Alors que le changement climatique augmente le nombre d'événements météorologiques extrêmes, tels que les méga-sécheresses, la gestion des eaux souterraines est essentielle pour maintenir l'approvisionnement en eau. Mais les outils actuels de surveillance des eaux souterraines sont soit coûteux, soit insuffisants pour les aquifères plus profonds, ce qui limite notre capacité à surveiller et à pratiquer une gestion durable dans les zones peuplées.

Maintenant, un nouvel article publié dans Nature Communications relie la sismologie et l'hydrologie avec une application pilote qui utilise des sismomètres comme moyen rentable de surveiller et de cartographier les fluctuations des eaux souterraines.

"Nos mesures sont indépendantes et complémentaires des observations traditionnelles", déclare Shujuan Mao Ph.D., auteur principal de l'article. "Il offre une nouvelle façon de dicter la gestion des eaux souterraines et d'évaluer l'impact de l'activité humaine sur la formation des systèmes hydrologiques souterrains."

Mao, actuellement boursière postdoctorale Thompson au département de géophysique de l'Université de Stanford, a mené la plupart des recherches pendant son doctorat. au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT. Parmi les autres contributeurs à l'article figurent Robert van der Hilst, directeur du département EAPS et professeur Schlumberger de sciences de la Terre et des planètes, ainsi que Michel Campillo et Albanne Lecointre de l'Institut des sciences de la Terre en France.

Bien qu'il existe quelques méthodes différentes actuellement utilisées pour mesurer les eaux souterraines, elles présentent toutes des inconvénients notables. Les têtes hydrauliques, qui forent à travers le sol et dans les aquifères, sont coûteuses et ne peuvent donner que des informations limitées à l'endroit précis où elles sont placées. Les techniques non invasives basées sur la détection par satellite ou aéroportée n'ont pas la sensibilité et la résolution nécessaires pour observer des profondeurs plus profondes.

Mao propose d'utiliser des sismomètres, qui sont des instruments utilisés pour mesurer les vibrations du sol telles que les ondes produites par les tremblements de terre. Ils peuvent mesurer la vitesse sismique, c'est-à-dire la vitesse de propagation des ondes sismiques. Les mesures de vitesse sismique sont uniques à l'état mécanique des roches, ou à la façon dont les roches réagissent à leur environnement physique, et peuvent nous en dire beaucoup à leur sujet.

L'idée d'utiliser la vitesse sismique pour caractériser les changements de propriétés dans les roches a longtemps été utilisée dans l'analyse à l'échelle du laboratoire, mais ce n'est que récemment que les scientifiques ont pu la mesurer en continu dans des contextes géologiques à l'échelle réaliste. Pour la surveillance des aquifères, Mao et son équipe associent la vitesse sismique à la propriété hydraulique, ou à la teneur en eau, des roches.

Les mesures de vitesse sismique utilisent des champs sismiques ambiants, ou bruit de fond, enregistrés par des sismomètres. "La surface de la Terre vibre en permanence, que ce soit à cause des vagues océaniques, des vents ou des activités humaines", explique-t-elle. "La plupart du temps, ces vibrations sont vraiment faibles et sont considérées comme du" bruit "par les sismologues traditionnels. Mais ces dernières années, les scientifiques ont montré que les enregistrements de bruit continu contiennent en fait une mine d'informations sur les propriétés et les structures de l'intérieur de la Terre."

Pour extraire des informations utiles des enregistrements de bruit, Mao et son équipe ont utilisé une technique appelée interférométrie sismique, qui analyse l'interférence des ondes pour calculer la vitesse sismique du milieu traversé par les ondes. Pour leur application pilote, Mao et son équipe ont appliqué cette analyse aux bassins de la région métropolitaine de Los Angeles, une zone souffrant d'une aggravation de la sécheresse et d'une population croissante.

En faisant cela, Mao et son équipe ont pu voir comment les aquifères changeaient physiquement au fil du temps à haute résolution. Leurs mesures de vitesse sismique ont vérifié les mesures prises par les têtes hydrauliques au cours des 20 dernières années, et les images correspondaient très bien aux données satellitaires. Ils ont également pu voir des différences dans la façon dont les zones de stockage ont changé entre les comtés de la région qui utilisaient différentes pratiques de pompage de l'eau, ce qui est important pour l'élaboration d'un protocole de gestion de l'eau.

Mao appelle également l'utilisation des sismomètres une offre "achetez-en un, obtenez-en un gratuitement", puisque les sismomètres sont déjà utilisés pour les études sismiques et tectoniques non seulement en Californie, mais dans le monde entier, et pourraient aider à "éviter le coût élevé du forage et de l'entretien dédié puits de surveillance des eaux souterraines », dit-elle.

Mao souligne que cette étude n'est que le début de l'exploration des applications possibles de l'interférométrie de bruit sismique de cette manière. Il peut être utilisé pour surveiller d'autres systèmes proches de la surface, tels que les systèmes géothermiques ou volcaniques, et Mao l'applique actuellement aux champs de pétrole et de gaz. Mais dans des endroits comme la Californie qui connaissent actuellement des méga-sécheresses et qui dépendent des eaux souterraines pour une grande partie de leurs besoins en eau, ce type d'informations est essentiel pour une gestion durable de l'eau.

"Il est vraiment important, surtout maintenant, de caractériser ces changements dans le stockage des eaux souterraines afin que nous puissions promouvoir l'élaboration de politiques fondées sur des données pour les aider à prospérer dans un stress hydrique croissant", dit-elle. + Explorer plus loin

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Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.