Kemiska reaktioner djupt under marken påverkar vattenkvaliteten, men metoder för att "se" dem är tidskrävande, dyr och begränsad i omfattning. En forskargrupp ledd av Penn State fann att seismiska vågor kan hjälpa till att identifiera dessa reaktioner under en hel vattendelare och skydda grundvattenresurser.

"Omkring en tredjedel av USA:s befolkning får sitt dricksvatten från grundvatten, så vi måste skydda denna värdefulla resurs, sa Susan Brantley, framstående professor i geovetenskap och chef för Earth and Environmental Systems Institute (EESI) vid Penn State. "Vid denna punkt, dock, vi vet inte var vattnet är eller hur det rör sig i underytan eftersom vi inte vet vad som finns där nere. I den här studien använde vi människogenererade seismiska vågor - liknande vågorna från jordbävningar - för att titta under ytan."

Traditionella geokemiska tester involverar borrning av ett borrhål 3 till 4 tum i diameter djupt ner i marken, samla in jord- och stenprover, och malning och analys av den kemiska sammansättningen av proverna i ett laboratorium.

Processen är dyr och mödosam, och det avslöjar bara den geokemiska informationen för den specifika punkten i en vattendelare snarare än hela vattendelaren, sa Xin Gu, en postdoktor i EESI.

"I den här studien, vi hade fördelen av att tidigare ha borrat borrhål, så vi visste på vilka djup geokemiska förändringar sker, " sa Gu. "Vi hade också material från borrhålen, så vi kände till mineralöverflödet och elementsammansättningen. Här försökte vi utöka vår kunskap genom att göra geofysik, vilket är relativt mer effektivt."

Forskarna loggade - sänkta instrument som kan skicka och ta emot signaler, eller till och med ta högupplösta bilder, ner i ett borrhål - ett 115 fot djupt borrhål borrat i dalbotten vid det NSF-finansierade Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, en skogbevuxen forskningsplats i Penn State's Stone Valley Forest som ligger på toppen av Rose Hill-skifferformationen.

Med hjälp av ett seismiskt loggningsverktyg, forskarna kartlade underytan. Loggningsverktyget skickar ut en seismisk våg och registrerar vågens hastighet, eller hur snabbt den rör sig, när den förs bort från verktyget, förklarade Gu. Forskarna sänkte ned avverkningsverktyget i borrhålet och gjorde mätningar när det steg tillbaka till ytan. Snabbare hastigheter tydde på att vågorna färdades genom fast berggrund eller där porer i väderbitna berg är fyllda med vatten. Långsammare hastigheter indikerade att vågorna färdades genom väderbitna stenar med luftfyllda porer, eller jord nära ytan.

Forskargruppen assimilerade informationen i en bergfysikmodell som bestämde sammansättningsförändringen, porositetsförändring och mättnadsförändring av berget för att förklara de uppmätta hastigheterna.

De upptäckte att enkla kemiska reaktioner mellan vatten och lera orsakade små förändringar som de seismiska vågorna kunde "se, " enligt Brantley. Förändringarna hjälpte forskarna att förstå var vatten öppnar upp porer i underytan. De rapporterar sina fynd idag (27 juli) i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskarna hittade också små gasbubblor i grundvattnet som de spekulerar är djup koldioxid producerad av mikrobiell andning och mineralreaktioner i underytan. Jordmikrober producerar koldioxid som en biprodukt av andning, ungefär som människor gör när de andas ut. När vatten passerar genom jorden på väg till grundvattenytan, den kan bära denna koldioxid med sig, sa Gu.

Det finns två mycket reaktiva mineraler som vanligtvis finns i skiffer - pyrit och karbonatmineraler, han lade till. När pyrit interagerar med vatten, det oxiderar och genererar svavelsyra. Syran kan interagera med karbonat, en bas som neutraliserar syran men genererar koldioxid i processen. Denna koldioxid kan uppta porutrymme på vissa djup, även under vattenytan, förklarade Gu.

Forskarna bekräftade sina resultat med data hämtade från dal- och åsborrhål som borrades och loggades 2006 och 2013, respektive. De jämförde det också med tvådimensionella modeller som visar hur hastigheter förändras i underytan. 2D-modellerna skapades med hjälp av seismiska vågor som genererades genom att slå en aluminiumplatta med en slägga och registrera vågorna på många platser längs ytan.

"Geofysisk avbildning är ett ganska kraftfullt verktyg, " sade Gu. "Från borrhålen, vi vet hur hastigheten förändras med djupet, från labbmätningarna på kärnmaterialen vet vi vad mineralogin och geokemin förändras med djupet, och genom att kombinera den kunskapen med de 2-D seismiska modellerna, vi kan sluta oss till hur mineralogin och geokemin förändras spatialt över vattendelaren."

Koldioxiden i vattnet utgör ingen hälsorisk, sa Brantley, och tillägger att det är spännande att forskarna kunde "se" det med seismiska vågor utan att tidigare ha vetat att det var där nere.

"Dessa mätningar och vår förmåga att kombinera geokemiska och geofysiska observationer kommer att hjälpa oss att förstå landskapet som skulpteras av vatten i klipporna under oss, " Hon sa.