地下深處的化學(xué)反應(yīng)會影響水質(zhì)，但“觀察”這些方法耗時，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)，地震波可以幫助識別整個流域內(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人口得到他們飲用的水來自地下水，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，因為我們不知道那里的水是什么。在這項研究中，我們使用了人為產(chǎn)生的地震波，類似于地震波。地震-看看地下。”

傳統(tǒng)的地球化學(xué)測試包括在地面深處鉆一個直徑3至4英寸的鉆孔，收集土壤和巖石樣品，并在實驗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，該過程既昂貴又費力，而且只能顯示流域中特定點的地球化學(xué)信息，而不是整個流域。

顧說：“在這項研究中，我們具有先前鉆過鉆孔的優(yōu)勢，因此我們知道地球化學(xué)變化發(fā)生在哪個深度。” “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，我們試圖通過做地球物理學(xué)來擴(kuò)展我們的知識，這相對更有效。”

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，甚至可以拍攝高分辨率圖像。在美國國家科學(xué)基金會資助的薩斯奎哈納頁巖山關(guān)鍵區(qū)天文臺(一個密林)中，一個深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位于玫瑰山頁巖地層之上。

研究人員使用地震測井工具對地下進(jìn)行了測繪。Gu解釋說，測井工具發(fā)出地震波并記錄其速度，或它離開工具時的移動速度。研究人員將測井工具放下到井眼中，并在其回到地面后進(jìn)行測量。更快的速度表明，波浪穿過堅硬的基巖或風(fēng)化巖石中的孔隙充滿水。較慢的速度表明波浪穿過風(fēng)化的巖石，這些巖石充滿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，從而解釋了測得的速度。

他們發(fā)現(xiàn)，水和黏土之間的簡單化學(xué)反應(yīng)會引起地震波可以“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了地下孔隙。他們今天(7月27日)在美國國家科學(xué)院院刊上報告了他們的發(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，就像人類呼氣時一樣。顧說，當(dāng)水通過土壤進(jìn)入地下水位時，它可以攜帶二氧化碳。

他補充說，在頁巖中通常發(fā)現(xiàn)兩種非?；顫姷牡V物-黃鐵礦和碳酸鹽礦物。黃鐵礦與水相互作用時，會氧化并生成硫酸。酸可以與碳酸鹽相互作用，碳酸鹽是一種中和酸的堿，但在過程中會生成二氧化碳。Gu解釋說，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大的工具，”顧說。“從鉆孔中，我們知道速度如何隨深度變化，從對核心材料的實驗室測量中，我們知道礦物學(xué)和地球化學(xué)隨深度的變化，并將這些知識與二維地震模型相結(jié)合，我們可以推斷出整個流域的礦物學(xué)和地球化學(xué)如何在空間上發(fā)生變化。”

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

她說：“這些測量結(jié)果以及我們將地球化學(xué)和地球物理觀測結(jié)合起來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。”