Brug af seismologi til grundvandshåndtering

Da klimaændringer øger antallet af ekstreme vejrbegivenheder, såsom megatørke, er grundvandshåndtering nøglen til at opretholde vandforsyningen. Men nuværende grundvandsovervågningsværktøjer er enten dyre eller utilstrækkelige til dybere grundvandsmagasiner, hvilket begrænser vores evne til at overvåge og udøve bæredygtig forvaltning i befolkede områder.

Nu er et nyt papir offentliggjort i Nature Communications slår bro mellem seismologi og hydrologi med en pilotapplikation, der bruger seismometre som en omkostningseffektiv måde at overvåge og kortlægge grundvandsudsving.

"Vores målinger er uafhængige af og komplementære til traditionelle observationer," siger Shujuan Mao Ph.D., hovedforfatter på papiret. "Det giver en ny måde at diktere grundvandshåndtering og evaluere virkningen af ​​menneskelig aktivitet på udformningen af ​​underjordiske hydrologiske systemer."

Mao, der i øjeblikket er Thompson Postdoc Fellow i Geofysik-afdelingen ved Stanford University, udførte det meste af forskningen under sin ph.d. i MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS). Andre bidragydere til papiret omfatter EAPS afdelingsformand og Schlumberger professor i jord- og planetvidenskab Robert van der Hilst, samt Michel Campillo og Albanne Lecointre fra Institut des Sciences de la Terre i Frankrig.

Mens der er et par forskellige metoder, der i øjeblikket bruges til at måle grundvand, har de alle bemærkelsesværdige ulemper. Hydrauliske hoveder, som borer gennem jorden og ind i grundvandsmagasinerne, er dyre og kan kun give begrænset information på det specifikke sted, de er placeret. Ikke-invasive teknikker baseret på satellit- eller luftbåren sensing mangler den følsomhed og opløsning, der er nødvendig for at observere dybere dybder.

Mao foreslår at bruge seismometre, som er instrumenter, der bruges til at måle jordvibrationer, såsom bølger produceret af jordskælv. De kan måle seismisk hastighed, som er udbredelseshastigheden af ​​seismiske bølger. Seismiske hastighedsmålinger er unikke for klippernes mekaniske tilstand eller måden klipper reagerer på deres fysiske miljø på og kan fortælle os meget om dem.

Ideen om at bruge seismisk hastighed til at karakterisere egenskabsændringer i bjergarter har længe været brugt i laboratorie-skalaanalyser, men først for nylig har videnskabsmænd været i stand til at måle den kontinuerligt i geologiske omgivelser i realistisk skala. Til akviferovervågning forbinder Mao og hendes team den seismiske hastighed med den hydrauliske egenskab eller vandindholdet i klipperne.

Seismiske hastighedsmålinger gør brug af omgivende seismiske felter, eller baggrundsstøj, optaget af seismometre. "Jordens overflade vibrerer altid, uanset om det skyldes havbølger, vinde eller menneskelige aktiviteter," forklarer hun. "Det meste af tiden er disse vibrationer virkelig små og betragtes som 'støj' af traditionelle seismologer. Men i de senere år har videnskabsmænd vist, at de kontinuerlige støjregistreringer faktisk indeholder et væld af information om egenskaberne og strukturerne i Jordens indre."

For at udtrække nyttig information fra støjregistreringerne brugte Mao og hendes team en teknik kaldet seismisk interferometri, som analyserer bølgeinterferens for at beregne den seismiske hastighed af mediet, bølgerne passerer igennem. Til deres pilotansøgning anvendte Mao og hendes team denne analyse på bassiner i Los Angeles-regionen, et område, der lider af forværret tørke og en voksende befolkning.

Ved at gøre dette var Mao og hendes team i stand til at se, hvordan grundvandsmagasinerne ændrede sig fysisk over tid ved en høj opløsning. Deres seismiske hastighedsmålinger bekræftede målinger taget af hydrauliske hoveder i løbet af de sidste 20 år, og billederne matchede meget godt med satellitdata. De kunne også se forskelle i, hvordan lagerområderne ændrede sig mellem amter i området, der brugte forskellige vandpumpningsmetoder, hvilket er vigtigt for at udvikle vandforvaltningsprotokol.

Mao kalder også brugen af ​​seismometrene for en "køb-en få-en gratis"-aftale, eftersom seismometre allerede er i brug til jordskælvs- og tektoniske undersøgelser ikke kun i Californien, men på verdensplan og kan hjælpe med at "undgå de dyre omkostninger ved at bore og vedligeholde dedikeret grundvandsovervågningsboringer," siger hun.

Mao understreger, at denne undersøgelse kun er begyndelsen på at udforske mulige anvendelser af seismisk støjinterferometri på denne måde. Det kan bruges til at overvåge andre systemer nær overfladen, såsom geotermiske eller vulkanske systemer, og Mao anvender det i øjeblikket på olie- og gasfelter. Men på steder som Californien, der i øjeblikket oplever megatørke, og som er afhængige af grundvand til en stor del af deres vandbehov, er denne form for information nøglen til bæredygtig vandforvaltning.

"Det er virkelig vigtigt, især nu, at karakterisere disse ændringer i grundvandsopbevaring, så vi kan fremme data-informeret politik for at hjælpe dem med at trives under stigende vandstress," siger hun. + Udforsk yderligere

Potentiale for utætte tilstande til at afsløre underjordisk struktur

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.