地下深處的化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響水質(zhì)，但“觀察”這些方法耗時(shí)，昂貴且范圍有限。賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，地震波可以幫助識(shí)別整個(gè)流域內(nèi)的這些反應(yīng)并保護(hù)地下水資源。

“大約有三分之一的美國(guó)人口得到他們飲用的水來(lái)自地下水，所以我們要保護(hù)這一寶貴資源，”蘇珊·布蘭特利，在賓夕法尼亞州立大學(xué)地球科學(xué)特聘教授和地球環(huán)境系統(tǒng)研究所(EESI)的主任。“但是，目前我們還不知道水在哪里或在地下如何移動(dòng)，因?yàn)槲覀儾恢滥抢锏乃鞘裁?。在這項(xiàng)研究中，我們使用了人為產(chǎn)生的地震波，類(lèi)似于地震波。地震-看看地下。”

傳統(tǒng)的地球化學(xué)測(cè)試包括在地面深處鉆一個(gè)直徑3至4英寸的鉆孔，收集土壤和巖石樣品，并在實(shí)驗(yàn)室中研磨和分析樣品的化學(xué)組成。

EESI的博士后學(xué)者Xin Gu說(shuō)，該過(guò)程既昂貴又費(fèi)力，而且只能顯示流域中特定點(diǎn)的地球化學(xué)信息，而不是整個(gè)流域。

顧說(shuō)：“在這項(xiàng)研究中，我們具有先前鉆過(guò)鉆孔的優(yōu)勢(shì)，因此我們知道地球化學(xué)變化發(fā)生在哪個(gè)深度。” “我們還從鉆孔中獲取了材料，因此我們知道了礦物質(zhì)的豐度和元素組成。在這里，我們?cè)噲D通過(guò)做地球物理學(xué)來(lái)擴(kuò)展我們的知識(shí)，這相對(duì)更有效。”

研究人員記錄了下沉的儀器，這些儀器可以在井眼中發(fā)送和接收信號(hào)，甚至可以拍攝高分辨率圖像。在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的薩斯奎哈納頁(yè)巖山關(guān)鍵區(qū)天文臺(tái)(一個(gè)密林)中，一個(gè)深115英尺的井眼鉆進(jìn)了谷底賓夕法尼亞州立大學(xué)石谷森林分校的研究地點(diǎn)位于玫瑰山頁(yè)巖地層之上。

研究人員使用地震測(cè)井工具對(duì)地下進(jìn)行了測(cè)繪。Gu解釋說(shuō)，測(cè)井工具發(fā)出地震波并記錄其速度，或它離開(kāi)工具時(shí)的移動(dòng)速度。研究人員將測(cè)井工具放下到井眼中，并在其回到地面后進(jìn)行測(cè)量。更快的速度表明，波浪穿過(guò)堅(jiān)硬的基巖或風(fēng)化巖石中的孔隙充滿(mǎn)水。較慢的速度表明波浪穿過(guò)風(fēng)化的巖石，這些巖石充滿(mǎn)氣孔或地表附近的土壤。

研究小組將這些信息吸收到巖石物理模型中，該模型確定了巖石的成分變化，孔隙率變化和飽和度變化，從而解釋了測(cè)得的速度。

他們發(fā)現(xiàn)，水和黏土之間的簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)會(huì)引起地震波可以“看到”的微小變化。這些變化幫助研究人員了解了水在何處打開(kāi)了地下孔隙。他們今天(7月27日)在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)了地下??水中的微小氣泡，它們推測(cè)是微生物呼吸作用和地下礦物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的深層二氧化碳。土壤微生物產(chǎn)生的二氧化碳是呼吸的副產(chǎn)物，就像人類(lèi)呼氣時(shí)一樣。顧說(shuō)，當(dāng)水通過(guò)土壤進(jìn)入地下水位時(shí)，它可以攜帶二氧化碳。

他補(bǔ)充說(shuō)，在頁(yè)巖中通常發(fā)現(xiàn)兩種非常活潑的礦物-黃鐵礦和碳酸鹽礦物。黃鐵礦與水相互作用時(shí)，會(huì)氧化并生成硫酸。酸可以與碳酸鹽相互作用，碳酸鹽是一種中和酸的堿，但在過(guò)程中會(huì)生成二氧化碳。Gu解釋說(shuō)，即使在地下水位之下，這種二氧化碳也可以在一定深度處占據(jù)孔隙空間。

研究人員分別從2006年和2013年鉆探和記錄的山谷和山脊鉆孔數(shù)據(jù)中證實(shí)了他們的結(jié)果。他們還將其與二維模型進(jìn)行了比較，該模型顯示了地下速度如何變化。二維模型是使用地震波創(chuàng)建的，該地震波是用大錘敲打鋁板并記錄沿表面許多位置處的波而產(chǎn)生的。

“地球物理成像是一種非常強(qiáng)大的工具，”顧說(shuō)。“從鉆孔中，我們知道速度如何隨深度變化，從對(duì)核心材料的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中，我們知道礦物學(xué)和地球化學(xué)隨深度的變化，并將這些知識(shí)與二維地震模型相結(jié)合，我們可以推斷出整個(gè)流域的礦物學(xué)和地球化學(xué)如何在空間上發(fā)生變化。”

布蘭特利說(shuō)，水中的二氧化碳不會(huì)對(duì)健康構(gòu)成威脅。他還補(bǔ)充說(shuō)，令人興奮的是，研究人員可以通過(guò)地震波“看到”它，而無(wú)需事先知道它是否在那里。

她說(shuō)：“這些測(cè)量結(jié)果以及我們將地球化學(xué)和地球物理觀測(cè)結(jié)合起來(lái)的能力將幫助我們了解水在我們下面的巖石中雕刻而成的景觀。”