A medida que el cambio climático aumenta el número de fenómenos meteorológicos extremos, como las megasequías, la gestión de las aguas subterráneas es clave para mantener el suministro de agua. Pero las herramientas actuales de monitoreo de aguas subterráneas son costosas o insuficientes para acuíferos más profundos, lo que limita nuestra capacidad para monitorear y practicar una gestión sostenible en áreas pobladas.

Ahora, un nuevo artículo publicado en Nature Communications une la sismología y la hidrología con una aplicación piloto que utiliza sismómetros como una forma rentable de monitorear y mapear las fluctuaciones del agua subterránea.

"Nuestras mediciones son independientes y complementarias de las observaciones tradicionales", dice Shujuan Mao Ph.D., autor principal del artículo. "Proporciona una nueva forma de dictar la gestión de las aguas subterráneas y evaluar el impacto de la actividad humana en la configuración de los sistemas hidrológicos subterráneos".

Mao, actualmente becaria posdoctoral Thompson en el departamento de Geofísica de la Universidad de Stanford, realizó la mayor parte de la investigación durante su doctorado. en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. Otros colaboradores del artículo incluyen al presidente del departamento de EAPS y profesor de Ciencias Planetarias y de la Tierra de Schlumberger, Robert van der Hilst, así como a Michel Campillo y Albaanne Lecointre del Institut des Sciences de la Terre en Francia.

Si bien actualmente se utilizan algunos métodos diferentes para medir el agua subterránea, todos tienen inconvenientes notables. Los cabezales hidráulicos, que perforan el suelo y los acuíferos, son costosos y solo pueden brindar información limitada en el lugar específico en el que se colocan. Las técnicas no invasivas basadas en sensores aéreos o satelitales carecen de la sensibilidad y resolución necesarias para observar profundidades más profundas.

Mao propone utilizar sismómetros, que son instrumentos que se utilizan para medir las vibraciones del suelo, como las ondas producidas por los terremotos. Pueden medir la velocidad sísmica, que es la velocidad de propagación de las ondas sísmicas. Las mediciones de la velocidad sísmica son exclusivas del estado mecánico de las rocas, o las formas en que las rocas responden a su entorno físico, y pueden decirnos mucho sobre ellas.

La idea de utilizar la velocidad sísmica para caracterizar los cambios de propiedades en las rocas se ha utilizado durante mucho tiempo en el análisis a escala de laboratorio, pero solo recientemente los científicos han podido medirla de forma continua en entornos geológicos a escala realista. Para el monitoreo de acuíferos, Mao y su equipo asocian la velocidad sísmica con la propiedad hidráulica, o el contenido de agua, en las rocas.

Las mediciones de velocidad sísmica utilizan campos sísmicos ambientales, o ruido de fondo, registrados por sismómetros. "La superficie de la Tierra siempre está vibrando, ya sea debido a las olas del mar, los vientos o las actividades humanas", explica. "La mayoría de las veces, esas vibraciones son realmente pequeñas y los sismólogos tradicionales las consideran 'ruido'. Pero en los últimos años, los científicos han demostrado que los registros continuos de ruido contienen una gran cantidad de información sobre las propiedades y estructuras del interior de la Tierra".

Para extraer información útil de los registros de ruido, Mao y su equipo utilizaron una técnica llamada interferometría sísmica, que analiza la interferencia de las ondas para calcular la velocidad sísmica del medio por el que pasan las ondas. Para su aplicación piloto, Mao y su equipo aplicaron este análisis a cuencas en la región metropolitana de Los Ángeles, un área que sufre sequías cada vez peores y una población en crecimiento.

Al hacer esto, Mao y su equipo pudieron ver cómo los acuíferos cambiaban físicamente con el tiempo en alta resolución. Sus mediciones de velocidad sísmica verificaron las medidas tomadas por los cabezales hidráulicos durante los últimos 20 años, y las imágenes coincidieron muy bien con los datos satelitales. También pudieron ver diferencias en cómo cambiaban las áreas de almacenamiento entre los condados del área que usaban diferentes prácticas de bombeo de agua, lo cual es importante para desarrollar un protocolo de gestión del agua.

Mao también llama al uso de los sismómetros un trato de "compre uno y obtenga uno gratis", ya que los sismómetros ya están en uso para estudios tectónicos y de terremotos no solo en California, sino en todo el mundo, y podrían ayudar a "evitar el alto costo de perforar y mantener pozos de monitoreo de agua subterránea", dice ella.

Mao enfatiza que este estudio es solo el comienzo de la exploración de posibles aplicaciones de la interferometría de ruido sísmico de esta manera. Se puede usar para monitorear otros sistemas cercanos a la superficie, como los sistemas geotérmicos o volcánicos, y Mao lo está aplicando actualmente a los campos de petróleo y gas. Pero en lugares como California que actualmente experimentan megasequías y que dependen del agua subterránea para una gran parte de sus necesidades de agua, este tipo de información es clave para la gestión sostenible del agua.

"Es realmente importante, especialmente ahora, caracterizar estos cambios en el almacenamiento de agua subterránea para que podamos promover la formulación de políticas basadas en datos para ayudarlos a prosperar bajo el creciente estrés hídrico", dice. + Explora más

Potencial de los modos de fuga para revelar la estructura subterránea

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.