Poiché il cambiamento climatico aumenta il numero di eventi meteorologici estremi, come le mega siccità, la gestione delle acque sotterranee è fondamentale per sostenere l'approvvigionamento idrico. Ma gli attuali strumenti di monitoraggio delle acque sotterranee sono costosi o insufficienti per le falde acquifere più profonde, limitando la nostra capacità di monitorare e praticare la gestione sostenibile nelle aree popolate.

Ora, un nuovo articolo pubblicato su Nature Communications collega la sismologia e l'idrologia con un'applicazione pilota che utilizza i sismometri come un modo conveniente per monitorare e mappare le fluttuazioni delle acque sotterranee.

"Le nostre misurazioni sono indipendenti e complementari alle osservazioni tradizionali", afferma Shujuan Mao Ph.D., autore principale dell'articolo. "Fornisce un nuovo modo per dettare la gestione delle acque sotterranee e valutare l'impatto dell'attività umana sulla modellazione dei sistemi idrologici sotterranei."

Mao, attualmente Thompson Postdoctoral Fellow nel dipartimento di geofisica della Stanford University, ha condotto la maggior parte della ricerca durante il suo dottorato di ricerca. presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell'Atmosfera e del Planetario (EAPS) del MIT. Altri contributori al documento includono il presidente del dipartimento EAPS e il professore Schlumberger di scienze della Terra e Planetarie Robert van der Hilst, nonché Michel Campillo e Albanne Lecointre dell'Institut des Sciences de la Terre in Francia.

Sebbene ci siano alcuni metodi diversi attualmente utilizzati per misurare le acque sotterranee, tutti presentano notevoli inconvenienti. Le teste idrauliche, che perforano il terreno e le falde acquifere, sono costose e possono fornire solo informazioni limitate nella posizione specifica in cui sono collocate. Le tecniche non invasive basate sul rilevamento satellitare o aereo non hanno la sensibilità e la risoluzione necessarie per osservare le profondità più profonde.

Mao propone di utilizzare i sismometri, che sono strumenti utilizzati per misurare le vibrazioni del suolo come le onde prodotte dai terremoti. Possono misurare la velocità sismica, che è la velocità di propagazione delle onde sismiche. Le misurazioni della velocità sismica sono esclusive dello stato meccanico delle rocce o del modo in cui le rocce rispondono al loro ambiente fisico e possono dirci molto su di esse.

L'idea di utilizzare la velocità sismica per caratterizzare i cambiamenti di proprietà nelle rocce è stata a lungo utilizzata nelle analisi su scala di laboratorio, ma solo di recente gli scienziati sono stati in grado di misurarla continuamente in contesti geologici su scala realistica. Per il monitoraggio della falda acquifera, Mao e il suo team associano la velocità sismica alla proprietà idraulica, o al contenuto d'acqua, nelle rocce.

Le misurazioni della velocità sismica utilizzano i campi sismici ambientali, o il rumore di fondo, registrati dai sismometri. "La superficie terrestre vibra sempre, a causa delle onde oceaniche, dei venti o delle attività umane", spiega. "Il più delle volte quelle vibrazioni sono davvero piccole e sono considerate 'rumore' dai sismologi tradizionali. Ma negli ultimi anni gli scienziati hanno dimostrato che le registrazioni di rumore continuo contengono in effetti una ricchezza di informazioni sulle proprietà e le strutture dell'interno della Terra".

Per estrarre informazioni utili dalle registrazioni del rumore, Mao e il suo team hanno utilizzato una tecnica chiamata interferometria sismica, che analizza l'interferenza delle onde per calcolare la velocità sismica del mezzo attraversato dalle onde. Per la loro applicazione pilota, Mao e il suo team hanno applicato questa analisi ai bacini della regione metropolitana di Los Angeles, un'area che soffre di un peggioramento della siccità e di una popolazione in crescita.

In questo modo, Mao e il suo team sono stati in grado di vedere come le falde acquifere sono cambiate fisicamente nel tempo ad alta risoluzione. Le loro misurazioni della velocità sismica hanno verificato le misurazioni effettuate dalle teste idrauliche negli ultimi 20 anni e le immagini corrispondevano molto bene ai dati satellitari. Potrebbero anche vedere differenze nel modo in cui le aree di stoccaggio sono cambiate tra le contee dell'area che utilizzavano diverse pratiche di pompaggio dell'acqua, il che è importante per lo sviluppo del protocollo di gestione dell'acqua.

Mao definisce anche l'uso dei sismometri un affare "compra uno prendi uno gratis", dal momento che i sismometri sono già utilizzati per studi sui terremoti e sulla tettonica non solo in tutta la California, ma in tutto il mondo, e potrebbero aiutare a "evitare i costosi costi di perforazione e manutenzione dedicata pozzi di monitoraggio delle acque sotterranee", afferma.

Mao sottolinea che questo studio è solo l'inizio di esplorare le possibili applicazioni dell'interferometria del rumore sismico in questo modo. Può essere utilizzato per monitorare altri sistemi vicini alla superficie, come sistemi geotermici o vulcanici, e Mao lo sta attualmente applicando a giacimenti di petrolio e gas. Ma in luoghi come la California che stanno attualmente vivendo mega siccità e che dipendono dalle acque sotterranee per gran parte del loro fabbisogno idrico, questo tipo di informazioni è fondamentale per una gestione sostenibile dell'acqua.

"È davvero importante, soprattutto ora, caratterizzare questi cambiamenti nello stoccaggio delle acque sotterranee in modo da poter promuovere l'elaborazione di politiche informate sui dati per aiutarli a prosperare in condizioni di stress idrico crescente", afferma. + Esplora ulteriormente

Possibilità di perdita di modalità per rivelare la struttura sotterranea

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.