Las reacciones químicas en las profundidades del suelo afectan la calidad del agua, pero los métodos para "verlos" requieren mucho tiempo, caro y de alcance limitado. Un equipo de investigación dirigido por Penn State descubrió que las ondas sísmicas pueden ayudar a identificar estas reacciones debajo de una cuenca hidrográfica completa y proteger los recursos de agua subterránea.

"Aproximadamente un tercio de la población de EE. UU. Obtiene el agua potable de las aguas subterráneas, por lo que debemos proteger este valioso recurso "dijo Susan Brantley, distinguido profesor de geociencias y director del Earth and Environmental Systems Institute (EESI) en Penn State. "En este punto, sin embargo, no sabemos dónde está el agua o cómo se mueve en el subsuelo porque no sabemos qué hay ahí abajo. En este estudio usamos ondas sísmicas generadas por humanos, similares a las ondas de los terremotos, para mirar debajo de la superficie ".

Las pruebas geoquímicas tradicionales implican la perforación de un pozo de 3 a 4 pulgadas de diámetro profundo en el suelo, recoger las muestras de suelo y roca, y triturar y analizar la composición química de las muestras en un laboratorio.

El proceso es caro y laborioso, y solo revela la información geoquímica para ese punto específico en una cuenca en lugar de toda la cuenca, dijo Xin Gu, becario postdoctoral en EESI.

"En este estudio, teníamos la ventaja de haber perforado pozos previamente, así sabíamos a qué profundidad ocurren los cambios geoquímicos, "Gu dijo." También teníamos los materiales de los pozos, así conocíamos la abundancia de minerales y la composición de los elementos. Aquí intentamos ampliar nuestro conocimiento haciendo geofísica, que es relativamente más eficiente ".

Los investigadores registraron:instrumentos bajados que pueden enviar y recibir señales, o incluso tomar imágenes de alta resolución, en un pozo:un pozo de 115 pies de profundidad perforado en el fondo del valle en el Observatorio de la Zona Crítica Susquehanna Shale Hills, financiado por la NSF, un sitio de investigación boscoso en el bosque Stone Valley de Penn State que se asienta sobre la formación de esquisto Rose Hill.

Usando una herramienta de registro sísmico, los investigadores mapearon el subsuelo. La herramienta de registro envía una onda sísmica y registra la velocidad de la onda, o qué tan rápido se mueve, a medida que se aleja de la herramienta, explicó Gu. Los investigadores bajaron la herramienta de registro al pozo y tomaron medidas a medida que volvía a la superficie. Velocidades más rápidas indicaron que las ondas viajaron a través de un lecho rocoso sólido o donde los poros de la roca erosionada están llenos de agua. Velocidades más lentas indicaron que las ondas viajaron a través de rocas erosionadas con poros llenos de aire, o suelo cerca de la superficie.

El equipo de investigación asimiló la información en un modelo de física de rocas que determinó el cambio de composición, cambio de porosidad y cambio de saturación de la roca para explicar las velocidades medidas.

Descubrieron que las reacciones químicas simples entre el agua y la arcilla provocaban pequeños cambios que las ondas sísmicas podían "ver, "según Brantley. Los cambios ayudaron a los investigadores a comprender dónde el agua abre los poros en el subsuelo. Informan sus hallazgos hoy (27 de julio) en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Los investigadores también encontraron pequeñas burbujas de gas en el agua subterránea que especulan que son dióxido de carbono profundo producido por la respiración microbiana y reacciones minerales en el subsuelo. Los microbios del suelo producen dióxido de carbono como subproducto de la respiración, al igual que los humanos cuando exhalan. Cuando el agua atraviesa el suelo en su camino hacia el nivel freático, puede llevar este dióxido de carbono consigo, Dijo Gu.

Hay dos minerales muy reactivos que se encuentran comúnmente en la pizarra:los minerales de pirita y carbonato, añadió. Cuando la pirita interactúa con el agua, oxida y genera ácido sulfúrico. El ácido puede interactuar con el carbonato, una base que neutraliza el ácido pero genera dióxido de carbono en el proceso. Este dióxido de carbono puede ocupar espacio poroso a ciertas profundidades, incluso debajo del nivel freático, explicó Gu.

Los investigadores corroboraron sus resultados con datos tomados de pozos perforados y registrados en valles y crestas en 2006 y 2013, respectivamente. También lo compararon con modelos bidimensionales que muestran cómo cambian las velocidades en el subsuelo. Los modelos 2-D se crearon utilizando ondas sísmicas generadas al golpear una placa de aluminio con un mazo y registrando las ondas en muchos lugares a lo largo de la superficie.

"Las imágenes geofísicas son una herramienta muy poderosa, "dijo Gu." Desde los pozos, sabemos cómo cambia la velocidad con la profundidad, a partir de las mediciones de laboratorio de los materiales del núcleo, sabemos cuáles son los cambios de mineralogía y geoquímica con la profundidad, y al combinar ese conocimiento con los modelos sísmicos 2-D, podemos inferir cómo la mineralogía y la geoquímica cambian espacialmente a lo largo de la cuenca ".

El dióxido de carbono en el agua no representa un riesgo para la salud. dijo Brantley, agregando que es emocionante que los investigadores pudieran "verlo" con ondas sísmicas sin haber sabido previamente que estaba allí.

"Estas mediciones y nuestra capacidad para combinar observaciones geoquímicas y geofísicas nos ayudarán a comprender el paisaje esculpido por el agua en las rocas debajo de nosotros". " ella dijo.