Aangezien klimaatverandering het aantal extreme weersomstandigheden, zoals megadroogtes, doet toenemen, is grondwaterbeheer van cruciaal belang voor het in stand houden van de watervoorziening. Maar de huidige instrumenten voor grondwatermonitoring zijn ofwel duur ofwel ontoereikend voor diepere watervoerende lagen, waardoor we beperkt in staat zijn om duurzaam beheer in bevolkte gebieden te monitoren en uit te voeren.

Nu is er een nieuw artikel gepubliceerd in Nature Communications slaat een brug tussen seismologie en hydrologie met een proeftoepassing die seismometers gebruikt als een kosteneffectieve manier om grondwaterschommelingen te monitoren en in kaart te brengen.

"Onze metingen zijn onafhankelijk van en complementair aan traditionele waarnemingen", zegt Shujuan Mao Ph.D., hoofdauteur van het artikel. "Het biedt een nieuwe manier om grondwaterbeheer te dicteren en de impact van menselijke activiteit op het vormgeven van ondergrondse hydrologische systemen te evalueren."

Mao, momenteel een Thompson Postdoctoral Fellow in de afdeling Geophysics van Stanford University, voerde het meeste onderzoek uit tijdens haar Ph.D. in het MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS). Andere bijdragen aan de paper zijn onder meer EAPS-afdelingsvoorzitter en Schlumberger hoogleraar Aard- en Planetaire Wetenschappen Robert van der Hilst, evenals Michel Campillo en Albanne Lecointre van het Institut des Sciences de la Terre in Frankrijk.

Hoewel er momenteel een paar verschillende methoden worden gebruikt voor het meten van grondwater, hebben ze allemaal opmerkelijke nadelen. Hydraulische koppen, die door de grond en in de watervoerende lagen boren, zijn duur en kunnen slechts beperkte informatie geven op de specifieke locatie waar ze zijn geplaatst. Niet-invasieve technieken op basis van satelliet- of luchtdetectie missen de gevoeligheid en resolutie die nodig zijn om diepere diepten waar te nemen.

Mao stelt voor om seismometers te gebruiken, instrumenten die worden gebruikt om grondtrillingen te meten, zoals de golven die worden geproduceerd door aardbevingen. Ze kunnen de seismische snelheid meten, de voortplantingssnelheid van seismische golven. Seismische snelheidsmetingen zijn uniek voor de mechanische toestand van gesteenten, of de manier waarop gesteenten reageren op hun fysieke omgeving, en kunnen ons er veel over vertellen.

Het idee om seismische snelheid te gebruiken om eigenschapsveranderingen in gesteenten te karakteriseren, wordt al lang gebruikt in analyses op laboratoriumschaal, maar pas sinds kort zijn wetenschappers in staat om het continu te meten in geologische omgevingen op realistische schaal. Voor aquifer-monitoring associëren Mao en haar team de seismische snelheid met de hydraulische eigenschap, of het watergehalte, in de rotsen.

Seismische snelheidsmetingen maken gebruik van seismische velden in de omgeving, of achtergrondgeluid, geregistreerd door seismometers. "Het aardoppervlak trilt altijd, of het nu gaat om oceaangolven, wind of menselijke activiteiten", legt ze uit. "Meestal zijn die trillingen erg klein en worden ze door traditionele seismologen als 'ruis' beschouwd. Maar de afgelopen jaren hebben wetenschappers aangetoond dat de continue geluidsregistraties in feite een schat aan informatie bevatten over de eigenschappen en structuren van het binnenste van de aarde."

Om nuttige informatie uit de geluidsregistraties te halen, gebruikten Mao en haar team een ​​techniek genaamd seismische interferometrie, die golfinterferentie analyseert om de seismische snelheid te berekenen van het medium waar de golven doorheen gaan. Voor hun proeftoepassing hebben Mao en haar team deze analyse toegepast op stroomgebieden in de regio Metropolitan Los Angeles, een gebied dat lijdt onder toenemende droogte en een groeiende bevolking.

Door dit te doen, konden Mao en haar team met een hoge resolutie zien hoe de watervoerende lagen in de loop van de tijd fysiek veranderden. Hun seismische snelheidsmetingen bevestigden de metingen die de afgelopen 20 jaar door stijghoogten zijn gedaan, en de beelden kwamen goed overeen met satellietgegevens. Ze konden ook verschillen zien in hoe de opslaggebieden veranderden tussen provincies in het gebied die verschillende waterpomppraktijken gebruikten, wat belangrijk is voor het ontwikkelen van een waterbeheerprotocol.

Mao noemt het gebruik van de seismometers ook een "buy-one get-one-free"-deal, aangezien seismometers al in gebruik zijn voor aardbevingen en tektonische studies, niet alleen in heel Californië, maar wereldwijd, en kunnen helpen "de dure kosten van boren en onderhouden van speciale grondwaterpeilbuizen", zegt ze.

Mao benadrukt dat deze studie nog maar het begin is van het verkennen van mogelijke toepassingen van seismische ruisinterferometrie op deze manier. Het kan worden gebruikt om andere systemen in de buurt van het oppervlak te bewaken, zoals geothermische of vulkanische systemen, en Mao past het momenteel toe op olie- en gasvelden. Maar in plaatsen zoals Californië die momenteel te maken hebben met megadroogtes en die voor een groot deel van hun waterbehoeften afhankelijk zijn van grondwater, is dit soort informatie essentieel voor duurzaam waterbeheer.

"Het is erg belangrijk, vooral nu, om deze veranderingen in grondwateropslag te karakteriseren, zodat we op gegevens gebaseerde beleidsvorming kunnen bevorderen om ze te helpen gedijen onder toenemende waterstress", zegt ze. + Verder verkennen

Potentieel van lekkende modi om ondergrondse structuur te onthullen

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.