I årtionden, intensiv grundvattenpumpning har fått marken under Kaliforniens San Joaquin -dal att sjunka, skadlig infrastruktur. Nu publiceras forskning i tidskriften Naturkommunikation föreslår att när pumpning får marken att sjunka, det släpper också loss ett osynligt hot mot människors hälsa och livsmedelsproduktion:Det gör att arsenik kan flytta in i grundvattentankar som levererar dricksvatten för 1 miljon människor och bevattning för grödor i några av landets rikaste jordbruksmark.

Gruppen fann att satellitbaserade mätningar av nedsänkning av marken kunde förutsäga arsenikkoncentrationer i grundvatten. Denna teknik kan vara ett system för tidig varning för att förhindra farliga halter av arsenikontaminering i akviferer med vissa egenskaper över hela världen.

"Arsenik i grundvatten har varit ett problem under riktigt lång tid, "sa huvudförfattaren Ryan Smith, doktorand i geofysik vid School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). Det är naturligt närvarande i jordskorpan och en vanlig oro för grundvattenhantering på grund av dess utbredning och kopplingar till hjärtsjukdomar, diabetes, cancer och andra sjukdomar. "Men tanken att överpumpning för bevattning kan öka arsenikhalterna är ny, "Sa Smith.

Viktigt, gruppen fann tecken på att vattendrag som är förorenade till följd av överpumpning kan återhämta sig om uttag stoppar. Områden som visade långsammare sjunkning jämfört med 15 år tidigare hade också lägre arsenivåer. "Grundvattnet måste i stort sett ha vändts, "säger studieförfattaren Scott Fendorf, professor i systemvetenskap i jorden och en senior vid Stanford Woods Institute for the Environment.

Frisätter arsen från lera

Forskargruppen analyserade arsenikdata för hundratals brunnar under två olika torkperioder tillsammans med uppskattningar av marknedgång på centimeternivå, eller sjunker, fångas av satelliter. De fann att när land i San Joaquin -dalens Tulare -bassäng sjunker snabbare än 3 tum per år, risken att hitta farliga arsenivåer i grundvattnet så mycket som tredubblas.

Akviferer i Tulare -bassängen består av sand och gruszoner åtskilda av tunna lager av lera. Leran fungerar som en svamp, håller hårt vid vatten samt arsenik som sugs upp från gamla flodsediment. Till skillnad från sand- och gruslagren, dessa leror innehåller relativt lite syre, vilket skapar förutsättningar för arsenik att vara i en form som lätt löser sig i vatten.

När pumpning drar för mycket vatten från sand- och grusområdena, akvifern komprimeras och landar. "Sands och grus som hölls isär av vattentrycket börjar nu pressa ner den svampen, "Förklarade Fendorf. Arsenikrikt vatten börjar sedan sippra ut och blandas med vatten i huvudakvifern.

När vattenpumpning saktar tillräckligt för att bromsarna ska sjunka - och lindra klämningen på instängd arsenik - renar vatten in från bäckar, regn och naturlig avrinning på ytan kan gradvis spola systemet rent.

Dock, studera medförfattare Rosemary Knight, professor i geofysik och ansluten fakultet vid Woods Institute, varnar för mycket för bank för en förutsägbar återhämtning från överpumpning. "Hur lång tid det tar att återhämta sig kommer att vara mycket varierande och beroende av så många faktorer, " Hon sa.

Forskarna sa att överpumpning i andra akviferer skulle kunna producera samma föroreningar som kan ses i San Joaquin -dalen om de har tre attribut:alternerande lager av lera och sand; en källa till arsenik; och relativt låg syrehalt, vilket är vanligt i akviferer som ligger under tjocka leror.

Hotet kan vara mer utbrett än man en gång trodde. Först under de senaste åren har forskare upptäckt att annars välluftade akviferer som i stort sett anses vara immuna mot arsenikproblem i själva verket kan spännas med leror som har de låga syrenivåer som är nödvändiga för att arsenik ska flytta in i det mesta grundvattnet. "Vi börjar bara inse att detta är en fara, sa Fendorf.

Satellitinsikter

Uppenbarelsen om att fjärranalys kan väcka alarm innan förorening hotar människors hälsa ger hopp om bättre vattenövervakning. "Istället för att behöva borra brunnar och ta vattenprover tillbaka till labbet, vi har en satellit som får de data vi behöver, sa Knight.

Även om brunndata är viktigt för att validera och kalibrera satellitdata, hon förklarade, övervakning på marken kan aldrig matcha bredden och hastigheten för fjärranalys. "Du provar aldrig en brunn tillräckligt ofta för att fånga den arseniken i det ögonblick den är i brunnen, "sa Knight." Så fantastiskt att ha det här fjärranalyssystemet för tidig varning för att låta människor inse att de närmar sig en kritisk punkt när det gäller vattenkvalitet. "

Studien bygger på forskning som leds 2013 av Laura Erban, sedan en doktorand som arbetar i Vietnams Mekong Delta. "Det var där vi började säga 'Å nej, sa Fendorf, som var medförfattare till den uppsatsen.

Som i San Joaquin -dalen, områden i Mekong -deltaet där mark sjönk mer visade högre arsenik -koncentrationer. "Nu har vi två platser i helt olika geografiska regioner där samma mekanismer verkar fungera, "sa Fendorf." Det skickar en avtryckare till att vi måste tänka på att hantera grundvatten och se till att vi inte överträder vattendragen. "