地震波帮助科学家“看到”分水岭下面的化学变化

大学公园,爸爸。-地下深处的化学反应会影响水质，但“观察”它们的方法既费时又昂贵，而且范围有限。一个宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组发现，地震波可以帮助识别整个流域的这些反应，并保护地下水资源。

宾夕法尼亚州立大学地球科学杰出教授、地球与环境系统研究所(EESI)主任苏珊·布兰特利(Susan Brantley)说:“大约三分之一的美国人口饮用地下水，所以我们需要保护这一宝贵的资源。”“然而，在这一点上，我们不知道水在哪里，也不知道它在地下是如何移动的，因为我们不知道那里有什么。在这项研究中，我们使用了人类产生的地震波——类似于地震产生的地震波——来观察地表之下的情况。”

传统的地球化学测试包括在地下钻一个直径3到4英寸的钻孔，收集土壤和岩石样本，然后在实验室研磨和分析样本的化学组成。

EESI的博士后学者辛谷(音)说，这个过程既昂贵又费力，而且它只揭示了某一特定点的地球化学信息，而不是整个流域。

“在这项研究中，我们有之前钻孔的优势，所以我们知道在什么深度地球化学变化发生，”顾说。“我们也有来自钻孔的材料，所以我们知道矿物的丰度和元素组成。在这里，我们试图通过做地球物理学来扩展我们的知识，这是相对更有效的。”

研究人员记录——降低了仪器,可以发送和接收信号,甚至采取高分辨率图像,一个钻孔115英尺深钻孔钻到谷底同意萨斯奎哈纳页岩山临界区域天文台,森林研究网站在宾夕法尼亚州立大学的石头山谷森林,坐落在玫瑰山页岩地层。

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布拉德·卡尔，怀俄明大学;宾夕法尼亚州立大学研究生安德鲁·肖内西;以及在萨斯奎哈纳页岩山临界带天文台的EESI博士后学者Xin Gu。卡尔正在组装测井工具——能够发送和接收信号，甚至拍摄高分辨率图像的较低的仪器——在研究地点的谷底钻了一个115英尺深的钻孔。

IMAGE: Francisco Tutella

利用地震测井工具，研究人员绘制了地下的地图。顾解释说，测井仪器会发出地震波，并记录地震波远离测井仪器时的速度。研究人员将测井工具放入井中，并在它上升回地面时进行测量。较快的速度表明，海浪穿过了坚实的基岩或风化岩石的孔隙充满了水。较慢的速度表明波穿过风化的岩石与充满空气的孔隙，或接近表面的土壤。

研究小组将这些信息吸收到一个岩石物理模型中，通过确定岩石的成分变化、孔隙度变化和饱和度变化来解释测量的速度。

Brantley说，他们发现水和粘土之间的简单化学反应导致了地震波可以“看到”的微小变化。这些变化帮助研究人员了解水在哪里打开了地下的孔隙。他们在今天(7月27日)的《美国国家科学院院刊》上报告了他们的发现。

研究人员还在地下水中发现了微小的气泡，他们推测这是地下微生物呼吸和矿物反应产生的深层二氧化碳。土壤微生物在呼吸过程中产生二氧化碳，就像人类呼气时一样。当水通过土壤进入地下水位时，它会携带这些二氧化碳，顾说。

他还说，在页岩中通常发现两种非常活跃的矿物——黄铁矿和碳酸盐岩。当黄铁矿与水相互作用时，它氧化并产生硫酸。这种酸可以与碳酸盐相互作用，碳酸盐是一种中和酸的碱，但在这个过程中产生二氧化碳。这种二氧化碳可以占据一定深度的孔隙空间，即使是在地下水位之下，顾解释说。

研究人员分别在2006年和2013年从山谷和山脊上钻孔和记录的数据证实了他们的结果。他们还将其与二维模型进行了比较，以显示速度在地下如何变化。2D模型是利用地震波创建的，地震波是用大锤敲击铝板，并记录下沿表面许多位置的地震波。

“地球物理成像是一个非常强大的工具，”顾说。从水井”,我们知道速度随深度变化,从实验室测量的核心材料我们知道矿物学和地球化学变化与深度,并结合知识与2 d地震模型,我们可以推断出矿物学和地球化学变化在流域空间。”

布兰特利说，水中的二氧化碳不会对健康构成威胁。他还说，研究人员可以用地震波“看到”水中的二氧化碳，而之前并不知道它就在水下，这令人兴奋。

她说:“这些测量和我们结合地球化学和地球物理观测的能力，将帮助我们了解我们下面岩石中水塑造的景观。”

除了顾和布兰特利，研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的安德鲁·尼拜尔、丽莎·马、大卫·奥克利和娜塔莉·阿卡尔多;加里·马夫科，斯坦福大学;以及怀俄明大学的布拉德利·卡尔。

美国能源部和国家科学基金会资助了这项研究。