Eftersom klimatförändringarna ökar antalet extrema väderhändelser, såsom megatorka, är grundvattenhantering nyckeln för att upprätthålla vattenförsörjningen. Men nuvarande verktyg för övervakning av grundvatten är antingen dyra eller otillräckliga för djupare akviferer, vilket begränsar vår förmåga att övervaka och utöva hållbar förvaltning i befolkade områden.

Nu, en ny artikel publicerad i Nature Communications överbryggar seismologi och hydrologi med en pilotapplikation som använder seismometrar som ett kostnadseffektivt sätt att övervaka och kartlägga grundvattenfluktuationer.

"Våra mätningar är oberoende av och kompletterar traditionella observationer", säger Shujuan Mao Ph.D., huvudförfattare på tidningen. "Det ger ett nytt sätt att diktera grundvattenhantering och utvärdera effekten av mänsklig aktivitet på att forma underjordiska hydrologiska system."

Mao, för närvarande en Thompson postdoktor vid Geofysikavdelningen vid Stanford University, utförde det mesta av forskningen under sin doktorsexamen. vid MIT:s institution för jord-, atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). Andra bidragsgivare till uppsatsen är ordförande för EAPS-avdelningen och Schlumberger professor i jord- och planetvetenskap Robert van der Hilst, samt Michel Campillo och Albanne Lecointre från Institut des Sciences de la Terre i Frankrike.

Även om det finns några olika metoder som för närvarande används för att mäta grundvatten, har de alla anmärkningsvärda nackdelar. Hydraulhuvuden, som borrar genom marken och in i akvifärerna, är dyra och kan bara ge begränsad information på den specifika plats de är placerade. Icke-invasiva tekniker baserade på satellit- eller luftburen avkänning saknar den känslighet och upplösning som behövs för att observera djupare djup.

Mao föreslår att man ska använda seismometrar, som är instrument som används för att mäta markvibrationer såsom vågorna som produceras av jordbävningar. De kan mäta seismisk hastighet, vilket är utbredningshastigheten för seismiska vågor. Seismiska hastighetsmätningar är unika för det mekaniska tillståndet hos stenar, eller hur stenar reagerar på sin fysiska miljö, och kan berätta mycket om dem.

Idén att använda seismisk hastighet för att karakterisera egenskapsförändringar i bergarter har länge använts i laboratorieskalaanalyser, men först nyligen har forskare kunnat mäta den kontinuerligt i geologiska miljöer i realistisk skala. För akviferövervakning kopplar Mao och hennes team den seismiska hastigheten till den hydrauliska egenskapen, eller vatteninnehållet, i stenarna.

Seismiska hastighetsmätningar använder sig av omgivande seismiska fält, eller bakgrundsljud, registrerat av seismometrar. "Jordens yta vibrerar alltid, oavsett om det beror på havsvågor, vindar eller mänskliga aktiviteter", förklarar hon. "För det mesta är dessa vibrationer riktigt små och anses vara "buller" av traditionella seismologer. Men på senare år har forskare visat att de kontinuerliga bullerregistreringen faktiskt innehåller en mängd information om egenskaperna och strukturerna i jordens inre."

För att extrahera användbar information från brusposterna använde Mao och hennes team en teknik som kallas seismisk interferometri, som analyserar våginterferens för att beräkna den seismiska hastigheten för mediet som vågorna passerar igenom. För sin pilotansökan tillämpade Mao och hennes team denna analys på bassänger i Los Angeles-regionen, ett område som lider av förvärrad torka och en växande befolkning.

Genom att göra detta kunde Mao och hennes team se hur akvifärerna förändrades fysiskt över tiden med en hög upplösning. Deras seismiska hastighetsmätningar verifierade mätningar som tagits av hydraulhuvuden under de senaste 20 åren, och bilderna matchade mycket väl med satellitdata. De kunde också se skillnader i hur lagringsområdena förändrades mellan länen i området som använde olika vattenpumpningsmetoder, vilket är viktigt för att utveckla vattenförvaltningsprotokollet.

Mao kallar också användningen av seismometrarna för en "köp-en få-en gratis"-affär, eftersom seismometrar redan används för jordbävnings- och tektoniska studier inte bara över hela Kalifornien utan över hela världen och kan hjälpa "undvika de dyra kostnaderna för att borra och underhålla dedikerade grundvattenövervakningsbrunnar", säger hon.

Mao betonar att denna studie bara är början på att utforska möjliga tillämpningar av seismisk brusinterferometri på detta sätt. Det kan användas för att övervaka andra ytnära system, såsom geotermiska eller vulkaniska system, och Mao använder det för närvarande på olje- och gasfält. Men på platser som Kalifornien som för närvarande upplever megatorka, och som förlitar sig på grundvatten för en stor del av sitt vattenbehov, är denna typ av information nyckeln för hållbar vattenförvaltning.

"Det är verkligen viktigt, särskilt nu, att karakterisera dessa förändringar i grundvattenlagring så att vi kan främja datainformerad policy för att hjälpa dem att trivas under ökande vattenstress", säger hon. + Utforska vidare

Potential för läckande lägen för att avslöja underjordisk struktur

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.