Chemische reacties diep onder de grond beïnvloeden de waterkwaliteit, maar methoden om ze te 'zien' zijn tijdrovend, duur en beperkt in omvang. Een door Penn State geleid onderzoeksteam ontdekte dat seismische golven kunnen helpen om deze reacties onder een volledig stroomgebied te identificeren en grondwaterbronnen te beschermen.

"Ongeveer een derde van de Amerikaanse bevolking haalt zijn drinkwater uit grondwater, dus we moeten deze waardevolle hulpbron beschermen, " zei Susan Brantley, onderscheiden hoogleraar geowetenschappen en directeur van het Earth and Environmental Systems Institute (EESI) in Penn State. "Op dit punt, echter, we weten niet waar het water is of hoe het zich in de ondergrond beweegt, omdat we niet weten wat zich daar beneden bevindt. In deze studie gebruikten we door mensen gegenereerde seismische golven - vergelijkbaar met de golven van aardbevingen - om onder het oppervlak te kijken."

Traditionele geochemische tests omvatten het boren van een boorgat met een diameter van 3 tot 4 inch diep in de grond, het verzamelen van de grond- en gesteentemonsters, en het malen en analyseren van de chemische samenstelling van de monsters in een laboratorium.

Het proces is duur en arbeidsintensief, en het onthult alleen de geochemische informatie voor dat specifieke punt in een stroomgebied in plaats van het hele stroomgebied, zei Xin Gu, een postdoctoraal wetenschapper in EESI.

"In dit onderzoek, we hadden het voordeel dat we eerder boorgaten hadden geboord, dus we wisten op welke diepten geochemische veranderingen plaatsvinden, " zei Gu. "We hadden ook de materialen uit de boorgaten, dus we kenden de minerale overvloed en elementsamenstelling. Hier probeerden we onze kennis uit te breiden door geofysica te doen, wat relatief efficiënter is."

De onderzoekers hebben gelogd - instrumenten neergelaten die signalen kunnen verzenden en ontvangen, of zelfs foto's met een hoge resolutie maken, door een boorgat - een boorgat van 115 voet diep dat in de vallei is geboord bij het door de NSF gefinancierde Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, een beboste onderzoekslocatie in het Stone Valley Forest in Penn State, bovenop de schalieformatie Rose Hill.

Met behulp van een seismisch logboekinstrument, de onderzoekers brachten de ondergrond in kaart. De logging tool zendt een seismische golf uit en registreert de snelheid van de golf, of hoe snel het beweegt, terwijl het zich van het gereedschap af beweegt, verklaarde Gu. De onderzoekers lieten het meetinstrument in het boorgat zakken en namen metingen terwijl het weer naar de oppervlakte kwam. Hogere snelheden gaven aan dat de golven door vast gesteente reisden of waar poriën in verweerd gesteente met water zijn gevuld. Langzamere snelheden gaven aan dat de golven door verweerd gesteente reisden met met lucht gevulde poriën, of grond dicht bij het oppervlak.

Het onderzoeksteam verwerkte de informatie in een rotsfysisch model dat de samenstellingsverandering bepaalde, porositeitsverandering en verzadigingsverandering van het gesteente om de gemeten snelheden te verklaren.

Ze ontdekten dat eenvoudige chemische reacties tussen water en klei kleine veranderingen veroorzaakten die de seismische golven konden zien, " volgens Brantley. De veranderingen hielpen de onderzoekers begrijpen waar water poriën in de ondergrond opent. Ze rapporteren hun bevindingen vandaag (27 juli) in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De onderzoekers vonden ook kleine gasbelletjes in het grondwater waarvan ze speculeren dat het diepe koolstofdioxide is die wordt geproduceerd door microbiële ademhaling en minerale reacties in de ondergrond. Bodemmicroben produceren koolstofdioxide als bijproduct van de ademhaling, net zoals mensen doen wanneer ze uitademen. Wanneer water door de grond stroomt op weg naar de grondwaterspiegel, het kan deze koolstofdioxide met zich meedragen, zei Gu.

Er zijn twee zeer reactieve mineralen die vaak worden aangetroffen in schalie:pyriet en carbonaatmineralen, hij voegde toe. Wanneer pyriet interageert met water, het oxideert en genereert zwavelzuur. Het zuur kan interageren met carbonaat, een base die het zuur neutraliseert maar daarbij kooldioxide genereert. Deze kooldioxide kan op bepaalde diepten porieruimte innemen, zelfs onder de watertafel, verklaarde Gu.

De onderzoekers bevestigden hun resultaten met gegevens uit de in 2006 en 2013 geboorde en geregistreerde boorgaten in valleien en bergkammen. respectievelijk. Ze vergeleken het ook met tweedimensionale modellen die laten zien hoe snelheden in de ondergrond veranderen. De 2D-modellen zijn gemaakt met behulp van seismische golven die worden gegenereerd door met een voorhamer op een aluminium plaat te slaan en de golven op veel locaties langs het oppervlak vast te leggen.

"Geofysische beeldvorming is een behoorlijk krachtig hulpmiddel, " zei Gu. "Vanuit de boorgaten, we weten hoe snelheid verandert met diepte, uit de laboratoriummetingen op de kernmaterialen weten we wat de mineralogie en de geochemische veranderingen zijn met diepte, en door die kennis te combineren met de 2-D seismische modellen, we kunnen afleiden hoe de mineralogie en geochemie ruimtelijk verandert over het stroomgebied."

De kooldioxide in het water vormt geen gevaar voor de gezondheid, zei Brantley, eraan toevoegend dat het opwindend is dat de onderzoekers het konden "zien" met seismische golven zonder eerder te weten dat het daar beneden was.

"Deze metingen en ons vermogen om geochemische en geofysische waarnemingen te combineren, zullen ons helpen het landschap te begrijpen dat is gebeeldhouwd door water in de rotsen onder ons, " ze zei.