Seismiske bølger bruges til at spore LAs grundvandsgenopladning efter rekordvåd vinter

Rekordsættende storme i 2023 fyldte Californiens store reservoirer til randen og gav en vis lindring i en årtier lang tørke, men hvor meget af den rekordregn silede under jorden?

Shujuan Mao fra Stanford University og hendes kolleger brugte en overraskende teknik til at besvare dette spørgsmål for hovedstadsområdet i Los Angeles. De analyserede ændringer i hastigheden af ​​seismiske bølger, der rejser gennem LA-bassinet, og sporede disse ændringer i rum og tid mellem januar og oktober 2023.

Som Mao rapporterede på Seismological Society of America (SSA)'s 2024 årsmøde, fandt deres undersøgelse, at grundvandsniveauet næsten fuldstændigt genoprettede på meget lave dybder - omkring 50 meter under overfladen. Men kun omkring 25 % af det tabte grundvand i løbet af de sidste to årtier blev genopfyldt på omkring 300 meter og dybere, sandsynligvis fordi det er mere udfordrende for regnvand at trænge ned i dybere lag af jorden.

"Det betyder, at et enkelt episk år med storme ikke er nok til at genoprette den grundvandsudtømning, der er akkumuleret i løbet af de seneste tørker. Det tager mange flere våde år for den dybe grundvandsmagasin at komme sig helt," sagde Mao.

Grundvand bidrager med mere end 60 % af den vandforsyning, der bruges i Californien under tørkeforhold, bemærkede hun.

Mao og hendes kolleger er banebrydende i brugen af ​​seismiske data til at forstå grundvandsniveauer i Los Angeles-bassinet, som et supplement til andre metoder, der bruges til at måle grundvandsniveauer. Den mest traditionelle metode involverer gravning af brønde, hvilket er dyrt og kun tilbyder en "punktskalamåling," forklarede Mao. "Du ved ikke, hvad niveauet er mellem to brønde, eller i andre vandførende lag, der er lavere eller dybere i forhold til din brønd."

For nylig har forskere brugt satellitmålinger til at detektere små ændringer i Jordens overfladedeformation eller tyngdefelt, hvilket fungerer godt til at udlede ændringer i grundvandsoplagring over tid og areal. "Disse overflademålinger kunne ikke fortælle os, hvad der sker i forskellige dybder," sagde Mao, "men det er her, vi som seismologer kan hjælpe."

Med data fra 65 bredbåndsseismografier i Southern California Seismic Network, så forskerne på ændringer i udbredelseshastigheden af ​​seismiske bølger. De data, de brugte, er de seismiske "baggrundsvibrationer", der genereres af havene, vindene og menneskelig aktivitet – ikke de seismiske bølger, der er forbundet med jordskælv.

"Disse seismiske baggrundsvibrationer er kontinuerlige, hvilket giver os mulighed for at måle og overvåge de seismiske hastighedsændringer kontinuerligt," sagde Mao.

Seismisk bølgehastighed varierer med den mekaniske tilstand af materialer, som bølgerne passerer igennem. Når grundvandsstanden stiger, øges trykket i det porøse rum blandt sten, og de seismiske bølger forplanter sig langsommere gennem denne porøse sten.

Forskerne fandt ud af, at deres estimater af grundvandsopbevaring beregnet ud fra seismisk hastighedsændring sammenlignet godt med grundvandsoplagringsmålinger fra brønd- og satellitdata.

Forskerne fandt også fremtrædende akvifer-genopfyldning i San Gabriel Valley og Raymond Basin, sandsynligvis på grund af overflade- eller underjordiske strømme fra San Gabriel-bjergene.

Kombinationen af ​​et tæt seismisk netværk og en presserende vandmangel gjorde Los Angeles "et ideelt sted at vise, hvordan eksisterende seismiske data kan bidrage til overvågning, forståelse og forvaltning af grundvandsmagasiner," sagde Mao.

Seismiske data vil sandsynligvis blive integreret med mange typer målinger for at producere det omfattende billede af grundvandsdynamikken, der er nødvendig for at styre den værdifulde ressource på en data-informeret og bæredygtig måde, tilføjede hun.

Mao, som vil være assisterende professor ved University of Texas i Austin i august, sagde, at hun vil anvende seismiske teknikker i Austin for at overvåge, hvordan grundvandsmagasiner i den region reagerer på kunstige genopladningsoperationer.

Leveret af Seismological Society of America