Les réactions chimiques en profondeur affectent la qualité de l'eau, mais les méthodes pour les "voir" prennent du temps, coûteux et de portée limitée. Une équipe de recherche dirigée par Penn State a découvert que les ondes sismiques peuvent aider à identifier ces réactions sous tout un bassin versant et à protéger les ressources en eaux souterraines.

"Environ un tiers de la population américaine tire son eau potable des eaux souterraines, nous devons donc protéger cette précieuse ressource, " a déclaré Susan Brantley, éminent professeur de géosciences et directeur du Earth and Environmental Systems Institute (EESI) à Penn State. "À ce point, cependant, nous ne savons pas où se trouve l'eau ni comment elle se déplace dans le sous-sol parce que nous ne savons pas ce qui s'y trouve. Dans cette étude, nous avons utilisé des ondes sismiques générées par l'homme, similaires aux ondes des tremblements de terre, pour regarder sous la surface. »

Les tests géochimiques traditionnels consistent à forer un trou de forage de 3 à 4 pouces de diamètre dans le sol, la collecte des échantillons de sol et de roche, et broyage et analyse de la composition chimique des échantillons dans un laboratoire.

Le processus est coûteux et laborieux, et il révèle uniquement les informations géochimiques pour ce point spécifique dans un bassin versant plutôt que l'ensemble du bassin versant, dit Xin Gu, un chercheur postdoctoral à l'EESI.

"Dans cette étude, nous avions l'avantage d'avoir préalablement foré des forages, donc nous savions à quelles profondeurs les changements géochimiques se produisent, " a dit Gu. " Nous avons également eu les matériaux des forages, nous connaissions donc l'abondance minérale et la composition des éléments. Ici, nous avons essayé d'élargir nos connaissances en faisant de la géophysique, ce qui est relativement plus efficace.

Les chercheurs ont enregistré des instruments abaissés qui peuvent envoyer et recevoir des signaux, ou même prendre des images haute résolution, dans un trou de forage - un trou de forage de 115 pieds de profondeur foré dans le fond de la vallée à l'observatoire de la zone critique de Susquehanna Shale Hills, financé par la NSF, un site de recherche forestier dans la Stone Valley Forest de Penn State qui se trouve au sommet de la formation de schiste de Rose Hill.

A l'aide d'un outil de diagraphie sismique, les chercheurs ont cartographié le sous-sol. L'outil de diagraphie envoie une onde sismique et enregistre la vitesse de l'onde, ou à quelle vitesse il se déplace, lorsqu'il s'éloigne de l'outil, expliqua Gu. Les chercheurs ont abaissé l'outil de diagraphie dans le trou de forage et ont pris des mesures au fur et à mesure qu'il remontait à la surface. Des vitesses plus rapides indiquaient que les ondes traversaient un substrat rocheux solide ou là où les pores de la roche altérée étaient remplis d'eau. Des vitesses plus lentes indiquaient que les ondes traversaient la roche altérée avec des pores remplis d'air, ou du sol près de la surface.

L'équipe de recherche a assimilé les informations dans un modèle de physique des roches qui a déterminé le changement de composition, changement de porosité et changement de saturation de la roche pour expliquer les vitesses mesurées.

Ils ont découvert que de simples réactions chimiques entre l'eau et l'argile provoquaient de petits changements que les ondes sismiques pouvaient « voir, " selon Brantley. Les changements ont aidé les chercheurs à comprendre où l'eau ouvre des pores dans le sous-sol. Ils rapportent leurs découvertes aujourd'hui (27 juillet) dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les chercheurs ont également découvert de minuscules bulles de gaz dans les eaux souterraines qui, selon eux, sont du dioxyde de carbone profond produit par la respiration microbienne et les réactions minérales dans le sous-sol. Les microbes du sol produisent du dioxyde de carbone comme sous-produit de la respiration, un peu comme le font les humains lorsqu'ils expirent. Lorsque l'eau traverse le sol pour atteindre la nappe phréatique, il peut emporter ce dioxyde de carbone avec lui, dit Gu.

Il existe deux minéraux très réactifs que l'on trouve couramment dans le schiste :les minéraux de pyrite et de carbonate, il ajouta. Lorsque la pyrite interagit avec l'eau, il s'oxyde et génère de l'acide sulfurique. L'acide peut interagir avec le carbonate, une base qui neutralise l'acide mais génère du dioxyde de carbone dans le processus. Ce dioxyde de carbone peut occuper l'espace interstitiel à certaines profondeurs, même sous la nappe phréatique, expliqua Gu.

Les chercheurs ont corroboré leurs résultats avec des données provenant de forages de vallées et de crêtes forés et enregistrés en 2006 et 2013, respectivement. Ils l'ont également comparé à des modèles bidimensionnels montrant comment les vitesses changent dans le sous-sol. Les modèles 2D ont été créés à l'aide d'ondes sismiques générées en frappant une plaque d'aluminium avec un marteau et en enregistrant les ondes à de nombreux endroits le long de la surface.

« L'imagerie géophysique est un outil assez puissant, " dit Gu. " Des forages, nous savons comment la vitesse change avec la profondeur, à partir des mesures en laboratoire sur les matériaux de la carotte, nous savons ce que la minéralogie et la géochimie changent avec la profondeur, et en combinant ces connaissances avec les modèles sismiques 2-D, nous pouvons déduire comment la minéralogie et la géochimie changent dans l'espace à travers le bassin versant. »

Le dioxyde de carbone dans l'eau ne présente pas de risque pour la santé, dit Brantley, ajoutant qu'il est excitant que les chercheurs puissent le "voir" avec des ondes sismiques sans avoir su auparavant qu'il se trouvait là-bas.

« Ces mesures et notre capacité à combiner des observations géochimiques et géophysiques nous aideront à comprendre le paysage sculpté par l'eau dans les roches sous nous, " elle a dit.