Seismiske bølger hjælper videnskabsmænd med at se kemiske ændringer under et vandskel

Kemiske reaktioner dybt under jorden påvirker vandkvaliteten, men metoder til at "se" dem er tidskrævende, dyre og begrænset i omfang. Et forskerhold ledet af Penn State fandt ud af, at seismiske bølger kan hjælpe med at identificere disse reaktioner under et helt vandskel og beskytte grundvandsressourcerne.

"Omkring en tredjedel af den amerikanske befolkning får deres drikkevand fra grundvandet, så vi er nødt til at beskytte denne værdifulde ressource, " sagde Susan Brantley, anerkendt professor i geovidenskab og direktør for Earth and Environmental Systems Institute (EESI) i Penn State. "På dette tidspunkt, imidlertid, vi ved ikke, hvor vandet er, eller hvordan det bevæger sig i undergrunden, fordi vi ikke ved, hvad der er dernede. I denne undersøgelse brugte vi menneskeskabte seismiske bølger - svarende til bølgerne fra jordskælv - til at se under overfladen."

Traditionelle geokemiske test involverer boring af et borehul på 3 til 4 tommer i diameter dybt ned i jorden, indsamling af jord- og stenprøver, og slibning og analyse af den kemiske sammensætning af prøverne i et laboratorium.

Processen er dyr og besværlig, og det afslører kun den geokemiske information for det specifikke punkt i et vandskel snarere end hele vandskellet, sagde Xin Gu, en postdoc i EESI.

"I dette studie, vi havde fordelen af ​​tidligere at have boret boringer, så vi vidste, på hvilke dybder geokemiske ændringer sker, " sagde Gu. "Vi havde også materialerne fra borehullerne, så vi kendte mineraloverfloden og grundstofsammensætningen. Her forsøgte vi at udvide vores viden ved at lave geofysik, hvilket er relativt mere effektivt."

Forskerne loggede - sænkede instrumenter, der kan sende og modtage signaler, eller endda tage billeder i høj opløsning, ned i et borehul - et 115 fod dybt borehul boret i dalbunden ved det NSF-finansierede Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, et skovklædt forskningssted i Penn State's Stone Valley Forest, der ligger på toppen af ​​Rose Hill-skiferformationen.

Ved hjælp af et seismisk logningsværktøj, forskerne kortlagde undergrunden. Loggeværktøjet udsender en seismisk bølge og registrerer bølgens hastighed, eller hvor hurtigt det bevæger sig, når den bevæger sig væk fra værktøjet, forklarede Gu. Forskerne sænkede loggeværktøjet ned i borehullet og foretog målinger, da det steg tilbage til overfladen. Hurtigere hastigheder indikerede, at bølgerne rejste gennem fast grundfjeld, eller hvor porer i forvitret bjergart er fyldt med vand. Langsommere hastigheder indikerede, at bølgerne rejste gennem forvitret sten med luftfyldte porer, eller jord nær overfladen.

Forskerholdet assimilerede informationen i en klippefysikmodel, der bestemte sammensætningsændringen, porøsitetsændring og mætningsændring af bjergarten for at forklare de målte hastigheder.

De opdagede, at simple kemiske reaktioner mellem vand og ler forårsagede små ændringer, som de seismiske bølger kunne "se, " ifølge Brantley. Ændringerne hjalp forskerne med at forstå, hvor vand åbner porer i undergrunden. De rapporterer deres resultater i dag (27. juli) i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskerne fandt også små gasbobler i grundvandet, som de spekulerer på er dyb kuldioxid produceret af mikrobiel respiration og mineralreaktioner i undergrunden. Jordmikrober producerer kuldioxid som et biprodukt af respiration, ligesom mennesker gør, når de ånder ud. Når vandet passerer gennem jorden på vej til grundvandsspejlet, det kan bære denne kuldioxid med sig, sagde Gu.

Der er to meget reaktive mineraler, der almindeligvis findes i skifer-pyrit og carbonatmineraler, han tilføjede. Når pyrit interagerer med vand, det oxiderer og danner svovlsyre. Syren kan interagere med carbonat, en base, der neutraliserer syren, men danner kuldioxid i processen. Denne kuldioxid kan optage porerum på visse dybder, selv under vandspejlet, forklarede Gu.

Forskerne bekræftede deres resultater med data taget fra dal- og højderygboringer boret og logget i 2006 og 2013, henholdsvis. De sammenlignede det også med todimensionelle modeller, der viser, hvordan hastigheder ændrer sig i undergrunden. 2-D modellerne blev skabt ved hjælp af seismiske bølger genereret ved at slå en aluminiumsplade med en forhammer og optage bølgerne mange steder langs overfladen.

"Geofysisk billeddannelse er et ret kraftfuldt værktøj, sagde Gu. Fra boringerne, vi ved, hvordan hastigheden ændrer sig med dybden, fra laboratoriemålingerne på kernematerialerne ved vi, hvad mineralogien og de geokemiske ændringer er med dybden, og ved at kombinere denne viden med de 2-D seismiske modeller, vi kan udlede, hvordan mineralogien og geokemien ændrer sig rumligt på tværs af vandskellet."

Kuldioxiden i vandet udgør ikke en sundhedsrisiko, sagde Brantley, tilføjer, at det er spændende, at forskerne kunne "se" det med seismiske bølger uden på forhånd at have vidst, at det var dernede.

"Disse målinger og vores evne til at kombinere geokemiske og geofysiske observationer vil hjælpe os med at forstå landskabet skulptureret af vand i klipperne under os, " hun sagde.