbet af de sidste fem år, de havde mistet en stor mængde grundvand, og der er store økonomiske omkostninger ved det, så vores mål var at forstå, om vi kan bruge seismiske bølger til at forstå, hvad der sker med grundvandsmagasinet."

Regionen er også allerede udstyret med et netværk af seismografer, han sagde, hvilket gør det relativt nemt at indhente seismiske støjdata og bruge dem til at undersøge grundvandsmagasinet.

Mens undersøgelsen ikke var den første, der ramte ideen om at bruge seismisk støj til at studere grundvand, Denolle sagde, at tidligere indsats blev hæmmet, fordi de stolede på et signal, der var relativt svagt i forhold til miljøfaktorer som temperatur og tryk.

"Dette var et stort signal, vi så på, " sagde hun. "Akviferen svingede med 20 meter vandhøjdeændringer på et par år, så det er et større signal end nogen miljøpåvirkning."

Systemet kan også være et nyttigt værktøj for alle involveret i vandressourceforvaltning, Clements sagde, fordi det kan give dem et øjeblik-til-øjeblik overblik over præcis, hvad der sker i en underjordisk akvifer.

"Dette kunne bruges til vandforvaltning, " sagde Clements. "I denne undersøgelse, vi så på omkring 17 års data, fra 2000 til 2017, men fremadrettet kunne dette bruges i en vandforvaltningsapplikation, så du kunne få et billede af, hvad der sker med grundvandsmagasinet på daglig basis."

Udover at give grundvandsmålinger, Teknikken kan også bruges til at overvåge en akvifers sundhed over tid.

"Hvis vi havde data, vi kan muligvis bruge denne teknologi til at se tilbage på, hvordan grundvandsmagasiner så ud i fortiden og studere den langsigtede udvikling af en grundvandsmagasin, " sagde Denolle. "En af udfordringerne for folk, der forvalter vandressourcer, er, om grundvandsmagasinerne stadig reagerer elastisk, hvilket betyder, kan vi genoplade det med samme lagerkapacitet, eller mister det kapacitet over tid, når vi pumper vand ud? Ved hjælp af seismiske bølger, vi kan potentielt finde ud af, om disse grundvandsmagasiner er elastiske eller ej."

Fremadrettet, Clements sagde, han planlægger at forfølge måder at forbedre opløsningen af ​​systemet på både mikro- og makroniveau.

Arbejder i samarbejde med fakultetet ved Tufts University, han installerede brønde og seismometre på campus for at spore ændringer, efterhånden som grundvand pumpes til overfladen for at vande sportspladser. Andre bestræbelser er fokuseret på at bruge det eksisterende seismometernetværk i Californien til at forbedre måder at måle den samlede størrelse af grundvandsmagasiner.