Le reazioni chimiche in profondità sotto terra influenzano la qualità dell'acqua, ma i metodi per "vederli" richiedono molto tempo, costoso e di portata limitata. Un team di ricerca guidato dalla Penn State ha scoperto che le onde sismiche possono aiutare a identificare queste reazioni in un intero bacino idrico e proteggere le risorse idriche sotterranee.

"Circa un terzo della popolazione degli Stati Uniti ottiene l'acqua potabile dalle acque sotterranee, quindi dobbiamo proteggere questa preziosa risorsa, " ha detto Susan Brantley, illustre professore di geoscienze e direttore dell'Earth and Environmental Systems Institute (EESI) alla Penn State. "A questo punto, però, non sappiamo dove sia l'acqua o come si muova nel sottosuolo perché non sappiamo cosa c'è laggiù. In questo studio abbiamo usato onde sismiche generate dall'uomo, simili alle onde dei terremoti, per guardare sotto la superficie".

I test geochimici tradizionali comportano la perforazione di un pozzo di trivellazione da 3 a 4 pollici di diametro in profondità nel terreno, raccolta dei campioni di terreno e roccia, e macinazione e analisi della composizione chimica dei campioni in laboratorio.

Il processo è costoso e laborioso, e rivela solo le informazioni geochimiche per quel punto specifico in uno spartiacque piuttosto che per l'intero bacino idrografico, disse Xin Gu, un borsista post-dottorato in EESI.

"In questo studio, abbiamo avuto il vantaggio di avere precedentemente perforato i pozzi, quindi sapevamo a quali profondità avvengono i cambiamenti geochimici, " Gu ha detto. "Abbiamo anche avuto i materiali dai pozzi, quindi conoscevamo l'abbondanza di minerali e la composizione degli elementi. Qui abbiamo cercato di ampliare le nostre conoscenze facendo geofisica, che è relativamente più efficiente."

I ricercatori hanno registrato strumenti abbassati in grado di inviare e ricevere segnali, o anche scattare immagini ad alta risoluzione, in un pozzo di trivellazione:un pozzo di trivellazione profondo 115 piedi perforato nel fondovalle presso l'Osservatorio della zona critica di Susquehanna Shale Hills, finanziato dall'NSF, un sito di ricerca boschivo nella Stone Valley Forest di Penn State che si trova in cima alla formazione di scisto di Rose Hill.

Utilizzando uno strumento di registrazione sismica, i ricercatori hanno mappato il sottosuolo. Lo strumento di registrazione invia un'onda sismica e registra la velocità dell'onda, o quanto velocemente si muove, mentre si allontana dallo strumento, ha spiegato Gu. I ricercatori hanno abbassato lo strumento di registrazione nel pozzo e hanno effettuato misurazioni mentre risale in superficie. Velocità più elevate hanno indicato che le onde hanno viaggiato attraverso il solido substrato roccioso o dove i pori della roccia alterata sono pieni d'acqua. Le velocità più lente indicavano che le onde viaggiavano attraverso la roccia alterata con pori pieni d'aria, o terreno vicino alla superficie.

Il team di ricerca ha assimilato le informazioni in un modello di fisica delle rocce che ha determinato il cambiamento di composizione, variazione di porosità e variazione di saturazione della roccia per spiegare le velocità misurate.

Scoprirono che semplici reazioni chimiche tra acqua e argilla causavano piccoli cambiamenti che le onde sismiche potevano "vedere, " secondo Brantley. I cambiamenti hanno aiutato i ricercatori a capire dove l'acqua apre i pori nel sottosuolo. Riferiscono i loro risultati oggi (27 luglio) nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

I ricercatori hanno anche scoperto minuscole bolle di gas nelle acque sotterranee che ipotizzano sia anidride carbonica profonda prodotta dalla respirazione microbica e dalle reazioni minerali nel sottosuolo. I microbi del suolo producono anidride carbonica come sottoprodotto della respirazione, proprio come fanno gli umani quando espirano. Quando l'acqua passa attraverso il terreno per raggiungere la falda freatica, può portare con sé questa anidride carbonica, ha detto Gu.

Ci sono due minerali molto reattivi che si trovano comunemente nello scisto:pirite e minerali di carbonato, Ha aggiunto. Quando la pirite interagisce con l'acqua, si ossida e genera acido solforico. L'acido può interagire con il carbonato, una base che neutralizza l'acido ma genera anidride carbonica nel processo. Questa anidride carbonica può occupare lo spazio dei pori a determinate profondità, anche sotto la falda freatica, ha spiegato Gu.

I ricercatori hanno confermato i loro risultati con i dati presi dai pozzi di valle e di cresta perforati e registrati nel 2006 e nel 2013, rispettivamente. Lo hanno anche confrontato con modelli bidimensionali che mostrano come cambiano le velocità nel sottosuolo. I modelli 2-D sono stati creati utilizzando onde sismiche generate colpendo una lastra di alluminio con una mazza e registrando le onde in molti punti lungo la superficie.

"L'imaging geofisico è uno strumento piuttosto potente, " disse Gu. "Dai pozzi, sappiamo come la velocità cambia con la profondità, dalle misurazioni di laboratorio sui materiali del nucleo sappiamo quali sono la mineralogia e i cambiamenti geochimici con la profondità, e combinando tale conoscenza con i modelli sismici 2-D, possiamo dedurre come la mineralogia e la geochimica cambiano spazialmente attraverso lo spartiacque".

L'anidride carbonica nell'acqua non rappresenta un rischio per la salute, disse Brantley, aggiungendo che è eccitante che i ricercatori possano "vederlo" con le onde sismiche senza aver saputo in precedenza che fosse laggiù.

"Queste misurazioni e la nostra capacità di combinare osservazioni geochimiche e geofisiche ci aiuteranno a comprendere il paesaggio scolpito dall'acqua nelle rocce sotto di noi, " lei disse.